Ingenieria de la Industria Alimentaria - Vol. 3 Operaciones de Conservacion de Alimentos - Francisco Rodriguez

P r o y e c t o E d i t o r i a l CIENCIAS QUÍM ICAS

Director: Guillermo Calleja Pardo

C o l e c c i ó n :

Tecnología Bioquímica y de los Alimentos Director: Jasé Agitado A lonso

INGENIERÍA DE LA INDUSTRIA ALIMENTARIA

Volumen III OPERACIONES DE CONSERVACIÓN

DE ALIMENTOS

Francisco Rodríguez Somolinos (editor) José Aguado Alonso

José Antonio Calles Martín Pablo Cañizares Cañizares

Baldomero López Pérez Aurora Santos López

David Pedro Serrano Granados

EDITORIALSINTESIS

Consulte nuestra página web: www.síntesísxom En ella encontrará el catálogo completo y comentado___________________________________________________________ 3

© F Rodríguez (editor)L Aguado, J. A. Calles,, P, Cañizares, S. López,

A. Santos v D. R Serrano

© EDITORIAL SÍNTESIS, S, A. VaJlchcrmoso, 34 - 2S0I5 Madrid

Teléf,: 91 593 20 9S hUp://www,sÍntesis.com

Depósito Legal: M. 1.534-2002 ISBN: 84-7738-939-X

Impreso en España - Prinled in Spain

ÍNDICE

P R Ó L O G O ................................................................................................................................................. 9

1. CONSERVACIÓN DE ALIMENTOS POR EL C A L O R ....................................................... I I

1.1. Destrucción térmica de los microorganismos .......................................................................... 131.1.1. Tipos de microorganismos ................ 131.1.2. Cinética .......................................... 161.1.3. Tiempo de reducción dec im al ............................................................................... 171.1.4. O rden de proceso ............................... IB1.1.5. Tiempo de muerte térmica ....... 191.1.6. Termorresistencia ...................... 191.1.7. Relaciones entre parámetros cinéticos ................................... 201.1.8. Degradación térmica de los alim entos........................................................................... 22

1.2. Esterilización de alimentos envasados...................................................................................... 221.2.1. Transmisión de calor en el proceso ................................................................................ 231.2.2. Cálculo del tiempo de operación .................................................................................... 251.2.3. Operaciones previas .............................................................................................. 311.2.4. Procedimiento operativo ................................................................ 321.2.5. Equipos ..................................................................................................... 33

1.3. Esterilización de alimentos sin envasar .................................................................................... 401.3.1. Procesado aséptico ............................................................................................................ 411.3.2. Sistemas de intercambio de calor ................................................................................... 431.3.3. Esterilización de envases ......................................................................... 481.3.4. Esterilización de eq u ip o s .................................................................................................. 49

1.4. Pasteurización .................................................................................................... 491.4.1. Fundamento ............................................................................................ 501.4.2. Equipos ..................................................................................................... 50

1.5. E scaldado........................................................................................................................................ 521.5.1. Fundamento ........................................................................................................................ 531.5.2. Equipos ............................................ 54

1.6. Tecnologías avanzadas en la esterilización de alimentos ...................................................... 571.7. Efectos del calor sobre los alim entos........................................................................................ 61

1.7.1. Esterilización ...................................................................................................................... 611.7.2. Pasteurización ..................................................................................................................... 631.7.3. E sca ldado ............................................................................................................................. 64

2. L A IR R A D IA C IÓ N D E A LIM EN TO S........................................................................................... 67

2.1. Tipos de radiación ........................................................................................................................... 692.2. Interacciones de la radiación ionizante con la materia .......................................................... 712.3. Concepto de d o sis ............................................................................................................................ 722.4. Aplicaciones en la industria de alim entos................ 73

2.4.1. Destrucción de microorganismos .................................................................................... 732.4.2. Interrupción de procesos biológicos....................................................................... 75

2.5. Estado actual de la tecnología ........................................................................................... 762.6. Insta lac iones........................................................ 77

2.6.1. lrradiadores con fuentes isotópicas ............................................................................. 782.6.2. Aceleradores de electrones ............................................................................................... 832.6.3. Capacidad de producción .................................................................................................. 84

2.7. D o sim e tr ía .......................................................................................................................... 852.7.1. Dosímetros líqu idos..................................... 852.7.2. Dosímetros sólidos ................... 852.7.3. Dosímetros ca lo rim étricos................................ 85

2.8. Calidad de los alimentos irra d ia d o s ............................................................................................ 85

3. CONSERVACIÓN D E A LIM ENTOS POR EL FRÍO. C O N G E L A C IÓ N ........................... 89

3.1. Aplicaciones del frío ............................... 913.2. Producción de frío m ecán ico ........................................................................................... 92

3.2.1. E l diagrama entálpico ..................................................................... 933.2.2. R efrige ran tes...................................... :................................................................................. 933.2.3. Estudio del frío mecánico en el diagrama entálpico .................................................... 94

3.3. Frío criogénico ..................................... 1003.4. Congelación ..................................... 101

3.4.1. Formación de cristales ..................... 1013.4.2. Curvas de congelación ..................... 1043.4.3. La cadena del frío ................................................................................................................ 1053.4.4. Recristalización ...................... 105

3.5. Cálculo de la carga de refrigeración ................................................................................... 1073.6. Tiempo de congelación .............................................................................. 1093.7. Descongelación .................................................................................................................. 1113.8. M étodos e instalaciones de congelación.................................................................................... 112

3.8.1. M étodos de contacto con superficie fría ................................................................ 1143.8.2. M étodos de contacto directo con aire frío ............................................................. 1153.8.3. M étodos por in m e rs ió n ...................................................................................... 123

4. R E FR IG ER A C IÓ N Y ATM ÓSFERAS PR O TEC TO R A S........................................................ 129

4.1. Refrigeración ................................................................................................................................. 1314.1.1. Efectos del descenso de temperaturas ......................................................................... 131

4.1.2. Factores que determinan la vida útil de los alimentos refrigerados ........................ 1324.1.3. Cálculos frigoríficos en la refrigeración ........................................................................ 134

4.2. Atmósferas protectoras ................................. 1394.2.1. Tipos de atmósferas p ro tectoras ........................................................................... 1394.2.2. Envasado a vacío ................................... 1404.23. Envasado en atmósferas modificadas ........................................................................... 1404.2.4. Almacenamiento en atmósferas controladas ............................................................... 149

5. CONSERVACIÓN D E ALIMENTOS POR REDUCCIÓN D E SU ACTIVIDAD DE AGUA. S E C A D O ........................................................................................................................ 151

5.1. Psicrom etría................................................................................................................................... 1555.1.1. Propiedades del aire seco ................................................................................ 1555.1.2. Propiedades del vapor de a g u a .............................................................. 1555.1.3. Propiedades de las mezclas aire-vapor de a g u a .......................................... 1555.1.4. Diagrama psicr orné tr ic o ................................................................................................... 1585.1.5. Procesos psicrom étricos.............................................................. 159

5.2. Actividad de a g u a ......................................................................................................................... 1645.2.1. Contenido de humedad en equilibrio ............................................................................ 1655.2.2. Isotermas de so rción ......................................................................................................... 1655.2.3. Modclización de isotermas de sorción........................................................................... 1665.2.4. Efecto de la temperatura sóbrela aw ............................................................................. 1675.2.5. Efecto de la «M sobre los alim entos................................................................................ 168

5.3. Secado con aire caliente .............................................................................................................. 1695.3.1. Cálculo del tiempo de secado ......................................................................................... 1715.3.2. Consideraciones energéticas ........................................................................................... 176

5.4. Secado por contacto con una superficie caliente .................................................................... 1775.4.1. Cálculo del tiempo de operación................................................. 1785.4.2. Consideraciones energéticas ........................................................................................... 180

5.5. Equipos de secado convencionales ........................................................................................... 1805.5.1. Secaderos convectivos...................................................................................................... 1815.5.2. Secaderos conductivos .......... 192

6. CONSERVACIÓN D E ALIMENTOS POR REDUCCIÓN D E SU ACTIVIDAD DE AGUA. OTRAS TÉCNICAS DE HIDRATACIÓN........................................................... 199

6.1. Liofilización......................................................... 2026.1.1. Fundamento teórico ............................... 2026.1.2. Cálculo del tiempo de operación .......................................................................... 2056.1.3. Liofilizadores............................................ 206

6.2. Concentración por congelación..................... 2086.2.1. Fundamento teórico ............................... 2096.2.2. Concentradores por congelación .................................................................................... 210

6.3. Evaporación ............................................... 213

6.3.1. Energía necesaria ......... 2136.3.2. Velocidad de intercambio de calor .............................................................................. 2146.3.3. Evaporador de simple efecto .......................................................................................... 2176.3.4. Evaporador de múltiple efecto ........ 2206.3.5. Tipos de evaporadores ......................................................... 226

6.4. Técnicas avanzadas............... 2316.5. Calidad de los alimentos deshidratados .................................................................................. 232

6.5.1. Posibles alteraciones ..................... 2326.5.2. Liofilización frente a secado convencional .................................................................. 2356.5.3. Evaporación ...................................... 2366.5.4. Rchidratabilidad ................................................................................................................ 237

A P É N D IC E ................................................................................................................................................ 241

A .l. Diagrama presión-entalpia del refrigerante R-134a: zona del vapor sa tu ra d o ............. 243A.2. Diagrama presión-entalpia del refrigerante R-134a: zona del vapor recalen tado 244A .3. Diagrama presión-entalpia del refrigerante R-12: zona del vapor saturado .................. 245A.4. Diagrama presión-entalpia del refrigerante R-12: zona del vapor recalen tado 246A.5. Diagrama presión-entalpia del refrigerante R-717: zona del vapor sa tu ra d o ................ 247A.6. Diagrama presión-entalpia del refrigerante R-7172: zona del vapor recalen tado 248A.7. Diagrama psucométrico del sistema aire-vapor de agua .................................................... 249

BIBLIOGRAFÍA 251

PROLOGO

D urante siglos, la producción de alimentos se ha llevado a cabo de forma totalmente artesanal y empírica, con nulo o escaso conocimiento de la composición real de ios mismos y de los cambios que en ellos se producían durante su elaboración. También existían procedimientos para su conservación (salazón, desecación, ele.) desarrollados sin conocimiento de su mecanismo de actuación, que eran aplicables a determinados tipos de alimentos. Por ello, en la mayoría de los casos, el consumo era de temporada y en zonas geográficamente próximas al lugar de producción.

La concentración de la población en grandes núcleos urbanos y las exigencias de la calidad obligaron a la Industria Alimentaria a revisar sus métodos de producción en profundidad incorporando sistemas de trabajo más modernos y los avances surgidos en otras ramas de la ciencia y la tecnología.

E n la actualidad, la producción y transformación de los alimentos se lleva a cabo, mayo- ritariameníe, en grandes fábricas, con procesos continuos de producción en los que la economía de escala juega un papel im portante en el precio de los productos, haciéndolos asequibles a

mayores segmentos de la población. Ello significa un elevado grado de desarrollo tecnológico de los procesos de fabricación de los alimentos, con sistemas de control muy avanzados, de diseño similar al de las modernas plantas de la Industria Química. Así, los métodos y operaciones típicos de la Ingeniería Química se aplican en la m oderna Industria Alimentaria, como es el caso de pretraíam íentos de las materias pítimas, separación de determinados com ponentes p o r filtración, centrifugación y adsorción, manejo de corrientes de gases y líquidos, transmisión de calor, optimización, etc.

Por o tra parte, las aportaciones d e la Ingeniería Química al desarrollo de los m odernos sistemas de conservación de alimentos (esterilización UHT, irradiación, congelación, refrigeración, secado, atmósferas modificadas) perm iten m antener los alimentos, prácticamente inalterados, duran te períodos de tiempo más o menos largos según los casos.

Sin embargo, el hecho de manejar materiales complejos, tanto desde el punto de vista de su composición química como de su comportamiento, ya que son sustancias degradables por deterioro microbiano, por reacción química y enzima-

tica, y por la acción del oxígeno (oxidación, maduración), hace que la Ingeniería de la Industria Alimentaria presente determinadas características específicas que la diferencian como rama bien definida de la Ingeniería Química.

L a presente obra aborda la aplicación de las Operaciones básicas de la Ingeniería Química a la Industria de los Alimentos. Se ha dividido en tres volúmenes: el prim ero se ha diseñado como una introducción a los principios básicos de la Ingeniería de los Procesos Químicos, el segundo se dedica al estudio de las principales operaciones de procesado y este tercer volumen a la conservación de alimentos propiam ente dicha, todo ello con una orientación a! diseño de procesos para la Industria Alim entaria.

La obra está dirigida tanto a aquellos profesionales que desarrollan su labor en la Industria Alim entaria como a estudiantes de aquellas titulaciones en las que se imparten materias relacionadas con la producción y transform ación de los alimentos, como Ingenieros A grónomos, Ingenieros Químicos, Veterinaria, Farmacia, Química, Bioquímica y especialmente de la Licenciatura en Ciencia y Tecnología de los Alimentos. Asimismo consideramos que el prim er volumen ha de resultar un manual de gran utilidad para aquellos alumnos que hayan de cursar complementos de formación en Ingeniería Química previamente a su acceso a la titulación de Licenciado en Ciencia y Tecnología de los Alimentos.

1

CONSERVACION DE ALIMENTOS POR EL CALOR

1 .1 . D estrucción térm ica de los m icroorganism os

1.2. Esterilización de alim entos envasados1.3. Esterilización de alim entos sin envasar1.4. Pasteurización1.5. Escaldado1.6. Tecnologías avanzadas

en la esterilización de alimentos1.7. Efectos del calor sobre los alim entos

En este ca p ítu lo se a b o rd a el p rocesado térm ico de los a lim entos com o m ed io de reduc ir el núm ero de m icroo rgan ism os presentes en el

p ro d u c to o b je to de tra tam ien to y, en ciertos casos, tam b ién la a c tiv id a d e n z im á íica . El ca len tam ien to de los a lim entos pers igue, pues, p ro lo n g a r su conse rvación , Las co n d ic iones de o p e ra c ió n del proceso se fija n de ta l m odo que se asegure un de term inado g ra d o de e s te rilizac ión , respe tando en lo pos ib le la c a lid a d o rig in a l del p roducto . Esta práctica im p lica el conoc im ien to d e - la in fluenc ia del ca lo r tan to sobre la p o b la c ió n m ic ro b ia n a com o sobre las p ro p ie d a d e s nutritivas y o rg a n o lé p tica s del a lim en

to. Adem ás, se ha de cons ide ra r la ve lo c id a d con que se transm ite el ca lo r al a lim ento según el p roceso segu ido. A sí, el con tacto entre eí foco caliente y el p roduc to a tra ta r puede ser d irec to , caso de un proceso UHT, o ind irec to , a través de un in tercam b ia d o r de ca la r. Si el p roducto se este riliza envasado, d icha v e lo c id a d d ism inu irá considerab lem ente . En suma, el estudio de la conservac ión de alim entos po r el ca lo r d e b e com prender la in fluenc ia del ca la r sobre su c a lid a d , la transm isión de ca lo r desde el foco ca lien te hasta el p roducto y la de term inación de la c iné tica d e la destrucción té rm ico de los m icro organism os.

N o m e n c l a t u r a

A Superficie del alimenta (m!)B Tiempo total de esterilización según el método

de Ball (s)B ' Tiem po efectivo de esterilización según el

m étodo de Ball (s)B " Tiempo de esterilización a la tem peratura TR

según el método de Ball (s)Cp Calor específico del alimento a presión cons

tante (kJ kg-1 K-1)I) Tiempo de reducción decimal (s)D 0 Tiempo de reducción decimal a la tem peratura

de referencia (s)Dr Tiempo de reducción decimal a La tem peratura

T (s)E a Energía de activación (T mol ')F Tiempo de muerte térmica (s)Fa Tiempo de m uerte térmica a ta tem peratura de

referencia (s)F., Tiempo de muerte térmica a la temperatura 7’(s)f. Tiempo de esterilización preciso para comple

tar un ciclo logarítmico según d método de Ball (s)

g Diferencia entre TR y 7y111-1 (°C)I Diferencia entre TR y T¡ ("C)Jc Coeficiente de enfriamiento./, Coeficiente de calefacciónk Constante cinética de la destrucción térmica de

microorganismos (s-1) k 0 Factor de frecuencia o coeficiente cinético de

la ecuación de Arrhenius (s_l) k T Constante cinética de la destrucción térmica de

microorganismos a la tem peratura T (s-1)

L Espesor del producto (m)Factor de letalidad a la tem peratura T

l Tiempo preciso para que el hom o adquiera la tem peratura de operación (s)

m Cantidad de producto (kg)N Número de microorganismos en un momento

dado del tratamiento N 0 Número de microorganismos al comienzo del

tratamienton Orden de proceso o exponente de reducción<2m Cociente entre las velocidades de las reaccio

nes bioquímicas a una tem peratura dada y a otra diez grados centígrados m enor

R Constante universal de los gases (kJ kg-1 K-1)T Tem peratura en general (°C) o tem peratura

absoluta (IC)Y", Tem peratura en el punto frío del alimento

(aC)'T- Tem peratura inicial del producto (°C)T- Tem peratura inicial de] producto en la fase de

enfriamiento (°C)Tn Tem peratura pseudoinicial del producto (HC)T Tem peratura pseudoinicial del producto en la

fase de enfriam iento (°C)Tr Tem peratura de esterilización en ei horno o

autoclave (UC)T w Tem pertatura del agua de refrigeración (“C)t Tiempo de esterilización (s)U Tiempo de muerte térmica a la temperatura TR

0)V Volumen del alimento (m3)Z Parám etro do resistencia térm ica (°C)

Capítulo ?; Conservación de alimentos por el color 1 3

GLOSARIO

curva de penetración del calor: Hace referencia a larepresentación en el método de Ball del perfil de temperaturas a lo largo del proceso en el punto crítico o frío del alimento, aquel que tarda más en alcanzar una determinada temperatura.

envasado o procesado aséptico: Comprende el conjunto de operaciones destinadas a garantizar la esterilidad de un alimento, a saber: tratamiento térmico del alimento a granel, esterilización del envase y de sus tapas por separado, esterilización de las instalaciones en contacto con el alimente, incluyendo las etapas de llenado, evacuación y cierre del envase. Se suele operar en un recinto estéril.

orden de proceso: Indica la reducción de microorganismos viables para una determinada intensidad

1.1. Destrucción térmicade los microorganismos

El tratamiento térmico constituye una parte de la conservación de los alimentos, que se completa con procesos tales como la reducción de ía actividad de agua, la disminución delpH , la adición de sal o de conservantes, el envasado en determinadas condiciones o el almacenamiento a bajas temperaturas.

Í . J , /. 77po5 de microorganismos

La inactivación de los microorganismos presentes en un alim ento se puede llevar a cabo por inhibición de su reproducción o por letalidad de los mismos. L a primera vía es una acción microslática, m ientras que la segunda es de carácter microcida. I-a diferencia entre ambas modalidades se centra en el tiempo de

de tratamiento (combinación temperatura-tiempo). Se conoce también por grado de esterilización, expórtente de reducción o probabilidad de supervivencia de los microorganismos inicialmente presentes en el alimento.

tiempo de muerte térmica: Tiempo necesario para alcanzar un orden de proceso preestablecido a una temperatura dada. De este modo se asegura una esterilidad efectiva o comercial del alimento tratado. La esterilidad absoluta, que supone la ausencia de microorganismos viables en el producto tratado, no se puede alcanzar, requeriría un tiempo de procesado infinito.

tiempo de reducción decimal: Tiempo necesario para reducir a la décima parte la población de microorganismos viables a una temperatura dada.

operación preciso para alcanzar un determ inado nivel de esterilidad. Obviamente, dicho tiem po es m enor para la acción microcida. En realidad, la inhibición de la reproducción de los microorganismos es también una acción germicida, aunque más lenta. Si se analiza el ciclo vital de un microorganismo, representado en la figura 1.1, se desprende que la carencia de una fase reproductora supone alcanzar con m ayor prontitud la fase de declive, donde predom ina la m ortandad de las bacterias sobre su desarrollo.

E n cualquier caso, la inactivación bacteriana se puede potenciar mediante la adición de uo conservante. E l efecto se traduce en la reducción del tiem po de esterilización. Si el aditivo es un desinfectante, dicha reducción será mucho más acusada. D e una forma general, se puede establecer que el tiempo de esterilización viene dado por la siguiente expresión (su deducción se detalla en el apartado 1.1.3):

14 Ingeniería de la Industria Alimentaría lili)

FIGURA 1. ] . Curva de crecimiento de un cultivo microbiano.

2,303 , k N

[1 .1]

donde A0es el número de microorganismos al comienzo del tratamiento, N el número de microorganismos transcurrido el tiempo í y k la constante cinética de destrucción de microorganismos, que depende básicamente de la temperatura, dosis y tipo de conservante y pH y actividad de agua del alimento.

Por supuesto, el tiempo de tratamiento preciso para alcanzar una esterilización dada depende, también, del tipo de microorganismo presente en el alimento. En el cuadro 1.1 se clasifican algunas bacterias atendiendo a diversos criterios. Existen, además, otras posibles clasificaciones. En la figura 1.2 se muestra la morfología de algunas de las bacterias más representativas.

Los microorganismos se desarrollarán o no según las características del alimento (contenido eu sales, pH, actividad de agua, composición, etc.), del entorno ambiental en que se encuentren o de los procedimientos de manipulación y conservación seguidos. El medio ambiente del alimento determina su contaminación inicial. Por ejemplo, en los peces de aguas templadas predominan los mesófilos, en los de aguas frías los psicrotrofos, en los vegetales se pueden desarrollar esporas del Clostridium botulinum procedentes de la tierra. Dicha contaminación puede verse incrementada por la presencia de

a) Principales formas bacterianas

bj Principales agrupaciones bacterianas

c¡ Bacterias saprófitas d) Bacterias esporuladas

FIGURA 1.2. Morfología bacteriana: a) 1: Goccus, 2: Bocfe- ríum, 3; Clostridium, 4: Meningococcvs, 5: Vibrión, ó: Spb rílbj 7: Corynebacterium, 8: Streptomyces; b) l: Dipiococ* cus, 2: Staphybcoccus, 3: Diplobacterium, 4: Sarcine, 5: Tetrococcus, ó: Slreptobacterium, 7: Streptococeus; c) 1: Badilas subtilís, 2: Proteos vulgaris, 3: Proptonibacterium,

4: Bacihs mycoides, 5: Pseudonomas aeruginosa.

Salmonella o de Stafilococos debido a la manipulación del alimento o a su contacto con otro alimento ya contaminado. Las condiciones de almacenamiento también condicionan el tipo de microorganismo susceptible de contaminar e) alimento. A continuación se indican algunas situaciones típicas:

* Temperatura ambiente: bacterias mesófi- las, en su mayor parle patógenas,

• Refrigeración: microorganismos psicrotrofos, cuyo crecimiento da lugar a una serie de metaboíitos de carácter alterativo respecto al alimento.

* A vacío: microorganismos aerobios como el Clostridium botulinum .

• Atmósferas modificadas: bacterias micro- aerófilas como el Lactobacillus.

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Capítulo 1: Conser/ación de alimentos por el color

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Ó

* A lim entos deshidratados: puede darse la aparición de mohos.

El efecto del calor sobre los alimentos se centra en la desnaturalización de las proteínas, lo que inhibe las reacciones enzimáticas y la actividad m etabólica de los microorganismos. La resistencia térmica de los microorganismos está supeditada a una serie de factores, de m ayor o m enor influencia según el caso, entre los que destacan los siguientes:

— Tipo de microorganismos. Las bacterias esporuladas son las formas más resistentes a la tem peratura, seguidas de las bacterias vegetativas o en fase de crecimiento. En un segundo plano se encuentran las levaduras, mohos y virus, mucho m enos term orresistentes.

— Condiciones de la incubación en e! crecimiento y esponüación. La tem peratura favorece la resistencia al calor de las esporas. La edad del cultivo incide favorablem ente sobre la resistencia térmica de las bacterias vegetativas. E l medio de cultivo influye, asimismo, sobre Ja term orresistencia de las formas esporuladas.

— Características del alimento. La resistencia térm ica de los microorganismos se resiente a pH ácidos (<4,6). L a reducción de la actividad de agua llega a inhibir el crecimiento bacteriano. La composición de) alimento tiene también su peso sobre la term orresistencia de los m icroorganismos.

1. 1.2 . Cinética

La velocidad de la destrucción térm ica de microorganismos se ajusta, en general, a una cinética de prim er orden respecto a la población microbiana. Es decir:

= ¡W [1.2]dt

donde N representa el núm ero de microorganismos vivos, t el tiempo de tratam iento y k la constante cinética. La integración de esta ecuación entre los límites t = ü; A; = N 0 y t - t; N = N conduce a la siguiente expresión:

l n ^ = f a [ 1 - 3 ]N

Se establece así una relación logarítmica entre la tasa de reducción de microorganismos y el tiempo de tratam iento. La representación del ln (N¡N0) frente a t da lugar, por tanto, a una función lineal de pendiente - k y de ordenada en el origen In N 0> tal como se muestra en la figura1.3. Si bien esta recta corresponde a un comportam iento ideal, en la práctica durante los primeros m om entos de la operación puede haber:

• Un aum ento del núm ero de microorganismos por efecto del calor (figura 1.3a).

• Una disminución del núm ero de microorganism ospor muerte térm ica no compensada por el crecimiento y desarrollo de los mismos durante la etapa inicial de la operación (figura 1.3b).

• Una constancia en el núm ero de microorganismos, situación en la que se compensan los dos efectos anteriores (figura L3c).

Fig u r a 1 .3 . R e lac ión en tre la co n c e n tra c ió n de m ic ro o rg a n ism os y eí t ie m p o de tra ta m ie n to .

El análisis de la cinética de la destrucción térmica de microorganismos se ha centrado hasta ahora para una temperatura dada. Esta variable determina el valor de la constante cinética, es decir, la pendiente de la recta que relaciona el número de microorganismos supervivientes con el tiempo de tratamiento. En concreto, dicha dependencia viene dada por la ecuación de Arrhenius:

k ~ k ae-V -'*T' [1-4]

donde es el coeficiente cinético o factor de frecuencia, Ea la energía de activación, R la constante universal de los gases y T ía temperatura,

Como se puede apreciar, el valor de k aumenta con la temperatura. En la figura 1.4 se representa la evolución de un proceso térmico de destrucción de microorganismos a tres temperaturas (T3 > T2 > T ^. Lógicamente, cuanto mayor sea la temperatura antes se completa el tratamiento para un número final dado de microorganismos viables.

42io ~ [1.51

El empleo de este parámetro se centra, sobre todo, en el almacenamiento de alimentos, los cuales se pueden alterar por la presencia de microorganismos, por su actividad bioquímica o por fenómenos puramente físicos. Por lo general, se ha verificado que las reacciones bioquímicas tienen un Qw en torno a 2, esto es: su velocidad se reduce a la mitad cuando se disminuye la temperatura ambiente en 10 °C. Esta relación justifica el almacenamiento de productos a bajas temperaturas, que se fijan atendiendo, entre otros factores, al valor de Q10.

1.1.3. Tiempo de reducción decimal

E l tiempo de reducción decimal (D) se define como el tiempo necesario para reducir la concentración microbiana a la décima parte (N 0 = 10 A) a una temperatura dada. Si se despeja r de la ecuación [1.3], surge la expresión [1.1], ya conocida:

lo g íÜ L k 6 N

Sabiendo que el cálculo de D implica que N 0 = 10 TV, su valor vendrá dado por la siguienteexpresión:

Figura 1.4, Efecto de la temperatura sobre el tiempo de tratamiento.

D =,303 [1.6]

El efecto de la temperatura sobre la velocidad de las reacciones bioquímicas se cuantifica mediante el parámetro Qm, que se define como el cociente entre las velocidades a una temperatura 7\ y a otra 7 p diez grados por debajo de la anterior ( J 2 = T, + 10 °C).

Así pues, el tiempo de tratamiento térmico está relacionado con D a través de la siguiente ecuación:

t = D l og— [l-?] N

FIGURA 1 .5 . V a r ia c ió n d e l t ie m p o de re d u c c ió n d e c im a l c o n la te m p e ra tu ra .

La represen tación deí log (A'-./tV) fren te a t da lugar a una rec ta de pend ien te 11D (figura 1,5). A l ser D inversam ente proporcional a k, cuan to mayor sea la tem p era tu ra de operación m enor será el valor de D. E n la figura 1.5 se puede apreciar que, al ser 7) superior a T2, D x es m enor que D ?. Los valo res de D es tán tabulados p a ra los d istin tos m icroorganism os a una tem pera tu ra de referenc ia: 250 °F < > 121,1 ÜC.

Ejemplo 1.1. Cálculo del tiempo de reducción decimal.

En el procesado térmico de un alimento se ha efectuado el seguimiento experimental del número de microorganismos a lo largo del tratamiento, que se llevó a cabo a 1.20 nC. Los datos obtenidos para los pares tiempo en minutos-número de microorganismos viables (í-N) son los siguientes: 0:10fi(/V0); 5:1,2 ■ W f 10:1,1 ■ 104; 15:1,3 ■ 103; 20:1,1 ■ 10L Establezca Los valores de D y de la constante cinética del tratamiento para esa temperatura.

Solución

a) La representación semilogarítínica de N fN (en ordenadas) frente al tiempo da lugar a una recta (véase la figura 1.5), cuya pendiente es ÍÍD .A. partir del valor de la pendiente se obtiene que D es igual a 5 min.

b) El ajuste de las parejas de datos x-y (t-Iog N¡JN) a una regresión lineal proporciona ia

misma información. El D obtenido analíticamente (5,06 min) coincide con el valor determinado gráficamente.

c) La aplicación de la ecuación [1.6] conduce a la siguiente espresión:

k = 2,303ID = 2,303/5,06 = 0,45 mim1

1.1.4. Orden de proceso

Com o quiera que la destrucción de m icroorganismos está relacionada con el tiem po a tra vés de una función logarítm ica, la co n cen tra ción m icrobiana final tiende a cero cuando el tiem po de tra tam ien to tiende a infinito. U na sencilla transfo rm ación de la ecuación [1.6] pone de m anifiesto dicha dependencia.

N = A'0 lo 1'"™1 [1.8]

Es decir, en la p rác tica no se puede alcanzar una esterilidad absoluta. Se trata, p o r tan to , de reducir el núm ero de m icroorganism os hasta un valor preestablecido. Se asegura así u n a esterilidad efectiva o comercial. La tasa de reducción, que varía según la te rm orresistencia del m icro organism o considerado, se fija a través del llam ado orden de proceso o exponente de reducción (n), que se define m ediante la siguiente expresión:

Por ejemplo, la esterilización de conservas, en las que se puede dar el desarro llo del Clos- tridiiim botulinum , espora patógena de gran te r m orresistencia, requ iere un o rd en de proceso de 12. E sto significa que la probabilidad de supervivencia del m icroorganism o en cuestión es de 1 frente a 1012 (N 0 = 1012 N ), lo que, jun to a las m edidas com plem entarias al tratam ien to térm ico, garantiza la esterilidad com ercial del p roducto .

po r el o rden de proceso en cada caso. A sí, D tiene p o r definición un n unidad, m ientras que F se re fie re a un n m ayor. De cualquier form a, D es tá relacionado con F a través, p rec isam ente, del n. P o r com binación de las ecuaciones [1.1], [1.6] y [1.9], donde rp asa a denom inarse F, se o b tien e que:

F = D n [1.10]

S iguiendo con el ejem plo del Clostridium b o tu lin u m , el cual posee un D (¡ = 0,21 m in y un n = 12, su F a esa tem p era tu ra será de: 0,21 x 12 = 2,52 m in.

Ejemplo 1.2. Cálculo del orden de proceso.La esterilización de un alimento requiere 1.1.5

"C durante 1 h. Sabiendo que la población inicial del microrganismo patógeno que se desea inactivar asciende a 1,5 * 104 esporas y que su D U5 es de 5 min,determine el orden de proceso alcanzado y et número final de esporas viables.

Solución

a) A partir de las ecuaciones [1.7] y [1.9] se establece que n = t¡D = 60/5 = 12; esta misma relación surge al aplicar la ecuación [1.10], donde r (tiempo de tratamiento) pasa a designarse V (tiempo de muerte térmica).

b) Aplicando la definición de n (ecuación [1 .9 ] ) ,

se puede plantear que:

N = N J W 1 = 1,5 ■ 104/1012 = 1,5 ■ 10-8 esporas

J. 1.5. Tiempo de muerte térmica

E l tiem po de m uerte térm ica (F) se define com o el tiem po necesario para reducir I a p ob lación m icrobiana hasta un valor preestablecido, que se fija m edian te el o rden de proceso a una tem p era tu ra dada. E n realidad, es te parám etro es co n c ep tu a lm en te análogo al tiem po de reducción decim al. La d iferencia viene dada

l .1 .6 . Term orresistencia

La sensib ilidad de los m icroorganism os a la te m p era tu ra se m ide p o r m edio del p arám etro Z, que se define com o el increm ento de te m p era tu ra p rec iso para reducir el valor de I ) a la décim a parte . E l p a rám etro Z está relacionado con D a través de la expresión:

A te n o r de la definición anterior, según la cual D T = 10 D f , Z = 1 \ - T r La re p re se n ta ción del log D fren te a T (figura i . 6) da lugar a u n a función lineal de pend ien te 1/Z.

H ab id a cuen ta q u e D y F e s tán re la c io n a das en tre sí (ecuación [1.10]). resu lta ev iden te que F e s ta rá tam bién afectada por la te m p e ra tu ra en los m ism os té rm inos que D. Es decir, F se re la c io n a con Z m ed ian te la sigu ien te ec u a ción:

[1-12]Fp z

análoga a la p lan tead a para D (ecuación [1.11]). A sí pues, p a ra defin ir F se precisa conocer tan to

20 In g e n ie r ía d e h Industria A lim e n ta r ía (III)

FIGURA 1.6. Relación entre la temperatura y el tiempo de reducción decimal.

tanto la tem peratura de tratam iento como Z (Ff ) . Lo mismo se puede decir para D ( Df ) .

camente, se trata de unos valores aproximados, toda vez que las características del alimento modifican en un sentido u otro la cinética de dicha destrucción.

CUADRO 1.2 Parámetros de Ja destrucción térmica de algunos

microorganismos

pH Especie 121.1(min)

n 121.1(min)

zp q

> 4 ,5 B. stearolermófilo 4 ,5 _ 9 ,5t* C . fermosocorolífico 3 ,5 5 17,5 100 C . mgrificans 2 ,5 — —a C . botulinum 0,21 12 2,52 10a C. sporogenes 1 5 5 10

4-4,5 B. coogufons 0 ,05 — — —2,5-4 Levaduras y mohos 5 10-8 20 10* 6 ,5

Ejemplo 1.3. Determinación del parámetro Z.Se dispone de los valores de D correspon

dientes a un microorganismo para distintas temperaturas; a saber: Dm = 35 min; DiQ5 = 25 min; Dnú =■ 10 min; P n5 = 4 min; Dm = 1 min, Se pide el valor del parámetro Z.

Solución

a) De acuerdo con ia ecuación [1.11], la representación semilogarítmica de D (en ordenadas) frente a la temperatura (T) da lugar a una recta de pendiente 1/Z, tal como se pone de manifiesto en la figura 1.6. El Z obtenido gráficamente tiene un valor de 12,9 °C,

b) Se puede llegar a este mismo resultado ajustando los pares de valores log D-T a una regresión lineal.

En el cuadro 1.2 se recogen unos valores promedios de los parámetros más significativos de la destrucción térmica de algunos microorganismos a la tem peratura de referencia. Lúgi-

J . / .7 . Relaciones entre parámetros cinéticos

Con anterioridad ya se han puesto de manifiesto determinadas relaciones entre distintos parámetros cinéticos. En esta ocasión se van a establecer las relaciones existentes entre Q iq y Z, E ny Z y Q w y Ea.

A) Relación entre O10 y Z

En realidad, estos dos parámetros cumplen una misma función: miden el efecto de la tem peratura sobre la cinética de las reacciones que tienen lugar en el alimento, ya sean debido a la actividad cnzimática ( f i1[}) o a la destrucción térmica de microorganismos (Z), La combinación de las ecuaciones [1,5] y [1,6] para T Z = T 1 + 10 °C conduce a Iíl siguiente expresión:

a . ■ g - [U 3]

que sustituida en la ecuación [1.1. .1], establece la relación entre Z y Oitr Si Z = 10 °C, £>l0 = 10. Es

decir, una disminución de 10 °C supondría redu- La igualación de las ecuaciones {1.15} ydr la velocidad de la reacción en 1/10. [1.17] permite expresar la energía de activación

en función de Z y de y Tr

Z = 10 n 14]!üg Ea * 2,303 * (7¡ xT2) f*18J

Ejemplo 1A. Relación entre Qw y Z.Establezca el valor de Qw a partir de los datos

del ejemplo 1.3.

Solución

Sabiendo la relación que existe entre Qt0 y Z (ecuación (1.14)) basta sustituir el valor de Z er. la siguiente expresión:

(210 = 101WZ = 10'®12,9 = 5,96

B) Relación entra Eay Z

La Ea determina la influencia de la temperatura sobre la constante cinética. Supuesto que la temperatura pasa de a Tv la diferencia entre la nueva y la anterior constante cinética vendrá dada, en términos logarítmicos y segün la ecuación de Arrhenius [1.4], por:

1Wg = 2,303 " 77) t1151

Sabiendo que D - k!2£03 (ecuación [1.6]) se puede decir que:

1° 8I ÍL==,og^ ' [116]ki\ Dt2

ecuación, que sustituida en la expresión [l.llL se transforma en:

1°g— = ^ r ^ [L173

Ejemplo 1.5. Relación entre la energía de activación y la temperatura.

Determine la energía de activación del tratamiento térmico atendiendo a los datos deí ejemplo 13.

Solución

a) Considerando una temperatura media de 110 °C para el tratamiento térmico, la aplicación de la ecuación [1.18] proporciona el valor de £„• Así,

í \ = (2,303 • 8314 kJ/kg K) - 383* K2 / (12,9 K) = 2,18 • 105 kJ/kg

b) Otra posibilidad consiste en calcular los valores de la constante cinética k para distintas temperaturas (ecuación |1.6J) y representar sus logaritmos neperianos (en ordenadas) frente a la inversa de la temperatura en grados Kclvin. La representación de esta relación, conocida por ley de Arrhenius (ecuación [1.4]), conduce a una recta de pendienteEJR , de donde se obtiene que Ea es igual a

2,17 • 10* kJ/kg.

C) Relación entre Ea y (210

Es evidente que sí existe una relación entre £ y Z (ecuación [1.18]), dada la analogía conceptual que presentan Z y Qw, relacionadas entre sí a su vez (ecuación [1.14]), Eg también estará relacionada con Q]0. Así, teniendo en cuenta la definición de Q10 (ecuación [1.5]) y que, en este caso, T, = ’i\ + 10 °C, la ecuación [1.15] se transforma en la siguiente expresión:

log0 lo =10

f+10Ty[1.19]

1.1.8. Degradación térmica de los alimentos

El procesado térmico de los alimentos puede dar lugar a su degradación. La cinética de su alteración es similar a la expuesta para los microorganismos. En el cuadro 1.3 se reflejan los parámetros cinéticos de algunos factores de calidad de ciertos alimentos. Al igual que los datos recogidos en el cuadro anterior, estos valores son de carácter orientalivo.

FIGURA ] .7. Selección de la intensidad de helamiento en los métodos HTST.

C U A D R O 1 .3 Resistencia térm ica de a lgunos factores de calidad

de de te rm inados alimentos

Factor Alimento zrc) Dm.i lm¡nl

Vitamina 81 Espinacas 25 140Clorofila a Espinacas 51 12,8Clorofila b Espinacas 81 ,5 14,5

Antocianina Zumo de uva 23,1 17,9Calolasa Espinacas 8,3 2,3 • 10-7

Peróxido sa Judias verdes 35 1,2

Por comparación entre los valores que se muestran en los cuadros 1.2 y 1.3 se desprende que los componentes de calidad de los alimentos son más resistentes al tratamiento térmico que los microorganismos. Aun así, como los factores de calidad presentan un Z muy elevado respecto al Z de los microorganismos y enzimas, se prefiere trabajar a altas temperaturas y tiempos cortos. Con ello se preservan las propiedades nutritivas y organolépticas de (os alimentos para un determinado orden de proceso. Ésta es la esencia de los métodos HTST (“High Tempera ture Sbort Time”) y UHT (“Ultra- High Temperature”).

E n la figura 1.7 se ha representado la ecuación [1.12] aplicada tanto a la tennodestrucción de microorganismos (Z) como a la degradación

térmica de alimentos (Z'). Como 7! es mayor que Z, se ha de buscar una combinación F-T que asegure un determinado orden de proceso para la destrucción de microorganismos respetando la calidad original del producto. Esta condición se alcanza para cualquier punto de la recta correspondiente a la termodestmcción de microorganismos que esté situado a la derecha de la intersección de arabas rectas. A la izquierda de dicha intersección, si bien se alcanzaría el mismo grado de esterilización (todas las parejas de valores que contiene la recta en cuestión dan lugar al mismo orden de proceso), las intensidades de tratamiento darían lugar al deterioro térmico del alimento.

1.2. Esterilización de alimentos envasados

La aplicación de la teoría expuesta sobre la destrucción térmica de microorganismos a la esterilización industrial de productos envasados exigiría una fase de calentamiento instantáneo hasta alcanzar la temperatura de operación, seguida del mantenimiento de esta temperatura durante el tiempo de muerte térmica preestablecido, para terminar con el enfriamiento súbito del sistema. Este comportamiento ideal no es

el que en la práctica se da en la esterilización de productos envasados, a diferencia de ciertos procesos HTST y U H T de contacto directo con vapor de agua, en los que sí se cumplen estos requisitos.

El procesado térmico de productos envasados o appertización se rige por la velocidad con que se transmite el calor desde el foco caliente al alimento. Para calcular el tiempo de esterilización a una determ inada tem peratura se requiere conocer el perfil de tem peraturas en el punto crítico o frío del alimento (aquel que tarda más en calentarse) a lo largo del proceso. Así pues, se precisa, en primer lugar, determ inar experimentalmente la localización del citado punto frío para, posteriorm ente, establecer su evolución térmica conforme se desarrolla el proceso. La representación de los pares de valores tiem po-tem peratura en el punto frío se conoce, en el ámbito alimentario, como curva ele penetración del calor.

1.2. I . Transmisión de calor en el proceso

La variable de mayor influencia sobre la velocidad de transmisión del calor en la esterilización de alimentos envasados corresponde al tipo de producto objeto de tratamiento. Básicam ente, se distinguen tres posibilidades:

1. Sólidos compactos. Predomina la transmisión de calor por conducción. Su calentamiento, debido a su reducida conductividad térmica, es muy lento. Muestran una distribución de temperaturas heterogénea como consecuencia del gradiente de temperaturas (radial) existente entre las paredes del recipiente y el eje axial. El punto frío se sitúa en el centro geom étrico del producto.

2. Líquidos. En este caso prevalece el mecanismo de transmisión de calor por convección. El gradiente de temperaturas entre las zonas próximas a las paredes del recipiente y el centro del producto origina una

diferencia de densidades, que permite acelerar el ñujo de calor. La agitación del producto durante su procesado favorece la velocidad de transmisión del calor (convección forzada). En estas condiciones se obtiene una distribución de temperaturas uniforme. El punto frío, cuya localización requiere una experimentación, se sitúa en el eje axial, por debajo del centro geométrico del producto, en tomo a 1/3 del fondo.

3. Mixtos. Se trata de alimentos sólido/líquido en los que la transmisión de calor tiene lugar tanto por convección como por conducción. Por lo general, inicialmente prima la convección. Transcurrido un cierto tiempo se produce la gelatinización de los almidones o cualquier otro proceso de espesamiento con lo que la conducción pasa a ser el mecanismo responsable de la transmisión de calor. El cambio de mecanismo se puede apreciar en la curva de penetración del calor; supone un punto de inflexión durante la fase de calentamiento. La velocidad media de transmisión del calor está comprendida entre las debidas a la convección y a la conducción. El punto frío, situado en el eje axial, ha de determinarse experimentalmente.

E l flujo de calor también está supeditado a una serie de factores adicionales. Así, es evidente que cuanto menores sean el tamaño y espesor del envase menos resistencia ofrece éste al paso del calor. La agitación agiliza el procesado té rmico deí producto. La temperatura de operación determ ina el gradiente térmico, fuerza impulsora de la transmisión de calor. Se ha de tener presente que, aun cuando interesen altas tem peraturas, su valor se establece atendiendo al tipo de esterilización que se plantea. La geom etría del envase tiene también su importancia. Los envases alargados están contraindicados si la transmisión de calor se desarrolla por conducción. El gradiente térmico axial sería también considerable. No sucede así cuando el mecanismo predominante es la convección. Por

último, reseñar que el material del envase condiciona, a través de su conductividad térmica, la velocidad del proceso global de transmisión del calor. Se trata de una resistencia en serie, cuya incidencia será tanto menor cuanto mayor sea esta conductividad; a estos efectos es preferible por ejemplo un envase metálico a uno de vidrio.

En la figura 1.8 se ha representado la evolución de las temperaturas del punto frío del alimento (7]) y del homo o autoclave (TR) a lo largo del proceso. Lógicamente, la respuesta de la temperatura del punto frío a la temperatura del vapor utilizado está regida por el tipo de transmisión de calor reinante durante el proceso. Es decir, dicha respuesta se puede expresar matemáticamente a través del balance entálpico correspondiente. A continuación, se detalla el desarrollo analítico para ios dos casos extremos: transmisión de calor por conducción y por convección.

t {m in.

FIGURA 1 ,8 , Perfiles de tem pera tu ras de l pun to frío de l a lim ento [TJ y de l h o rn o (Tf ).

Conducción, Se ha considerado despreciable la resistencia que opone a la transmisión del calor el vapor que condensa sobre la superficie exterior del recipiente, ya que su coeficiente individual es elevado. En relación a la pared metálica del envase se ha efectuado la misma

simplificación. Su elevada conductividad térmica así lo permite. En suma, sólo se considera la resistencia debida al propio producto, cuya conductividad térmica es, presumiblemente, muy baja. E l balance entálpico entre el calor tomado por el producto y el calor transmitido por el vapor de agua se puede expresar mediante la siguiente ecuación:

d T f d T f k

m C p —¡ ~ = P L A C r = J A(? * ■Tf )

[1203

donde m representa la cantidad de producto, Cp su calor específico a presión constante, p su densidad, A y L la superficie y espesor, respectivamente, de un elemento de volumen del alimento (V), Tr la temperatura del vapor de agua y la tem peratura en el punto frío del producto.

Reagrupando términos, la anterior ecuación se transforma en la siguiente:

d T ,f _TK - T f P C P L

d t [1.21]

La integración de esta ecuación entre los límites Tj = 7'0; í = 0 y T^~ Tp t = t conduce a la siguiente expresión:

ln X * ^ I a = _ L _ T r ^ T j p CP i c

[1.22]

El cociente entre las diferencias de tem peraturas se designa por 0 en tanto que la difusidad térmica conductiva (c¡COHd) corresponde a la expresión: k/(pC ). Efectuando las sustituciones pertinentes se tiene que:

Inf? = í ™ - í L

[1.23]

Convección, Manteniendo las simplificaciones realizadas para el caso anterior, el balance

entálpico en esta ocasión viene dado por la siguiente ecuación, en la que k designa el coeficiente individual de transmisión de calor del producto, líquido esta vez;

dTf dT fmCP = pLAC p = hA(T„ - 7 » [1.24]

Reagrupando términos e integrando entre los límites ya establecidos se tiene que:

T r —T / pCpL[1.25]

Obrando de la misma forma que en el caso anterior, se obtiene que;

ln0 = ■ [1.26]

en la que la difusidad térmica convectiva ( 0 ^ ) viene dada por la expresión: hf(pCp).

En conclusión, cualquiera que sea el mecanismo de transmisión de calor predominante existe una relación logarítmica entre el tiempo de tratamiento y la variación de temperatura en el punto frío del alimento. Este tipo de función es la base del método de Ball para el cálculo dei tiempo efectivo de esterilización a una temperatura dada.

1.2.2. Cálculo del tiempo de operación

Para conseguir un mismo grado de esterilización de un producto existen numerosas combinaciones posibles entre la temperatura y el tiem pode tratamiento. Para establecer el tiempo de tratamiento a una temperatura dada se definen una serie de parámetros, basados en los ya vistos para la cinética de la destrucción térmica de microorganismos. Los más habituales son los siguientes:

Unidad de esterilización. Se traía de una combinación tiempo-temperatura, arbitrariamente fijada, a la que se refieren la mayoría de los cálculos. En el caso de la esterilización de productos envasados esta unidad toma el valor de 1 min a 121,1 °C (la pasteurización de líquidos impone una unidad de 1 min a 60 °C). Se trata, pues, de un tiempo de muerte térmica de 1 min a la temperatura de referencia usual.

Valor de esterilización. Se define como el número de unidades de esterilización precisas para completar un tratamiento a 121,1 °C. No es más que el tiempo de muerte térmica necesario a la temperatura de referencia.

Factor de letalidad. Si se desea efectuar un tratamiento térmico que equivalga a una unidad de esterilización, pero a otra temperatura T, el tiempo de muerte térmica requerido vendrá dado, según la ecuación [1.12], par la siguiente expresión;

t T = F010(X*-TVZ = 10* - ™ [1.27]

Si por el contrario se prefiere someter al alimento a u n tratamiento a temperatura T durante 1 min (Ft = 1 min), el valor de esterilización alcanzado se ajusta a la siguiente expresión:

F0 = Ft 10(T-ro)/* =10(T' 7°)/¿ [1.28]

Este valor, llamado de destrucción biológica, se conoce también por factor de letalidad, y se representa por L r

Lr = Ü = 10(r- Ii,)''z [1.29]F,

Ejemplo 1.6. Determinación del valor de esterilización y del factor de letalidad.

Partiendo del tiempo de muerte térmica de un microorganismo a 141 °C, que está en 5 s, y sabido que tiene un 2 de 10 °C, establezca su

valor de esterilización y su factor de letalidad a esa temperatura.

Solución

a) Atendiendo a su definición, el valor de esterilización se puede obtener a partir de la siguiente, expresión:

F0 ~ Ft • 1 0 E - = 5 . 10,;i4i - i2i)/io = 500 s

b) El factor de letalidad, por su parte, viene dado por la ecuación [1.30]. Así,

h T = 10<7' - To>'Z = 10(i4¡ -nivio = 1O0

A ) M étodo general o de Bigelow

U na vez represen tado el perfil de tem peraturas-tiem po correspondiente al punto frío del alim ento procesado, com o puede ser el caso de la curva en form a de cam pana de la figura 1.8, su valor de esterilización responderá a la siguiente expresión, que es otra forma de describir la ecuación [1.28]:

Fq = L t Ft = 10<t - 7¡>>'z [1.30]

Considerando que el valor de esterilización es la suma de las contribuciones de cada minuto de tiempo de tratam iento , la ecuación anterior pasaría a describirse com o sigue:

Fo = I L t, & F t ,= 'L 10(T' - r<>)/z [1-31]i= ¡ i= 1

que, en otros térm inos, se puede asimilar a la siguiente expresión:

F0 = ¡*TL T(T)dF T [1.32]

E! m étodo general se basa precisam ente en esta ecuación. R equiere, por tanto, la representación de la curva L T frente a FT, para lo cual se ha de partir del perfil de tem peraturas cu el punto frío del alimento (figura 1.8). Sustituyendo los valores de T en la ecuación [1.29] se obtiene un L Tpara cada tiem po (FT).

L a integración del área debajo de la curva de la figura 1.9, que constituye la resolución gráfica de la ecuación [1.32], perm ite calcular el valor real de FQ. Si éste es superior al teórico (tabulado), se está sobreesterilizando el p roducto: hay que reducir tiem po y/o tem peratura. Si el Fü experim ental es m enor al teórico se da la situación contraria: se está ante una esterilización deficiente, hay que aum entar el tiempo de tratam iento y/o la tem peratura.

Fr (min]

FIGURA 1 ,9 . Fcictor d e le ta l id a d fren te a t ie m p o d e tra ta m ie n to .

Ejemplo 1.7. Aplicación del método de Bigelow.Para comprobar si el tratamiento térmico de

un alimento es adecuado -se pretende un orden de proceso de 12-, se ha determinado la evolución de la temperatura en su punto frío a lo largo del proceso. En la tabla siguiente se muestran los datos obtenidos, junto con et factor de letalidad correspondiente, calculado medíante la ecuación [1.29]. L a temperatura de mantenimiento se fija en 1.30 UC y se dispone del valor teórico de los

parámetros de termorresistencia del microorganismo objeto de inactivación, a saber; D0 = 0,9 min y Z = 10 “C,

FT(s) 7’(UC) LT

1 100 0,00792 105 0.02513 110 0,07944 115 0,25125 120 0,7943ó 125 2,51197 127 3,98118 128 5,01199 129 6,3096

10 130 7,943311 140 7,943312 140 7,943313 140 7,943314 140 7,943315 130 7,943316 125 2,511917 115 0,251218 100 0,0079

Establezca mediante la aplicación del método de Bigelow si el tratamiento permite o no alcanzar el grado de esterilización deseado. A la vista de esta valoración previa, indique cuánto tiempo se ha de disminuir o aumentar el tiempo de tratamiento a 140 °C.

Solución

a) El primer paso consiste en representar LT frente a FT El área resultante debajo de la curva corresponde, de acuerdo con la ecuación [1.32], al F0 experimental. Integrando, pues, debajo de la curva se obtiene un F„ experimental igual a 353,3 s (5,92 min). Este valor es inferior al F0 teórico, que viene dado por el producto de D0 por n (ecuación [1.10]): 0,9 ■ 12 = 10,8 min.

b) Se necesita, por tanto, aumentar el tiempo a 121 °C en 4,88 min, lo que equivale a prolon

gar el tratamiento a 140 °C en 3,7 s, tal como se expone a continuación;

Fm 58 «í ‘ 101131 “1,W>/10' 60 s/mín = 3’7 s

El método en cuestión puede ser útil para ponderar la contribución de las fases de calentamiento y enfriamiento al proceso térmico global. También se puede usar para reajustar intensidades de tratamiento. Si bien el método está basado en datos experimentales y, por tanto, sus resultados son irrefutables, presenta el inconveniente de que cualquier modificación de las condiciones de operación, aspecto sobre el que se abundará en relación al método de Ball, supone em prender una nueva experimentación.

B) Métodos basados en el empleo de indicadores biológicos tiempo-temperatura

Son unos métodos indirectos que se sustentan en el empleo de microorganismos, los cuales se sitúan en el interior de un capilar u otro dispositivo en la zona fría del alimento y en un número preestablecido. Una vez se completa el tratam iento se extrae el capilar y se procede al recuento de especies supervivientes. Como se parte de un microorganismo perfectam ente caracterizado en cuanto a su tiempo de reducción decimal estándar (¿>u) y se dispone de la información precisa para establecer el orden de proceso (n ) alcanzado, resulta sencillo (ecuación [1.10]) determinar el valor de esterilización conseguido (F0).

Aunque se han ensayado numerosos microorganismos a tai fin, destaca el empleo del bacilo stereatermofilo, que presenta un D0 — 4,5 y un Z - 9,5 (cuadro 1.2). Además, este microorganismo no es tóxico ni patógeno y se conserva aceptablemente bien en agua en torno a los 6°C.

Los datos recogidos durante el procesado del microorganismo patrón informan, por comparación con los resultados teóricamente previ

sibles, sobre las características del sistema y del alimento en relación a la velocidad con que se transm ite el calor. Esta inform ación se aplica al microorganismo patógeno o alterativo que se desea destruir.

Los métodos basados en este tipo de indicadores, si bien están exentos de complicaciones técnico-matemáticas, requieren u n gran num ero de análisis microbiológicos, no muy precisos en general. Perm iten com probar si, para una intensidad de tratam iento dada, se alcanza o no la esterilidad deseada. El problem a es que de darse el segundo caso, el m étodo no indica en qué sentido ni en qué medida se han de modificar las condiciones del tratam iento térmico para asegurar un cierto factor de letalidad. Esta situación explica el que por el momento su em pleo se limite a ensayos de control y no a determ inar las condiciones de operación más favorables. A pesar de lo anterior, tn la actualidad hay numerosos laboratorios trabajando en este campo; en principio, estos métodos ofrecen buenas expectativas.

C) Método matemático o de Ball

A la vista de las ecuaciones [1.23] y [1.26], la representación semilogarítínica de (TR - Tf) frente al tiempo conduce a una recta cuya pen diente está relacionada con la difusidad térmica del producto y con las dimensiones del envase (figura 1.10). Dado que la diferencia TR - 7hdisminuye conforme se caliente el alimento, resulta preciso invertir la escala scmi-logarítmica. Como quiera que la tem peratura en el punto frío del alimento nunca llegará a adquirir el valor de la tem peratura del horno (su aproximación es asintótica), la recta se puede prolongar hasta el tiempo de tra tam ien to deseado.

El método de Ball para el cálculo del tiempo de esterilización se fundam enta en la ecuación del tram o recto de la curva de penetración del calor que se representa en la figura 1.10, En concreto, la pendiente de este tram o corresponde a la inversa de f h, que se define como el. tiem

po preciso para completar un ciclo logarítmico. E l factor latente de la curva de calentam iento o coeficiente de calefacción ( J J viene dado por la siguiente expresión:

j = I r z I s> [ 1 .3 3 ]

T r - T í

donde T0 (tem peratura pseudoimcial) corresponde a la tem peratura resultante de prolongar el tram o recto hasta su intersección con el eje de ordenadas (ordenada en el origen) y T¿ (tem peratura inicial) a la tem peratura real del producto al comienzo de la operación. La diferencia entre la tem peratura del horno y la tem peratura inicial del producto, que se designa como ¡h, se conoce por déficit inicial de tem peratura.

FIGURA 1 .1 0 . C u rv a d e p e n e tra c ió n d e l c a lo r p a ra eí c á lc u lo d e l tie m p o de p ro ce sa d o según el m é to d o de Ball.

La pendiente del tramo recto de la figura 1.10 responde a la siguiente ecuación:

i i o g £ - io g ( r * - : r 0) f ,

7T 5 [U41

donde el parám etro g representa la diferencia entre la tem peratura del horno y la temperatura máxima alcanzada en el punto frío.

Si se despeja B de la anterior ecuación, teniendo en cuenta la inversión de la escala logarítmica, se llega a la siguiente expresión:

B = f h[log{TR_ T a)- lo g g ] =

B , que es el tiempo de esterilización buscado, corresponde a la mínima diferencia posible entre TR y 7 y es decir, a g. Todos los parámetros indicados hasta el momento, excepción hecha de g y de B, se pueden determ inar a partir de la curva de penetración del calor.

Si se iguala la ecuación anterior con las ecuaciones [1.23] y [1.26] se puede establecer con facilidad que 1 ¡fh corresponde a “ conciA2’303 ¿2 ) ° 11 < W (2 ,S 0 3 L), según el mecanismo de transm isión del calor transcurra, respectivam ente, por conducción o por convección. El que prevalezca un mecanismo u otro se denota a través del valor de la pendiente, tanto más pronunciada cuanto mayor sea el peso relativo de la convección.

Dado que no se conoce el punto de la curva de penetración identificado por las coordenadas B y g, que es el que asegura un determinado grado de esterilización para una tem peratura del hom o dado, el valor de g se establece a partir de toda una serie de parámetros cinéticos. Así, g depende de:

• U, que en realidad es el tiempo de muerte térmica a la tem peratura del horno

• Z se requiere para el cálculo de U, una vez se dispone del valor de este último a la tem peratura de referencia (F0).

• Jci este parám etro se corresponde con Jh pero en la fase de enfriamiento. Es el factor latente de la curva de enfriamiento o coeficiente de enfriamiento. Su valor se

determ ina a partir del perfil d e tem peraturas durante esta fase.

j [1.36]Tic~Tw

donde T oí es la tem peratura pseudoinicial de enfriam iento, que se determ ina prolongando el tram o recto de esta fase hasta su intersección con la ordenada, T¡c es la tem peratu ra inicial de enfriam iento, ordenada e n el origen de la curva, y Tw es la tem peratura del agua de refrigeración, la cual perm ite, a través de su circulación por el interior del serpentín alojado en el horno, forzar el enfriam iento del p ro ducto.

Por lo general, especialmente en los alimentos sólidos, en los que prevalece la conducción térmica, existe un periodo de inducción hasta que el producto com ienza a enfriarse. D e no darse esta inercia térm ica, T¡c coincidiría con el valor de la tem peratura utilizada en la definición de g, es decir, la máxima tem pera tu ra alcanzada en el punto frío del alimento. Pues bien, todavía hay un leve increm ento de esta tem peratura, que se tiene cu cuenta al introducir el coeficiente de refrigeración.

Conociendo los valores de U/fh , J í y Z la determ inación de g es inmediata, ta l como se puede apreciar en el cuadro 1.4.

En los sistemas de calefacción discontinuos sólo el 40% dei tiempo necesario para que el horno adquiera su tem peratura d e operación (tramo curvado de la gráfica de penetración del calor, que se designa por /) contribuye a la esterilización del producto. De acuerdo con esta norm a se pueden distinguir tre s tipos de tiempo:

• B = tiempo de esterilización total.• B ' = B - 0,6 1 = tiempo de esterilización

efectivo.• B " = B -1 = tiempo de esterilización a TR.

CUADRO 1.4Determinación de g en función de U/fhy Je para un Z -1 0 °C

V u 0.4 0,8 1,0 1,4 1.9 2,0

0,5 0,041 0,0474 0,0506 0.057 0,062 0,06650,6 0,087 0,102 0,109 0,123 0,138 0,1450,7 0,15 0,176 0,189 0,215 0,241 0,2550,8 0,226 0,267 0,287 0,328 0,369 0,390,9 0,313 0,371 0,4 0,458 0,516 0,5451 0,408 0,485 0,523 0,6 0,676 0,7152 1,53 1.8 ,93 2,21 2,48 2,613 2,ó3 3,05 3,26 3,68 4,1 4,314 3,<51 4,14 4,41 4,94 5.48 5755 4,44 5,08 5,4 6,03 6.67 6,99

10 7,17 8,24 8,78 9,86 10,93 11,4720 9,83 11,55 12,4 14,11 14,97 16,6830 11,5 13,6 14,6 16,8 18,9 19,940 12,8 15,1 16,3 18,7 21,1 22,350 13,8 16,4 17,7 20.3 22,8 24.1

100 17,ó 20,8 22,3 25.4 28,5 30.1500 26 30,6 32,9 37,5 42,1 44,4

Fuente; Tomada de Shjmbo, C. R. (1973); Thermobacfcriobgytn kodprocetsm g (2.9 ed.). Acódeme Pr*»t. Nuevo Ye»lu

Ejemplo 1.8. Aplicación del método de Ball.En el procesado térmico de un alimento se .

obtienen los siguientes datos a partir de su curva de penetración del calor: T¡ - 70 °C; Jh = 2; J( - i A y f k - 9 min. El /■’„ del microorganismo que se desea destruir es de 14 min y su 2 de 10 °C El homo necesita 3 minutos para alcanzar su temperatura de operación (7^): 123 *C Se pretende conocer la máxima temperatura que soporta el punto frío del alimento y el tiempo de esterilización.

Solución

a) A partir del cuadro 1.4 se establece el valor de g, que corresponde a la mínima diferencia entre la temperatura del horno y la del punto frío del alimento. En primer lugar se precisa conocer el valor de U, tiempo de muerte térmica a la temperatura Tn. En consecuencia:

U = Fr = - 1 0 < = 14 • =* «

Conociendo los valores de fJU (1,0), d e / , y de 2 , según el cuadro 1.4,gtoma el valor de 0,6 °C. Esto es. la máxima temperatura que alcanza el punto frío es: 123 - 0,6 = 122,4 °C

b) El cálculo de B. tiempo de esterilización total según la ecuación [1.35], exige conocer el déficit inicial de temperatura (/,,), que es de 123 - 70 = 53 °C. Sustituyendo,

B = /a [log ( / , / „ ) -lo g g ) == 9 • (log 74,2 - log 0,6) = 18,83 min

El tiempo de esterilización efectivo, Brf será: 18,83 - (3 • 0,4) = 17,63 min, mientras que el tiempo de esterilización a la temperatura TR1B", ascenderá a: 18,83 - 3 «15,83 min.

Aunque el método de Ball no se basa en la aplicación rigurosa de la ecuación general de conservación de la energía al caso concreto, constituye una buena aproximación analítica al problema de transmisión de calor que se plantea. Entre sus simplificaciones destaca el des-

cartc de la fase de en friam ien to a efectos d e su contribución en el tra tam ie n to térm ico. E sto explica, quizás, e l q u e los resu ltados ob ten idos m ediante este m é to d o den lugar, p o r lo gen eral, a una sobreesterilización del p roducto a m odo de m argen de seguridad . Aun sin describir co rrec tam en te el com portam ien to del sistem a, este m étodo , así com o sus derivados, ad emás de ofrecer garan tías contrastadas, p re se n ta la ven taja de que su aplicación es versátil: adm ite cam bios en los valores de T. y TR, así com o distin tas fo rm as y tam años de envases, a diferencia del m é to d o general, en el que cua lquier m odificación im plica partir de nuevo desde el principio.

1.2.3. Operaciones previas

La esterilización de alim entos envasados está precedida, al m argen del tipo de envase em pleado, por las operaciones de lavado (n o siem pre procede), llenado , evacuación y cierre del mismo. L a m ás re levan te a efectos del p ro cesado térm ico del alim ento es la de evacuación, dado que las restan tes, aun siendo tam bién im prescindibles p ara asegurar una b u en a conservación del p roducto , son principalm ente de orden m ecánico. P o r ello, únicam ente se va a tra ta r con cierto detalle la evacuación de! a ire de los envases an tes de su cierre. E l ca len tam iento de un alim ento envasado da lugar a:

• la expansión de su contenido,• el aum ento de la p resión de vapor del

agua p resen te,• la desorción de gases y aire del alim ento,

con su consiguiente expansión,• la expansión del aire que pudiera co n te

n er el envase an tes de su cierre.

La presión que se genera en el in terio r del envase se con tra rresta m edian te su expansión, tan to radial com o axial, a través del abom bam iento contro lado de sus tapas. No obstante, si el envase se llena p o r com pleto, éste se vería

som etido a una sobrepresión excesiva. E ste posib le inconveniente se soluciona dejando un espacio libre en cabeza de envase, que oscila en tre eí 5 y el 10% de su volum en total, según el tipo de recipiente y de alim ento. D icho espacio, adem ás de perm itir la expansión de los gases y del aire, hace posible la agitación del p roducto en el seno del envase d u ran te su p ro cesado térm ico, lo que m ejora la velocidad de transm isión del calor.

P o r otra parte , se tiende a reducir la expan sión del aire “envasado” . P ara ello, se puede actuar, bien desorb iendo los gases y el aire ocluidos antes del cierre del envase, som etien do al alim ento a un escaldado o a un vacío p revio, bien evacuando el aire del espacio de cabeza, tam bién antes del cierre, p o r aplicación de vacío. E sta doble práctica p resen ta una serie de ventajas adicionales, ya que lim ita:

• la posible corrosión del envase,■ la posible oxidación del alim ento,• el posible crecim iento de m icroorganis

mos aerobios.

L a evacuación se puede llevar a cabo de d istin tas form as, según las características del envase y del tipo de alim ento . A continuación , se describen los aspectos m ás destacados de cada u n a de las m odalidades de evacuación existentes.

Envasado en caliente. Si el producto , acuoso, es te rm orresisten te se puede efectuar su llenado a una tem peratu ra próxim a a la de ebullición, con lo que los vapores desprendidos desplazan el aire del espacio de cabeza. E ste m odo de evacuación se contabiliza a efectos de establecer eí tiem po de operación duran te la esterilización. Es decir, contribuye a la destrucción térm ica de m icroorganism os. E l m étodo exige el calentam ien to previo del envase y de sus tapas, que de lo contrario reducirían el vacío que se alcanza. Se h a de sincronizar, asimismo, el tiem po transcurrido en tre el llenado y el cierre del recip iente, ya que a partir de un m om ento dado com ienza la pérd ida del vacío conseguido.

Envasado en frío. Una vez llenado el producto en frío, el envase se somete a un calentamiento mediante agua caliente o vapor de agua. El transporte del envase a través del sistema de calefacción se efectúa con sus tapas encima, dejando un pequeño espacio para la liberación de los gases y el aire. A veces, el calentamiento del envase, abierto o semiabierto, está precedido de un envasado en caliente. El cierre se realiza inmediatamente después de que el envase abandone la cámara de calentamiento. Si el producto es sólido (transmisión de calor por conducción) se puede disparar el tiempo de evacuación.

Evacuación mecánica. Su em pleo se dirige a alimentos sólidos o a productos muy sensibles a la temperatura. Si el alim ento es líquido, el llenado se ha de efectuar a vacío. El dispositivo de cierre incorpora una línea de vacío para evacuar el aíre del espacio de cabeza.

Cierre al vapor. Se utiliza con alimentos de baja conductividad térmica. Se desplazan los gases del espacio de cabeza por inyección de una corriente de vapor sobre la superficie del alim ento envasado. T ranscurrido un cierto tiempo se procede a cerrar el envase con la tapa, previamente calentada. El sistema no permite la desorción de los gases ocluidos en el alimento, de allí que si se quiere cubrir este extremo se haya de som eter previam ente al producto a un envasado en caliente o a un envasado en frío con calentam iento posterior.

].2.4. Procedimiento operativo

El ciclo de esterilización en autoclave consta de las siguientes etapas:

• Purga de aire.• Calentam iento hasta la tem peratura de

operación.8 M antenim iento de esta tem pera tu ra

durante el tiempo preestablecido.• Enfriamiento.

La primera etapa consiste en el desplazamiento del aire presente en el autoclave por

medio del vapor de agua. Esta práctica se justifica por tres razones; la presencia de aire:

8 Reduciría la velocidad de transm isión del calor desde el exterior hasta el interior del envase. El coeficiente individual de transmisión de calor del aire es bastante moderado.

8 D aría lugar a la sobrecsterilización del contenido de ios envases situados en la zona superior, ya que dicho aire, más denso que el vapor de agua, tiende a localizarse en el fondo del autoclave.

8 Implicaría una sobrepresión respecto a la de saturación del vapor, lo que puede, por una parte, originar el reventam iento del envase y, por otra, conducir a la sobrevaloración de la tem peratura a la que realmente se está operando. Es decir, de darse esta circunstancia, se estaría ante una esterilización deficiente.

U na vez se purga el aire, se regula la velocidad de calefacción a través del flujo de vapor de entrada al autoclave. La tem peratura de operación se mantiene durante el tiempo previsto. El control de esta variable se efectúa a través de la válvula de entrada del vapor.

Resulta de la máxima importancia conocer la evolución de la presión en el interior del envase a lo largo del proceso respecto a la reinante en el exterior, es decir, en el autoclave. A tenor del perfil de tem peraturas a uno y otro lado del envase (figura 1.8), se puede establecer el siguiente gradiente de presiones entre ambos medios:

8 fase de calentamiento: P ¡nt < P ext8 fase de mantenimiento: P ¡nt - P8 fase de enfriamiento: P ¡m > Pext

D urante la fase de calentam iento el envase se encuentra sometido a una compresión, circunstancia que se ha de tener en cuenta a la hora de su diseño: requiere una cierta resisten-

cía mecánica a este respecto. Posteriormente hay un progresivo aum ento de ia presión interna, que permite casi equilibrar el gradiente de presiones. La situación más conflictiva a efectos prácticos se produce durante la fase de enfriamiento con agua, en la que la presión interna supera a la externa, lo que implica un claro riesgo de reventamiento del envase. Para equilibrar en lo posible esta diferencia de presiones se actúa sobre las velocidades de calentamiento y enfriamiento. Los equipos incorporan, además, un dispositivo que perm ite presurizar el autoclave (norm alm ente con aire comprimido) durante la fase de enfriamiento. Esta práctica se conoce por enfriamiento a presión.

En este caso, el control de la presión es independiente del de la tem peratura. La p resión se aum enta actuando sobre la válvula de admisión del aire com prim ido y se disminuye mediante la apertura de la válvula de purga o de otra válvula de alivio al efecto. La homogeneidad del tratam iento, que se podría ver afectada por la presencia de aire, tal como se ha expuesto con anterioridad, se asegura a través de una buena mezcla aire-vapor, bien por medio de la agitación del recipiente, bien con ayuda de ventiladores internos. En suma, un autoclave debe d isponer de los siguientes accesorios:

• Cámara de esterilización.• Línea de admisión de fluido calefactor

(vapor de agua).• Regulación de tem peratura.• Medida de presión,• Entrada y salida de agua de enfriamiento.• Válvula de purga del aire.• Válvula de purga de) condensado.• Válvula de seguridad.

Adicionalmente, el autoclave puede necesitar alguno de los siguientes elementos:

• Línea de entrada de aire comprimido.s Válvula de alivio (la de purga del aire

podría servir también).

* Control de presión, independiente del de tem peratura,

* Intercam biador de calor para la recuperación de la entalpia del condensado y del agua de enfriamiento de salida.

1.2.5. Equipos

Las principales diferencias entre los distintos autoclaves disponibles en el mercado se centran en su m odo de operación (continuo o discontinuo), en la incorporación o no de algún sistema de agitación del envase (rotatorios o estáticos), en su disposición (vertical u horizontal), en el tipo de fluido calefactor utilizado (vapor de agua, agua caliente, aire caliente o gases de com bustión) y en la presión de trabajo (sólo en contadas excepciones operan a presión atm osférica). La capacidad de producción determina, p o r lo general, el tipo de operación. A partir de cierto valor interesa la operación en continuo, cuya principal característica es su reducido coste unitario de fabricación. Este hecho obedece a un elevado grado de au tom atización del equipo, que implica unas escasas necesidades de m ano de obra directa, y a l buen aprovecham iento energético, que se traduce en un m enor consumo.

La operación en discontinuo presenta, sin embargo, o tra serie de ventajas. Así, el equipo ofrece una gran versatilidad y una m ayor fiabilidad. Sus costes de m antenimiento son, por otra parte, inferiores. La tendencia actual se centra, siem pre que la capacidad de procesado lo permita, en el empleo de autoclaves discontinuos automatizados. Esta posibilidad además de beneficiarse de las ventajas antes apuntadas, perm ite atender a una mayor variedad d e productos.

En cuan to al resto de características reseñadas, destaca la disposición horizontal del autoclave, de más fácil acceso y mantenim iento que la vertical, el predominio de los equipos estáticos frente a los rotatorios, quizás por que la agitación con productos sólidos está muy limitada,

CUADRO 1.5 Tipos de autoclave

Autoclave Discontinuo O Continuo Vertical u Horizontal Estático o Rotatorio AitôGases^de^Combustión

Convencional D V /H E V/A CQrbítort D H R VSteriflow D H R/E ACSterisfeam D H E V /ALagarde D H E VSin castillos D /C V E VHydrolock C* H R V /ASlerilmotíc C H R V/A CFlash 18 c H E VH ¡dramático c V E VHydroflow c H E ACUniversal c H E ACEkelund c V E ASteriflamme c H R GC

y la operación con vapor de agua como fluido calefactor, es decir, a presión.

£1 vapor dú agua ofrece una velocidad de calefacción superior a la que se podría alcanzar con agua caliente, así como un menor consumo energético; de hecho, el agua se calienta en general por inyección de vapor de agua. El agua caliente, sin embargo, presenta también ventajas: facilita el control de la temperatura y limita el choque térmico durante la calefacción y el enfriamiento. Seguidamente, se pasa a describir los distintos tipos de autoclave utilizados; en el cuadro 1.5 se recogen sus características básicas.

Convencional. La simplicidad de diseño y de operación justifica el que, en la actualidad, sea todavía el autoclavo m ás utilizado. Además, admite una gran variedad de tamaños y formas de envases. Es, en suma, el precursor de los autoclaves más evolucionados. Su diámetro está en torno a l m , mientras que su altura puede alcanzar los 2,5 m. Para facilitar la carga y descarga de los envases, éstos se depositan sobre cestas. En la figura 1.11 se representa un autoclave discontinuo vertical con sus principales accesorios.

En no pocas ocasiones se recurre a la esterilización de productos envasados a gran escala

utilizando autoclaves verticales convencionales. Para ello, se dispone de hasta más de 100 unidades, distribuidas por lincas de producto. Cada línea incorpora un sistema automatizado de carga y descarga de los envases, que permite equiparar la producción a la de un sistema de operación en continuo.

Por razones de espacio, la disposición más habitual del autoclave es la vertical. Sin embargo, la disposición horizontal presenta unos costes inferiores de mantenimiento y de carga y descarga y ofrece mayor facilidad para dotar al equipo de algún sistema de agitación. La principal diferencia estriba en el transporte de las cestas durante las operaciones de carga y descarga. E n el primer caso es por grúa, mientras que enc) segundo se lleva a cabo mediante vagonetas que circulan sobre raíles.

Orbitort. Se trata de un autoclave discontinuo horizontal provisto de agitación mecánica del envase. El producto a esterilizar se sitúa sobre la superficie exterior del rotor. Se aloja, pues, en un espado anular, entre la referida superfide y la carcasa deJ esterilizador. E l movimiento del rotor da lugar, merced a la evacuación previa del aire del espacio de cabeza del recipiente, a la agitación axial del envase. E l

FIGURA 1.1 1. A u to c la v e ve rtica l co n ve n c io n a l. 1: vá lvu la de se g u rid a d , 2 : v á lv u la de p u rg a , 3 : m anóm etro , 4: te rm óm etro , 5 : e n tra d a de a ire , y 6 : d is tr ib u id o r d e l v a p o r.

equipo se encuentra automatizado. La carga y descarga están sincronizadas. El cierre en ambos lados del cilindro es por accionamiento neumático. Se utiliza con alimentos líquidos, especialmente si son viscosos.

Sterifíow. El auge actual por el que atraviesa este tipo de autoclaves se debe, entre otros factores, a su versatilidad. Son una versión evolu

cionada de los equipos de esterilización por inm ersión en agua caliente. El calentamiento del agua se efectúa, en este caso, mediante un intercam biador de placas con vapor de agua, y no por inyección de vapor, sistema tradicional. E l agua se enfría durante la última fase del proceso de esterilización; basta con hacer circular el agua de refrigeración en lugar del vapor de agua. La distribución del agua en el seno del autoclave, por rociado, ha supuesto, junto a su em pleo en circuito cerrado, una reducción considerable de su consumo. Así, los equipos actuales presentan unas necesidades en torno a los 0,3 I de agua por kg de producto. En la figura 1.12 se puede apreciar un esquema del autoclave en cuestión.

Los autoclaves tipo Sterifíow admiten la posibilidad de agitar mecánicamente el envase. E llo requiere encastrar la cesta en el interior de un tam bor giratorio perforado, de tal forma que el agua caliente pueda acceder a ia superficie de los envases.

La tem peratura del agua se controla a la salida del autoclave, en el circuito de recirculación. La hom ogeneidad térmica del agua se ve favorecida por la propia recirculacion y por su distribución forzada por medio de tabiques al efecto. La velocidad con que se recircula el agua

Puerta

In te rc a m b ía d c r

de c a lo r

JD is tr ib u id o r d e a g u a

ffr^

E n tra d a d e a ire

c o m p r im id o

— 8 t x l - ¡ ixh-r"j

E sca pe d e a ire

E n tra d a d e v a p o r

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S a lid a d e a g u a

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A g u a d e re p o s ic ió n

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■¡GURA 1 .1 2 . A u to c la ve p o r ro c ia d o c o n a g u a ca lie n te (S te rifíow ).

está determinada por su velocidad de paso sobre ia superficie de los envases, lo que a su vez condiciona el valor del coeficiente individual de transmisión de calor, es decir, el flujo de calor.

Además de la versatilidad, ventaja que se puede considerar característica de los autoclaves discontinuos, los sistemas Stcriflow destacan por su buen control de la tem peratura de procesado, por sus reducidas necesidades de agua y por la velocidad con que ésta se puede calentar o enfrian El empleo de agua permite prescindir de la purga de vapor. La presión se regula mediante las líneas de admisión y descarga de aire. El condensado procedente del intercambio del vapor se recircula a la caldera de generación de vapor, mientras que el agua de salida de refrigeración es de directa reutilización.

Steristeam. Se trata de un tipo de autoclave pensado para esterilizar productos envasados en recipientes de cristal u plásticos tennoesta- bles, materiales ambos susceptibles de reventar por sobrepresión. Para equilibrar la presión entre el interior y el exterior del envase, se utiliza en todo momento una mezcla vapor de agua-aíre comprimido, cuya proporción se establece atendiendo a la tem peratura y presión deseadas a lo largo del proceso.

El autoclave Steristeam presenta la entrada de la mencionada mezcla por su parte superior. La corriente gaseosa se dispersa entre los envases con ayuda de unos ventiladores centrífugos. Esta práctica resulta imprescindible para asegurar tanto una buena distribución de la corriente como la uniformidad de la mezcla aire-vapor en el seno del autoclave. De lo contrario, el aire, frío respecto al vapor y más denso, tendería a acumularse en el fondo del recipiente, favoreciendo la heterogeneidad del tratamiento térmico.

Una vez se completa ci tiempo de esterilización, se evacúa el vapor de agua y se procede a enfriar la carga. El enfriamiento en el autoclave Steristeam se efectúa por inyección de agua fría (pulverización), con recircuíación de la misma,

o mediante aire refrigerado. E n otros casos, el enfriamiento se acomete por inmersión en agua fría. El alimento envasado se distribuye en cestos dentro del autoclave. La presión se controla durante la operación por medio de una válvula de alivio al efecto,

Lagarde. Consiste en un autoclave estático, horizontal y discontinuo, provisto de uno o más ventiladores para aumentar la velocidad de entrada del vapor de agua. Esta variante de autoclave mejora la velocidad de transmisión del calor entre el vapor y el contenido del envase. El enfriamiento se efectúa con lluvia de agua fría en circuito cerrado, intercalando en la línea de recirculación una máquina frigorífica. Los envases, como en todos estos sistemas discontinuos, se agrupan en cestas para facilitar su carga y descarga.

Sin cestas. Aunque este autoclave opera por cargas, se puede considerar, dado su elevado grado de automatización, como un sistema continuo. La capacidad de tratamiento depende, por tanto, del número de unidades instaladas. Su principal característica es la ausencia de cestas y su gran versatilidad, aun con producciones considerables. Consiste en un recipiente con carga por la parte superitar y descarga por el fondo, dolado de líneas de entrada y salida de vapor de agua, agua y, si procede, aire.

El ciclo de esterilización, representado en la figura 1.13, está constituido por una serie de etapas. Se inicia con la carga de los envases, que se transportan hasta la boca correspondiente mediante una cinta sinfín. La caída de Jcjs envases en el interior del recipiente se ve amortiguada por la presencia del agua caliente utilizada en la etapa de enfriamiento del anterior ciclo.

Una vez se llena y se cierra el autoclave, comienza a alimentarse eí vapor de agua, primero como fluido de desplazamiento del agua y, después, como agente de calefacción. Completado el tiempo de tratamiento dispuesto, se introduce agua y, si es el caso, también aire a presión, a fin de proceder al enfriamiento de los envases* Transcurrido un tiempo, se abre la boca

Vapor

Etapa 1 Elapa 2

Agua Aire

A g u a d e _ _ f p

re fr ig e ra c ió n

Etapa 4

FIGURA 1 .1 3 . E tapas de l c ic lo d e e s te r iliz a c ió n d e un a u to c la v e s in cestas.

inferior, si tunda por debajo del nivel del canal de refrigeración, de tal form a que los envases se descargan al m encionado canal, m anteniéndose en el interior del autoclave el agua, ya caliente y lista para recibir una nueva carga. Los envases se depositan sobre una cinta sinfín sumergida en el canal, que se encarga de transportarlos, al tiempo que se enfrían, a la zona de escurrido.

H ydrolock. L a esterilización del producto envasado tiene lugar en una cám ara cilindrica dispuesta horizontalm ente. Los envases, que circulan por el sistema m erced a una cadena transportadora, se introducen, en la cám ara a través de una válvula ro ta to ria sum ergida en agua, cierre hidráulico que perm ite m antener la presión en el interior de la misma. Los sucesivos pasos del envase en sentido longitudinal descendente a través de la zona superior de la cámara aseguran la esterilización del producto, el cual se preenfría haciéndolo circular por debajo del nivel del agua. En la figura 1.14 puede apreciarse un esquem a del equipo. El enfriam iento del envase se com pleta eo el exterior del esterilizador por inm ersión en agua a presión atmosférica.

El dispositivo de rotación de los envases consiste en unas ranuras practicadas bajo los

FIGURA 1 .1 4 . E s te r il iz a d o r H y d ro lo c k . 1: c a rg a , 2 : c ie rre h id rá u lic o , 3 : s e c c ió n de e s te r iliz a c ió n c o n v a p o r, 4 : secc ió n de re fr ig e ra c ió n con a g u a a p re s ió n , 5 : s e c c ió n de

re fr ig e ra c ió n c o r a g u a , y ó : d e sca rg a .

transportadores, lo que les confiere un giro axial a lo largo de su recorrido. Los equipos incorporan la posib ilidad de em plear aire caliente jun to con el vapor de agua. La mezcla de fluidos térm icos se mejora con ayuda de un ventilador. D estacan por el buen aprovecham iento del espacio, vapor de agua, m ano de obra y agua. Sin em bargo, cabe citar como inconveniente que el envase se ve som etido a un gran esfuerzo durante las operaciones de carga y descarga en su paso a través de la válvula rotatoria .

Sterilmatic. Se trata de un esterilizador continuo ro ta to rio constituido por al m enos tres cilindros en serie, en los que se procede al t ra tam iento térm ico del envase y a su enfriam iento, tan to a presión como a presión atmosférica. C uando la evacuación del aíre se efectúa por envasado del producto en frío, se requiere dos etapas previas de precaíefacción, la prim era a presión atm osférica y la segunda ya a presión. Es decir, el sistem a en su conjunto puede consta r de hasta cinco cilindros, conectados en tre sí por medio de unas válvulas rotatorias que aseguran la ausencia de fugas de vapor de agua y el m antenim iento de la presión adecuada en cada caso. Existen ciertas variantes de estos esterilizadores, en las que se utiliza agua sobrecalen tada en lugar de vapor de agua.

Las latas se sitúan sobre un rotor, que en su giro perm ite la circulación de las mismas. La traslación helicoidal de los envases se fuerza a través de unos canales existentes en la parte inferior de las paredes internas de las carcasas,

que es la zona donde tiene lugar la rotación de la la ta sobre su eje axial. Sólo el 30% del recorrido del envase en un giro completo contribuye a la rotación axial del mismo. Durante el resto del recorrido el envase descansa sobre la pared externa del ro to r sin que se produzca contacto con la carcasa.

Este tipo de esterilizadores continúa utilizándose profusam ente, sobre todo en el sector conservero. Es simple y consistente y da lugar a un tratam iento térmico homogéneo. Ocupa, sin em bargo, un cierto espacio (nótese que las latas se sitúan en la periferia de las cámaras) y su capacidad de procesado puede considerarse baja: sobre las 5001atas/min. Resulta imprescindible una inspección previa de los envases; si un envase defectuoso desequilibra el sistema, con el consiguiente atasco, la instalación incorpora un automatismo de parada que preserva al m otor de posibles daños. El funcionamiento del equipo implica bruscos cambios de presión y tem peraturas, cuestión que restringe su campo de aplicación. D ado el principio cu que se basa la rotación del envase, el diseño de estos equipos parte del tam año de los mismos. Es decir, ofrecen poca versatilidad en cuanto a tamaños de envase.

Flash 18. Este equipo está precedido de un llenado del producto en caliente. Así, el producto a granel calentado por inyección de vapor de agua se bombea a 130 ”C, temperatura superio r a la de esterilización, hasta la cámara de llenado, donde reina una presión inferior, lo que se traduce en un “flash” que permite su desgasificación y la evacuación del aire del envase. Una vez se cierra el envase, éste se conduce a un túnel de calentam iento, en el que se mantiene a 124° C, tem peratura resultante de la descompresión en la etapa anterior, hasta alcanzar el grado de esterilización deseado. El producto envasado y estéril se transporta a un segundo túnel, esta ve2 de enfriam iento, para posteriorm ente abandonar el recinto ptesurizado a través de una esclusa al efecto, y completar la operación a presión atmosférica por rociado con agua. El sistema descrito se aplica a alimentos

que por su destino final requieren un tamaño de envase considerable y que de tratarse por otros medios los tiempos de esterilización precisos, muy elevados, alterarían su calidad original,

Hidrostático o de Carvallo. En este esterilizador, cuyo nom bre alude al principio en que se fundamenta, los envases circulan por una cámara en la que el vapor de agua se confina m ediante un cierre hidráulico. Como se puede apreciar en la figura 1.15, la altura de las columnas de agua a ambos lados de la cám ara (presión hidrostática) determina la presión del vapor en su interior, es decir, la tem peratura del tratamiento. Las columnas cumplen, además, una segunda función: regulan la presión exterior sobre el envase. La presión externa al envase aumenta progresivamente según éste avanza hacia la cámara y viceversa conforme se aleja de la misma hasta alcanzar la presión atmosférica. La refrigeración del envase se efectúa en línea por medio de una pulverización con agua, seguida de una inmersión en un baño, también de agua.

El nivel del cierre hidráulico se controla mediante un flotador, mientras que los niveles de las columnas se regulan por rebose. El agua, que circula por las columnas en contracorriente respecto al sentido del envase, abandona el sistem a por encima de los 80 °C. Se reutiliza para otros fines y se recupera su entalpia por intercambio con el agua de alimentación. Sus ventajas más sobresalientes son:

• Presentar saltos térmicos y ' de presión moderados.

• Los consumos de agua y de vapor son más que aceptables: 1 T y 50 kg, respectivamente, p o r T de producto tratado.

■ Son polivalentes en cuanto al tipo de envase. Admiten latas y recipientes de vidrio o de plástico, aunque en estos dos últimos casos la sección de refrigeración debe operar a sobrepresión para evitar riesgos de reventamicnto de los envases,

• Da lugar a productos con un tratam iento uniforme.

Zona de precaienfamiento

Cámara de vapor

Alim entador de latas

Columna de refrigeración

por pulverización

F ig u r a 1 .1 5 . A u to c la v o h id ro s tá trco .

• Perm ite un elevado nivel de autom atismo. E l control, además de fácil, es sumam ente eficaz, especialmente en lo que se refiere a la tem peratura de esterilización.

• Ofrece cierta versatilidad en cuanto al tam año de los envases.

• Son robustos y ocupan poca superficie.

Las torres de esterilización precisan, sin embargo, una fuerte inversión. La altura de estos equipos determina una componente de ingeniería civil considerable. O tro inconveniente viene dado por el bajo nivel de agitación del envase. Sí se quiere potenciar este aspecto, hay que dotar a la instalación de alguno de los siguientes dispositivos:

• D oble cadena transportadora, de tal form a que el envase pase alternativam en

te de una a otra a lo largo de su circulación.

• Vibración perm anente de la cadena.• M ovim iento de los envases, m erced a

unos imanes situados alternativam ente a uno y otro lado de la cadena.

Ciertos equipos admiten más de una linca de carga y descarga. Otros, como eí Hunister, incluso están provistos de más de una cámara de esterilización con vapor de agua. El tiempo de esterilización se establece atendiendo a la velocidad de transporte del producto. En suma, los autoclaves hidrosláticos están indicados para grandes capacidades de tratam iento (en tom o a las 1.000 latas/min) y para productos con tiem pos de procesado análogos. Se utilizan en la industria conservera y en las centrales lácteas para la producción de derivados en bote-

lias, como es el caso de los batidos o de la propia leche esterilizada.

Hydroflow. En este autoclave horizontal continuo los envases se transportan por el interior de los tubos mediante agua. Consta de etapas de precalentamiento, esterilización, prerre- figeración y refrigeración. Cada sección incorpora su propia línea de agua, cuya tem peratura es, obviamente, distinta en cada caso. La zona de esterilización se encuentra presurizada a fin de poder utilizar agua sobrecalentada.

Universal. Em plea también agua como agente esterilizante. La disposición del equipo es, asimismo, horizontal con transporte de los productos en sucesivos pasos a lo largo de ambos sentidos. El calentamiento se efectúa por rociado de agua en la zona presurizada. La refrigeración tiene lugar en dos etapas: a presión y a presión atmosférica. Los envases, agrupados en cestillos, se transportan mediante un tornillo sinfín de desplazamiento positivo. Todo el agua de salida se rcutiliza.

Ekelund. Se trata de un autoclave que parte de un envasado del producto en caliente. El tra tamiento consiste en una calefacción del envase con corriente de aire a 145 nC durante unos 15 min. El enfriamiento es con agua. Se ha utilizado para esterilizar leche enlatada. Su uso está muy restringido por el considerable salto de presión que lleva consigo, lo que limita el tamaño del envase. Se ha utilizado con frutas y legumbres.

Steriflamme. E n este caso la esterilización se efectúa por contacto directo de la lata con gases de combustión procedentes de un quemador. La operación comienza con el preca lenta miento del producto a 100 "C con vapor de agua. A continuación, un dispositivo perm ite girar los envases a gran velocidad (100 rpm ) mientras entTan en contacto con el gas a presión atmosférica. La esterilización a cerca de 1-700 °C se completa en menos de 1 minuto, lo que perm ite alcanzar una tem peratura de 130 °C en el interior del envase. La última etapa consiste en una refrigeración por pulverización con agua fría. En la figura 1.16 se esquematiza el proceso de esterilización a la llama.

Salida

Precalentadorde vepor )Llama

1 W v V WMantenimiento ►---------

Refrigeración

FlCURA 1 . ló . Esterilizador de llama o Sferiffomme.

Las condiciones del tratamiento se asemejan a un proceso HTST, lo que en principio asegura la calidad del producto procesado. El equipo, por otra parte, no requiere una excesiva inversión y su funcionamiento es sencillo. Sin embargo, la gran diferencia de presiones que se genera entre el interior y el exterior del envase determina el empleo de latas de pequeño tamaño, más resistentes, y justifica uu llenado bajo alto vacío. Aun con todo, el principal inconveniente de este sistema viene dado por la imposibilidad de alcanzar el mismo grado de esterilización en todas las latas, razón por la que su uso se encuentra en claro retroceso frente a otros equipos de esterilización. Este proceso comenzó a ensayarse sobre 1960 con champiñones. Se ha utilizado también con guisantes, alubias, zanahorias, judías verdes, setas y tomates. Incluso se llegó a esterilizar por este medio leche enlatada y carne de vacuno troceada en cubitos.

1.3. Esterilización de alimentos sin envasar

El auge de la esterilización de alimentos fuera de los envases obedece a los inconvenientes que plantea el tratamiento térmico de productos envasados. El envase supone una resistencia adicional a la transmisión de calor, que se traduce en tiempos de operación mayores, cuestión que redunda en una perdida de calidad del producto. La esterilización de alimentos

envasados origina, además, un gradiente térm ico entre el centro del producto y su periferia, lo que da lugar a la postre a un producto de características heterogéneas. E n el caso de los alimentos bifásicos, la fracción líquida estaría sometida a una esterilización muy superior a la de la fracción sólida, con la consiguiente alteración térmica. La mejora de la transmisión de calor se limita a introducir o a forzar una agitación del envase. El material del mismo y su espesor, aspectos cruciales a efectos del paso del calor, están determinados por su resistencia mecánica a la diferencia de presiones entre el interior y el exterior del recipienle, función a su vez del perfil térmico de la operación. Es decir, no se puede operar a altas temperaturas sin modificar la resistencia mecánica del envase (mayor espesor para un mismo material), lo que reduciría la velocidad de transmisión del calor (tiempos más largos).

A nte esta situación, surge la necesidad de proceder a la esterilización del alimento antes de su envasado. Esta práctica tiene como prin cipal ventaja la posibilidad de operar a altas tem peraturas o, lo que es lo mismo, en tiem pos cortos, circunstancia que proporciona un producto de calidad muy superior. Estas condiciones de tiem p o -tem p era tu ra (m étodos HTST), tal como se ha puesto de manifiesto en el apartado 1.1.8, aseguran un orden de proceso determ inado sin que se active la destrucción de nutrientes y o tros parám etros de calidad. Se consiguen alim entos con una calidad equiparable a los irradiados o refrigerados, con la particularidad de que su período de conservación es superior a seis meses, y ello sin refrigeración alguna. De lo dicho se desprende que al no necesitar un transporte frigorífico su área potencial de distribución sea mayor.

El envasado o procesado aséptico, nombre del conjunto de operaciones que requiere la esterilización de alimentos no envasados, tiene una ventaja añadida: las condiciones del tratamiento térmico no dependen del tamaño del envase. El tiempo de operación no varía. Esto

permite disponer de envases de mayor tamaño. El procesado aséptico de alimentos no da lugar a desequilibrios entre la presión interior y la exterior al envase ni a choques térmicos. La desgasificación a alta tem peratura evita el escaldado previo a la appertización que requieren ciertas verduras. Las instalaciones al efecto ofrecen un mayor grado de automatización, así como un m enor consumo energético.

La técnica descrita tiene su campo de aplicación en los alimentos líquidos y en suspensión, y más recientem ente en los llamados particulados, productos en los que las fracciones sólidas de la suspensión acuosa son de un cierto tam año. Como contrapartida a las ventajas expuestas, el envasado aséptico requiere una inversión inicial considerable. Esta tecnología en su conjunto exige:

* La esterilización de envases, tanques y conducciones.

* La esterilización del producto.« La esterilización de los equipos de llena

do y envasado.* U na atmósfera de aire estéril.

Si el producto es heterogéneo la instalación resulta más compleja. D e cualquier forma, la mano de obra es más cualificada en el envasado aséptico que en la appertización. El campo de aplicación de la esterilización de productos a granel incluye el tratam iento de leche, zumos y concentrados de frutas, yogurt, nata, sopas, vino y helados. También se tratan por esta vía suspensiones más o menos viscosas de alimentos para bebés, derivados del tomate, frutas y verduras. L a fragilidad de la fracción sólida de determinados alimentos restringe su aplicación a otros productos.

1.3.1. Procesada aséptico

Las principales etapas de una instalación de procesado aséptico, representada en la figura 1.17, son:

FIGURA 1.17. Instalación de procesado aséptico.

Esterilización previa de la instalación. Desaireación. E l producto se somete a vacío en continuo para desorber el aire De no llevarse a cabo esta operación, las reacciones de oxidación podrían afectar a! producto tanto durante su procesado como en el almacenamiento. Calentamiento y enfriamiento. Se precisa calentar el producto hasta la temperatura de esterilización para, una vez tratado en el tubo de m antenim iento el tiempo requerido para alcanzar el orden de proceso dado, enfriarlo hasta una temperatura de llenado aceptable. Los dispositivos de intercambio de calor al respecto y los problemas asociados a la fluidodinárnica del alimento se estudiarán en el siguiente epígrafe.Mantenimiento. Es la etapa clave de la esterilización. La longitud del tubo de mantenimiento, que se establece atendiendo a las propiedades fluid o dinámicas del alimento, determ ina el tiempo de residencia necesario para alcanzar el grado de esterilización previsto. Su diseño plantea ciertas consideraciones, a saber:

1. Se dispone con una cierta inclinación vertical (>2 % ) respecto al sentido de

flujo para facilitar la evacuación de bolsas de aire y el escurrido durante las operaciones de limpieza.

2. Su superficie interna debe estar muy lisa, pulim entada.

3. No se debe sobrecalentar el producto a lo largo de su recorrido.

4. D ebe ser desmontable por secciones.5. Se debe preservar de condensados y

de contactos con aire frío.6 . Como toda la instalación, debe m an

tener una cierta sobrepresión para evitar la desorción de volátiles o la ebullición del producto. La sobrepresión impide, además, la recontam inación del producto por contacto con el aire am biente del recinto, que a su vez también tiene una ligera sobrepresión respecto ai atmosférico.

7. Incorpora un sistema de medida y control de la temperatura.

• Almacenamiento. La instalación posee un tanque de almacenamiento del producto ya estéril, a fin de prevenir posibles contingencias en las secciones de llenado y envasado.

« Derivación del producto. Si por cualquier circunstancia se detecta que el producto

110 cumple la esterilidad comercial prevista, el sistema cuenta con la posibilidad de desviar el flujo antes de que contamine las secciones de llenado y envasado.

• Llenado y envasado aséptico. I,a ob tención de un producto estéril en recipientes herméticamente cerrados pasa por cumplir una serie de requisitos durante las etapas de llenado y envasado, los cuales son:

1. Esterilización de los equipos.2. Esterilización de la superficie interna

del envase.3. Dosificación aséptica del producto en

el envase.4. Cierre herm ético de los envases,5. M antenim iento de la esterilidad

durante el tiem po de producción, incluyendo la del aire ambiente circundante a la operación.

Por último, conviene resaltar la importancia que presenta en este tipo de procesos alcanzar un buen control del flujo. El tiempo de esterilización en el tubo de mantenimiento es función, para una longitud dada del mismo, de la velocidad de paso del alimento. Por lo general, se recurre al empleo de bombas dosifícadoras de precisión.

1.3,2. Sistemas de intercambio de calor

Una instalación de intercambio de calor en un procesado aséptico debería, en teoría, calentar el producto hasta la tem peratura de esterilización de forma súbita, y una vez se alcanza la esterilidad deseada a esa tem peratura en su recorrido a través de la sección de m antenimiento, enfriarlo tam bién súbitamente hasta la tem peratura adecuada para el llenado. La aproximación a este caso ideal depende del grado de automatización y control de la instalación y de las propiedades y composición del alimento a tratar. Al margen de las características fluidodi-

nárnicas y superficiales del alimento, que determ inan el régimen de flujo y la acumulación de depósitos sobre las paredes dei intercambíador, se suelen distinguir tres tipos de alimentos según su consistencia: líquidos, suspensiones de sólidos en líquidos, de mayor o m enor viscosidad, y fluidos con sólidos particulados, en los que el tam año de estas partículas es relativam ente grande. La sensibilidad térm ica del p ro ducto y su resistencia mecánica condicionan, asimismo, la selección del sistema de intercam bio de calor. En general, han de reunir los siguientes requisitos:

• Capacidad para operar por encima de los 120 °C.

• E levada superficie de intercambio por unidad de volumen.

• Operación en régimen turbulento con control del flujo.

• S istem a de lim pieza que asegure la ausencia de depósitos superficiales.

Las instalaciones de intercambio de calor se clasifican atendiendo al tipo de contacto que se establece entre el alimento y el fluido calefactor. Si el alimento tiene una consistencia apta para su bombeo, se distinguen dos m odalidades, a saber:

• Contacto directo. Se lleva a cabo por inyección o por infusión de vapor de agua, según éste se pone en contacto con el producto o viceversa, respectivamente.

• Contacto indirecto. Se agrupan bajo esta denom inación los intercambiadores de placas, de tubos (concéntricos), de carcasa y tubo y de superficie rascada o barrida.

Los sistemas de intercambio directo están especialm ente indicados cuando se desea un calentam iento extrem adam ente rápido y a alta tem peratura. Son los equipos utilizados en los tratam ientos U H T (U ltra High Tem perature). E l enfriam iento se aborda por evaporación súbita (flash) a vacío del agua procedente de la

condensación del vapor utilizado durante la fase de calentam iento del alimento. E sta prácLi- ca puede dar lugar a la desorción sim ultánea de los com ponentes más volátiles, lo que en algunas ocasiones resulta conveniente (desodoriza- ción de la leche). Las consideraciones ingeníenles relativas a los intercam biadores de contacto indirecto ya se han expuesto en el volumen I de esta obra. La discusión siguiente se limita a establecer la com paración entre los dos tipos de contacto posibles. Se com pleta esta exposición con la descripción de los sistemas propuestos para el envasado aséptico de alimentos particulados.

Inyección de Vapor de Agua. En este caso el vapor de agua, de 5-6 kg/cin2, presión suficiente para alim entarlo a la cámara de esterilización por sobrepresión, se proyecta sobre el producto m ediante un inyector. La condensación del vapor perm ite elevar muy rápidam ente la tem peratura del alimento. Transcurrido el tiempo de residencia necesario para alcanzar Ja esterilización, unos pocos segundos, se pasa el alimento aguado a una cámara a vacío, donde, además de producirse un enfriam iento súbito, se regula su contenido final de agua por evaporación de la misma. Si se desea m antener el contenido original de agua del producto, la cám ara a vacío opera sobre los 0,4 kg/cm2, lo que supone una tem peratura de saturación del vapor de agua en torno a los 76 aC La inyección de vapor es uno de los medios de calentam iento más rápidos y ofrece un enfriam iento instantáneo. Puede, por tanto, ser muy eficaz para alimentos termoserisibles. Entre sus inconvenientes cabe citar:

• La aplicación queda limitada a fluidos no muy viscosos.

• Requieren un vapor de calidad, es decir, hay que partir de un agua tratada.

• E l aprovecham iento energético es muy deficiente, como la m itad del de un contacto indirecto.

• El sistema no es versátil en Jo que se refiere al tratam iento de productos diferentes.

Ejemplo 1.9. Regulación del contenido de agua del producto en el tratamiento por inyección de vapor.

Se pretende regular el contenido de agua de la leche aprovechando que se ha de someter a un proceso UHT. En la unidad de uperización la leche pasa de 85 a 160 °C, temperatura de tratamiento, merced a la inyección de vapor de agua. Supuesto que los calores específicos del agua y de la leche son iguales: 1 kcal/(kg °C), determine la temperatura de saturación del vapor de agua que abandona la cámara de expansión en los siguientes casos;

— Reducción del contenido de agua (concentración) desde el 85 al 84% en peso.

— Aumento del contenido de agua (dilución) desde el 85 al 86 % en peso.

Dato: X (kcaf/kg) = 598,8 - 0,588 T (°C).

Solución

Base de cálculo: 1 kg de leche a la entrada de la unidad.

Vapor de inyección necesario por kg de leche (r): 1 kg • 1 kcal/(kg - °C) - (160 - 85) °C = x • (598.8 - 0,588 • 160); x --- 0,1485 kg vapor/kg leche

a) Concentración

Cantidad de agua que sale con la leche: 1 • 0,15 • (0,84/0,16) = 0,7875 kg.

Cantidad de vapor que abandona la cámara de expansión: 0,1485 + (0,85 - 0,7875) = QR11 kg.

Cantidad de leche que se enfría: I - (0,85 - 0,7875) = 0,9375 kg.

Balance entálpico: 0,9375 (160 - T) = 0,211 (598,8 - 0,588 T)\ T = 29,1 "C.

b) Dilución

Cantidad de agua que sale con la leche: 1 • 0,15 • (0,86/0,14) --= 0,9214 kg.

Cantidad de vapor que abandona la cámara de expansión: 0,1485 - (0,9214 - 0,85) = 0,077 kg.

Cantidad de leche que se eDÍría: 1 - (0,9214 - 0,85) = 1,0714 kg.

Balance entálpico: 1,0714 (160 - 7) = 0,077 (598,8 - 0,588 7); T= 122,1 °C.

En este último caso la cámara de expansión opera por encima de la presión atmosférica.

Infusión de vapor de agua. En estos sistemas se ncbuliza el alimento sobre el vapor, tal como se pone de manifiesto en la figura 1.18. Tras unos segundos en la fase de mantenimiento, el alimento aguado se difunde a la cámara de vacío, donde se enfría. La entalpia del vapor separado en la evaporación súbita del condensado se aprovecha para precalentar la corriente de entrada al difusor, procedimiento también utilizado en los sistemas de inyección. E l tamaño del poro del difusor se establece atendiendo a la reología del producto y al diám etro de gota deseado. Ciertos diseños de difusores son capaces de pulverizar alimentos particulados, aunque en principio éste no sea el sistema más apropiado al caso, Sus principales ventajas son:

• C alentam iento sum am ente rápido y enfriamiento también muy rápido. Preserva, pues, la calidad del producto.

• Adm ite productos más viscosos que los tratados por inyección.

Producto

Vapor

a+-

V rL_J Producto ^ tratado

FlOURA 1.18. Calentamiento directo por infusión de vapor.

• Control más eficaz del sistema.• Bajo riesgo de sobrecalentamiento del

producto.

Los equipos de contacto directo ofrecen la posibilidad de trabajar a temperaturas muy elevadas. Su propia concepción evita puntos de sobrecalentamiento en el producto, así como la aparición de depósitos, circunstancia que sí se da en equipos de contacto indirecto. Además, son capaces de tratar fluidos relativamente viscosos a diferencia de los sistemas indirectos. Por el contrario, presentan algunos inconvenientes, entre los que destacan: la necesidad de disponer de un vapor de calidad y la escasa recuperación de energía. La inversión requerida al efecto resulta superior a la de las instalaciones de contacto indirecto.

Inter cambiador de placas. Es e l intercambiador más extendido en la industria alimentaria. Adm ite una gran variedad de productos con distintos grados de calefacción; basta modificar el número de placas. Su compacidad determina unas necesidades de espacio reducidas. Requiere poca inversión y su rendimiento energético es muy bueno. Su accesibilidad permite una fácil limpieza y un buen mantenimiento.

La principal limitación del iniercambiador de placas viene dada por las presiones y temperaturas de operación. En condiciones exigentes, sus juntas de estanqueidad se deterioran con rapidez. Su diseño determina una velocidad de flujo moderada, lo que favorece el calentamiento heterogéneo y su ensuciamiento. Requiere, pues, una limpieza frecuente, sin utilizar disoluciones cáusticas, que podrían dañar las juntas. Presentan una sección de paso muy reducida, lo que les hace propensos a las obstrucciones; su aplicación se restringe a fluidos poco viscosos. Sus características determinan, asimismo, una notable pérdida de carga.

Intercambiadores de tubos (concéntricos) y de carcasa y tubo. Los de tubos son lo s precursores de los intercambiadores de carcasa y tubo. Los equipos constan de dos o tres tubos concéntricos. E l alimento circula, respectivamente.

por el conducto central o por d espacio anular intermedio. Su principal inconveniente reside en su limitada superficie de intercambio por unidad de volumen; esto es, se precisan equipos muy voluminosos. Para solventar esta cuestión, surgen los intercam biadores de carcasa y tubo en sus distintas configuraciones en cuanto a número de pasos de am bos fluidos.

Su diseño mecánico, con pocas juntas de estanqueidad, ofrece la posibilidad de operar con presiones más elevadas, es decir, con mayores velocidades de flujo. Se alcanza, por tanto, un régimen de circulación más turbulento, lo que favorece una transm isión de calor más uniforme, una menor formación de incrustaciones por acumulación de depósitos y su aplicación a alimentos más viscosos.

Como contrapartida, los intercambiadores de carcasa y tubo ofrecen una difícil valoración de su grado de ensuciamiento con el tiempo. Son muy poco flexibles en cuanto a su capacidad de intercambio. Por último, constituyen un elemento crítico de la producción. El deterioro de un sólo tubo supone la parada de la instalación.

Los intercam biadores de tubos concéntricos participan de las ventajas enum eradas con anterioridad. especialmente de las relativas a la flui- dodinámica, toda vez que los flujos no presentan cambios de dirección a lo largo de la operación. Esta circunstancia permite, además, tratar fluidos más viscosos. Su limpieza y mantenimiento es, por otra parte, más sencilla y eficaz. Sin embargo, su baja superficie de intercambio por unidad de volumen limita en exceso su capacidad de tratam iento.

Intercambiador de superficie rascada. En realidad, son una variante de los intercambiadores de tubos concéntricos, cuya aplicación, habida cuenta de la fuerte inversión que requieren y de su limitada capacidad de tratamiento, sólo se justifica cuando el alimento es muy viscoso o incluso particulado (admite sólidos de hasta de 1 cm). Ejem plos al respecto son los purés, los concentrados de zumo de tomate o los helados. Aunque norm alm ente se utilizan

como un simple medio de calentar o enfriar, también se aplican a la pasteurización, a la esterilización de platos prccocinados, a la cristalización previa a la concentración por congelación y a la evaporación de productos muy viscosos.

E l fluido térm ico circula por el espacio anular externo, en tanto que el alimento fluye por el conducto central, donde axialmente se aloja un rotor provisto de unas rasquetas. Este dispositivo mejora la transmisión de calor al proporcionar una significativa agitación. Por otra parte, el desprendimiento de los componentes adheridos a la superficie hacia zonas menos calientes o más frías, según se caliente o enfríe, respectivamente, reduce el gradiente radial de tem peraturas. Se obtiene, pues, un producto térm icam ente más hom ogéneo. E l barrido superficial efectuado por las rasquetas palia además la formación de incrustaciones.

Los costes de operación asociados a un intercam biador de superficie rascada son elevados. A los costes habituales se ha de sumar la partida relativa al consumo de energía debida al m otor del rotor. El sistema imposibilita, por otro lado, la recuperación del calor. Su fiabilidad es m enor que la del resto de intercanibia- dores. A pesar de todo, estos sistemas resultan imprescindibles en muchas ocasiones.

Sistemas de intercambio para alimentos particulados. Los alimentos con sólidos de cierto tamaño, pero que contienen tam bién fase líquida, son aquellos que presentan mayores dificultades para su procesado aséptico. Por lo general, el sólido circula a m enor velocidad que el líquido. Sin embargo, como quiera que la transmisión de calor en el seno del sólido tiene lugar por conducción, más lerda que por convección, mecanismo predom inante en el líquido, si se desea alcanzar la esterilización en el punto frío de la partícula, se ha de disponer de un tiempo de residencia tal, que sin duda conduce a la sobreesterilización del líquido, cuando no a su termodegradación.

La transmisión de calor en estos sistemas resulta compleja. El calor se transfiere en serie a través de ios siguientes medios: líquido, ínter-

fase líquido-sólido, sólido. La notable resistencia que opone la ínterfase al paso del calor se puede cuantificar conociendo el valor de su coeficiente convectivo, el cual es tanto menor cuanto mayor es la velocidad relativa entre las dos fases. Este coeficiente se determ ina a partir de las curvas de penetración del calor en el centro de un sólido de geom etría y conductividad conocidas. Las simplicaciones vienen por la viscosidad del fluido si éste es no newtoniano —su valor es función de la velocidad de flujo-, para la cual se toma un vaLor ponderado, y por la dificultad de establecer la velocidad relativa entre las fases, que se considera nula a efectos de asegurar la esterilidad deseada.

Las instalaciones para el tratam iento de este tipo de alimentos se diseñan atendiendo a las consideraciones anteriores y a las características del sólido. Si éste es de naturaleza frágil, los cambios térmicos, las fuerzas de cizalla e incluso la turbulencia debida al régimen de flujo pueden dar lugar a su deterioro. A continuación, se pasa revista a los sistemas ensayados.

Procedimiento de Kafedshiev y Koiev. Se calientan por separado las dos fases del alimento, la sólida a 100 UC y la líquida., una vez se ajusta su pH a 3,5, a 90 °C, Posteriormente, se procede a llenar y cerrar el envase, el cual se hace ro tar mientras se enfría con lluvia de agua. Este m étodo se ha aplicado a melocotones, peras y manzanas envasadas en recipientes de gran volumen. No es en sí un sistema de envasado aséptico, toda vez que el enfriamiento transcurre una vez se ha llenado y cerrado el recipiente.

Proceso IATA (Instituto de Agroquímica y Tecnología de Alimentos, Valencia). Consiste en calentar y enfriar la fracción sólida del alimento con el líquido, el cual se mantiene a una tem peratura dada haciéndolo circular en circuito cerrado a través de un cam biador de calor que opera según el caso con vapor o con agua fría. Se ha aplicado a la preconservación de m elocotones y albaricoques en recipientes metálicos grandes.

Proceso Rota-Hold. Propuesto por Síork, el tubo de mantenimiento incorpora una cámara circular con paletas giratorias que retarda el paso del sólido. Se consigue así que el sólido reciba un tratam iento correcto sin llegar a sobrccstcrilizar el líquido.

Proceso Júpiter A P V (“Aseptic Processing Vessel”). Es sin duda el sistema más desarrollado de los expuestos. Las fracciones sólida y líquida se tratan por separado. El líquido se somete a un ciclo de esterilización convencional, mientras que el sólido se introduce en una cámara de doble cono (DCAPV), tal como la que se representa en la figura 1.19, provista de calefacción directa c indirecta con vapor de agua. La primera etapa consiste en el precalentam íento deí sólido hasta 90° C, favorecido por la rotación controlada del doble cono. La esterilización se efectúa potenciando la acción del vapor directo con agua de cocción estéril a 130 °C. El conjunto condensado-agua-sólido se enfría sustituyendo el vapor de agua indirecto que circula por la camisa de la cámara p o r agua fría. La presión en el interior se controla m ediante la entrada de aire comprimido estéril. Una vez se ha enfriado el contenido en cues-

8

FIG U R A 1.19 . Intercambiadcr de doble cono para el procesado aséptico de alimentos particulados: 1 : d istribu idor de entrada para vapor, aíre y líquidos de cocción, 2 : entrada de vapor directo, 3: termómetro dípolo, 4: tubo d e producto, 5: d istribuidor de salida, ó : solida de producto, 7: línea g ira to ria de evacuación do aire y /o de purga de condensa-

dos y de líquidos de cocción, y 8: boca de llenado.

tión, se detiene la rotación y se introduce el líquido estéril. La cám ara pasará ahora, a actuar como mezcladora. La operación culmina con el trasvase de la mezcla esterilizada a la llenadora. El sistema Júpiter puede aplicarse a gran parte de los productos vegetales y cárnicos.

Calentamiento óhmico. E sta técnica, reciente, abre grandes expectativas al tratam iento HTST de alimentos particulados. E l producto se bom bea por un dispositivo provisto de electrodos. que inducen el paso de la corriente a través del alim ento, generándose así calor (efecto Joule), tal como se representa en la figura 1.20. E l producto se transfiere posteriorm ente al sistem a de m antenim iento para, por último, proceder a su enfriam iento. E l proceso no origina gradientes térmicos en tre las fases, lo que da lugar a un producto final de alta calidad.

FJ sistema tiene serias limitaciones. Sólo admite alimentos bom beables y que sean capaces de conducir la corriente eléctrica. Por otra parte, se ha de tener en cuenta que las secciones de m antenim iento y enfriam iento son de carác

Salida de producto

Entrada de p rod u c to

FIGURA 1.20. Sistema de ca lentam iento óhmico.

ter convencional, y que sus propias limitaciones se extienden al conjunto del sistema. Por lo demás, el procesado óhmico proporciona un calentamiento rápido y uniforme de los productos bifásicos, con un equipo exento de complicaciones mecánicas. Su control y m antenim iento es sencillo y eficaz y el ensuciamiento leve, La instalación es de gran seguridad y presenta unos períodos de puesta en m archa y parada muy breves. E l aprovecham iento energético es muy bueno; alrededor del 90% de la energía eléctrica se transform a en calor.

Su campo de aplicación no se restringe a la etapa de calentam iento del procesado aséptico, que se ha ensayado con frutas troceadas, salsas y alimentos precocinados. Se utiliza tam bién en la pasteurización de frutas y de productos vegetales ácidos, así como en la precalefacción en general de productos bombeables. Los equipos comerciales operan con corriente alterna, lo que evita el empleo de rectificadores y Ja aparición de fenómenos electroquímicos incontrolables. Sus potencias oscilan entre 75 y 300 kW y las capacidades de procesado están entre los 750 y los 3.000 kg/h.

í .3 .3 . Esterilización de envases

En general, la esterilización de los equipos y elementos que conforman la instalación de un procesado aséptico depende, en gran medida, de la acidez del producto tratado. Las técnicas utilizadas en la esterilización de productos ácidos o acidulados no ofrecen dificultad alguna. No sucede así con los alimentos de baja acidez, que requieren muchas veces la combinación de distintos sistemas de esterilización y cuyo coste es bastante superior. Antes de pasar a exponer la esterilización de envases, se da cuenta de ios agentes esterilizantes em pleados en el procesado aséptico en su conjunto.

Calor. Surge como una prolongación al propio tratam iento térmico, Se distingue entre calor húmedo, agua caliente o vapor saturado, y calor seco, vapor sobrecalentado o aire caliente.

Es más eficaz el empleo del primero, ya que la resistencia de los microorganismos esporulados al calor seco es mayor. Cuando se aplica a partes metálicas voluminosas, la tem peratura precisa con calor húmedo es del orden de 1 2 0 °C, mientras que con calor seco puede estar en tomo a los 200 "C.

Productos químicos. A unque su uso plantea controversias, parece que hay una amplia aceptación en cuanto a la bondad que ofrece el empleo del peróxido de hidrógeno. O tros aditivos ensayados, principalmente con envases que contienen alimentos ácidos, son el etanol, óxido de etileno, ácido peracético y otros ácidos orgánicos. En Estados Unidos se autorizó el empleo de peróxido de hidrógeno en 1981, pero restrin gido a envases de polielileno. Actualmente, la legislación estadounidense ha am pliado su campo de aplicación a otros materiales, así como su concentración máxima permisible una vez se llena con agua el envase estéril, que ha pasado de 0,1 a 0,5 ppm. Como este aditivo no es muy eficaz a tem peratura ambiente, se usa en combinación con calor. Esta sinergia proporciona una esterilización rápida de los equipos o de los envases.

Radiación /}, Se viene utilizando desde hace años en la esterilización de envases de productos ácidos. Estos recipientes se tratan con dosis en torno a los 1,5 Mrad. Más recientem ente, su uso se ha extendido a algunos pocos envases de productos de baja acidez. Se entiende que las dosis empleadas al respecto son bastante superiores. La esterilización del envase es función, además del material del mismo, de la acidez del alimento que va a contener y de su integración en la línea de procesado aséptico.

Envases metálicos. Son los más indicados para alimentos de baja acidez. Su esterilización por el proceso Dole se lleva a cabo con calor sobrecalentado a 225 °C. E l enfriamiento es por rociado con agua estéril.

Envases preformados de cartón. Los envases de cartón multicapa se esterilizan, antes o después de su preform ado, con peróxido de hidrógeno y calor.

Envases preformados de plástico rígido. Se esterilizan con peróxido de hidrógeno y calor. O tros sistemas, todavía en fase experimental, em plean luz U V o vapor saturado.

Envases de plástico flexible. Se ha impuesto la esterilización por irradiación de rayos X. La cámara de llenado para estos envases se puede esterilizar con peróxido de hidrógeno y calor o con vapor saturado. Se tiende a esterilizar el plástico como etapa final de su fabricación, con peróxido de hidrógeno y calor, antes de la formación de las bolsas.

1.3.4. Esterilización de equipos

Los equipos y conducciones pertenecientes al tratam iento térmico del producto se someten durante 30 minutos a una tem peratura de 121 °C (alimentos de baja acidez) o de 104 °C (alim entos ácidos). Se entiende que se puede operar con otras condiciones distintas siempre que la esterilización alcanzada sea equivalente. Los agentes esterilizantes al uso son agua caliente, como medio de precalefacción, y vapor saturado, los cuales se hacen circular por la instalación.

La esterilización de la maquinaria y equipos de las secciones de llenado y envasado se efectúa creando una zona aséptica en su entorno. E sto implica, además de la esterilización de los equipos, la necesidad de operar en un am biente estéril. La esterilidad del aire y sus conducciones se puede conseguir por calefacción del mismo o por filtración. E n este último caso, en el que se precisa la esterilización previa del propio filtro, el control de la esterilidad en el am biente resulta dificultoso. El recinto opera con una ligera sobrepresión respecto a la atmosférica, a fin de evitar posibles recontaminaciones.

1.4. Pasteurización

La pasteurización consiste en un tratam iento térm ico moderado, cuyo objetivo es asegurar

la conservación de los alimentos respetando al máximo sus características nutritivas y organolépticas. Sacrifica el tiempo de conservación del producto, breve en relación a una esterilización convencional, aun en ambiente refrigerado, en beneficio de su calidad. D esde el punto de vista técnico-económico, este procedimiento, habida cuenta que las temperaturas de operación no suelen superar los 100 °C, permite el empleo de agua como agente de calefacción, con las ventajas que ello supone.

1.4.1. Fundamento

La pasteurización se centra en la inactivación enzima tica y en la destrucción de los microorganismos más sensibles a la temperatura. Así pues, el tratam iento es capaz de neutralizar la presencia de bacterias vegetativas, levaduras y mohos, sin que su intensidad permita la destrucción de formas esporulada». Su aplica ción queda, por tanto, restringida a aquellos alimentos que no contengan esporas patógenas. La severidad del tratam iento depende, fundamentalmente, del pT-T del producto. Si el alimento es ácido, situación en la que no cabe esperar gérmenes patógenos, la pasteurización incide sobre los microorganismos alterativos y sobre la actividad enzimática. F.n el caso con

trario, alimentos de baja acidez, el proceso se concibe como un medio de garantizar la esterilidad comercial del producto, es decir, se asegura la ausencia de patógenos.

Las condiciones en que opera un pasteuriza- dor se establecen atendiendo a la destrucción de los microorganismos más tennorresistentes, a la inactivación de enzimas y a la degradación d e los factores de calidad del alimento. Se han d e conocer, pues, lo s respectivos tiempos de reducción decimal ( / ) ) y, una vez fijado el orden d e proceso requerido (n), asignar una intensidad de tratamiento tal que no altere la calidad original del producto. Se llega así, como ya se ha expuesto con anterioridad, a la conveniencia d e operar a altas temperaturas y tiempos cortos, fundamento de los procesos IÍIST.

1.4.2. Equipos

La pasteurización de los alimentos, ya sean envasados o a granel, se puede llevar a cabo en continuo o en discontinuo. La selección del equipo más adecuado para ello depende, entre otros fautores, de las características del alimento, de la capacidad de producción deseada y del modo de presentación elegido. En el cuadro 1.6 se recogen los equipos de pasteurización al uso y algunas de sus aplicaciones.

CUADRO 1.6 Instalaciones de pasteurización

Operación Envasado A/mentos A granel

Discontinua Baño de agua Cerveza, zumos de frutos Leche, zumos de frutas. Huevo líquido y productos viscosos

Recipientes encamisadas. 1. de sup. rascada

Continua TúnelEstérilStorilmatieInfrarrojosMicroondas

CervezaBatidosConservasPan y pasteleríaZumos de frutosen bidones depropilenocartón

Leche, deriv. lácteos, Zumos de frutas, huevo liquido, cervezas y vinos. P, lácteos, mayonesa, ketchup, a límenlos para bebés

1. de placas

1. de tubos concéntricos

Alimentos envasados. El material del envase condiciona el agente de calefacción. Asá los envases de vidrio siempre se pasteurizan con agua caliente, mientras que cuando son metálicos o de plástico se suelen tratar con mezclas de aire caliente y vapor de agua. Esta norma obedece a que el vidrio no puede soportar choques térmicos entre su superficie y el foco caliente superiores a los 20 °C, cuestión que no tiene trascendencia en los otros materiales citados.

Los equipos discontinuos de pasteurización de alimentos envasados se basan en un baño de agua caliente, en el que se sumerge una jaula que soporta los envases. Transcurrido el tiempo necesario, éstos se enfrían sustituyendo el agua caliente por agua fría o se transportan a un segundo baño, de agua fría. El sistema es discontinuo respecto a los envases, que se procesan por cargas, y continuo en relación al agua, que se recircula a través de un cambiador de calor.

Los equipos continuas con agua calicnLe constan de una cinta sinfín que transporta los envases por las zonas de calentamiento y enfriamiento dispuestas en serie, de tal forma que se pueda someter al producto a un perfil de tem peraturas preestablecido. El agua de estos túneles se dispersa entre los envases por rociado (se conoce como ducha). El agua se recircula entre la zona de precalef acción, donde se enfría merced ai calor sensible que cede al producto, y la zona de enfriamiento, donde se calienta debido al calor que toma del alimento envasado. Se consigue así un buen aprovechamiento de la energía puesta en juego y un menor consumo de agua. La sustitución del agua por mezclas vapor de agua-aire redunda en un calentamiento más rápido, es decir, se necesita un túnel de m enor longitud (menos espacio). La tem peratura en las distintas zonas de calefacción se aum enta disminuyendo la proporción de aire en la mezcla. El enfriamiento se lleva a cabo con agua, bien por ducha, bien por inmersión.

Alimentos a granel. Algunos de estos alimentos requieren, antes de la pasteurización, una dcsodorizacíón/desaereación. Esta opera

ción se efectúa por nebulización de] producto en una cámara sometida a vacío. E ntre los pas- teurizadores discontinuos el más extendido y sencillo es aquel en el que el líquido se trata en un recipiente por cuya camisa circula agua caliente o vapor de agua. Si la viscosidad del alim ento es elevada, la pasteurización se efectúa en un cambiador de superficie rascada.

P or lo general, el tratam iento de un alimento a granel equivale a operar con grandes producciones, esto es, en continuo. El equipo más difundido al respecto es el intercam biador de calor de placas, que puede llegar a tratar cerca de 100.000 1/h. Se integra dentro de una instalación constituida por distintas etapas dispuestas en serie. El alimento parte del tanque de regulación a la sección de regeneración, en la que se precalienta con el producto ya pasteurízado; luego, se prosigue el calentam iento con el objetivo de alcanzar la tem peratura de pasteurización. U na vez alcanzada, su recorrido hasta la sección de regeneración le proporciona el tiempo de residencia necesario para com pletar su pasteurización. El enfriam iento se culmina en dos etapas consecutivas, una con agua fría y la otra con agua refrigerada. La instalación, que opera con agua caliente, incorpora una válvula de desviación de flujo que perm ite devolver el producto al tanque de regulación, antes de su enfriam iento, si éste no ha sido pasteurízado. En la figura 1.21 se sintetiza el proceso de pasteurización. Las ventajas más significativas de estas instalaciones respecto a las de pasteurización de alimeuLos envasados son:

• Pasteurización más homogénea (producto de mayor calidad).

• M ecánicam ente más sim ples (m enor coste de mantenimiento).

• Tamaño m enor (ocupan menos espacio).• Menos mano de obra (reducción de cos

tes de fabricación).• Son más polivalentes en cuanto a diversi

dad de productos.a Control más eficaz (producto de mayor

calidad).

Si el alimento no se puede bombear con cierta facilidad, se recurre por lo general a un inter- eambiador de tubos concéntricos. Las grandes producciones que se pretenden a lc a fa r en la pasteurización de producios a grane) no justifican la fuerte inversión que supondría un intercambiador de superficie rascada, aun cuando en principio éste es el equipo más indicado para fluidos viscosos.

Queda, por último, reseñar algunas técnicas de pasteurización muy particulares, como son la radiación infrarroja y los microondas. La primera comienza a imponerse lentamente con determinados productos de panadería y pastelería. Los microondas presentan un claro condicióname económico, que limita su aplicación a aquellos productos que no puedan ser tratados por otros medios. Éste es el caso de los zumos cítricos envasados en bidones de 2001 de cartón multicapa preformados, cuyo tiempo de calentamiento en un túnel de microondas de 12 kW es de 3,4 min, cuando alcanzar la misma tempe

ratura (56 °C) en un túnel convencional de ducha ascendería a 54 min.

1.5. Escaldado

Este tratamiento térmico, también conocido como blanqueo, persigue la inhibición de la actividad cnzimálica residual de ciertas frutas y verduras, que podría dar lugar a la alteración nutritiva u organolética del producto. El escaldado cumple una serie de objetivos secundarios, que varían según qué proceso se plantee con posterioridad para asegurar la conservación del alimento. El tratamiento es moderado, enríe 70 y 100 °C, con agua o con vapor de agua. F.l alimento puede verse afectado, más por la pérdida de componentes solubles en agua que por su ter- modegradación. Se ha de indicar, por otra parte, que el escaldado constituye uno de los principales focos de contaminación de la industria alimentaría, especialmente en el sector conservero.

1.5.1. Fundamento

Ei escaldado puede llevarse a cabo como operación previa a la dcshidratación, a la esterilización de productos envasados o a la congelación, y simultáneamente o no a procesos de preparación de la materia prima tales como el pelado o el lavado. La temperatura de escaldado y el tipo d e instalación al efecto se establecen atendiendo al tamaño y características del alimento a tratar, así como al posterior proceso de conservación seleccionado. En el cuadro 1.7 se da cuenta de los distintos objetivos que se persiguen durante el escaldado.

CUADRO 1.7 El escaldado como operación previa a la conservación

de alimentos

Conservación Objetivos

Duihldratacinn Mnntflnimienici del aroma y colorPreservación del contenido vitamínico Reducción da la carga microbiana superficialMejora de la rehidratabilidad

Apperlización Eliminación de gases ocluidosUenodo en caliente Eliminación de sabores indeseables

Congelación Inhibición de la actividad enzirtáticaEliminación de gases ocluidos

La eliminación de gases ocluidos puede estar dirigida a limitar posibles reacciones de oxidación durante la congelación o a evitar que se desarrollen elevadas sobrepresiones internas durante la esterilización de) alimento envasado. En es le segundo caso, la desorción de gases palia la corrosión interna del envase y facilita la obtención de vacío en su espacio de cabeza. El escaldado, por Otra parte, da lugar al reblandecimiento y contracción del producto, homoge- ncizando su densidad, lo que favorece su llenado. Si esta operación se efectúa bajo atmósfera de vapor para expulsar el aire del envase, el

escaldado del alimento impide el enfriamiento del líquido de gobierno (cuadro 1.8).

CUADRO 1.8 Comparación entre el ogvayel vapor de agua

como agentes de escaldado

Fscotdodcr Ventajo* inconvenientes

Aguo * Instalación** sencilas • Extraccióny económicas. significativa de

• Rendimiento energético componentesaceptable. solubles.

• Ofrece uno gton • Da lugar aversatilidad. Permite vertidasoperar a distintas cuantiosostemperaturas. y muy

♦ El lavado de la contaminantes.irtstaloción es • Contraindicarlosimultáneo al paroproceso de conservacionesescaldado. por congelación.

El aguo de escaldada puede dañar los tejidos par «¿sioliración.

Vapor * Extracción «ninima * los equipas sede componentes esterilizan consolubles. facilidod.

* Mucho menos • Instalacionescontaminante en costosascuanto a volumen * Rendimientode vertido y energético muyconcentración bajo.de materia orgánica. • Equipes poco

versátiles. Están diseñados pora operara una determinado temperatura.

• No lava el producto.

• Hay qte pararlo producción para proceder a l lavado de la instalación.

El vapor de agua está recomendado para alimentos de gran superficie por unidad de volumen, en los que e l agua daría lugar a una considerable extracción de componentes solubles.

La elección, pues, del agente de escaldado más adecuado al caso depende tanto del tamaño y form a del alimento como de su naturaleza y ter- mosensibilidad, especialm ente a nivel superficial, donde pueden darse fenómenos de desecación.

1,5.2. Equipos

En general, el desarrollo de las instalaciones de escaldado tiende a m ejorar el aprovechamiento energético y a reducir los consumos de agua o de vapor de agua, que en los sistemas convencionales están en torno a 1 y 0,5 toneladas por tonelada de producto, respectivamente. O tra línea de interés se centra en disminuir la elevada D Q O de los vertidos asociados a esta operación potenciando la retención de sus componentes hidrosolubles, lo que redunda en una mayor calidad del producto escaldado.

A ) Escaldado por inmersión en agua caliente

Cilindro rotatorio. El alimento se transporta a través de un tam bor perforado y coaxial a la cuba, parcialm ente sumergido en la misma, merced aí movimiento que le confiere el rebaje helicoidal interno de sus paredes, que actúa como un tornillo sinfín (o de Arquímedcs). El tiempo de residencia del producto se controla mediante la velocidad de giro del cilindro m etálico. Las restantes variables del proceso son: la tem peratura del agua, que se regula por inyección de vapor, el flujo de producto y el volumen de agua, cuyo nivel en la cuba se controla por rebose. La reposición del agua que arrastra el producto se efectúa en continuo. Es importante operar con una relación producto/agua determinada. Si esta relación aum enta, se resiente el rendimiento energético. Por el contrario, si la relación disminuye, se favorece la extracción de sustancias hidrosolubles.

De tubo. Es el sistema tradicional. Consiste en bombear una suspensión del alimento en eí

agua de escaldado a través de un tubo metálico. En este caso, el tiem po de residencia se controla por medio de la velocidad de circulación de la suspensión y de la longitud del tubo. Estas instalaciones, que ofrecen una mayor capacidad de tratam iento y ocupan menos espacio, pueden emplearse como medio de transporte.

El escaldado p o r inmersión en agua tiene, en las dos m odalidades expuestas, un deficiente aprovecham iento energético y una alta tasa contam inante. La solución más inm ediata para afrontar estos dos inconvenientes consiste en la recirculación parcial del agua, intercalando en el circuito un intercam biador de calor con vapor de agua. D e este m odo todo el vapor condensa, m ejorando el aprovecham iento energético. Por o tra parte, la nueva disposición perm ite lim itar la extracción de com ponentes hidrosolubles, lo que supone un m enor contenido de m ateria orgánica (D Q O ) en el vertido, cuyo caudal pasa a ser muy inferior: queda restringido a la purga del circuito de re circulación.

La recirculación del agua de escaldado presenta, sin em bargo, un inconveniente añadido, cual es, como en todo circuito de estas características, la posible proliferación de flora bacteriana termófila. Por ello, se ha de tener previsto la cloración de las aguas como m edida germicida. Asimismo, conviene reseñar la im portancia que presenta la influencia del pH del agua. La extracción de ácidos orgánicos durante el escaldado con agua puede originar, si no se tampona el medio, su acidulación, ló que a su vez favorece la lixiviación de ia clorofila. En otros casos, se puede aprovechar esta circunstancia para m oderar la intensidad del tratamiento, toda vez que la termo destrucción enzi- mática es tanto m ayor cuanto m enor es el pH del medio. Estos inconvenientes se han solucionado en gran medida con la aparición de un escaidador-enfriador integrado, que permite m ejorar el aprovechamiento energético y reducir el potencial contaminante de estas instalaciones. Además, el proceso integrado proporciona un enfriamiento-escurrido muy rápido,

cuestión crítica si se quiere abordar inm ediatamente después la congelación del alimento.

Proceso integrado l.Q .B . (Individual Quick Bleaching). Consta de cuatro etapas en serie: precalentam iento con agua a 70 °C escaldado con agua/vapor a 90 °C, prcenfri amiento con agua a 30 °C y enfriam iento con aire. El p ro ducto se transporta m ediante una cinta sinfín a través de las secciones, donde el agua se distribuye por aspersión y se recoge por la parte inferior; el aire frío incide perpendicularm ente sobre e] producto en un sentido u otro, según la densidad de éste, de tal forma que el alimento acaba por alcanzar una temperatura de unos pocos grados centígrados.

El elemento crucial de la instalación es el intercambiador de calor, en e). que se cruza la corriente de agua de salida del preealentador, que llega a 25 “C, con la corriente de agua procedente del preenfriador, a 80 °C. De este modo, tal como se puede apreciar en la figura 1.22, se consigue sim ultáneam ente la calefacción del agua de precalentam ienío y cí enfriamiento del agua de preenfriamicnto. El rendimiento entáí- pico del sistema llega así al 70%. El efluente producido es, por otra parte, muy reducido. El consumo de agua baja hasta el metro cubico por cada diez toneladas de producto.

Una modificación del proceso integrado descrito consiste en prescindir del intercambiador de calor. Así. el agua de salida de la sección de preenfr¿amiento se recircula directamente y en contracorriente a la unidad de prccalentamien- to. Si bien la inversión requerida es menor, al no aprovecharse el agua de salida del precalenta

m iento -se trata de un circuito abierto-, se dispara eí consumo de agua y el caudal del vertido.

B) Escaldado con vapor de agua

De túnel. Consiste en un túnel por el que se transporta el alimento sobre una cinta sinfín bajo atmósfera de vapor. El control del tiempo de residencia se efectúa actuando sobre la velocidad de paso del producto. En cualquier caso, el rendim iento energético es muy bajo (7] = 10%). Para m ejorar este aspecto se han desarrollado distintas soluciones. Se pueden emplear duchas de agua a la entrada y salida del túnel para condensar el vapor residual (rj = 20%) o reducir sus perdidas con ayuda de unas válvulas rotatorias para la carga y descarga del producto (77 = 30%).

Escaldado terrnodclico. En estos equipos, el vapor residual de baja presión se recircula de arriba a abajo, merced a la succión proporcionada por la entrada del vapor de alta presión (mayor energía) a través de un sistema Vcnturi. La entrada y salida del producto se efectúa con ayuda de un cierre hidráulico para evitar pérdidas de vapor.

Escaldado de cierre hidrostático. El agua, en esta ocasión, además de destinarse a cerrar la cámara de vapor, se hace circular en contracorriente respecto al sentido de flujo del producto, de tal m odo que contribuye a su enfriam iento, lavado y precalefacción.

Proceso l.Q .B. Surge como una solución al gradiente térmico que se establece entre la

Figura 1.22. Circuito de intercambio de calor de las aguas de precalefacción y de preenfriamiento de un procesointegrado de escaldado.

superficie del producto y su centro, que puede dar lugar, si se quiere asegurar la inactivación enzimática en las zonas interiores, a la desecación periférica del alimento, con La consiguiente alteración de su textura y calidad. El proceso se lleva a cabo en dos etapas: una prim era, en la que se calienta el producto dispuesto e n monocapa, seguida de una segunda, que discurre en una cámara adiabática, donde se procede a su m antenim iento en multicapa a una determ inada tem peratura . Con este procedim iento , esquematizado en la figura 1.23, se consigue:

• un más que significativo ahorro energético,

• un producto más uniform e y de mayorcalidad,

• un tiempo de operación más corto (sobre tres veces menor),

• un efluente de m enor caudal y carga contaminante.

E l producto se transporta m ediante una cinta sinfín que atraviesa las láminas que separan entre sí las distintas secciones a fin de limitar las perdidas de vapor, En ocasiones, antes del escaldado del producto se procede a su secado con aire, lo que origina cierta reabsorción de vapor durante la fase térmica. Esta práctica mejora la retención de nutrientes y volátiles, redundando en un tratam iento del efluente final más económico. El enfriam iento

Homogenoizacióntérmica

F igura 1.23. Escaldado I.Q.B. con vapor.

del producto, dispuesto en una sola capa (como en la fase de calentam iento), se efectúa con aire saturado.

Lecho fluidizado. Hasta ahora, los escalda- dores descritos se justifican por un m ejor rendim iento energético respecto al convencional o de túnel. El dispositivo analizado en este caso se centra en un tipo de contacto, el inherente a la fíuidización de un sólido, que perm ite aum entar la velocidad de transm isión del calor, con la consiguiente reducción del tiem po de escaldado.

E n las instalaciones de lecho fluidizado, el alimento se pone en contacto con una mezcla aire/vapor de agua a 95 °C que circula a través del lecho con una velocidad de 4-5 m/s. Ea mezcla cumple, pues, una doble función: actúa como gas fluidizantc y fluido calefactor. Su aplicación queda restringida a aquellos sólidos que por su tam año y forma sean susceptibles de flui- dización. Las principales ventajas asociadas a esta técnica son:

• Contacto fluido/sólido muy bueno yhomogéneo.

• Tratamiento uniforme.° Tiempos de escaldado breves.* Extracción limitada de nutrientes y otros

com ponentes hidrosolubles.* Efluentes no excesivam ente contam i

nados.

Empleo de vapor sobrecalentado. Es un medio de reducir el tiem po de escaldado y de evitar prácticamente efluentes de vertido. Sin embargo, la ausencia de condensados requiere una gran velocidad de paso (con riesgos de arrastre del producto) y una considerable tem peratura de sobrecalcfacción (con riesgos de term odegradación superficial del producto). Estas dos condiciones encarecen notablem ente el empleo de vapor sobrecalentado. Adem ás, se ha de tener en cuenta que, si bien la fase de escaldado no origina vertido alguno, el enfriamiento con agua supondría un efluente final muy contaminado.

Empleo de microondas. Esta técnica, aun siendo prometedora, plantea una serie de cuestiones por resolver, a saber:

« No es aplicable a piezas grandes. Su profundidad de penetración es escasa.

• No es aplicable a alimentos con cierto contenido de agua. La evaporación dcí agua supone un enfriamiento que puede dar lugar a un escaldado deficiente.

• En principio, el escaldado no genera vertido alguno. A hora bien, al igual que en el caso de utilizar vapor sobrecalentado, si se enfría el alimento con agua se produce el efluente correspondiente, muy contaminado.

• Origina, por lo general, cierta desecación superficial.

• Su coste es por el momento prohibitivo, especialmente en las industrias de alimentos estacionales.

C) Sistemas de enfriamiento

El procedimiento más sencillo consiste en la inmersión del producto en agua. Supone un consumo adicional de agua y un foco de contaminación. La aspersión o pulverización de agua es un modo de reducir este consumo, aun cuando la carga contaminante se mantenga prácticamente constante.

El enfriam iento con aire, que es la técnica utilizada para evitar la contaminación, depende básicamente de su contenido de humedad. Así, cuanto más seco sea éste, m ayor capacidad de evaporación (o de enfriam iento) ofrecerá. Sin embargo, esta práctica puede dar lugar a la desecación del producto. En casos extrem os caben dos soluciones: pulverizar agua sobre el producto o saturar el aire. La prim era alternativa tiene la ventaja de ser un procedim iento más rápido, ya que el enfriam iento continúa siendo por evaporación y no por intercam bio de calor sensible, fundamento de la segunda.

1.6. Tecnologías avanzadasen la esterilización de alimentos

Tal como se aprecia en el cuadro 1.9, las técnicas avanzadas en la esterilización de alim entos se pueden clasificar atendiendo a la presencia o no de un foco de calor. Algunos procesos térmicos reseñados no se tratan en esta obra. La calefacción óhmica se ha abordado en este mismo capítulo (apartado 1.3.2) como un sistema de intercambio de calor dirigido al tratam iento HTST de alimentos particulados. Otros sistemas al respecto son el A PV Júpiter y el Rola-Hold.

CUADRO 1.9Tecnologías avanzados en lo esterilización de alimentos

Procesos térmicos Procesos a baja temperatura

■ Colefaeción por • Aplicación de elevadasmicroondas y radio presiones hidrostáticas.frecuencia. • Empleo de campos

• Calefacción óhmica. eléctricos pulsantes.• Métodos HTST para • Estéril ¡ zac ¡ ón por pulsos

alimentos particulados. de luz.* Cocinado por extrusión. • Radiaciones ionizantes.

• Mano-termo-sonicacióri.

En síntesis, se pude concluir que los métodos de calefacción eléctrica, ya sea ésta dieléctrica u óhmica, dan lugar a un tratam iento térmico más hom ogéneo con un flujo de calor más elevado. En su contra, cabe citar su coste, que por el momento no es competitivo respecto a los procesos térmicos convencionales de esterilización basados en la transmisión de calor por convección-conducción. A continuación, se exponen los principios en los que se fundam entan los distintos procesos a baja tem peratura, a excepción del em pleo de radiaciones ionizantes, m ateria del próximo capítulo.

Aplicación de elevadas presiones hidrostáti- cas. A unque el efecto de la presión sobre los microorganismos se conoce desde finales del siglo XIX, hasta 1995 no se desarrolló la tecno-

logia que perm itió instalar las primeras plantas comerciales de esterilización de zumos de frutas y mermeladas basadas en la aplicación de una alta presión hidrostática. El efecto de la presión sobre un alimento se traduce en:

• una disminución de la síntesis del ADN celular,

• un aum ento de la permeabilidad de la membrana celular, con pérdida de líquidos,

• la desnaturalización de proteínas,• la destrucción de bacterias vegetativas y,

según el caso, de formas esporuladas,• la inactivación enzimática por cambios en

la estructura intramolecular.

El proceso no altera, sin embargo, las moléculas asociadas a los aromas y vitaminas. La presión sí afecta en cambio a la textura de ciertos tejidos. Aumenta, asimismo, la digestibilidad de la carne y de los almidones. La sensibilidad de los microorganismos frente a la presión depende de numerosos factores (composición del medio, actividad de agua, temperatura, etc,). En el cuadro 1.10 se establecen cinco grupos de microorganismos según la resistencia que presentan frente a la presión.

Las instalaciones com erciales operan a 40Ó MPa y están constituidas por un recipiente de acero de 50-1.500 1 de volumen. Cuentan, además, con un dispositivo para aum entar la p resión, con un sistema de despresurización y con sendos controles de presión y tem peratura. El método de operación es p o r cargas, bien del alimento envasado en varios recipientes flexibles, capaces de transm itir la presión, bien en un recipiente único (en bloque o “bul.k”) o, incluso, a granel. Como se puede apreciar en la figura 1.24, la presurización se efectúa m ediarle una bomba de baja presión que actúa sobre un sistema hidráulico para elevar ésta hasta el valor deseado (principio de Pascal). El dispositivo puede hacer incidir directam ente el pistón de presión sobre el alimento (sistema interno) o sobre agua, que se envía a través de una con-

CUADRO 1.10 Sensibilidad de los microorganismos I.rente a la presión

Microorganismo Género Presión (fcbarj

Bacterias Gram neg ativas

PseudomonasSa/monellaCampylobacter

3

Levaduras CandidaSaccharomyces

4

Bacterias Gram positivas

Micrococcus Siaphylococcüs S treptomy ces

ó

Esporasbacterianas

Bacittus ó + ÓQ °C + 40 min.

Toxinas de bacterias

C/osfrídíumbotulinum

ó [Destrucción parcial)

ducción hasta eí recipiente (sistema externo). A partir de cierta escala, se prefiere la segunda alternativa, que ofrece menos problemas mecánicos. La operación se puede considerar isoterma. Aunque la compresión adiabática del agua supone un aumento de la temperatura (sobre

a tratarCierreinferior

Figura 1.24. Esquema de funcionamiento de una unidad de esterilización por presión por el sistema interno.

2 °C/MPa), ésta se reduce de nuevo con rapidez en el posterior proceso de expansión.

La aplicación del principio de Pascal en estos equipos transm ite la presión instantánea y uniformemente a todo el volumen de la carga, independientem ente de su forma y tamaño. Aun cuando el tiempo de residencia está entre 1 y 5 min, la duración de un ciclo (apertura, descarga, limpieza, carga, prcsurización, m antenimiento y despresurización) asciende a 12-15 min, según el envasado sea en bloque o individual, Lo idcai es operar alternativam ente con dos unidades en paralelo. Los principales inconvenientes de este tipo de procesado son:

* La elevada inversión requerida.* Sus costes de operación, considerables.* Las condiciones de seguridad inherentes

a una tecnología que opera a altas presiones.

Empleo de campos eléctricos pulsantes. E sta tecnología representa una de las alternativas más prom etedoras a los métodos convencionales de pasteurización. La pasteurización fría, sobrenombre con eí que se conoce a este proceso, permite asegurar la conservación de ciertos alimentos (leche, huevos líquidos, sopas y zumos y concentrados de fruta) respetando en grado sumo su calidad original. Su aplicación queda limitada a productos bombeables, capaces de conducir la electricidad y exentos de patógenos esporulados. La operación se puede llevar a cabo en continuo o en discontinuo.

El equipo de generación de pulsos consta de una fuente de alimentación de alto voltaje, desde donde se conduce la corriente eléctrica a un condensador, que actúa como sistema de almacenamiento eléctrico, elemento desde el que se regula la frecuencia y tipo de descarga sobre la cámara de tratamiento. La cámara, cilindrica, está constituida por dos electrodos de carbono, uno central y otro de contorno, entre los que circula coaxialmentc el fluido a tratar. Esta configuración permite la transformación de los pulsos de alto voltaje en pulsos

de campos eléctricos, uniformes. El circuito eléctrico perm ite controlar, entre otras variables eléctricas del proceso, la intensidad del campo eléctrico (20-80 kWfcm), la duración del pulso (1-10 jtis), la capacitancia (80 nF-9,6 pF) o la frecuencia pulsante. El campo eléctrico pulsante que se genera en torno al alimento da lugar a una acumulación de calor, que se mide a través de la tem peratura adquirida por los electrodos, y que se controla regulando la velocidad del agua de refrigeración que circula por un circuito alojado en el electrodo central.

E l campo eléctrico pulsante induce la rotura irreversible de las membranas celulares de los microorganismos, la cual es función de sus p ro piedades víscoclásticas. Parece ser que el fenómeno comienza con la dilatación de la superficie de las membranas por fluctuaciones sucesivas, seguida del ordenam iento molecular de la misma, lo que da lugar a la aparición de discontinuidades superficiales y a la expansión de sus poros, que conduce a la ro tura mecánica de la célula. El fenómeno en su conjunto se conoce como electroporacLÓn.

La em presa “Puré Pulse Technologies'’ ha desarrollado una planta piloto (proceso “Cool P u ré”) capaz de procesar en continuo 200 1/h. La instalación incluye los depósitos de alimentación y del producto tratado, así como el intercam biador de calor para el posterior proceso de enfriam iento. Los costes de tratam iento, am ortización y m antenimiento incluidos, se estiman equivalentes al consumo de 100 k.T por litro de producto tratado.

Esterilización por pulsos de lu z■ En realidad se tra ta de una variante del proceso an teriorm ente descrito, que goza, en lo que al alim ento se refiere, de las ventajas ya expuestas. Am bas m odalidades de tratam ientos pulsantes se agrupan bajo la denom inación de procesos de energía pulsante. E l circuito eléctrico es tam bién sem ejante, aunque en esta ocasión la generación de los pulsos de luz blanca de am plio espectro es por ionización eléctrica de una lám para de xenón. La em isión de luz tiene una longitud de onda que va desde el UV leja

no (200 nm) hasta el infrarrojo (1.100 nm). La duración de cada pulso de luz es de 200 a 300 jLís y su frecuencia de 1 a 10 s-1. La intensidad lumínica de los pulsos es unas 20.000 veces superior a la de la radiación solar sobre la superficie terrestre.

La luz no es ionizante, de ahí que no se difunda a través de m ateriales opacos. Sin em bargo, se transm ite a través de muchos materiales de envasado, lo que perm ite el tra ta miento de productos envasados sin riesgos de recontaminación. El efecto de la luz sobre ios microorganismos se desarrolla en la misma línea ya expuesta, pero con m ucha más intensidad; es capaz de asegurar la esterilidad comercial de alimentos poco ácidos, envasados o no, incluso si éstos contienen esporas bacterianas. Su cam po potencial de aplicación es muy amplio: frutas y verduras frescas, carne, pescado, huevos y ciertos líquidos y suspensiones.

L a e m p resa a n te s c ita d a p o se e u n a p la n ta p ilo to de 200 1/h (p ro c e so “ P u ré B r ig h t”) y u n a u n id a d ya c o m erc ia l, de 8 .000 1/h d e h u ev o s líq u id o s. L o s co s tes de o p e ra c ió n se e s tim an e q u iv a len te s al c o n su m o d e 45 J p o r cm 2 d e su p erfic ie t ra ta d a , c ifra a c e p ta b le . N o su ced e así c o n la in v ers ió n re q u e r id a , to d a v ía re la tiv a m e n te e lev ad a p a ra la in d u s tr ia a lim en ta ria .

Mano-termo-sonicación. E ste método, que se plantea como una alternativa a los tratamientos térmicos, es capaz de conseguir un alimento menos term odegradado, de mayor calidad. Se basa en la com binación sim ultánea de calor (<150 CC) y ondas de ultrasonido (<145 /mi) bajo presión (<1.000 kPa), que por separado tienen una eficacia contrastada. En este caso, la sinergia que se desarrolla garantiza una esterilidad adecuada, sin forzar el nivel de operación de ninguna de las tres variables implicadas, lo que podría perjudicar la calidad final del alimento, especialm ente la tem peratura. Su aplicación es factible desde el punto de vísta microbio!ógico: el proceso destruye con eficacia las bacterias, excepto algunas formas esporuladas, e inhibe con facilidad la actividad enzimática residual, aspecto este que evita el escalda

do previo que requiere la esterilización térmica convencional de ciertos alimentos.

La propagación de las ondas de ultrasonido a través del líquido a tratar genera, alternativam ente, zonas de com prensión y de expansión. En las prim eras, las moléculas del líquido tienden a aproxim arse entre sí, m ientras que en las segundas, las ondas perm iten reducir la presión absoluta del líquido por debajo de su presión de vapor, fenóm eno conocido como cavitación, que da lugar a la aparición de mieroburbujas de vapor. Los sucesivos ciclos de com presión-expansión originan el aum ento del volumen de las burbujas hasta un determ inado tamaño crítico, a partir del cual la energía proporcionada por las ondas no es capaz de m antener la fase vapor en el interior de las mismas. Se produce entonces la condensación súbita del vapor, con la liberación paralela de gran cantidad de energía en forma de calor, y ondas de choque, producto de las colisiones entre las moléculas del líquido de las burbujas ya rotas. La cavitación del líquido origina así la ro tura mecánica de las estructuras celulares de los microorganismos.

■ La presión cumple un doble objetivo: por una parte contribuye a la destrucción de microorganismos y, por otra, regula la intensidad de la cavitación en función de la tem peratura de operación. Dado que el aum ento de la tem peratura supone un aum ento de la presión de vapor del líquido, con la consiguiente disminución de la energía liberada al am ortiguar el vapor las colisiones moleculares, un incremento de la presión com pensará el efecto de la tem peratura, m anteniendo así la intensidad del fenómeno en el nivel deseado.

La letalidad del tratam iento es directam ente proporcional al tiempo y tem peratura establecidos y a la presión y amplitud de las ondas de ultrasonidos. La energía que proporcionan dichas ondas, que es función del cuadrado de su amplitud, determ ina la intensidad de la cavitación. Este proceso, contrastado a escala de laboratorio, plantea serías dificultades técnico- económicas para su desarrollo industrial.

1.7. Efectos del color sobre los alimentos

El tratamiento térmico de los alimentos, al igual que el resto de métodos de conservación, puede considerarse un “mal m enor”. Presenta una serie de efectos secundarios que alteran la calidad nutritiva y sensorial deí producto final. Aunque las condiciones de operación se establecen atendiendo a la diferencia existente entre los valores de D y Z de ios microorganismos y los de los parám etros de calidad, de tai forma que estos efectos se den en la m enor medida posible, siempre se producirá una a lteración del alimento.

La intensidad de tratam iento determina el grado de alteración experim entado por el alimento. Se comprende, pues, que la esterilización del producto envasado lleva consigo una pérdida de calidad superior a la asociada a una pasteurización o a un escaldado. Los métodos HTST y U H T originan también una alteración del alimento, m oderada en relación a una apperttzación, aunque superior a la de una pasteurización.

1.7.1. Esterilización

Los principales cambios en el alimento se centran en la modificación de su textura o viscosidad, según sea este sólido o líquido, en la aparición de sabores u olores extraños o desagradables, en la alteración del color o en su decoloración y en la pérdida de valor nutritivo por la inestabilidad térmica de alguno de sus constituyentes.

Olor y sabor. En relación a este aspecto, resulta más crítico el almacenamiento del p ro ducto que su procesado térmico. La presencia de oxígeno puede dar lugar a la oxidación y des- carboxilación de los lípidos, enranciamiento del alimento, con la consiguiente aparición de compuestos volátiles (aldehidos, cetonas, alcoholes...) con olor y sabor. Las reacciones de Mai- llard son también una fuente de sustancias volá

tiles a considerar. El calor, por otra parte, puede provocar la pérdida de componentes volátiles naturales, modificando así la calidad sensorial del alimento.

Los efectos del tratam iento térmico, aun siendo de m enor importancia que el enranciamiento, pueden originar cambios significativos en cuanto al olor y sabor del producto. E l calor propicia una serie de transformaciones en los constituyentes de los alimentos. Así pues, la composición del producto determina el tipo de cambio que éste experimenta. Las carnes, por ejemplo, se ven sometidas a reacciones de p irólisis, desanimación, descarboxilación de aminoácidos, degradación de carbohidratos, etc. En las frutas y verduras prima la pérdida de volátiles originales por degradación térmica, ya sea por re combinación o por volatilización. En la leche destacan la desnaturalización de las proteínas del suero y la degradación de los lípidos, que da lugar, entre otros compuestos, a la aparición de lactonas.

Color. El color de un alimento sometido a una esterilización depende de la estabilidad de sus pigmentos, naturales- o añadidos. En el cuadro 1.11 se han resumido las alteraciones cromáticas que experim entan ciertos pigmentos durante la esterilización de algunos alimentos envasados. La decoloración del producto puede deberse a la descomposición térm ica o a la oxidación del pigm ento, así como a su interacción con determ inados componentes del m aterial del envase.

Además, se ha de considerar que las carnes esterilizadas pueden ser objeto de em parda- miento o caramelización debido a las reacciones de Maillarcl. La extensión de estas reacciones depende de la composición del alimento. En la leche apenas se dan. Los aditivos tam bién pueden jugar un papel relevante en la coloración de los alimentos. Así, el nitrito o e l nitrato sódico, que se utilizan para paliar e l efecto potencial que pudiera tener la presencia de Clostridium botulinum, originan que las carnes adquieran una tonalidad entre el rojo y el rosa como consecuencia de la formación d e óxido

CUADRO 1.11Evolución del color de algunos pigmentos durante el procesado tirm ica de alimentos

Pigmento (color) Proceso de transformación Pigmento final (color) Alimento

OxiomloglobíneiM o l

Descomposicióntérmica

Meta miog lobina morrón

Cornes

Mloglobino(púrpura]


Miohemicromógeno(rojo-marrón]

Carnes

Clorofila(verde]


Feofitina(Decoloración)

Frutas y verduras

Caroteno»(amarillo, naranja, rojo]

Oxidación y /o epox! o ds-trans Isomerización

(Decoloración) Frutas y verduras

Betalina»(rolo]

Oxidación (Castaño] Remolacha

Leucoanlocia ninas [Incoloras]


Anlocianinos(oscurecimiento)

Habas, grosellas

Anlodaninas Interacción con Fe o Sn

Complejos metálicos (púrpura)

Atmentos envasados

Leucoantodaninos(Incoloras]

Interacción con Fe o Sn

Complejo* metálicosfosadas)

Guisantes y membriKos envasodos

Flavonoldorutlna Interracción con Fe Complejo fénico (oscurecimiento)

Espárragos envasados

Antoeicenlco» Interacción con Sn Complejo estanioso (color azulado)

Frutas rojas envasadas

Antodonlnoí Interacción con Sn Complejo eskmioso {rasado)

Peras envasadas

nítrico-mioglobitia. El ácido ascórbico, antioxidante por antonomasia, si bien puede favorecer la coloración de ciertos alimentos, sus productos de descomposición pueden también conducir a la formación de pigmentos de color marrón.

Textura. El tratamiento térmico de las carnes envasadas conduce tanto al endurecimiento de su tejido muscular como al reblandecimiento de su superficie. E l primer efecto obedece z la desnaturalización de la materia proteica por coagulación y pérdida de capacidad de retención del agua. Se dan una serie de cambios en la solubilidad, elasticidad y flexibilidad de las pro

teínas que modifican sus propiedades originales. E l reblandecimiento superficial es una consecuencia de la hidrólisis del colágeno, que da lugar a una gelatina soluble, así como a la dispersión de la grasa, líquida a las temperaturas de operación.

La materia vegetal, frutas y verduras, experimenta ante el calor un reblandecimiento. Por una parte tiene lugar la hidrólisis de las sustancias péctidas y la gelatinización de los almidones, con. solubilización significativa de carbohidratos. Por otra, el calor destruye o altera las membranas celulares semipermeables y degrada las estructuras tntracelulares. Todo ello con

duce a una pérdida de turgencia y cohesión celular, que se traduce en el m encionado reblandecimiento.

Valor nutritivo. El valor nutritivo de un alimento puede verse afectado por el calor, si bien se ha de considerar que las pérdidas o alteraciones que pueda experim entar se deben al conjunto de operaciones que conform an su procesado. Así, se ha com probado que el lavado, alm acenam iento, preparación, escaldado, presencia o no de un líquido de gobierno durante el tratam iento térmico del producto envasado y cocinado o recalentado pueden contribuir, según el alim ento y Jas condiciones establecidas en cada caso, a la pérdida de nutrientes.

Las proteínas de un alimento pueden verse alteradas durante el tratam iento térmico al coagularse. Las pérdidas de aminoácidos se deben a la reacción de Maillard y, en menor medida, a su lixiviación por el líquido de gobierno. Así pues, si no se retira este líquido a efectos de consumo, no hay pérdidas significativas por este concepto. Los aminoácidos más susceptibles de degradarse son los que contienen azufre en su estructura y la lisina.

Los carbohidratos son los constituyentes nutritivos más estables ante el calor. La posible gelatinización del almidón durante el tratamiento favorece su digestibilidad. D e darse la rotura de membranas celulares, aspecto ya tratado en relación a la modificación de la textura del alimento, es probable la pérdida de pcctí- nas, ¡unto con otros nutrientes hidrosolubles (vitaminas, minerales, etc.), por lixiviación a cargo del líquido de gobierno.

Los lípidos, sobre todo los insaturados, son proclives a la oxidación, fenómeno que se favorece a altas temperaturas. Aunque su principal consecuencia se centra en la alteración del olor y sabor del alimento, la oxidación de las grasas se asocia también a la pérdida de calidad que experimentan las proteínas y a la inhibición de la actividad de las vitaminas liposolubles. La solución a esta posible pérdida de nutrientes pasa por el control de la concentración de oxí

geno en el envase y por la incorporación de los antioxidantes más adecuados al caso.

Las vitaminas más sensibles al calor son el ácido ascórbico y la tiamina. Además, el carácter hidrosoluble de ambas puede ocasionar su lixiviación durante el lavado, escaldado o procesado junto a un líquido de gobierno, especialm ente en el caso de la primera de ellas. Las vitaminas liposolubles son, por lo general, más estables ante el calor que las hidrosolubles, aunque se encuentran supeditadas a la oxidación de las grasas. O tras vitaminas susceptibles de degradarse por acción del calor son la piri- doxina, el ácido fólico y la riboflavina, ésta en presencia de luz.

Los minerales muestran, en términos generales, una apreciable estabilidad frente al calor. Su procesado térmico junto a un líquido de gobierno puede originar su lixiviación, aunque tam bién se puede dar el proceso inverso: es decir, el alimento es capaz de captar oligoele- mentos procedentes del líquido de cocción, tal como se ha comprobado a través de su contenido final en cenizas.

} .7.2. Pasteurización

L a principal ventaja de esta operación reside en que, al llevarse a cabo a tem peraturas m oderadas, se respetan en grado sumo las propiedades y la calidad del producto. Como contrapartida se resiente su período de conservación, que no pasa de dos o tres semanas frente a los meses que puede perdurar en buenas condiciones de consumo un alimento esterilizado.

La principal precaución a tomar en la pasteurización consiste en realizar una eficaz desaireación del producto. La presencia de aire potencia, por ejemplo, el em pardam iento enzi- mático y las pérdidas de caroteno y vitamina C de los zumos de frutas. Las pérdidas de com ponentes volátiles debidas a la pasteurización, en todo caso mínimas, pueden ser beneficiosas o no según el producto tratado. Así, si se trata de zumos, la ausencia de estos componentes no

perm ite enm ascarar el sabor a “cocido” resultante del procesado. Por el contrario, la pérdida de estos volátiles en la leche origina un producto de sabor más agradable al desorberse las sustancias responsables de su arom a a establo, a heno.

1.7.3. Escaldado

La intensidad de este tratam iento térmico es intermedia entre la de una esterilización y la de una pasteurización. Las condiciones se fijan atendiendo a los siguientes criterios, antagónicos entre sí: inactivación de enzimas hasta un nivel dado y mínimas pérdidas de volátiles y de valor nutritivo, todo ello sin reblandecer dem asiado el alimento.

Los nutrientes hidrosolubles se pierden por lixiviación en las aguas de escaldado. Las vitaminas, hidrosolubles o no, pueden asimismo degradarse por acción del c a lo r , y en el caso de las liposolubles se ha de contar con la posible oxidación de las grasas. La vitamina C se tom a como referencia para establecer el nivel de pérdidas asociado a la operación.

Los pigm entos son tam bién capaces de experimentar cambios. C uando se escaldan alimentos vegetales se suele alcalinizar el medio, con carbonato sódico o cal, para preservar la clorofila, es decir, el color. E l em pardam icnlo enzimático se limita por inmersión del producto (patatas, peras, etc.) en una disolución de salmuera al 2% antes de proceder a su escaldado.

Cuando el escaldado se concibe como una operación previa a la esterilización del alim ento, su reblandecimiento resulta conveniente: se facilita el llenado. Si el alim ento escaldado se va a som eter después a una deshidratación o a una congelación, es probable que la pérdida de textura en este caso sea excesiva. Se contrarresta esta posibilidad incorporando al agua de escaldado cloruro calcico, que por combinación con las pectinas da lugar a compiejos de pectato calcico, que actúan como medio de cohesión in terno del alimento.

En principio, si la operación está bien planteada, las pérdidas de propiedades organolépticas y de valor nutritivo no han de ser significativas. Para ello, se puede actuar sobre un gran número de variables: superficie por unidad de volumen del alimento, intensidad del tratam iento, sistema de enfriamiento y relación alimento/agua entre otras. El principio en que se basan los métodos HTST, expuestos para el procesado de alimentos a granel, se cumple también para el escaldado. Es decir, esta práctica preserva notablemente las características originales del alimento, En cualquier caso, la principal variable respecto a la calidad del producto escaldado es el agente de calefacción utilizado. El vapor de agua tiene una capacidad extractiva de constituyentes del alimento muy inferior a la del agua.

Resumen

1. Se plantean Ion parám etros de la destrucción térmica de microorganismos, su significado físico y la inteiTclación existente entre los mismos. La evaluación del tratam ien to térm ico se extiende tam bién a los factores de calidad del alimento a través de sus correspondientes parám etros de term orresistencia. A la vista de los valores resultantes en ambos casos, muy diferentes, se justifica el empleo, en lo posible, de los tratam ientos térmicos H TST por contacto directo en tre el agente de calefacción y el propio alimento.

2. Se analiza la transm isión de calor en la esterilización de p roductos envasados en función de las variables del proceso y los inconvenientes que p lan tea en la práctica. Se aboga por el m étodo de Ball, en d e trim en to del de Bigelow, para el cálculo del tiem po de esterilización, Se deta llan las operaciones previas precisas en cada caso y los equipos de esterilización utilizados en la industria alim entaria.

3. Se tra ta la esterilización de ios alim entos sin envasar o a granel como una parte de su p ro cesado aséptico, que se com pleta con ía descripción de la esterilización de los envases, equipos c instalaciones en general.

4. E l tratam iento térm ico de los alimentos no se reduce a la destrucción de los m icroorganismos presentes en el mismo por esterilización convencional. E xisten o tras m odalidades, como ía pasteurización, tra tam ien to más m oderado que asegura la ausencia de bacterias de vida vegetativa en el producto, o el escaldado, cuyo objetivo prim ordial se centra en la inactivación enzimática residual de ciertos alimentos para preservar sus cualidades organolépticas. Se citan tam bién algunas tecnologías de carácter térmico, en fase de desarrollo pero muy prom etedoras en el cam po de la esterilización de alimentos.

5. A unque el proceso de esterilización se diseña atendiendo a la naturaleza y cuantía de los microorganismos presentes en el alimento, paralelam ente se ha de evaluar su incidencia sobre el producto para, si es posible, respetar en grado máximo sus propiedades originales.

Problem as p rop uestos

1. Calcule el valor de D a partir de los siguientes pares cíe valores tiempo en m inutos-núm ero de microorganism os viables: 0 (N Q):8 ■ 105; 10: 4 ■ 1CP; 20:105; 30:7 ■ 1.0'*; 40:3 - lO1*; 50:9 -101

2. Sabiendo que un microorganismo presenta un Z3ll5 igual a 8 minutos y que al cabo de 12

m inutos de tratam iento a esa tem peratura quedan todavía 4 ■ 104 supervivientes, calcule la población inicial. ¿Cuál será el o rden de proceso alcanzado en 10 y 20 m inutos?

3. E n la esterilización de un a lim ento se han estab lec ido dos posibilidades para alcanzar un o rd en de proceso de 12, a saber: 106 °C d u ran te 100 min o 118 °C d u ran te 6 min. C alcule los valores de / '95 y de F.l5 para el m ism o grado de esterilización, así como el valor de D 0.

4. E stablezca el valor de Q m a partir de los datos facilitados en el problema anterior.

5. U n alim ento p resen ta un m icroorganism o esporulado (71 = 10) y un factor de calidad (Z = 40) que se desea preservar, cuyos T7,^ son, respectivam ente, 8 y 4 min. A provechando que sus term orresistencias son muy diferentes, estim e la tem peratura a partir de la cual el tratam iento no supone alteración alguna de la calidad del producto.

6. Ea curva de penetración del calor d e un alim en to arroja los siguientes datos: T(: = 45 "C, T .-■= 75 °C, f h = 1.5 min y / . = 1,6. El horno se ha program ado para operar a 125 °C y el alim ento , cuyo Z es do 10 °C, tiene u n II de 3 min. Calcule el tiempo de esterilización.

2

LA IRRADIACION DE ALIMENTOS

2.1. Tipos de radiación2.2. Interacciones de la radiación

ionizante con la materia2.3. Concepto de dosis2.4. Aplicaciones en la industria

de alimentos2.5. Estado actual de la tecnología2.6. Instalaciones2.7. Dosimetría2.8. Calidad de los alimentos irradiados

La radiación electromagnética tiene diversas ap licaciones en el proceso y conservación de los alimentos. En la zona de las altas energías la

radiación es ionizante y rodiolizante. Por eso ¡a radiación (gamma), penetrante, se utiliza en la conservación de alimentos por su poder de destrucción de ios microorganismos en el seno de los mismos. En 1981 un Comité m ixto de expertos F A O /O IE A /O M S llegó a la conclusión de que los alimentos irrad iados con una dosis de hasta 10 kGy no tienen ningún riesgo toxicológíco y desde

1984 esta técnica está incorporada al C ódigo A limentario Internacional.

En este capítulo se estudian las propiedades de las radiaciones ionizantes, su in teracción con la materia viva, el concepto de dosis de radiación y las aplicaciones industriales en la conservación de alimentos por destrucción de microorganismos contaminantes y parásitos y por interrupción de diversos procesos biológicos. Se describen los irradiadores industriales, su capacidad de producción, la dosimetría y la calidad de los alimentos irradiados.


A Actividad (B q o Ci) m M asa de alim ento irradiada (kg)c Coeficiente de ajuste en la ecuación [2.3] Mev M egaeíeetrovoltind Distancia (m) N N úm ero de microorganismos que queda desD dosis de irradiación (kGy) pués de una irradiación con una dosis D

»10 Dosis de radiación que se requ iere para des N a N úm ero inicial de m icroorganism os presentestru ir el 90% de la población m icrobiana P Potencia de ia fuente (kW)tasa de radiación (ü y h "1 o R A D .h-1) t Tiem po de exposición (h)

E E nergía de la radiación (M ev) T Tasa de radiación teórica m áxim a debida a laA E E nergía absorbida por la m ateria y gastada en fuente

producir los efectos estudiados X EspesorFp Eficacia del irradiador d Coeficiente de absorción

GLOSARIO

blindaje: M aterial o conjunto de m ateriales que por absorción de la energía rad ian te reducen hasta los lím ites deseados las rad iacio n es ionizan tes producidas en un irradiador industrial.

energía de la radiación: En el caso de la radiación a y ¡i es la energía cinética de que están anim ados los núcleos de Helio (radiación a) o los electrones (radiación p) que p u eden em itir los nuclei- dos-radiactivos al desintegrarse. E n el caso de la radiación y es la energía electrom agnética em itida en cada desintegración.

irradiador industrial: In sta lación d o tad a con una fuente radiactiva isotópica o con un acelerador

de electrones en la que tiene lugar la irradiación de la m ateria con fines industriales.

laberinto: Disposición del blindaje en un irradiador industrial de forma que la radiación no pueda sobrepasar los límites del recinto m ientras que el p ro ducto a irradiar entra y sale en operación continua.

protección radiológica: R am a del saber que estudia los m ecanism os técnicos y adm inistrativos para prevenir que las dosis de rad iación re sallan tes de la utilización de irradiadores industriales estén dentro de ios límites establecidos, tanto en el caso de las personas profesionalm ente expuestas como en el público en general.

radiación ionizante: R adiación cuya energía es capaz de originar cambios químicos en la m ateria irradiada pudiendo llegar incluso a la radiolisis de las moléculas produciendo radicales libres.

radiactividad: Propiedad que presentan algunos nu- clcidos al desin tegrarse espontáneam ente em itiendo radiación.

radiobiología: Estudio de los efectos de las radiaciones ionizantes en los organismos vivos.

rad io n u d e id o s (na tura les o artificiales): D enom inados tam bién isótopos radiactivos, son á tom os in es tab les que em iten rad iaciones a m ed id a que se desin tegran hasta alcanzar un estado estable.

vida media: E s el tiempo que tarda unradionucleido en desintegrarse hasta que su radiactividad disminuye a la m itad del nivel que tenía inicialmente.

2.1. Tipos de radiación

La irradiación se utiliza como un método de conservación de los alimentos en que se procede a la destrucción de los microorganismos mediante k energía de las radiaciones ionizantes. Se la conoce tam bién com o esterilización en frío, porque a los niveles de energía que se trabaja no hay aum ento de tem peratura.

A parte de destruir los microorganismos en alimentos envasados o a granel, altera el sistem a enzím ático que gobierna la evolución biológica del alim ento, im pidiendo la germ inación de brotes o tubérculos en el alm acenamiento de patatas, cebollas y ajos, o retardando la m aduración de las frutas y, por ejemplo, previene de perdidas im portantes de alim entos elim inando insectos y otras pestes en sem illas, cereales, etc.

E l proceso de irradiación no altera físicam ente la apariencia, fo rm a ni tem peratura y sólo produce cambios químicos equiparables a los de cualquier otro m étodo de conservación de alimentos.

La irradiación en condiciones controladas tam poco hace que los alim entos se vuelvan más radiactivos de lo que naturalm ente son. Se debe señalar que todo en nuestro medio ambiente, incluidos los alimentos, contiene canti

dades indiciarías de radiactividad, lo que significa que esta cantidad indiciaría (unos 150 a 200 bequerelios) de radiactividad natural, procedente de elem entos tales como el potasio-40 o el carbono-14, e.s inevitable en nuestra dieta diaria.

Los tipos de radiación que inLeresan en la irradiación de alimentos son las llamadas radiaciones ionizantes porque son capaces d e convertir átom os y m oléculas en iones. También pueden producir radicales libres por ro tura de los enlaces entre los átomos. Estas acciones de ionización y radiolisis se deben a la interacción de la radiación con los electrones de la corteza de los átom os. Solam ente son fenóm enos de superficie y no afectan a los núcleos.

No todos los tipos de radiación ionizante son apropiados para la irradiación de alim entos. Es necesario además que i a radiación p e netre en el alimento lo suficiente para llevar su acción al punto deseado.

R uthcrford (1903) descubrió que la rad ia ción emitida por los isótopos radiactivos al desintegrarse podía ser de tres clases: alfa, beta y gamma.

La radiación alfa (ct) está formada p o r núcleos de helio, es decir, está constituida p o r una radiación corpuscular, en la que cada corpúsculo está form ado por dos protones y dos n e u tro

nes. Ello significa que tiene una masa atómica de 4 unidades y una carga eléctrica de 2 unidades positivas. Estos protones y neutrones form aban antes parte del núcleo que, al desintegrarse, eyecta el ion H e " .

La radiación beta (/J) está constituida por electrones, lo que significa que es también de n a tu ra leza corpuscular, en la que cada co rpúsculo tiene u n a m asa atóm ica de 171.800 ap ro x im ad am en te y u n a carga de 1 unidad negativa. A d iferen c ia del caso anterior, el electrón em ergente no existía anteriorm ente en el núcleo sino que procede de la transformación de un neu trón en un protón, que queda den tro del núcleo , y nn electrón , que es eyeclado.

T.os fotones gamma (y) son paquetes de ondas electromagnéticas que se mueven a la velocidad de la luz. En el espectro de radiación electrom agnética se sitúan en la zona de altas frecuencias y energías. L a radiación yes por tan to de natu ra leza ondulatoria, carente de masa y de carga, sem ejante a la luz ordinaria pero con menos longitud de onda. La energía del fotón es proporcional a la frecuencia de la onda y la relación de proporcionalidad es la constante de P lank (h - 6,62 • 10~27 ergios ■ seg). Esta radiación tam poco existía antes en el

núcleo, sino que es energía que se emite como consecuencia de un reajuste energético en el mismo.

Las radiaciones a y j3 de los isótopos radiactivos o radionucleidos tienen muy poco poder de penetración en la materia por ser de naturaleza corpuscular, lo cual motiva que la acción ionizante de estas radiaciones sólo tenga significación en la superficie de la m ateria irradiada. Sin embargo la radiación /3 es más penetrante que la a por su m enor tamaño. Los electrones pueden llegar a penetrar unos centím etros en la materia si se consigue aum entar su energía cinética.

Por el contrario, la radiación electrom agnética y que emiten los radioculeidos es muy penetrante en la materia. La penetración depende de la energía de la radiación incidente y de la propia naturaleza del material irradiado, pudiéndose llegar a atravesar cuerpos de densidad alta y muchos centímetros de espesor.

Como se ve en el espectro d e radiación electromagnética de la figura 2.1, la banda de frecuencias de la radiación y coincide con parte de la banda correspondiente a los Rayos X, por lo que éstos tienen propiedades irradiantes iguales a las de los Rayos y Los Rayos X fueron descubiertos p o r Roentgen (1S95) y se pro-

Á Radiación ionizante

O n ° ^ Q ^ >

M A )

WI0 4 1 03 l t f 10' 0 10 ' ÍO 'C O '3 10"4 ÍO'MO

•u (Hz)j L

Ultravioleta

V is ib le

E (Mev)

j - ^ - u i . i.110,!

I I J L

Royos y

Rayos X

T10“

Radiación cósmica------------------f.

i— i—‘n—‘t— i---- 1— r—i— i— r~10^ 104 10 -4 10- 3 10" ? 10 - ' 0 10 ' 102 103 104

Figura 2 .1 . Región ionizante del espectro de radiación electromagnética.

ducen por el bombardeo de electrones anim ados de alta energía cinética sobre un m etal como el tugsteno,

Así pues, los tipos de radiación apropiados para la irradiación de alimentos son:

1, La radiación gam ma, procedente de la desintegración de radionucleidos, com o pueden ser el Cobaltc-60 y el Cesio-137.

2, Los Rayos X, que se generan en los llam ados “tubos de Rayos X ”.

3, Los electrones acelerados. C uando se tra ta de irradiar alim entos de pequeño espesor (máximo de 5 cin) pueden utilizarse haces de electrones cuya energía cinética se aumenta en un acelerador de electrones. Esto equivale a increm entar el pequeño poder de penetración de la radiación /J,

Cuando la energía de la radiación electrom agnética o de los electrones acelerados es muy alta, la irradiación puede alcanzar al n ú cleo de los átomos, dejando de ser solam ente un fenóm eno superficial en la corteza electrónica para ser un fenóm eno que afecta al n ú cleo. En este caso, un pro tón o un neutrón puede ser expulsado del núcleo, induciéndose así la form ación de isótopos radiactivos, con lo que podría aparecer radiactividad en el alim ento irradiado. Esto ocurre cuando la en e rgía de los Rayos X alcanza 14 Mev (1 eV = 1,602 ■ 10 12 ergios) y la de los electrones acelerados 20 Mev. En consecuencia, como n o rma de seguridad, la energía máxima que p ermite el Código A lim entario es de 5 Mev p ara la irradiación con Rayos X y de 1.0 Mev para los e lectrones acelerados. E n el caso de la irradiación con isótopos radiactivos, la en e rgía de la radiación que em iten al desintegrarse los isótopos artificiales que se utilizan es siem pre inferior a 5 Mev.

La radiación ultravioleta es ionizante, pero es muy poco penetrante en la materia por razones estéricas, y sólo actúa sobre las prim eras mallas moleculares que encuentra en su trayec

toria, donde descarga toda su energía, pudiendo utilizarse como agente de acción superficial. La radiación cósmica nos llega del Universo con fotones y de energías superiores a 14 Mev, aunque con dosis bajas, y es una de las causas de la radiactividad natural que tienen los alimentos al convertir el Nitrógeno-14 en Carbono-14 y el H idrógeno-Í en Hidrógcno-3 (Tritio).

2.2. Interacciones de la radiación ionizante con la materia

Las radiaciones ionizantes son capaces de originar una am plia serie de cambios químicos en la m a te ria irradiada. R efiriéndose sólo al agua, que constituye p o r sí sola el 80% de la m ateria celular, y por tan to es parte de los alim entos, es de gran im portancia su ionización y su radiolisis, que dan lugar a iones y radicales libres, que a su vez pueden ser causa de m últiples reacciones entre sí o con el sustrato, cuyo es tu d io form a p a rte de la denom inada química bajo irradiación, que es una disciplina com pleja.

E n el caso del agua pura los mecanism os son los siguientes:

H 20 rad >(H 20 ) + +e~ -a H + + OH ♦ + e~

A quí hace su aparición el radical hidroxilo (el pun to indica el electrón desapareado) el hi- drogenión y los electrones secundarios, análogos a la radiación J3:

e _ + H 20 - > H 20 " - > H . + O H

A quí hace su aparición el radical hidrógeno naciente, de gran poder reductor, y el ion hidroxilo.

Adem ás:

H j O - ^ - K H j O)* -> H + OH

E! asterisco indica excitación disociativa, o sea, electrones de valencia excitados que pueden acabar produciendo disociación del enlace:

OH» + O H * -> H ,0 2

A quí aparece e l agua oxigenada d e fuerte poder oxidante:

h 2o 2 + o h - - > h zq + h o 2 -

A quí se forma el radical hidroperoxilo, H 0 2* de naturaleza oxidante más enérgica que el agua oxigenada.

Los radicales y moléculas formadas en la irradiación del agua son muy reactivos, aunque su vida es muy corta. En el caso de la irradiación de alimentos, los radicales libres y moléculas formadas por la acción de la radiación sobre el agua tienen tiempo suficiente para combinarse con los otros componentes de los alimentos mediante reacciones de oxidación, adición y reducción, iniciando una carrera de reacciones competitivas y dando lugar a cambios profundos en los compuestos existentes y a la aparición de nuevos compuestos por recombinación de radicales.

El cuadro se completa si se tiene en cuenta que la radiación en cierta medida actúa también directamente sobre los nutrientes de los alimentos ionizándolos y rompiendo las m oléculas, dando lugar a radicales que se pueden combinar en forma distinta a la original. Proteínas, carbohidratos, lípidos, vitaminas, enzimas, etc., experimentan cambios significativos por efecto de la radiación ionizante, aunque no haya agua presente.

Los efectos de la radiación dependen de la cantidad de energía radiante que interacciona can la materia y, para su estudio cuantitativo, se introduce el concepto de dosis de radiación.

2.3. Concepto d e dosis

Sea un haz de energía electromagnética E ü que incide en la materia (figura 2.2). A medida

que la atraviesa va interaccionando con átomos y moléculas y la energía se va atenuando, de forma que después de atravesar un espesor x la energía inicial va disminuyendo a un valor E según la ecuación exponencial:

siendo u un coeficiente de absorción que depende de la frecuencia de la radiación y de la naturaleza de la materia irradiada, siendo en la mayoría de los casos directamente proporcional a la densidad de dicha materia.

Figura 2 .2. Atenuación de la radiación.

La redacción de la intensidad del haz de energía guarda relación con el espesor y la densidad del material atravesado.

La diferencia EQ- E = AE corresponde a la energía AE absorbida por la materia y gastada en producir los efectos estudiados. D e acuerdo con la ecuación [2.1] la energía absorbida será tanto mayor cuanto mayor sea la densidad y el espesor del cuerpo atravesado por la radiación.

Esa energía absorbida referida a la unidad de masa de materia se define como dosis de irradiación:

Dosis = [2-2]m

D esde 1988, en el Sistema Internacional (SI) la unidad de dosis es el Gray (ü y). Se dice

que un cuerpo ha recibido la dosis de 1 Gy cuando ha absorbido un julio de energía radiante por kilo. Anteriormente se utilizaba el RAD (Radiation Absorbed Dose) que equivalía a 100 ergios absorbidos por gramo, luego

1 Gy = = 100 R A Dkg 103g

En la práctica, aunque el Cray es la unidad oficial del SI, todavía se utiliza indistintamente el RAD en el ejercicio profesional.

La dosis está relacionada con la actividad de la fuente radiactiva que la origina. La unidad de radiactividad desde 1988 es el Becquerclto (Bq) y equivale a una desintegración por segundo:

(3Anteriormente se utilizaba e l Curio (Ci).

que e quivate a:

3 ,7-1010j ^ J

y corresponde a la radiactivdiad de 1 g de radiopuro.

Existe una relación entre la actividad de la fuente radiactiva y la dosis que recibe un cuerpo que se expone a la radiación a una determinada distancia. Esta relación se puede expresar mediante la ecuación siguiente para e l caso de la dosis recibida durante la exposición de una hora

[23]d 2

siendo Dlk la tasa de radiación, A la radiactividad de la fuente, E la energía de la radiación y emitida, d la distancia y C un coeficiente que

depende de! isótopo, de la forma de la fuente, de la naturaleza del cuerpo expuesto a la radiación y de las unidades empleadas.

2.4. Aplicaciones en la industria detrim entos

La radiación ionizante es potencialrnente letal tanto para los microorganismos contami nantes de los alimentos como para el resto de los seres vivos. La dosis requerida para la acción letal depende de la complejidad del organismo expuesto a la radiación: cuanto más complejo es, más sensible se muestra a ta irradiación. En la figura 2 3 se expone una comparación de dicha sensibilidad.

La irradiación es uno de los dos métodos que existen de conservación de alimentos por destrucción de la población microbiana. El otro es la destrucción por el calor. La irradiación se utiliza además para inhibir la germinación de brotes y para evitar pérdidas mediante la desinsectación.

2 .4 .1. Destrucción tic microorganismos

Cuando la radiación ionizante es absorbida en un material biológico, actúa directamente ionizando las moléculas del ácido dexosi(ribonucleico (ADN) y del ácido ribonucleico del □údeo celular, dando lugar a cambios que conducen a la muerte de la célula. T a radiación tiene así un efecto diretío de destrucción de los microorganismos. Éste es el efecto que predomina cuando se irradian microrganístnos esporulados, con muy bajo contenido en agua.

Además, la radiación intcracciona con otros átomos y moléculas de la célula, entre ellos el agua, dando lugar a las reacciones complejas de la “química bajo irradiación”, y los radicales libres que se generan se difunden y alcanzan y dañan el ADN. Esto se conoce como efecto indirecto de la radiación y es importante en microorganismos en forma vege-

microorganismos

Letal para parásitos

Letal para insectos

Se inhibe la germinación de brotes

400RAD:Dosis letal media para los seres humanos Y

i — 1— r10' 10? 10* ÍCT 105 10a Kí

Dosis [RAD)

FtGUEA 2 .3 . C om paración de las dosis letales para distintos organismos [1 G y = i 0 0 RAD).

tativa, cuyo citoplasma contiene alrededor de un 80% de agua.

Adicionalm ente, se pueden considerar los daños a la membrana celular y el deterioro de las actividades enzimáticas y metabólicas, pero el punto más sensible de las células ante la irradiación ionizante es el A D N . U na dosis de 0,1 kG y dañaría el 2,8% del ADN en células bacterianas, mientras que sólo afectaría al 0,14% de las enzimas y al 0,005% de los aminoácidos, E sto es lo que explica que la radiación ionizante tenga un efecto letal sobre los microorganism os sin causar apenas cambios en la composición química de los alimentos.

Al igual que para la destrucción térmica de los microorganismos, se puede definir una magnitud, en este caso la dosis de radiación ,Din, que se requiere para destruir el 90% de ía población microbiana, o sea, para reducir la población microbiana al 10% de la original. Si A/,-, es el número inicial de microorganismos presentes y N el número que queda después de una irradiación con una dosis D, la relación entre ellos es de orden logarítmico según la ecuación

El valor de D 10 se puede determinar gráficam ente como se indica en la figura 2.4. Las líneas de destrucción no son siempre rectas, en ocasiones aparece una zona curva en la zona de dosis más bajas antes de em pezarla recta de pendiente:

-1

A o

Esta zona curva se excluye para el cálculo de D 10

La dosis de radiación que se requiere para un determ inado proceso de conservación de alimentos depende de la especie de microorganismos presentes en d alimento y de los fines con que se realiza el tratamiento.

Respecto a los fines, los expertos identifican tres tipos de tratamiento:

a) Radapertización. Irradiación con dosis de radiación ionizante suficientes para inactivar esporas y reducir el número de los m icroorganism os (exceptuando los virus) viables en el alimento hasta un nivel no detectable. Equivale a una esteri-

Dosis (kGy)

FlGSJRA 2 .4 . Efecto de la irradiación sobre Sa/mone//a typhimuríum en com e de buey.

lízación comercial del producto. Las dosis que se requieren son muy elevadas, entre 25 y 50 kGy, porque las bacterias más resistentes a la radiación son las especies Hormadoras de esporas, por ej,, el clostñdium botulinwn. Para lograr 12 reducciones decimales en un cultivo de C. botulinurn hacen falta cerca de 50 kGy. Como la dosis permitida actualmente es de 10 kGy la radapertización no es todavía un proceso industrial.

b) Radicidaúón. Irradiación con dosis suficientes para reducir el núm ero de bacterias patógenas no esporuladas específicas viables en el alim ento, p o r ejemplo las salmoncllas, hasta un nivel no detectable. Las dosis que se requieren oscilan entre 2 y 8 kGy.

c) Raditr 17,ación. Irradiación con dosis suficientes para causar una destrucción sustancial de microorganismos contaminantes específicos de forma que se mantenga la calidad del alimento. Las dosis varían entre 0,4 y 10 kGy.

La tem peratura aum enta la capacidad mi- crobicida de la irradiación. Los procesos combinados de calor e irradiación son más efica

ces. Por el contrario, la irradiación sobre alim entos congelados exige dosis superiores para conseguir el nivel de reducción m icrobiana requerido.

C uanto se ha dicho anterio rm ente puede aplicarse a la destrucción de todos los m icroorganismos, sean bacterias, levaduras, m ohos o virus. Sin embargo la sensibilidad ante la radiación ionizante varía según sea una dase u otra, y dentro de una clase, cada especie presenta un ¿ )10 diferente. Así, las levaduras y ios mohos exigen en general dosis de radiación menores que las bacterias para ser destruidos, y dentro de esto, las levaduras son más resistentes que los mohos. Los virus son muy resistentes a la radiación. La dosis límite actual de 10 kGy supone tan sólo dos reducciones decimales en la ecuación logarítmica de destrucción, o sea una reducción del 99% del total de virus presentes. Esto significa que en los alimentos radicidados y radurizados se puede esperar encontrar virus infecciosos. El hecho de que los virus sean fá cilm ente destruibles por el calor aconseja un proceso com binado irradiación-calefacción suave para asegurar la ausencia de los virus viables.

2 .4 .2 . Interrupción de procesos biológicos

La radiación ionizante interfiere fundamentalm ente con las funciones mctabólicas de los tejidos vivos, al incidir sobre enzimas, horm onas, vitaminas, etc. En el cuadro 2.1 se inserta la utilización de la radiación para inhibir la germinación de brotes en ios tubérculos y bulbos de patatas, cebollas y ajos durante su alm acenamiento, que se debe a una reacción enzimática residual, y, asimismo, para inhibir la maduración de la fruta y verdura, causada por acciones de naturaleza hormonal. En estos tratamientos las dosis necesarias son bastante más reducidas que para la destrucción de los microorganismos.

La radiación tiene efectos letales a dosis relativamente bajas sobre huevos, larvas, crisálidas e insectos adultos que infectan las cosechas

que se alm acenan en los g raneros y que son causa de pérdidas im portan tes de alimentos. Las dosis dependen de la especie, del estado m ctam óríico y de la edad.

La irradiación es tam bién un m étodo que permite inactivai: a) algunos parásitos que pueden vivir en el cuerpo de los animales y se pueden transm itir al hom bre enquistados en los alimentos, por ejemplo, la triquina del cerdo y las tenias de los cerdos y el buey, b) el protozoo toxoplasma gondii, productor de la toxoplasmo- sis, grave enferm edad de origen parasitario que al menos en un 50% de los casos se atribuye al consumo de carne de cerdo infectada, pudiento también estar presente en las verduras.

2.5 . Estado actual de la tecnología

No existe ningún otro proceso tecnológico de conservación de alim entos que haya sido más controvertido, ni se haya som etido a estudios tan exhaustivos, ni se haya cuestionado tanto su seguridad. Sin em bargo, tras la evidencia de los ensayos que se han ido realizando, los m ás prestigiosos organism os de la Salud han ido autorizando su uso y reconocen esta tecnología como un m étodo eficaz y seguro para conservar los alimentos. Se puede asegurar que la irradiación de alim entos va pau latinamente ganando más y más adeptos en todo el mundo a pesar de la controversia que ha sufrido en los últimos años.

Los prim eros estudios se inician en 1954 en Estados Unidos en un program a de investigación donde se busca la posibilidad de la utilización de los isótopos radiactivos para esterilizar y conservar alimentos. En 1958, cuando se reúne en G inebra la “11 Conferencia Internacional sobre la Utilización de la Energía A tóm ica con fines pacíficos”, los rep resen tan tes rusos sorprenden al m undo com unicando que en su país se ha autorizado ya el consumo de patatas irradiadas.

En el m undo occidental, el p rim er uso comercial de la irradiación de alim entos tuvo lu

gar en Stuttgart (Alem ania) en 1957, donde un comerciante de especias comenzó a irradiar sus productos a fin de asegurar su calidad higiénica. La operación de la instalación no duró mucho, fue clausurada dos años más tarde al igual que algunas otras p lan tas de irradiación con Cobalto-60 que habían comenzado a funcionar por aquel entonces.

La razón de estas clausuras fue la alerta de la PD A de Estados U nidos (Food and Drug A dm inistration) contra la irradiación de alimentos en 1958, basándose en que cuando se induce un conjunto de cambios químicos tan complejos, en un producto de composición asimismo muy compleja, la recombinación de radicales y moléculas generales podría originar compuestos cancerígenos en los alimentos, que sería necesario identificar y dem ostrar su ausencia. Con las técnicas dei análisis químico de la época era imposible.

La alerta de la FD A supuso para esta tecnología un frenazo de más de veinte años, y una alarm a que, no por infundada, dejó menos huella. Muchos países, entre los que se encuentra España, que habían autorizado esta técnica y com enzado experiencias a nivel de investigación, dieron carpetazo a este proyecto.

P ero no todos los científicos estaban de acuerdo con la FDA y prim eram ente de forma aislada y posteriorm ente en reuniones internacionales se lúe llegando a la conclusión que esta tecnología ofrecía unas enorm es ventajas y cjue no podía ser desechada por unos experim entos a los que, por o tra parte, no concedían rigor científico.

La primera reunión internacional para estudiar de nuevo este tema tuvo lugar en '1961 en la ciudad de Bruselas, convocada por tres organismos de la ONU, el Organismo para la Agricultura y la Alimentación (FAO), la Organización Mundial de la Salud (OMS) y el Organismo Internacional de Energía Atómica (OIEA).

E n esta reunión a la que asistieron rep resentantes de 28 países, se decidió formar un comité de trabajo con los más prestigiosos expertos en el tem a para estud iar a fondo la

inocuidad de la irradiación de los alimentos. Nació así el Comité de Expertos en Irradiación de Alimentos (JECFI) que coordinó ios resultados de la investigación internacional en este tema, que se fue aprovechando de los grandes avances en la Química Analítica.

En 1970, el JECFI, en colaboración con la OCDE. planea un proyecto de evaluación de alimentos irradiados, con estudios que se prolongaron a lo largo de diez años, al final de los cuales se pudo dem ostrar que en ningún alimento irradiado de los estudiados se habían encontrado residuos tóxicos o carcinogenéti- cos. Como colofón a este trabajo, el JECFI se reúne en G inebra en octubre de 1980 donde, basándose en la evaluación de los estudios realizados hace público un comunicado en el que concluye textualmente que “La irradiación de cualquier alimento con una dosis inferior a 10 kGy no presenta ningún peligro toxieológico y los estudios realizados son tan evidentes que nn son necesarias más pruebas”.

Todavía tarda tres años más el Código Alimentario en admitir la irradiación de alimentos como una tecnología segura y efectiva, pero finalmente, basándose en el consenso internacional y en Jas conclusiones de la JECFI, publica unas normas generales para la práctica de esta tecnología que están recogidas en el “Co- dex Alimentanus 1984”.

En 1986 la FDA se desdice por ñn de sus observaciones anteriores y legaliza en Estados Unidos la irradiación de alimentos, principalm ente frutas, vegetales, carne de cerdo para control de triquina, pollos y huevos para control de salmonelosis.

La U E todavía busca nuevas pruebas con un Comité E uropeo de expertos que estudia las conclusiones de la JECFI, antes de dar luz verde a la irradiación de alimentos, pero tras años de estudios no sólo da el consenso a la irradiación de alimentos, sino que aconseja en una directiva del 30 de noviembre de 1988 a las legislaciones nacionales de los estados miembros que “autoricen y no obstruyan )a libre circulación de alimentos legalmente irradiados y

correctamente etiquetados”. En dicha normativa se propone el logotipo para los alimentos irradiados, que se muestra en la figura 2.5. y se regula la concesión de plantas de irradiación y dosis para los distintos alimentos.

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FIGURA 2 .5 . Logotipo propuesto por la UE para las etiquetas de alimentos irradiados.

En 40 países, las autoridades de salud y seguridad han aprobado colectivamente la irradiación de más de 40 alimentos diferentes, tanto de origen animal como vegetal. Treinta y dos de estos países, entre los que se encuentran Francia, Holanda, Bélgica, Dinamarca, Estados Unidos, Rusia, Japón, Argentina, Brasil, México, Sudáfrica, etc. están aplicando actualmente el proceso a escala industrial y otros ocho están en vías de ponerlo también en explotación. Francia ha rechazado el logotipo y se comercializan con el nombre genérico de alimentos ionizados y en Holanda con el de tramradkidos. Existen más de 150 instalaciones de irradiación de alimentos con fines industriales en eL mundo.

2.6. Instalaciones

En el caso de la irradiación de alimentos, como en cualquier instalación industrial, es requisito esencial que el proceso sea viable económicamente, permitiendo la com petí ti vidad del producto en el mercado.

Las fuentes de irradiación de que se dispone se pueden dividir en dos grandes grupos: los isótopos radiactivos y los aparatos generadores de Rayos X o de electrones acelerados. Los

isótopos radiactivos em iten radiación gamma como consecuencia de su desintegración, por lo tanto su acción irradiante no puede detenerse a voluntad. Los otros aparatos pueden desconectarse y conectarse a la re d eléctrica según se considere oportuno, y cuando se desconectan dejan de ser radiactivos, lo cual representa una ventaja operativa.

Hoy día sólo hay dos fuentes de irradiación que cumplen el requisito de perm itir una producción económ ica: los isó topos radiactivos artificiales y los aparatos generadores de electrones acelerados. Sin em bargo, ya se ha m encionado que éstos tienen una penetración limitada, Los aparatos de R ayos X que podrían obviar esta lim itación tienen el inconveniente de que son muy caros, porque la conversión de la electricidad en Rayos X es un proceso de escaso rendim ien to , al m enos en los modelos que se han pretendido utilizar hasta ahora para irradiar alimentos, que son una adaptación de los tradicionalm entc em pleados en la radiografía médica. Por ello, se están diseñando y p robando nuevos tipos de generadores de Rayos X para ver si se consigue que sean capaces de sum inistrar la energía que se requiere en un tratam iento industrial a precios aceptables.

2.6. I. Irradiadores con fuentes Isotópicas

Los dos radi o nuc leídos artificiales con que se fabrican las fuentes isotópicas radiactivas son el cobalto-60 (Co-60) y el Ccsio-137 (Cs- 137). Los isótopos radiactivos se caracterizan por su vida media y la energía de los fotones gamma que emiten. Se conoce por vida media el tiempo que tarda la radiactividad de un isótopo en reducirse a la m itad.

E l Co-60 tiene una vida media de 5,27 años. Decae en el Níquel-60, isótopo estable, y en cada desintegración emite 2 fotones gamma, uno de 1,17 Mev y otro de 1,33 Mev, y radiación beta (0,31 Mev). El Co-60 se obtiene exponiendo cilindros delgados del isótopo natural estable

Co-59, que es un m etal abundante en la natu raleza , al bom bardeo de neutrones (activación neutrónica) en un reactor nuclear especialmente diseñado para la producción de isótopos ra diactivos. U na vez activado el cobalto, que sigue en form a m etálica insoluble, se m ete en cápsulas de. acero inoxidable que se cierran herm éticam ente por soldadura. Se las conoce con el nom bre de agujas de cobalto y las d im ensiones estándar de la aguja son 45 mm de largo y 12,5 mm de diám etro. E sta forma limita la autoabsorción de la radiación gamma por el m ateria l de la propia fuente al 5%. La rad iación beta queda detenida.

E l Cs-137 tiene una vida m edia de trein ta años. Decae en el Bario-137, isótopo estable y en cada desintegración em ite un fotón gamma de 0,66 Mev y radiación beta. El Cs-137 es un producto de la fisión nuclear, po r lo que su obtención está ligada al reproceso de los combustibles nucleares gastados, que es una operación m uy laboriosa. El Cs-137 se puede separar tle la mezcla de productos de fisión en form a de CICs muy soluble. Esta sal también se encapsirla, como en el caso del Co-60 pero por su solubilidad y facilidad de dispersión se exige una encapsulación doble o triple y el espesor resultan te da lugar a una autoabsorción de la radiación gamma del 30%. Esto, unido a la m enor energía de la radiación que em ite, ha llevado a que la mayoría de las instalaciones de irradiación de alimentos utilicen fuentes de Co-60, a pesar de la mayor vida media del C's-137. La form a de las fuentes radiactivas se ha-resumido en la figura 2.6. En el caso de la fuente laminar las agujas de Co-60 se sujetan al bastidor por un m ecanism o que perm ite el recam bia, Las agujas pueden estar más o menos separadas según se requiera mayor o m enor intensidad de radiación. Pueden llegar a juntarse formando a uiodo de lámina continua. C ada aguja tiene una radiactividad de 5.000 Ci. E n la fuente cilindrica para irradiación de granos, el grano se hace descender por la zona anular a la velocidad adecuada para recibir la dosis requerida. Las agujas se acoplan una sobre otra.

cables de elevación

agujas de

bastidc___

FIGURA 2 .6 . Forma de las Fuentes radiactivas: a) fuente laminar, b¡ fuente c ilind rica para irrad iac ión de granos o

productos granulados.

En la figura 2.7 se presenta el diseño conceptual de una p lanta de irradiación o irradiado!'. La tasa de radiación necesaria en la cámara de irradiación para destruir microorganismos, parásitos, etc, en los alimentos es alta, luego para impedir la exposición del personal de operación debe disponerse de un recinto blindado. Generalm ente se utiliza el hormigón (densidad 2,5- 0,3) como blindaje radiobiológico. La utilización del hormigón tiene la ventaja de proveer solidez al conjunto. Para calcular el espesor del blindaje se utiliza la ecuación [21.1] teniendo en cuenta que la tasa de radiación en la pared externa del

blindaje tiene que ser inferior a la dosis máxima admisible para el personal que, de acuerdo con la directiva de protección radiológica de la UE, es de 50mSv/año. [Para seres humanos se utiliza el Sievert (Sv) en vez de el Gray, siendo 1 Sv = 1 Gy en la irradiación gamma.]. Con esta restricción el espesor suele estar entre 1,5 y 2 m. La dosis de 50 mSv/año está en vías de revisión a 30 mSv/año.

Cuando la fuente radiactiva es un radionu- clcido, la radiación se produce continuam ente, por lo que es necesario tener otro recinto blindado donde guardar la fuente cuando se haga necesaria la entrada del personal para labores de m antenimiento. En la mayoría de irradiadores se construye un pozo profundo, que se conoce como “piscina", donde se sum erge la fuente radiactiva. El blindaje a la radiación lo proporciona el agua (densidad 1), y dado que el espesar necesario es aproxim adam ente inversam ente proporcional a la densidad, la piscina deberá tener suficiente profundidad para que queden varios m etros sobre la fuente sumergida. Tam bién se puede construir un sistema en seco de profundidad igual a la altura de la fuente utilizando para el aislam iento una com puerta corredera de plomo (densidad 12).

Los alimentos entran y salen de la cám ara de irradiación a través de un laberinto (figura

FIGURA 2.7. Diseño conceptual de una planta de irradiación isotópica (sección vertical): 1: nave. 2: recinto blindado, 3: cámara de irradiación, 4: laberinto, 5: acceso de intervención, ó: piscina, 7: fuente radiactiva, 8: elevador de la fuente radiactiva, 9: ventana de vidrio denso, 10: tren de arrastre de los contenedores, 1 1: contenedores, 12: consola de control, 13: puertas de acceso a la nave a través de la esclusa, 14: esclusa, 15: entrada del sistema de ventilación, ló : ex

tractores, 17: filtros, 18: salida del sistema de ventilación en cascada de depresiones: P> P, > P2.

2.S). El m ecanism o de tran sp o rte puede ser una cinta sinfín o un m onocarril con plataformas o sistemas de cambio de dirección. Los accesos auxiliares, mirillas, tubos de ventilación y cableado que atraviesan el horm igón tienen un perfil en escalera para evitar que la radiación encuentre caminos sin blindaje.

La radiación electrom agnética se propaga en línea recta. Con el laberinto la radiación encuentra el blindaje adecuado en cualquier dirección.

Las operaciones en el in te rio r del recinto blindado se dirigen por control rem oto. Desde una consola ex terio r se hace subir o bajar la fuente, se accionan los m ecanism os de transpo rte y se regula su velocidad. El sistem a de control se diseña con una serie de redundancias que impiden el acceso del personal al interio r del recinto blindado si la fuente radiactiva 110 está sumergida. Todo el equipam iento descrito está contenido en una nave, a la que se accede por esclusas para m antener operativo el sistema de ventilación en cascada de depresiones. En ia nave entran los alim entos a la zona de carga, donde se colocan en el sistem a de transporte, y una vez irradiados salen a la zona de descarga, desde donde se distribuyen para su consumo.

La radiación que em iten las fuentes isotópicas está regulada por las leyes de la desintegración radiactiva y no es susceptible de variación

Fuente radiactiva

I t

FlG'JRA 2.8. Tipos de laberinto de acceso o la cámara de irradiación (sección horizontal).

a voluntad del operador. Por o tro lado, la distancia del producto a la fuente se fija en el diseño y sería muy complicado variarla, por lo que la única variable que queda para controlar la dosis es la velocidad del mecanismo ele arrastre de los contenedores.

La figura 2.9 representa un modelo de irradiador industrial de Co-60 que trabaja en operación discontinua. La planta está dividida en el centro por una valla longitudinal que no permite el paso ni de alimentos ni de personas de uno a otro lado. En la zona de carga los alimentos se colocan en los contenedores con la ayuda de un carro con grúa elevadora, ya que la altura de cada contenedor es de 5 m etros y tienen una cabida de dos toneladas de carga. Cuando están cargados, el operador responsable acciona un dispositivo unido a un ordenador donde introduce una clave, que sólo el conoce, con la señal para que se ponga en marcha el tren de arrastre en que van colgados los contenedores que van lentam ente desplazándose hacía la cám ara de irradiación. L a p u erta se abre autom áticam ente y los contenedores van penetrando en el laberinto. La estructura es de hormigón arm ado con paredes de dos m etros de ancho.

Cuando han llegado ya los contenedores al borde de la piscina y las puertas están herm éticam ente cerradas, m ediante contro l rem oto, desde la consola situada fuera de la cám ara, se eleva la fuente y los contenedores van desplazándose lentam ente a su alrededor a un ritmo controlado con precisión para que absorban la cantidad de radiación precisa. O peradores capacitados controlan y vigilan este tratam iento dando a la fuente la orden de inm ersión en la piscina cuando la operación está term inada. Los contenedores con los alim entos tra tados salen a la zona de descarga. La operación es por tandas. M ientras una tanda de contenedores está en irradiación, otra tanda se está cargando y o tra descargando.

Los ir radiad ores están clasificados como instalaciones radiactivas y sujetos a la au torización de los organism os reguladores corres-

FIGURA 2.9. Irradiador industrial de Co-60 JNORDION International Inc, Ontario, Canadá).

pondientes en cada país, que en España es el Consejo de Seguridad Nuclear. Estos organismos son los que imponen las medidas de seguridad y protección radiológica para im pedir la irradiación accidental del personal de la planta0 la liberación de radiactividad al medio ambiente, y se encargan de realizar inspecciones tanto periódicas como por sorpresa para asegurarse de que las plantas funcionan de acuerdo con lo preceptuado en sus autorizaciones.

La exposición de los alimentos en la cámara de irradiación tiene que garantizar que reciben la dosis adecuada para el objetivo del tratamiento (cuadro 2.1). Las fuentes de los ir radiadores comerciales tienen radiactividades entre uno y varios millones de curios. El Co-60 emite en cada desintegración dos fotones, uno de1,17 Mev de energía y otro de 1,33 Mev. En total 2,5 Mev por desintegración. Una fuente de1 millón de curios (3,5 • 1016 Bq) emitiría:

10s Ci .3 ,7 .1 o 10- ^ . 2 , 5 — = sCi d

= 9 ,25 '1016 Mevs

lo que significa una potencia de 14,82 kW.

Teniendo en cuenta que un Gy = 6,24 - 10{2 Mev/kg, la tasa de radiación teórica máxima debida a la fuente, expresada en Gy/b sería:

,T, 9 ,25 .lO,ÉMev/s „ ^ , n3 s1 ------------—--------- j . 6 1 0 —-6,24.1012 Mev h

= 5,33 107 % = 5,33 • 10“' kGy h

Esta energía equivale a la necesaria para irradiar 5.330 K de producto por hora con una dosis de 10 kGy.

En ia práctica no se consigue una eficacia del 100%. La energía de la radiación que resta después de atravesado el alimento ecuación[2 .1], se absorbe en el blindaje y otra parte se absorbe en el propio bastidor de la fuente y en los materiales de las estructuras cincundantes, tales como los mecanismos y contenedores del sistema de transporte, aparatos de control, etc. En general, la eficacia en los jrradiadores con fuente isotópica es inferior al 35% de la teórica.

La radiactividad de la fuente disminuye paulatinamente. En el caso del Co-60 se reduce a la mitad en 5,27 años. Esto significa una pérdida de radiactividad del 15,2% anual. Si se quiere mantener la capacidad productiva del irradiador

CUADRO 2.1Dosis necesarias en distintas aplicaciones de ta irradiación de alimentos

Propósito Dosis (kGy) Productos

I. En dosis reducidas (hasta 1 kGy)

a¡ Para inhibir la germinación 0,05-0,15 (patatas, cebollas, .ajos)

N Eliminar insectos 0,15-0,5 (cereales, harinas, frutos secos]

<=} Retrasar procesos de maduración 0,5-1,0 (frutas, verduras)

2. En dosis medias (de 1 a 10 kGy]

a ] Prolongar el tiempo de conservación 1,5-3,0 (fresas, setas, pan molde)

b j Eliminar microorganismos patógenos 2,0-9,0 (especias, tisanas)

5a/morie//o, Cam pyiobader (carnes, huevos y ovoproductos)ListerÍQ (aves, leche y lácteos)Vibrio (pescados y mariscos)

c j [nactivar parásitos

Toxoplasma, Tenia, 1,0-3,0 (carnes crudas y verdura)Jrichinelta (carnes crudas]

d} Mejorar propiedades tecnológicas 2,0-7,0 (reducir tiempo de cocinado de verduras,

aumentar la cantidad de zumo en uvas, etc.)

3. En dosis elevadas [> 10 kGy). Esta dosis se esa sólo con fines especiales, la Comisión FAO/OMS del C ódigo Alimentario noha respaldado aún las aplicaciones de dosis elevadas con carácter general.

&I Esterilizar dietas especiales para hospitales.

Esterilizar envases.

E l tra n sp o rte se hace en co n ten e d o res cilindricos de plom o de 30 cni de espeso r (den sidad 1 2 ), d iseñados según especificaciones in te rn ac io n a le s y su jetos a r ig u ro so s con tro les que aseguran su herm etic idad , au n en el caso del acciden te m ás severo. M ás de 25.000 agu jas de p lom o se han expedido así en los ú ltim os tre in ta años d en tro de las reg u lac io n es in te rnac iona les p a ra el tra n sp o rte de las su stancias radiactivas.

L a OM S y la F A O consideran que, aunque la m ayoría de las plantas de irradiación de a lim entos funcionan en un lugar fijo, sin em bargo hay casos en los que resu lta útil un irrad iador m óvil. P o r ejem plo, los a lim entos de tem porada pueden estar disponibles p a ra el tra tam ien to en una región determ inada sólo duran te un tiem po lim itado. E n esos casos, puede ser p re fe rib le llev a r el ir rad ia d o r h a s ta el p ro d u c to que el p roducto r hasta La p lan ta . A dem ás, p u e de haber casos en los que un irrad iad o r móvil sirva p ara m ejo ra r la eficacia d e la irradiación.

es necesario rep o n er esta pérd ida m ediante una sustitución escalonada de las agujas. Éstas suelen tenerse en el irrad iador duran te un tiempo equivalente a 3 vidas m edias, o sea, unos quince años, y después se re tiran y envían al productor para que las reactive, ya q u e tienen una cantidad grande de Co-59 suscep tib le de activarse neutrónicam ente, siendo sustituidas en la fuente del irrad iado r por agujas “frescas".

L a sustitución escalonada perm ite m antener la capacidad de irrad iación den tro de un m argen de variación acep tab le , y en todo caso, la variación posible se corrige actuando sobre la velocidad del m ecanism o d e transporte de los alim entos a fin de que la dosis sea la adecuada. El principal sum in istrador de Co-60 es Canadá, de] que p ro ced en m ás del 80% de las agujas que se instalan en los irrad iado res y a él retornan para su reactivación. C uando alguna razón aconseja no reactivarlas, las agujas pasan a considerarse com o un res iduo radiactiva y el sum inistrador se hace cargo de ellas tam bién.

C on c iertos m ariscos, p o r e jem p lo , la i r ra d ia ción debe llevarse a cabo tan p ro n to com o sea posib le después de la c ap tu ra . L o s g ra n o s de los cerea les se desin sec tan co lo can d o nn ir ra d iado r p o rtá til p o r el que se hace flu ir el grano según va en tran d o en el silo. E n la figu ra 2.10 se m u es tra el cam ino reco rrido p o r el p ro d u c to en la cám ara de irrad iac ión .

Blindaje

Fuenterad iactiva

C ám ara de

irra d ia c ió n

Contenedora

Figura 2.1 0, Itine ra rio del producto en la c á m a ra de ¡rrod iac ión .

L os cam bios d e d irección p e rm iten h o m o - g en e iz a r la dosis. Los lados A -B y C-D se e x p o n e n p o r igual a la fu en te radiactiva.

2,6 .2 . Aceleradores de electrones

L os ace le rad o re s de e lec trones son m áq u in as q u e se conec tan a la co rrien te e léc trica . U n e sq u em a de la in sta lac ión se m u estra en la figur a 2 . 1 1 y básicam en te consta de:

1. U n a fu en te de e lec trones, que p u ed e se r u n a resistencia e léc trica en la q u e e l c a lo r a p o rta la energ ía pa ra ro m p er la ligad u ra de los e lec trones o una cám ara d e un gas d o n d e un arco e léc trico p ro v o ca la lib e ra c ió n de los m ism os (cañ ó n d e e lec trones).

2. U n g en erad o r de a lto voltaje que p ro d u ce la ace lerac ión de los e lec trones e n un tu b o de vacío a cuyos ex trem os se ap lica

Cañón de electrones

Tubo de vacío

Generador de voltaje

Caja aislante

Chorro de electrones acelerados

Electroimán expansor

Campana

Electrones expandidos en cbanico

Ventana

j y + f T T ^ Î % 5 c t I— ~Alimento

Cinta transportadora Movimiento perpendicular al abanico de electrones

FíGURa 2.11. Esquema de un ace lerador de electrones.

la diferencia de po tencial que c iea el gen erado r, au m en tan d o p rogresivam en te su velocidad y co n secu en tem en te su energía cinética. A m ayor voltaje aplicado m ayor velocidad final.

3. U n electroim án que crea fuerzas perpendiculares (cam po m agnético) a la dirección del m ov im ien to de los electrones. Las fuerzas resu ltan tes expanden el haz de electrones, que es un chorro con sólo uno o dos centím etros' de d iám etro , en un abanico de m ás longitud.

4. U na cam pana troncopiram idaL muy estrecha (uno o dos centím etros) por cuya ven tana sale el haz de elec trones expandido d irectam ente sobre el producto.

5. U na cin ta tran sp o rta d o ra del producto que se m ueve en dirección perpendicular al lado largo de la base de .la cam pana.

E l haz de e lec trones se caracteriza por los siguientes parám etro s: in tensidad , energ ía y potencia.

La in tensidad es e l n ú m ero de e lec trones por segundo que inciden en e l p ro d u c to . La unidad de m edida es el am perio y en esta operación lo usual es tra b a ja r con m iliam perios (mA). La in tensidad del haz determ ina la tasa de radiación.

La energ ía se re fie re a la e n e rg ía cinética con que incide el e lec trón . L a u n id ad es el electron-voltio (ev). L a energ ía del haz determina la penetrac ión en ei producto y p o r tanto la dosis.

La potencia resu lta de m ultiplicar La intensidad por la energía. Por ejem plo, un haz de 10 Mev y .5 m A significa 50 Kw (10 ■ 10s x 5 ■ 10-3) de potencia. M ultiplicado po r el tiem po de exposición daría la energía teórica absorbida por el producto. •

La penetración en la m ayoría de los alim entos, con densidades que no se alejan d e 1 g/cm3, es aproxim adam ente de 0,5 em por Mev. Cómo el lím ite de energía para la irrad iación de alim entos es 10 M ev hay una lim itación en el espesor del p roducto que podem os p o n e r en la

cinta transportadora, que no podrá sobrepasar los 5 cm si el tratam iento se basa en irradiar sólo por un lado. Si se irrad ia consecutivam ente po r un lado y luego por el opuesto el espesor puede llegar a 1 0 cm.

L os ace le rad o res de e lec tro n es tienen la ventaja sobre las fuen tes con isó topos rad iactivos de que cuando se desconectan de la red eléc trica dejan de em itir radiación. T am bién la eficacia es mayor, h a s ta un 55% fren te al 35% de las fuentes de Co-60. Sin em bargo, el precio de la energía eléctrica suele resu ltar en un coste m ás alto.

Hay varios diseños de aceleradores de electrones aparte del descrito, com o son los aceleradores lineales y el R h o do trón . A unque actua lm en te el núm ero de estos aparatos trabajando en la conservación de alim entos a escala industrial no llega a la decena, pueden tener gran fu turo , porque al no utilizar fuente con isótopos radiactivos artificiales la opinión pública los separa de la problem ática nuclear.

2.6.3. Capacidad de producción

In te re sa conocer la capacidad de p ro d u c ción de un irrad iador en función de los p a rá m etros que se han ido describiendo a lo largo de este cap ítu lo . Para su cálculo se utiliza la ecuación

.m i. [2.5]3.600 i Fp

donde P es Ja potencia de la fuente, m es la m asa de alim ento irradiado, t es el tiem po de exposición en h, D es la dosis de tratam iento en K G y y Fp es la eficacia del irradiador.

La potencia de una fuen te de Co-60 es de 14,82 kW /M Ci. La de un acelerador de electrones se calcula corno en el apartado 2 .6 .2 .

Los valores de Fp oscilan entre 0,25 y 0,35 p a ra los irradiadores con fuentes isotópicas y entre 0,30 y 0,55 para los equipados con aceleradores

de electrones. La diferencia se justifica porque las fuentes isotópicas emiten radiación en todas direcciones, mientras que el haz de electrones se enfoca directam ente sobre el producto,

2.7. Dosimetría

E l control y la m edida de la dosis de radiación absorbida por un alimento es im portante para asegu rar la calidad de éste y el cumplimiento de las regulaciones legislativas. A l industrial que irrad ia ios a lim entos se le exige que disponga de contro les que aseguren que los a lim entos no h an recib ido más radiación que la autorizada.

Los dosím etros de con tro l son pequeños dispositivos que se colocan a diversas profundidades den tro del alim ento, o bien entre las cajas, si se tra ta de alimentos em paquetados. Los dosím etros pueden ser de 3 tipos. Ninguno de ellos vale para todos los casos. Su elección depende de los tipos de radiación, producto irradiado y diseño del irradiador,

2.7. I. Dosímetros líquidos

E ste tipo se usa fundam enta lm en te para irrad iado res isotópicos, ya que por su mayor tam año no resultan adecuados para aceleradores de electrones. Consisten en líquidos, sellados en am pollas de vidrio, a los que la radiación induce cambios en su estructura química que resultan fácilm ente detectables.

EJ m ás usado es el dosím etro de Fríekc, basado en que la radiación transform a el hierro de las form as ferrosas (Fe2+) en form as férricas (Fe3+). Posteriorm ente se mide por espectrofo- tom etría a una X 305 nm el incremento de la concentración de Fe3+, que estará en función de la intensidad de radiación recibida. Para radiación yse producen 15,6 iones cieFe3+ por cada 100 ev.

O tros dosím etros de este tipo son los de dicrom ato de p la ta , cerio y etanol-m onocloro- benceno.

2.7 .2 . Dosímetros sólidos

E stos son los más usados. Se preparan en forma de varillas flexibles o de fina película que puede co rtarse de la form a más conveniente. Existen finas películas de m etacrilato de polime- tilm etacrilato (PM MA), triacetato de celulosa y alanina (esta últim a tam bién existe disponible en form a de varilla). En estas sustancias la radiación induce la formación de radicales libres estables que pueden ser cuantificados por E spectroscopia de Resonancia Magnética.

Se p rep a ran tam bién películas de m ateriales radiocróm icos (se llama así a las sustancias que cambian desde incoloras hasta coloraciones cuya in tensidad depende de la dosis de radiación absorb ida). Sustancias quím icas de e s te tipo son las que im pregnan tam bién las e tique tas “eligarn” , que con un erro r del 5% indican la dosis recibida, y tienen la ventaja de que se pegan sobre el envase del alim ento y perm iten al consum idor contro lar esta dosis, ya que el cambio de color es fácilm ente visible.

2.7.3. Dosímetros calorimétricos

Son calorím etros de agua o grafito que contienen sustancias químicas cuya tem pera tu ra se eleva sensib lem ente con la radiación. La dosis de radiación absorbida puede calcularse multiplicando su calor específico por el increm ento de tem pera tu ra .

2.8. Calidad de los alimentos irradiados

El tam año del ADN y su com plejidad le hacen especialm ente sensible a la radiación y, por otro lado, contiene los datos genéticos que le hacen esencial para la vida, Por ello, la irradiación de alim entos es un proceso selectivo que tiene un efecto letal para los contam inantes sin tener un im pacto significativo en el producto , ni en su valo r nutrícíonal, ni en su apariencia, forma o tem peratura .

Los alim en tos so m etid o s al proceso de irradiación son eq u iva len tes, desde el p u n to de vista nutritivo, a los so m etid o s a otros procesos de con servación para alcanzar los m ism os objetivos. La esterilización por e l calor causa perdidas de n u tr ien tes a m en u d o m ayores que la irradiación. Por o tro la d o , la irradiación es el único p roceso que p e rm ite la esterilizac ión de algunos p ro d u c to s , p o r e jem p lo las tisanas.

E n e l caso de los m a c ro n u tr ie n te s , sólo los a lim e n to s m u y g ra s o s p u e d e n re s u l ta r poco a d e c u a d o s p a ra este p ro c e so de conservación . L a p ro d u c c ió n de ra d ic a le s lib res p u e d e co lab o ra r a la ra n c id e z o x id a t ív a de los lípidos. P ro te ín a s y c a rb o h id ra to s p e rm a n e c e n p rác ticam en te e s tab le s a d o sis d e 10 kGy.

E n e l caso de los m ic ro n u tr ie n te s , a s í como la sen s ib ilid ad al ca lo r d e las v itam in as es v a riab le , ta m b ié n lo es su sen s ib ilid ad a la rad ia ción , y d e p e n d e d e l t ip o d e a lim en to , de la v itam in a e n cu es tió n y d e la dosis. E n g enera l las v itam in as D , K y vi fu m in as del co m p le jo B co m o la r ib o flav in a so n e s ta b le s y las A , E y B j ( tiam in a ) son m ás láb iles.

L a se n s ib il id a d d e las características organ o lé p tic a s es ta m b ién im p o rta n te . C olores, a rom as y sabores p u ed en ser afectados. A sí, la ir rad ia c ió n no es acon sejab le con las carnes rojas p orq u e las b lan q u ea , m ientras se usa crec ie n te m e n te con carnes blancas com o el pollo y el c e rd o . C on la irrad iación ocurre com o con cualquier otro m étod o d e conservación , que va m e jo r co n unos a lim en tos que con otros.

C u a n d o lo s a l im e n to s se i r r a d ia n envasados d e b e n te n e r s e e n c u e n ta lo s e fe c to s de la r a d ia c ió n e n los m a te r i a le s e m p le a d o s en e l envase q u e , p o r un la d o , p u e d e n dar lugar a p ro d u c to s r a d io l í t ic o s c o n ta m in a n te s y, p o r o t r o , p u e d e n p e r d e r c o n s is te n c ia , h ace rse q u e b ra d iz o s y e x p e r im e n ta r c am b io s de color o d e tra n sp a re n c ia .

P o r ú ltim o , co n v ie n e re c o rd a r q u e la rad ia ción inac tiva los m ic ro o rg a n ism o s, p e ro no e lim in a las tox inas q u e é s to s p u e d a n h a b e r p ro ducido an te s d e l tra ta m ie n to , p o r lo que es de g ran im p o rtan c ia la h ig ie n e en los m an e jo s p re

vios a fin d e alargar al m áxim o e l p er íod o de latencia.

Resumen

1. La conservación de alim entos po r irrad ia ción es una técnica em ergente. Junto con los tratam ientos térmicos es la única que conduce a la destrucción de los microorganism os contam inantes de los alimentos. La irrad iación no sube la tem peratura de los alim entos, po r lo que pueden seguir m anteniendo la categoría de frescos.

2. La rad iación ionizante in teracciona con la materia. En el caso de los seres vivos radioli- za slls componentes, entre ellos el agua, p ro duciendo radicales libres que pueden recorrí- binarse, tiene un efecto d irecto sobre el A D N del núcleo celular y radio liza las m oléculas responsables del m etabolism o celular. Estas acciones son causa de la destrucción de los microorganism os que son m onocelulares sin afectar apenas a tos alimentos. La irradiación no aum enta la radiactiv idad de los alimentos.

3. Los tipos de radiación utilizados en la conservación de alim entos son la radiación 7

(gamma) procedente de la desintegración de los radionucleidos, que es m uy pene tran te en la m ateria , y los elec trones acelerados, que alcanzan sólo una penetración de ó cm.

4. E l Co-60 es el isótopo radiactivo más generalizado en los irrad iadores de alim entos. T iene una radiactiv idad específica de 1,3 • 1013 B q g-1, una vida media de 5,3'años y una energía de emisión y de 2,5 Mev.

5. L a in tensidad cíe la em isión de energ ía es m ayor cuanto m ayor es el núm ero de á to mos que se desintegran por unidad de tiem po (radiactividad de la fuente). Los irradiadores de Co-60 suelen tener radiactividades entre 3,6 ■ 1016 y 1,08 ■ 10!7 Bcp La radiación 7 del Co-60 atraviesa grandes espesores de alimentos, dependiendo de su densidad y se pueden irradiar alimentos a granel en grandes contenedores.

6 . E n los irradiadores isotópicos los alimentos se hacen pasar mediante un sistema transpor-

tad o r (c in tas sinfín, m onocarriles en el techo, etc.) a una d istancia m ínim a de la fuen te ra diactiva. E l tiem po de exposición para recibir la dosis prescrita se regola variando la velocidad del sistem a transportador.

7. L os ac e le ra d o re s de e lec tro n es se c o n s tru yen con energías cinéticas en el haz de hasta 10 M ev, q u e es el lím ite perm itido . C on ello sólo p u e d e n p e n e tra r 5 cm en el a lim en to , po r lo que se suele em plear p a ra p roduc to s envasados en cajas de ese espesor.

8 . Las dosis m áxim as perm itidas a los a lim en tos en el cód igo a lim en ta rio in te rn a c io n a l son de 10 kGy. C on este lim ite la irrad iación pu ed e ap licarse a in h ib ir la germ inación de bro tes en el a lm acenam ien to de p a ta tas , ce bollas y ajos, a re tra sa r procesos de m ad u ra ción d e fru tas , a e lim inar m icroo rgan ism os p a tó g en o s en especias, tisanas, carnes, ovo- p ro d u c to s , lácteos, pescados y m ariscos, y a in activar p arásito s .

9. E n la conservación p o r irrad iac ión los com p o n en te s de los alim entos se a lte ra n m enos que con ios tra tam ien to s térm icos a igual n ivel d e este rilizac ió n . C on dosis de 10 kG y los cam bios qu ím icos no son sign ificativos, no se a lte ran la fo rm a ni la te m p e ra tu ra , no se afec tan las p ro te ín a s ni los ca rb oh id ra to s , ni se induce la fo rm ación de p ro d u c to s tó x icos. N o se d eben irrad ia r los a lim en to s muy grasos p o rq u e la irrad iación g enera oxígeno po r radiolisis del agua y hay p é rd id a de calidad p o r oxidación, y lo m ism o pasa con. algunos colores.

10. E n el. m u n d o se ir ra d ia n m ás d e un m illón de to n e la d a s d e a lim e n to s al año , co n un to ta l d e 40 p a ís e s u ti liz a n d o e s ta o p e r a ción , en tre e llos E s ta d o s U n id o s , F ran c ia , B é lg ic a , C a n a d á , D in a m a rc a , J a p ó n , H o lan d a , N o ru eg a , S udáfrica y R usia . E x isten m ás d e 150 ir ra d ia d o re s in d u s tria le s d e a lim e n to s en el m undo .

3

CONSERVACIÓN DE ALIMENTOS

POR EL FRÍO. CONGELACIÓN

3.1. Aplicaciones del frío3.2. Producción de frío mecánico3.3. Frío criogénico3.4. Congelación

3.5. Cálculo de )a carga de refrigeración3.6. Tiempo de congelación3.7. Descongelación3.Í1. Métodos e instalaciones de congelación

El frío inhibe el crecim iento de ios microorganis

mos tanto por la dism inución de las velocida

des de reacción del metabolismo como por lo

disminución de la actividad de agua resultante de

la conge lación.

Com o en la m ayoría de las operaciones de con

servación de los alimentos, los logros en la congela

ción se han conseguido por la aplicación combina

da de diversos saberes. En el caso de la

congelación, la term odinám ica, la qu ím ica física,

los fenómenos de transporte de calor y materia, la

cristalografía y la ingeniería mecánica se unen a la

m icrobiología y al estudio de la composición y es

tructura de los alimentos para definir tratamientos,

donde el papel principal lo juega la conservación

de la textura orig ina l del alim ento en el producto

descongelado. Para ello, el ob jetivo técnico suele

ser siempre la consecución de una ve loc idad de

congelación suficientemente rápida.

Desde su in icio como operación industrial y des

de lo implantación de la cadena del frío la congela

ción ha ido incorporando nuevos conceptos y técni

cas novedosas en el diseño de los aparatos. Hoy

hay toda una Industria de bienes de equipo al servi

cio de la congelación y la producción de alimentos

congelados se ha m ultip licado por un factor de 100

en los últimos 15 años.

En este cap ítu lo se desarro llan los p rinc ip ios

que rigen la congelación tanto por frío m ecánico

com o criogénico, se introduce al cálculo del tiem

po de conge lación, se exp lica la casuística de la

descongelación y se c las ifican y detallan los mé

todos de conge lación y los distintos modelos de

aparatos.


A Superficie de contacto p ara el intercam bio de 9 c Energía que devuelve el refrigerante com ocalor (m 2) ca lo ren el condensador (kJ s _1 o kW )

Cp C alor específico d e t alim ento (kJ kgp1 X " ') Energía a elim inar del alim ento para congelar

CPc C alor específico del alim ento congelado (kJ lo (kJ s-1 0 kW )kg-1 -c-1) Energía que in troduce el com presor (kJ s_I o

E E nergía de las m oléculas (k.J) kW )t í E ntalp ia (kJ kg-1) R C oeficiente de form a

K C oeficiente de transm isión de calor entre la T T em peratura absoluta (K)superficie del alim ento y el foco frío (kcai n r 2 C Tem peratura am biente (“C)h“l ÜC-'1) lc Punto de congelación (ÜC)

k C onductividad térm ica del alim ento congelado tc T em peratura def foco caliente (°C)(kca! n r 1 h _1 r’C~l) h- T em peratura del foco frío o tem pera tu ra final

K C onstante de B oltzm an de congelación (°C)k ’ C onductividad del m ateria l de em balaje h T em peratura inicial del alim ento (UC)L E spesor dei alim ento (m ) u Coeficiente global de transm isión de calor (kJm Flujo m ásico del refrigeran te (kg s_1) n r 2 s- 1 X - 1)M ■ M asa de alim ento a congelar (kg) V V elocidad de congelación (°C niin-1)P C oeficiente de forma X E spesor del em balaje (m )0 Calor rem ovido en la congelación del alimento 6 Tiem po efectivo de congelación

(kJ) P D ensidad del alim ento (kg n r 3)? Calor transm itido por unidad de tiem po (kJ s_1 K Calor la ten te de cristalización (kcai k g -1)

o kW )

GLOSARIO

carga de refrigeración: Se denom ina así tanto para la refrigeración (capítulo 4) como para la congelación y representa las necesidades energéticas de la máquina frigorífica para ob tener el alimento congelado en un determ inado tiempo,

centro térmico; Punto del alim ento que más tarda en enfriarse.

convección forzada: M ecanismo de desplazam iento del aire por aporte de energía m ediante una máquina.

convección natura): M ecanismo de desplazam iento de aire debido a las diferencias de densidad provocadas por diferencia de tem peraturas entre las distintas zonas.

evaporador: Es la parte de la m áquina frigorífica donde el refrigerante líquido tom a calor y pasa a vapor (hierve).

punto de congelación: Tem peratura a la cual em pieza a congelarse el agua del alimento. Debido a la presencia de solutos es siempre inferior a 0 °C.

punto crítico: También se llama así al centro térmico.

temperatura final de congelación: Es la tem peratura del pu n to crítico del alim ento cuando se in te rrum pe la operación de congelación. Como mínimo debe ser de -18 °C. A ía tem peratura de -18 °C p rácticam ente toda el agua coagulable del alim ento ha pasado al estado de hielo, Por razones de seguridad en el almacenamiento esta tem peratura final suele ser más baja de -18 “C.

tiempo de congelación: Tiempo que media entre el inicio de la operación de congelación de un alim ento y el m om ento en que su punto crítico alcanza la tem peratura final de congelación (-18 °C). Tam bién se define como el tiempo requerido para que se forme una determ inada cantidad de hielo.

3.1. Aplicaciones del frío

E l e m p le o de las b a ja s te m p e ra tu ra s p a ra re f re sc a r o r e ta rd a r e l d e te r io ro de los a lim en to s v ien e d e antiguo. C on o cid o es el uso en siglos p a s a d o s de los neveros, o pozos p ro fu n d o s q u e se e x cav ab an en zo n as m o n tañ o sa s co m o la A lp u ja r ra (G ra n a d a ) y la S ie r ra de G u a d a rra m a (M ad rid ) , que se llen ab an de n ieve en el in v ie rn o y a c tu a b an d e n ev e ra d u ra n te el estío , o d e las fresqueras dom ésticas, q u e e ran a lac e nas con u n a cara ex te rn a d e rejilla o rien tad a al n o r te . S in e m b a rg o la ap lic ac ió n te c n o ló g ic a del fr ío a lo s a lim en to s ex ig e d isp o n e r de un fo co f r ío de te m p e ra tu ra co n s ta n te y re p ro d u c id le fá c ilm e n te . E l a lim e n to es en e s te caso el

fo co c a l ie n te y su e n f r ia m ie n to te n d rá lu g a r p o r la cesión de c a lo r q u e o rig in a el g ra d ie n te de te m p e ra tu ra s e n tre am bos focos.

E n el c o n ta c to , la te m p e ra tu ra in ic ia l d e l a lim e n to irá d ism in u y en d o a lo la rgo de la o p e rac ió n h a s ta a lca n za r el v a lo r d e sead o , q u e se rá m a y o r e n c u a lq u ie r caso q u e la te m p e ra tu r a c o n s ta n te , tp d e l foco frío p a ra q u e ex is ta u n g ra d ie n te té rm ico .

E l f r ío se ap lica a los a lim en to s en dos m o d a lid a d e s , la re fr ig e ra c ió n y la conge lac ión . E n la re f r ig e ra c ió n el a lim e n to d eb e m a n te n e rs e e n tre -1 ° y 8 °C. E n la conge lac ión , la te m p e ra tu ra d e l a lim e n to d eb e d e sc e n d e r b a s ta -1 8 °C. E s ta te m p e ra tu ra e s tá a c e p ta d a in te rn a c io n a l- m e n te p o r las sig u ien tes razones:

D esde el p u n to de v is ta m icrobiológico , el crecim iento de los m icroorganism os patógenos se inh ibe a -4 °C y el c recim ien to de los a lte ra tivos se inh ibe a - 1 0 °C.

D esde el pun to de vista de las alteraciones por reacción química, a -18 °C se anula la velocidad de las reacciones posibles en los alimentos, como las de M aillard (pardeo quím ico). Por último, si se sigue bajando la tem peratura , a -72 °C se anulan las velocidades de las reacciones cnzimáticas.

Teóricam ente, -72 °C sería la tem pera tu ra de congelación ideal de los alim entos, pero es tecnológicam ente inasequible a precios aceptables, difícil de m an tener en las e tapas de distribución del alim ento (cadena del frío ) y sólo necesaria cuando se esperan reacciones enzim átícas residuales. P or todo ello se ha elegido -18 UC como tem peratura de congelación de los alimentos.

C uando son posibles reacciones cnzim áticas residuales se destruyen las enzim as p o r escaldado an tes de la congelac ión y, si no pudiera hacerse, el alim ento no sería ap rop iado p a ra su conservación p o r congelación.

Si la tem peratura de congelación es de -18 °C, para llevar a cabo la operación se deberá disponer de un foco frío a tem p e ra tu ra inferior. La generación del foco frío tiene lugar en las instalaciones frigoríficas que, según los m étodos que u tilizan p a ra la cesión y e lim inac ión de calor, pueden ser de frío m ecánico o criogénicas.

3.2. Producción de frío mecánico

La p roducción de frío m ecánico se basa en la utilización de Quid os re frig eran tes , que son fluidos condensab les cuyo punto de ebullición a la presión de una a tm ósfera está p o r debajo de 0 °C y, en el caso p a rticu la r de la congelación de alim entos, p o r d eb a jo de -18 °C. En lo que sigue el flu ido re frig e ran te se denom inará sim plem ente refrigeran te .

L os p rin c ip a les e lem en to s de q u e consta una instalación o sistem a de p roducción de frío m ecán ico se ind ican en la figu ra 3.1.. Son el ev apo rado r (1 ), el com preso r (2 ), el condensa

do r (3) y la válvula de expansión (4). E n el evap o rad o r ( 1 ) en tra el refrigeran te en estado líquido y a baja p resión y se evapo ra a tem p era tu ra y p res ión co n stan te s , to m an d o el calor la ten te de vaporización del cuerpo que se d e sea enfriar. E l refrigeran te en estado de vapor pasa a un com preso r (2 ) m ovido p o r un m otor (5) donde se com prim e hasta una presión m ás alta, suficiente para que su p u n to de ebullición aum ente de form a que sea posib le su conden sación en el con d en sad o r (3). E l re frig eran te nuevam ente en estado líquido y a p resión alta se dirige desde el condensador a una válvula de expansión q u e regula el flujo y reduce la p re sión del re frigeran te , en trando éste en el ev a po rado r de nuevo p a ra repetir el ciclo.

Condensador: el refrigerante cede calor

Evaporador:

el refrigerante toma calor

FIGURA 3 d . D iagram a de funcionam iento de una instala

ción de frío mecánico.

E n la p roducción de frío m ecánico el refrig e ran te reco rre rá con tinuam en te este circuito cerrado. M ientras el sistem a funcione habrá un p u n to frío estab le y perm anente . Si el sistem a se para basta ponerlo en funcionam ien to para rep roducir el p u n to frío.

En la instalación hay una zona de baja p re sión y o tra de alta presión. E l e lem en to princip al del sistem a es el ev ap o rad o r (o se rpen tín de refrigeración) que es el e lem en to donde tie ne lugar la absorción de calor q e que querem os e lim inar de l a lim en to para co n g e la rlo . E s ta

energía qe¡ juntamente con la energía qw que introduce el compresor, la devuelve el refrigerante en forma de calor qci en el condensador.

<?c = <7e + 9lv t3-1]

Con este sistema se consigue tomar calor a baja temperatura y cederlo a una temperatura superior. Esto no es lo normal en la naturaleza y se consigue pagando un precio: el trabajo del compresor, es decir, aportando un trabajo q w.

Por razones am bientales y de econom ía energética puede ser importante la recuperación del calor qc en otro punto de la factoría.

Este procedimiento se conoce desde el siglo XIX; la s ideas básicas apenas han cambiado, si bien, como es lógico, las máquinas para llevarlo a la práctica han evolucionado.

El ciclo de producción de frío mecánico se puede seguir en detalle con ayuda del diagrama cntálpico. Conviene recordar que en el caso de Huidos en m o v im ie n to , la entalpia representa la energía total del fluido y las variaciones de entalpia constituyen una medida de la cantidad de calor que se ha puesto en juego.

3.2. í, El diagrama entálpico

En los fluidos condensables la representación más utilizada para definir su estado es el diagrama entálpico que relaciona su contenido energético con la presión y recoge el estado físico en que se encuentra, como se muestra en la figura 3.2. Cada fluido condensable tiene su diagrama entálpico propio.

En el punto “a” el fluido se encuentra en estado líquido. Si se le aporta energía (calor) a presión constante se calienta, aumentando su entalpia, hasta que llega al punto “b ” en cuyo mom ento em pieza a hervir, encontrándose el sistema en una situación en que de estar en estado líquido pasa a estar parte en dicho estado y parte en estado de vapor.

A medida que se sigue aportando energía a presión constante va aumentando la cantidad

de fluido que va pasando a la fase vapor hasta llegar al punto “c ” en el cual todo el fluido se encuentra en estado de vapor.

Ein el tramo “be”, por tanto, el sistema está constituido por una mezcla de fase líquida y fase vapor. En esta región se cumple la llamada “ley de la palanca”, de forma que en un punto b' se cumpliría:

Porcentaje en estado líquido ■ x l == Porcentaje en estado de vapor ■ x ,

Siendo el porcentaje en estado líquido más el porcentaje en estado de vapor igual a 100.

A partir del punto “c” todo el sistema está en forma de vapor y cualquier nuevo aporte de energía sirve para recalentar (aumentar la temperatura) del vapor.

xi Entalpia, H (kj kg'1]FIGURA 3.2, Diagrama entálpico de un fluido condensable: L: región de fase liquida; V: región de fase vapor; L + V; región donde coexisten las dos lases, a: punto en la zona de liquida subenfriado, b: punto do ¡a curva de ebullición, c: punto de la curva d e vapor saturado, d: punto

en la zona de vapor recalentada,

3 .2 .2 . Refrigerantes

Las características que hay que considerar usualmente a la hora de seleccionar un refrigerante son:

— Punto de ebullición bajo.— Calor latente de vaporización alto.

— Punto de congelación bajo.— Temperatura crítica alta.— Baja toxicidad.— Baja inflamabilidad.— Baja corrosividad.— Estable químicamente.— Bajo coste.— Bajo impacto ambienta].

Los refrigerantes más usados han sido el amoníaco y los compuestos dorofluocarbona- dos (CFCS). Sin embargo, éstos últimos pueden emigrar a las capas altas de la atmósfera, y su molécula puede liberar cloro por efecto de la alta tasa de radiación electromagnética existente y el cloro daña a la capa de ozono. Per esta razón se urgen medidas para la sustitución de los CFCs después del Protocolo de Monlreal (1987). Entre los compuestos más prometedores están los HFCS, donde el hidrógeno sustituye al cloro. En el cuadro 3.1 se indican algunas propiedades de los refrigerantes.

3.2.3. Estudio del frío mecánico en el diagrama entálpico

Si se tiene un fluido refrigerante, por ejemplo el NH3, en estado líquido y a la presión de

1 atm, su temperatura será de -33,3 °C (punto de ebullición del NH3 a esa presión). A partir de estas condiciones podemos estudiar el ciclo de refrigeración en las distintas etapas del sistema de producción de frío.

A ) Evapom dor

En la figura 3.3 se utiliza el diagrama entálpico del amoníaco. Se supone que en el m omento de entrar el amoníaco en el evaporador está en forma líquida a la temperatura de ebullición. Tendrá una entalpia H 0 y el punto que lo define en el diagrama será el punto 0.

Si se pone en contacto el evaporador de un sistema de frío mecánico con un medio más caliente (sea el alimento directamente o un fluido intermedio) se va produciendo un paso de energía (calor) desde esc medio al NHV que lo utilizará como calor latente e irá cambiando de fase basta evaporarse totalmente y llegar al punto B, sin que haya variado la presión ni la temperatura. Así pues, en el evaporador se tiene un foco frío permanente de -33,3 °C. La entalpia del NH3 aumenta hasta 1/,.

En el evaporador el refrigerante circula por el interior de serpentines, placas huecas, circuitos impresos o tubos de aletas construidos con

CUADRO 3.1Algunas característicos de los refrigerantes más usados

RefrigerantePunto de ebullición

a 1 aim (°C]

Color latente fkj kg~' a kcal kg_l

Punto de congelación

r qT crítica (°C) Fórmula

Amoniaco -3 3,3 1.328317

-7 8 138

Freón 12 -2 9 ,8 16339

-1 5 8 112 CCIjFj

Freón 22 -4 0 ,8 22153

-1 6 0 96 CHClFj

HFC134a -2 6 20048

-101 111 CF.CHjF

NHj líquido

Entalpia, H0

NHj vapor Entalpia, H2

T, = -33 °c

BQ P7 = I atm

r , - - 33 °c

FIGURA 3.3. La etapa de evaporación en ei diagrama entálpico.

materiales buenos conductores. La transmisión del calor a través de las paredes tiene lugar según la ecuación general:

q = U A ( te - t f) [3.2]

donde q es la cantidad de calor transmitida por unidad de tiempo, U el coeficiente global de transmisión de calor, A la superficie de contacto , f . la temperatura del foco caliente y tj. la temperatura del foco frío.

B) Com presor

En forma de vapor el amoníaco ha perdido su capacidad de “producir frío”, por lo que el resto del circuito debe servir para devolverle a sus condiciones iniciales.

Para ello se comprime a una presión lo suficientemente alta como para que su temperatura de ebullición-condensación sea bastante superior a la del agua corriente. Por ejemplo, a 15 atm, la temperatura de condensación es 39 °C. Esta compresión no se realiza sin el consiguiente aumento de entalpia, ya que debido a los ro1 zamientos y fricciones con las paredes y partes móviles del compresor el NH3 recibe calor, aumentando su entalpia a H v Se alcanza el punto C que corresponde al refrigerante comprimido y en estado de vapor recalentado (figura 3.4).

E l compresor realiza un trabajo sobre el refrigerante que se puede calcular a partir del aum ento de entalpia l l y - / / , y conociendo el flujo másico m del refrigerante, por la ecuación

q w = m ( H 3 - H 2) [3.3]

C) Condensador

Si en las condiciones de C el refrigerante se pone en contacto a presión constante con otro fluido mas frío, perderá calor, se eníriará y dis-

P, = 15 atm

Tj > 39 °C NHj vapor

Entalpia, H3

" F *P2 - 1 atm

Tj = -33 °C NH, vapor

Entalpia, Hj

Figura 3 .4 . La etapa de com p_esión en el diagrama entálpico.

NHj líquido I Entalpia, H,

12 °C 1 6 ° c t NHi vapor Entalpia, H3

DP¿ = 15 atm T. = 18 °C

Q,c1 5 otanP,

r ' > 39 °c

FIGURA 3.5. La etapa do condensación en el diagrama entálpico.

minuirá su entalpia alcanzando la curva de saturación (figura 3.5). Si esta pérdida de calor es suficiente, c] NH3 comenzará a condensar e incluso pasará todo a fase líquida cuando se alcancen las condiciones del punto D.

Esto se puede conseguir, por ejemplo, pasando el NTH , por un serpentín enfriado con agua o aire a temperatura ambiente, enfriándo

se el NHj por debajo de 39 °C, que es suficiente para que a 15 atm condense y vuelva al estado líquido.

En el condensador, el flujo de calor qc desde el refrigerante al agua, siendo m el flujo másico del refrigerante y II la entalpia, será igual a:

[3-4]

D) Válvula de expansión

La válvula de expansión permite el flujo del refrigerante líquido desde la zona de alta presión a la de baja y lo regula. La expansión CS

iscntálpica (figura 3.6). Al expansionarse el líquido se encuentra a una temperatura superior a la que le corresponde en tal estado y se enfría liberando un calor que es utilizado por el propio líquido en evaporarse parcialmente. En el caso del amoníaco se enfría a -33,3 °C alcanzando el punto A del diagrama isoentálpico, que corresponde a un punto en la zona L + V y al ser un proceso isoentálpico H l - H 4.

Se puede observar que nunca se llegará a las condiciones del punto O, en el cual todo el fluido estaba en forma líquida. Ahora se obtiene una mezcla de liquido y vapor cuyas proporciones quedan bien definidas por las distancias entre el punto A y las dos ramas de la curva de

K l

Pt «« 1 5 ahn TJ = 18 cC N K líquido

Entalpia, H,

Pi = 1 atm T, » -33 CC NHj líquido + vapor Entalpia, H, = H4

FIGURA 3.ó. La etapa de expansión en el diagrama entálpico.

cam p a n a y d e a cu e rd o co n la ley de la pa lanca . E n co n secu en c ia , ex c e p to en la p u e s ta en m a rcha del s is tem a , e l ciclo de p ro d u cc ió n de frío m ecán ico c o rre sp o n d e al lim itado p o r los p u n tos A B C D .

T e n ie n d o en c u e n ta es to s lím ites, el flu jo d e ca lo r en e l e v a p o ra d o r se rá

q e = m ( H 2 - H , ) [3.5]

siendo , c o m o se h a in d icad o a n te r io rm e n te , m el flu jo m ás ico y H la en ta lp ia .

L as, d im en sio n es de q son de p o te n c ia , y se p u e d e n a c e p ta r co m o la m ed id a de la p o ten c ia e n fr ia d o ra de la m á q u in a .

A la d ife re n c ia de e n ta lp ia s del re f r ig e ra n te e n tre la sa lid a y la e n tra d a del e v a p o ra d o r (H 2 - se le llam a e fec to de re frig e rac ió n o c a rga de re frig e rac ió n . C a rg a de frío o c a rg a de r e frig e rac ió n q es la c an tid ad to ta l de ca lo r que el r e f r ig e ra n te tie n e q u e re m o v e r p o r u n id a d d e tie m p o e n e l e v a p o ra d o r p a ra c o n se g u ir u n e fec to d e se a d o . E l flu jo n e c e sa r io d e re f r ig e ra n te v e n d rá d a d o p o r

P o r ú ltim o h ay un co e fic ien te de fu n c io n a m ien to de la m á q u in a q u e se m ide p o r la re la ción

C F - WH 3 - 1 I 2

o sea c a lo r re m o v id o en el e v a p o ra d o r en re la ción con el tra b a jo del co m p reso r.

E jem plo 3.1. U so del diagrama del ciclo de compresión en condiciones de saturación.

Un alm acén se m antiene a 3 °C usando un sistema de refrigeración por compresión con un freón R-12. Las tem peraturas de evaporación y condensación son, respectivam ente, -5 y 40 “C.

La carga de refrigeración es de 25 toneladas de frío (1 tonelada de frío = 80.000 kcal). Supuesto que la unidad opera en condiciones saturadas y que el rend im ien to del com presor es del 85%, calcúlese:

a) El flujo másico de refrigerante.b) La potencia consumida por d compresor.c) E l coeficiente de funcionamiento.

Solución

R epresentación del ciclo de com presión en un diagram a presión-entalpia. E l p rim er paso consiste en trazar dos isóbaras (paralelas al eje- de abeisas) que pasen por las tem peraturas de evaporación (-5 °C) y condensación (40 °C). La intersección de ambas lincas con el eje d e o rdenadas perm ite establecer las presiones de operación correspondien tes a estas dos etapas: en este caso 260 y 950 kPa, respectivam ente . La salida del condensador se identifica p o r la intersección de la línea debida a esta fase (isóbara superio r) con la curva del líquido saturado. D esde este pu n to se traza una perpend icu la r (etapa de expansión) al eje de abeisas hasta la línea de evaporación (isóbara in ferior). La intersección establece la en trada al evaporador, que cu este caso está constituida por u n a mezcla liqu ido-vapor. Com o quiera que la expansión es isoen tálp ica, la entalpia a la sa lida del expansor es igual a la de la entrada at ev ap o rador (H j). Su valor se determ ina pro longando la línea de expansión hasta el eje de abeisas. Para cerrar el ciclo basta con trazar el tramo de compresión, q u e parte de ia salida del evaporador (EL), intersección entre la línea de evaporación y la curva de vapor saturado, para llegar, a través de la curva de com presión isoen tróp ica, hasta la linca de condensación ( //-) , ya en la zona de vapor sobrecalentado.

A p a r t ir del d iagram a se ob tienen los siguientes valores de entalpias en kd/kg: H l = 238, H1 = 350 y = 375. Se entiende, asimismo, que estos valores se pueden obtener con m ayor precisión a p a rtir de la tabla que recoge las propiedades del vapor y líquido saturados del R -12 (H í y H ,) y de la gráfica o tabla del vapor sobrecalentado del R-12 (Hj¡.

a) E l flujo másico de refrigerante (m) se puede ob tener a partir de la siguiente expresión:

m = q /(H 2 - 71j)

donde q representa la carga de frío o de refrigeración, cantidad to ta l de calor que el refrigeran te elimina por unidad de tiempo en ei evaporador, y H 2 - H x la variación de entalpia en tre la salida y la entrada del evaporador por unidad de m asa de refrigerante, tam b ién conocida por' efecto refrigerante. Sustituyendo,

m = [(80.000 kcal/T ) ■ (4,187 kJ/kcal) ■■ (25 77día)]/[(24 h/dia) - (3.600 s/h) ■

■ (350 - 238) kJ/kg] = 0,865 kg/s

b) La potencia consum ida po r el compresor viene dada por la siguiente expresión:

CIM = m '(^ - ¡_ = [0,685 kg/s ■■ (375 - 350) kJ/kg]/0 ,8 5 =■■' 25,4 kW

cj E l coeficiente de funcionam ien to se define como:

C.F. = (H 2 - /-/L) / ( / /3 - H 2)

A sí pues, sustituyendo las entalpias por sus respectivos valores se obtiene que dicho coeficiente asciende a 4,48.

E jem p lo 3.2. U so del ciclo del diagram a en la zona de vapor sobrecalentado.

R epetir el problema anterior suponiendo que el vapor abandona el evaporador sobrecalentado en 10 °C y el líquido el condensador subenfriado en 15 QC.

Solución

El vapor sobrecalentado abandona el evaporador a -5 + 10 °C, es decir, a 5 °C. E l líquido subenfriado, por su parte , deja el condensador a 40 -15 °C, esto es, a 25 °C. H 2 corresponde al punto que se obtiene prolongando la isóbara inferior,

la de evaporación, hasta su corte con la isoterm a de 5 "C. D esde este punto se asciende por la isoen tróp ica que lo contiene hasta in tcrsec tar la isóbara superior, la de condensación. Se llega así ai punto 3 (entrada del condensador o salida del com presor). E l punto 1 corresponde a la intersección en tre la isóbara de condensación y la perpendicular al eje de abeisas que pasa por la isoterm a de 25 “C del líquido saturado.

A partir del ciclo representado se tiene que; / / , = 225, H 2 = 355 y = 380 kJ/kg. Aplicando las mismas expresiones que en el caso anterior,

M = 0,775 kg/s; c¡w = 22,8 kW; C.F. = 5,2

E jem plo 3.3. Interrelación entre parám etros del ciclo de compresión.

U na m áquina frigorífica que desarrolla 10 toneladas de frío y en la que el finido refrigerante abandona el evaporador y el condensador como vapor y líquido saturados, respectivam ente, p resenta las siguientes características:

— P o tencia consum ida por el com presor: 8,05 kW.

— R endim iento del compresor: 0,85.— C alor específico del vapor sobrecalenta

do: 0,667 k.T/(kg ■ ('C).— T em peratu ra del vapor sobrecalentado:

36 "C.— C alo r latente de condensación a 30 °C:

136 kJ/kg.

Calcúlese:

a) La carga de refrigeración.b) E l coeficiente de funcionamiento.c) E l salto entálpico del refrigerante debido

a la condensación.d) E l salto entálpico del. refrigerante debido

a la evaporación.e) E l flujo másico de refrigerante./) El salto entálpico del refrigerante debido

a la compresión.g) E l increm ento de tem pera tu ra del agua

de refrigeración em pleada en la condensación del vapor sobrecalentado supuesto que su consumo es de 1 kg/s.

Solución

a) C arga de refrigeración:

q = [(80.000 kcalÍTf ) - (4,187 kJ/kcal) - • (10 7yd ía)]/[(24 h /d ía) ■ (3.600 s/h)] = 38,8 k l/s

b) D e la com binación de Las sigu ien tes exp res io nes:

q „ ■ t j = m - (H , - H 2)

se o b tiene que:

7/(7 ,, ■ V) = [H ,~ - H C = C.F. == 38,8/ (8,05 ■ 0,85) = 5,67

c) La en ta lp ia a la en trad a del co n d en sad o r v iene dada po r la sum a de la en ta lp ia a la e n tra da del evaporador, el calor sensib le del vapor sob reca len tado y el calor la te n te de co n d en sación del v ap o r sa tu rado y com prim ido . Así,

H , = H^ + \cp - ( T - T 0) + A] == // , + [0,667 kJ/(kg °C) ■ (36 - 30) °C] +

+ 136 k.T/kg = H, + 140

H j - H ^ 140 k.T/kg

d) l/C .F. = (Tí. - H 2) / ( H2- H í) -= [(H 3 - / / l) - ( / Jr2 : / / , ) ] / ( / Jr2 - f - v

( h 2~h;) = ( r 3-e /1)/(i r i/c.F) - - 1 4 0 /(1 + 1/5,67) = 119 kJ/kg

e) m = q!(H.? - T ij) = 38,8 / I I 9 = 0,326 kg/s

f ) ( H ^ I I I) = ( H J - H j - Í M 2 - H 1} == (H 2 - H J í C.F. = (q !v ■ T í) / m = 21 kJ/kg

g) m - ( / / 3 - f / j ) = m a ■ cp * AT

0,326 kg/s ■ 1.40 kJ/kg == 1 kg/s ■ 4,187 kJ/(kg ■ °C ) ■ & T nC

AT = 10,9 °C

E je m p lo 3.4. U so del ciclo de las tab las te r m od inám icas del estado sa tu rado y recalen tado .

C onsidérese un sistem a de refrigerac ión que elim ina 300 kJ/s de ca lo r y opera según un ciclo id ea l d e v a p o r con el re f rig e ran te R -134a. T e n ie n d o en c u e n ta q u e el re f r ig e ra n te e n tra ai co m p reso r com o v ap o r sa tu rad o a 140 k P a y se com prim e h asta 800 kP a, calcular:

a) C an tid ad de re frigeran te liquido a la salida de la válvula de expansión.

b) C oefic ien te de op erac ió n del ciclo.c) C onsum o de energ ía del com presor.

D atos

Tablas del re frig e ran te 134a sa tu rad o y recalen tado .

So lu c ió n

E n p rim e r lugar se calculan las p ro p ied ad es te rm o d in ám icas d e in te ré s en ios pun tos c a rac te rísticos del ciclo:

1. Salida de l evaporador = en trada al com presor. A la salida del ev ap o rad o r se tiene un va

p o r sa tu rad o y seco a 1.40 kPa, con lo cual la en ta lp ia y en tro p ía se rán las co rre sp o n d ien tes a un v ap o r sa tu ra d o y seco. E n la tabla, del v ap o r sa tu rad o , no hay valores p a ra 140 kPa, p o r lo cual hay que in te rp o la r en tre los valores m ás cercanos a 140 kPa:

P (kP a ) F("C) /7 ,,s(kJ/kg) A,,s(kJ/kg K)

132,99 -2 0 235,31 0,9332144,83 -1 8 236,53 0,9315

e in te rp o lan d o para 140 kPa:

Tj - -18 ,8 °C; ! i \ - 236,03 kJ/kg;S, = 0,9322 kJ/kg K.

2. S alida de l c o m p re so r = e n tra d a al c o n d e n sador.

C om o en un ciclo ideal la com presión se supone isoentrópica:

SX = SZ = 0,9322; y P2 = 800 k?a.

Con lo cual para calcular la entalpia del vapor a la salida del compresor hay que buscar en la tabla del vapor recalentado, los valores más próximos a 800 kPa y 0.9322 kJ/kg K:

7'(°C) í f ra(kJ/kg) J re(kJ/kgK)

31,33 264,15 0,906640 273,66 0,9374

c interpolando , para S, = 0,9322, se obtieneuna entalpia H 2 = 272,05 kJ/kg.

3. Salida del condensador = entrada al expansor.

En el ciclo ideal, el líquido que abandona el condensador está como un líquido saturado a su temperatura de ebullición. Por ello, la entalpia será la correspondiente de saturación para el líquido, que so obtiene por interpolación en la tabla del vapor saturado para una presión de 800 kPa: H3 a 93,41. kJ/kg.

4. Salida del expansor = entrada al evaporador.El proceso en el expansor es isoentáípico,

con lo cual la entalpia es igual a la anterior;

Ha = H 2 = 93,4:1. kJ/kg

A partir del dato del caudal de calor de refrigeración, qF = 300 kJ/s, se puede determinar el caudal másico de refrigerante:

qE = m{Hx- H 4)\

m = 300/(236,03 - 93,41) = 2,1 kg/s

y para determinar la cantidad de refrigerante líquido a la salida de la válvula de expansión, x v se utiliza la ecuación:

que relaciona la entalpia de la mezcla líquido - vapor, H 4, con la entalpia del líquido, HLS y vapor, f í vs> saturados y la cantidad de líquido, (1 - x4), y vapor, x4. de la mezcla.

Los valores del líquido y vapor saturados se obtienen de la tabla correspondiente, por interpolación, para una presión de 140 kPa:

H u = 25,74 kJ/kg; 236,03 kJ/kg

con lo cual, despejando de la ecuación anterior:

x4 = (H4 -l-{ lJ I(H y S- H LS) == 0,322 (kg de vapor / kg de refrigerante)

y la cantidad de refrigerante líquido;

m ( l - . t 4) = 1,424 kg/s

El coeficiente de funcionamiento se calcula como la relación entre el frío producido y el trabajo de compresión necesario:

C.F. = [m ( / / , - H 4)]l[m ( / / , - = 3,96

y el trabajo necesario en el compresor:

W = m{í12 - / / , ) = 75,64 kJ/s

3.3. Frío criogénico

El frío criogénico se produce por e l contacto directo del producto a congelar con un líquido cuya temperatura de ebullición es m uy baja. El efecto refrigerante lo proporciona e l líquido criogénico com o consecuencia del cam bio de fase al tomar el calor latente de vaporización a muy baja temperatura y pasar a gas, que por su baja temperatura puede absorber tam bién una cantidad relativam ente significativa de calor sensible hasta alcanzar la conducción de salida que lo manda a la atmósfera.

Los refrigerantes criogénicos pueden ser en principio todos los líquidos refrigerantes, pero los utilizados son el nitrógeno y el dióxido de carbono líquidos, en particular el nitrógeno líquido. Los gases N2 y C O , resultantes no se recuperan. Las propiedades de am bos refrigerantes criogénicos se dan en el cuadro 3.2.

Propiedodes criogénicas

CUADRO 3 .2Principales propiedades criogénicas del nitrógeno y del dióxido de carbono

CO,

Liquido Sólido

presión de 1 afm -1 9 5 ,8 ’C —7 8 ,5 “C -7 8 ,5 *Cación o sublimación 6 9 ,4 kcai kg'1 8 3 ,3 kcai kg*1 147,6 kcai kg"'

0,251 kcd (kg "CJ ■ 0 ,191 kcai (kg aq - '

Punto de ebullición a la \Calor latente de vaporiz Calor específico del gas

‘ El C 0 2 en Forma de nieve carbónica se utiliza en algunos casos.

3.4. Congelación

La congelación es una operación de conservación de alimentos en que se inhibe el crecimiento de los microorganismos. Al bajar ía temperatura del alimento a -18 °C una elevada proporción del agua que contiene el alimento cambia de es lado y se convierte en cristales de hielo. Esto reduce la cantidad de agua en estado líquido y aumenta la concentración de los solutos. La conservación por congelación se basa en la acción conjunta de la baja temperatura y la reducción de la actividad de agua.

En la congelación comercial, a -18 °C de temperatura, lo que ha congelado fundamentalmente en el alimento es una gran parle del agua que contiene.

También congelan algunas grasas pero en mucha menos proporción. Además, el agua pone en juego un calor específico y un calor latente de congelación considerablemente más altos que los otros componentes del alimento. Por estas razones los estudios sobre la formación de cristales en el alimento y los cálculos caloríficos suelen hacerse refiriéndose al agua.

3 .4 .1. Formación de cristales

En estado de líquido puro, las moléculas de agua están anim adas de libre movimiento con una energía

EC= - K T P-7]c 2

donde K es la constante de Boltzman y T la temperatura absoluta. A medida que disminuye T, disminuye la energía de movimiento, y cuando se liega a T = 273 K (0 °C) la velocidad de las moléculas se ha moderado lo suficiente para poder incorporarse a una red cristalina, liberando el calor latente de congelación a la temperatura constante de 0 °C.

El fenómeno de cristalización tiene dos fases: nucleación y crecimiento de los aíslales. En un líquido puro a 0 *C puedeo empezar a formarse uno o más mídeos de cristalización. En la figura 3.7 la curva 1 representa la velocidad de formación de núcleos en función de la temperatura en el caso de agua pura. Una vez que varias moléculas se han reunido para constituir un núcleo, el resto de las moléculas se deposita sobre él preferentemente y lo hace crecer. La velocidad de crecimiento del cristal aumenta al disminuir la temperatura hasta un punto en que se estabiliza como puede verse en la curva II.

En condiciones especiales de reposo y disminución muy lenta de la temperatura se puede llegar a temperaturas muy por debajo del punto de congelación sin que se produzca la cristalización. El fenómeno se conoce como sobreenfriamiento.

En los alimentos el agua no está como liquido puro, sino como solvente de distintas soluciones o formando parte de emulsiones, por lo que la temperatura de congelación es siempre inferior a 0 “C, variando según los alimentos y según el contenido de agua o de solutos de un mismo alimento, que puede variar de una cose

n°c)

FIGURA 3 .7 . N udección y crecimienlci de cristales.

cha a o tra o incluso de u n a pieza a o tra. E n genera l los alim entos em piezan a congelar entre -0,8 °C y -2,8 °G

S i estudiam os la congelación a nivel celular, la concentración de las disoluciones es siempre m ayor en el citoplasm a q u e en los líquidos ex- tracelulares, po r lo que el p u n to de congelación será m ás alto en éstos. Si se va dism inuyendo len tam en te la tem p e ra tu ra se alcanzará el punto d e congelación de los líqu idos en tre las células y aparecerá uno o u n o s pocos núcleos en los intersticios en tre células.

D e acuerdo con la fig u ra 3.7, si seguim os bajando la tem pera tu ra len tam en te los cristales c rece rán p re fe re n te m e n te sob re los núcleos form ados d ism inuyendo e l contenido de agua líquida de la disolución cx tracelu lar y, para re cuperar eí equilibrio osm ótico, p asará agua del citoplasm a al exterior de la célula, lo cual servirá p a ra aum entar el tam añ o de los pocos cristales existentes. Por o tro lado la concentración en el c itop lasm a hab rá aum en tad o y el punto de congelación será cada vez m ás bajo, alejándose la posibilidad de fo rm ació n de núcleos de cristalización en el c itop lasm a. La congelación se sigue desarro llando así h a s ta lleg a r a los -18 °C. L a secuencia se ha rep resen tado en la figura 3.8. A l final se ha fo rm ado un m ono cristal

m uy grande en lo que fue un p equeño espacio ex tracclu lar a costa del agua citoplasm ática, y las células aparecen a su alrededor escurridas. Las avistas del cristal p u ed en dañ a r o rom per las m em branas y p u ed e derram arse parte d e l co n ten id o citop lasm ático . A dem ás, cuando se procede a la descongelación, hay una histéresis de las m em branas que las im pide ab so rb e r el líquido p e rd ido para re cu p era r su antigua tex tura.

Si la velocidad de congelación es rápida, lo cual significa com o m ínim o conseguir una b a ja da de te m p e ra tu ra de 5 °C p o r m in u to en el cen tro del alim ento, se en tra ráp idam en te en la zona de velocidad de nucleación a lia , y an tes de que p u edan crecer los núcleos en el líquido cx tracelu lar se alcanza el pun to de congelación en el citoplasm a, con velocidad de nucleación grande, con lo que ap a recen m illones de n ú cleos que se reparten en el agua dando lugar a m icrocristales inofensivos en todo e l conjunto. L a situación se ha rep resen tado tam bién en la figura 3.8, Las células no han sido dañadas, el agua en form a de m icrocristales de hielo p e r m anece donde antes e s tab a en fo rm a líqu ida, com o si h u b ie ra sido inm ovilizada y, al descongelarse, la tex tu ra del a lim ento perm anece in a lterada.

□ □ □ □

z'Qu3LUOzo(Jin

C O N G FI ACIO N

LENTA

0 O

O■ 1

¡<Z

CONGELADOS

□ □□ □

CONGE ACIÓNRAPIDA

Desciende más

de 5 "C /m ir<O

ULTRACONGELADOS

FIGURA 3.3. Efectos de la velocidad d e conge lac ión en la textura.

P ara algunos alim entos la congelación rápida o ultracongelación es la única q u e puede utilizarse para garantizar q u e la tex tu ra no experim en ta daños significativos y para muchos supone una m ejo ra no tab le de la calidad. E x isten otros alim entos que tienen una estructura que se afecta poco por la velocidad de congelación y no se justifica el increm ento de coste asociado a la congelación rápida. F inalm ente, hay productos que por su tam año o su configuración geom étrica no perm iten la ultracongelación.

C ongelación ráp ida o congelación len ta son p rocesos donde el fa c to r co n tro lan te es la

transm isión de calor en tre el cen tro térm ico del a lim en to y el foco frío. A -18 UC no congela toda el agua con ten ida en el alim ento y sólo en aquello s casos en q u e el po rcen taje de cristalizac ió n es m uy a lto p u ed e e n tra r en ju eg o la transferencia de m asa, deb ido a tas dificultades de m ovim iento de las m oléculas de agua hacia ios cristales, al estar los solutos m uy concen trados al final de la operación.

E n general los so lu tos no cristalizan con el h ielo p o rq u e las tem p era tu ras de sus eutécticos están p o r debajo de -1 8 °C, pe ro hay casos en que sí cristalizan. O tras veces, m oléculas de so

FIGURA 3 .9 , Z onas en ;a cu rva d e c o n g e la c ió n .

lu to s q u e d a n o c lu id a s e n lo s c r is ta le s . E n la m a y o r ía d e los a l im e n to s , a l r e d e d o r d e l 2 0 % d e l ag u a q u e c o n tie n e n p e rm a n e c e en fo rm a líq u id a p o r d e b a jo d e -1 8 °C.

3 .4 .2 . Curvas de congelación

S e c o n o c e c o m o c e n tr o té rm ic o d e l a l im e n to el p u n to d e l m ism o q u e c o n g e la m á s ta rd e . S i se h a c e u n a r e p r e s e n ta c i ó n g rá f ic a d e la te m p e r a tu r a d e l c e n tr o té rm ic o en fu n c ió n d e l t i e m p o d u r a n t e la c o n g e la c ió n s e o b t i e n e n c u rv a s c a ra c te r ís t ic a s d e c a d a a l im e n to q u e se lla m a n c u rv a s d e c o n g e la c ió n . E n e lla s p o d e m o s d is tin g u ir tr e s z o n a s ( f ig u ra 3 .9 ) . L a p r i m e r a es la z o n a d e p re c o n g c la c ió n , l a s e g u n d a e s la z o n a d e c o n g e la c ió n y la te r c e r a la z o n a d e e n f r ia m ie n to a la te m p e r a tu r a f in a l d e a lm a c e n a m ie n to . E n la p r im e ra z o n a A B se e lim in a el c a lo r s e n s ib le d e l a l im e n to y g e n e ra l m e n te e x is te u n s o b r e e n f r ia m ie n to S a n te s de q u e c o m ie n c e la c o n g e la c ió n e n tr e - 0 .8 ° y - 2 , 8

°C . A p a r t i r d e B c o m ie n z a n a f o r m a r s e lo s c r is ta le s . S e g ú n v a d e s c e n d ie n d o la te m p e r a tu r a v a .c o n g e la n d o e l a g u a c o n g e la b le d e l a l i m e n to . A s í, p o r e je m p lo , a - 1 0 °C h a b r ía c ris ta l iz a d o u n 7 5 % , a - 1 2 °C u n 8 5 % , a -1.6 °C un 92% y a -1 8 °C u n 9 8 % . B C se c o n o c e c o m o la p la t a f o r m a d e c o n g e la c ió n . A l l l e g a r a C h a c o n g e la d o p rá c t ic a m e n te to d a el a g u a c o n g e la -

b le d e l a lim e n to (74% e n e l v a c u n o , 82% en e l p e sc a d o , e tc .) .

S egún se a la v e lo c id a d de la tr a n s m is ió n d e c a lo r las cu rv as te n d rá n d is tin ta p e n d ie n te (f ig u ra 3 .Í0 ) . A lg u n o s a u to r e s t r a z a n u n a lín e a p o r e n c im a d e B y o tr a p o r d e b a jo d e C y d e l im ita n u n a z o n a (f ig u ra 3 ,11) q u e l la m a n crítica . E n e sa z o n a es d o n d e s e fo rm a to d o el h ie lo q u e va a c r is ta liz a r en la o p e ra c ió n , c u a lq u ie ra q u e se a la p e n d ie n te d e la c u rv a d e c o n g e la c ió n . E l p u n to d o n d e la cu rv a c o r ta a ía z o n a c r ític a m a rc a el tie m p o q u e h a n t a r d a d o en f o r m a rse to d o s los c ris ta le s p o s ib le s , g ra n d e s en la c u rv a I y m ic ro c r is ta le s e n la III.

FiGUKA 3 .1 0 . Curvas de congelación: (I) ve loc idad lenta,

(II) ve loc idad inferm edía, ¡III) ve lo c id a d rápida.

0

F IG U R A 3 .1 1 . Zona critica.

3.4.3. La cadena de! frío

La cad en a del fr ío es una exp res ión que com prende la secuencia de insta lac iones, vehículos y aparatos desde la producción del alim ento congelado hasta el consum idor. E s ta cadena se estab lece en función de q u e el p roducto congelado debe m an ten e r una tem pera tu ra < - 1 8 °C a lo largo de todo c] proceso de distribución com ercial.

L os p rin c ip a le s e s la b o n e s de la c a d e n a son;

• La instalación frigorífica p roduc to ra del a lim en to congelado a una te m p e ra tu ra de 18 °C.

• El alm acén frigorífico hasta la expedición del producto congelado, que se efectúa a tem peraturas en tre -25 y -3 0 °C.

• L os vehículos frigoríficos p a ra el tran sporte a los depósitos de d istribución. El tran spo rte se efectúa a -25 °C.

• L os d e p ó s ito s de d is tr ib u c ió n (tem p . -2 0 °C).

• Los vehículos d is trib u id o res a los cen tro s de ven ta . E l t r a n sp o r te se hace a -2 0 ÜC

• Los centros de venta. Las vitrinas tienen que a seg u ra r te m p e ra tu ra s e n tre -1 8 y -2 0 °C.

• T am bién debería considerarse el tra n spo rte y el frío dom éstico com o eslabones de la cadena.

• La cadena del frío debe asegurar q u e la tem p e ra tu ra del alim ento congelado no sube p o r encim a de -1 8 °C. Si esto ocurre se p u e d e dañar la tex tu ra del a lim en to po r recristalización.

3.4.4. Recrisfalización

E l agua crista liza en el sistem a hexagonal y los cristales están sujetos a una evolución con el tiem po en su form a y tam año generalm en te en relación con su energía libre superficial. E n la n a tu ra le z a to d o s los sistem as evo luc ionan con dism inución de energía libre.

H a y v a rio s tip o s de re c r is ta liz a c ió n su scep tib le de darse en los alimentos. La m ás im p o rtan te es la recristalización em igratoria , que tiene lagar cu ando hay oscilaciones en la tem pera tu ra de congelación a lo largo de la c ad en a del frío.

A ) Recristalización emigratoria

Si po r u n a en trad a de calor en algún esla bón de la cadena del frío, o en tre eslabones, sube la te m p e ra tu ra del congelado, una p a rte del h ielo volverá al estado líquido, según ia curva de congelación co rrespondien te . E l tam año de ios c rista les es lig e ram en te d ife ren te a u n q u e todos sean m ic ro c ris ta le s y cuando se re c u p e ren los -1 8 °C , el agua fund ida v o lv erá a congelar, pe ro lo hace depositándose p re fe re n tem en te en los m icrocristales m ás g randes fa voreciendo u n a recom posic ión m asa-vo lum en ten d en te a la dism inución de energía lib re superficial. Si la ro tu ra de la cadena del frío se re pite se p u ed e llegar a una situación de m ono- c rista les g ra n d e s po r d esaparic ión d e los m icrocristales m ás pequeños, con pérd ida de la textura. La secuencia se ha rep resen tad o en la figura 3,'12.

□ □□

□

□□□

□

- 1 8 0C -1 2 °C - 1 8 °C

□

-1 8 °C ” T 2 “C

FIGURA 3 .1 2 . Secuencia de recrista lización emigratoria.

B) Recristalización tsornáisica

Se da cuando un c ris ta l tiene u n a forma en que p resen ta una re lac ión superficie-m asa muy grande y se establece un fenóm eno natural que tiende a dism inuirla, conservando la masa inicial. En la figura 3.13 se h a rep resen tado la secuencia con dism inución de energía libre (F). Las m oléculas de agua s e difunden dentro dei mism o cristal y éste pasa a una form a con relieves m enos pronunciados.

> h > h > h

F. > F, > F,

FIGURA 3.1 3. Secuencia de recrista lización ¡samásica.

C uando este m ovim ien to ocurre e n tre los in te rs tic io s ce lu la res el cam bio p u ed e d a ñ a r ocasionalm ente una m em brana celular.

C) Recrista I l z í ición p o r presión

Si se aplica una fuerza a u n conjunto de cristales, el cristal cuyo p lano basal está p e rp en d icular a la d irección de la fuerza tiende a crecer a expensas de los otros.

E n la figu ra 3,14 la fuerza F ila r ía crecer al cristal 1 a costa de las m oléculas de los cristales 2 y 3 .

E ste tipo de recristalización se puede ev itar no a m o n to n an d o los p ro d u c to s congelados unos encim a de o tros p a ra su alm acenam iento sino d isponiéndolos en bandejas, vasares o bastidores.

FIGURA 3 .1 4 . CrecírnientQ de cristales por presión.

D) Recristalización p o r con tado

O curre cuando se form a un ag lom erado de cristales que tienen en tre ellos puntos o superficies de con tac to . Tam bién en este caso bu scando la d ism inución de energ ía libre, las su perficies libres se van fusionando para term inar en un cristal único y más redondeado , pudíen- do incluso q u ed a r huecos en el cristal único re sultante.

Los m icrocrista les se convertirían así en un m onocrista l peligroso . E ste tipo de recris ta lización se da en algunos alim en tos sin que se pueda evitar, si bien su velocidad es m uy p e queña.

E) Variaciones de volum en

C u an d o el agua pu ra congela hay un a u m ento de volum en del 9% , sin em bargo en los a lunem os congelados el aum ento de volum en no es no tab le deb ido a que hay una com pensación po r los siguientes factores:

a) No congela toda el agua p resen te en el a lim ento .

b) Los te jidos pueden tener un cierto con tenido en aire que ejerce un efecto de colchón.

c) T odas las sustancias se co n traen con el fr ío , las g rasas, lo s te jid o s , in c lu so el h ie lo q u e se form a in icialm ente se con trae a m ed id a que desciende la tem p e ra tu ra .

El co n ten id o de agua, aire, g rasa , tejidos, etc. es d is tin to de un a lim ento a o tro , p o r lo que la d ila tación es m uy variable.

3.5. Cálculo de la carga de refrigeración

Sea u n a m asa de a lim en to q u e se qu iere congelar en un tiem po dado. La carga de frío o carga de refrigeración será la can tidad de calor

q u e hay que rem over del alim ento po r unidad d e tiem po para conseguirlo.

E n lo que sigue M es la m asa del alim ento, M a la m asa del agua que con tiene , Ms la masa d e l re s to seco , Cp el ca lo r específico del a lim en to y Xc el calor la ten te de congelación del ag u a (o de fusión del hielo).

D e acuerdo con la curva de congelación carac te rística del alim ento , la operación se puede d iv id ir en tres p artes a efectos de cálculo.

17 E n friam ien to del alim ento desde la te m p e ra tu ra am bien te ta a la tem pera tu ra de con gelac ión - í . T ram o A B en la curva de congelac ió n . E n el cóm p u to calórico no es necesario te n e r en cuen ta el sobreenfriam ien to . La can tid ad de calor Q a rem over será

<2, - M C p[ía - ( - g j = M Cp (ta +• te) [3.8]

E l c a lo r específico del a lim en to se p u ed e e n c o n tra r en m anuales especializados o d e te rm in a rlo en el labo ra to rio . E n p rim era ap rox im ación se p u ed e usar el del agua, dado el alto co n ten id o de ésta en los alim entos.

2.° Form ación de los cristales de hielo, que em pieza a la tem p e ra tu ra - í y se com pleta a lo la rgo del tram o B C en la zona crítica. C om o en e l caso de la congelac ión los ca lo res la te n te s v a rían m uy poco con la tem pera tu ra , podem os su p o n e r a efectos de cálculo que todo el hielo se form a en B a la tem pera tu ra - í . . La can tidad d e calor Q 2 a rem over será

0 2 - M n ( % ) c -T [3.9]

s ie n d o (% ) el p o rc e n ta je del agua to ta l que conge la hasta -1 8 °C y A, el ca lo r la ten te a la tem p e ra tu ra de congelación.

37 E nfriam ien to del alim ento desde la tem p e ra tu ra de congelac ión - t c h a s ta -18 °C, su p u esta ésta la tem pera tu ra de alm acenam iento . E l ca lo r específico del a lim en to congelado , C pc, que se puede buscar en m anuales esp ec ia lizados, varía m uy poco con la tem pera tu ra . E n e l caso de que no se hallara m se pudiera d e te rm in a r experim en ta lm en te se recom ienda utilí-

zar el del hielo, 0,5 kcal/kg °C, por las mismas razones expuestas para el cálculo de £), Tanto en uno como en otro caso, la extrapolación significa ponerse en el caso peor. La cantidad de calor Q-. a quitar será

a = M Cpc\-tc - (-18)] = M C p ¿ 18 - Íe) (3.10]

La suma del calor removido en las tres etapas será

Q = Q X + Qz + Qs (3.11]

y refiriéndolo al tiempo 9 de operación se tendrá la carga de frío que debe proporcionar la máquina frigorífica,

Es le cului es el que debe ser removido en el evaporador. En la práctica el calor a remover puede ser mayor que el calculado debido

a pérdidas de efectividad no deseadas, por ejemplo, entradas de calor incontroladas. El valor

Ql9

representa la potencia de frío de la máquina, como se ha señalado en el apartado 3.2.3.

En algunos catálogos y manuales esta potencia de refrigeración se refiere a toneladas de frío, expresión que también se escucha en la jerga profesional de los (rigoristas aunque cada vez con menos frecuencia. La tonelada de frío se define como la cantidad de calor que hay que quitar a 1 m3 de agua a 0 °C para que se congele.

Como el calor latente de congelación del agua son 80 kcal/kg, una tonelada de frío equivale a 80.000 kcal.

En el cuadro 3.3 se incluyen los valores de las propiedades frigoríficas de diversos alimentos que pueden ayudar en los cálculos de la carga de refrigeración.

CUADRO 3 .3 Propiedades frigoríficas de algunos alimentos

Calor especifico

Producto

Contenido en aguo

[% en peso)

Puntode congelación

ÍP-c. X ]

Por encima dei p.c.

kJ |kg X ) - '

Par debajo del p.c.

t í (kg "C)-'

Color loti de fusiit í M -

Pollo 74 - 2 ,8 3 ,5 3 1,77 2 4 8Pavo 6 4 - 2 , 8 3 ,2 8 1,65 2 1 4Carne buey (magro 60% ) 4 9 - 1 , 7 2 ,9 0 1,46 16 4Merluza 78 - 2 ,2 3 ,6 3 1,82 26 1Salmón 6 4 - 2 ,2 3 ,2 8 1,65 2 1 4Bonito 7 0 - 2 ,2 3 ,4 3 1,72 2 3 5Gambas 83 - 2 ,2 3 ,7 5 1,89 2 7 8Espinacas 93 - 0 ,3 4 ,0 0 2,01 3 1 2Guisantes 74 - 0 ,6 3 ,5 3 1,77 2 4 8Coles de Bruselas 85 - 0 ,8 3 ,8 0 1,91 2 8 5Brocoli 9 0 - 0 ,6 3 ,9 3 1,97 3 0 2Zanahorias 8 8 - 1 ,4 3 ,8 8 1,95 2 9 5Patatas nuevas 7 8 -0 .6 3 ,6 3 1,82 261

fuente: Dtiíos lomados de C. P Mollel, 1993.

3.6. Tiempo de congelación

En muchos alimentos la congelación rápida es un objetivo tecnológico para asegurar la calidad. Por ello se han buscado métodos que permitan predecir el tiempo de congelación de un sistema dado.

En la práctica son muchos los factores que influyen en el tiempo de congelación. Entre los más importantes figuran las dimensiones y formas del producto, la temperatura inicial y la final, la temperatura del foco frío, el coeficiente superficial de transmisión de calor del producto al medio refrigerante y la conductividad del producto. Si se quiere afinar se requiere asimismo la variación de las propiedades físicas del producto en función de la temperatura: calor específico, calor latente, conductividad, densidad, etc. La importancia del tamaño es grande, ya que a pequeños tamaños del producto el factor controlante del proceso es el coeficiente superficial do transmisión de calor, mientras que en grandes tamaños el control lo ejerce la conductividad.

Para predecir el tiempo de congelación con exactitud es necesario recurrir a modelos, cuya complejidad y sofisticación varían según los factores que se hayan tenido en cuenta. Hay un modelo sencillo establecido por Flanck en 1913, que fue adaptado por Ende a los alimentos en 1949. La ecuación de Planck-Ende permite calcular el tiempo efectivo de congelación, que es el tiempo necesario para que la temperatura del centro térmico (punto crítico) del alimento descienda hasta la temperatura final de congelación. La ecuación es como signe:

_ K Pt f— t t

LP ü r \

“ J[3.12]

siendo O el tiempo efectivo de congelación, Xc el calor latente de cristalización, tc el punto de congelación, Lia temperatura del foco frío, p la densidad del alimento, hc el coeficiente de transmisión de calor entre la superficie del ali

mento y el foco frío, k la conductividad térmica del alimento congelado y L el espesor del alimento. Si éste tiene forma cilindrica o esférica se utiliza el diámetro. P y R son unos coeficientes de forma que corresponden a:

p - K2

— Para cilindros

4 16

— Para esferas y cubos

6 ’ 24

La ecuación de Planck-Ende no tiene en cuenta la temperatura inicial del alimento ni la temperatura final de congelado». Pero incluso con estas limitaciones representa un modelo muy utilizado en los cálculos predictivos por su sencillez y por lo cercano de sus resultados a la realidad. Esto no es de extrañar si se considera que lo que no tiene en cuenta esta ecuación son los calores sensibles de enfriamiento del alimento hasta la temperatura de congelación y de enfriamiento del producto coogelado una vez que abandona la zona crítica, que son muy pequeños comparados con el calor latente que hay que remover para formar los cristales de hielo en la zona crítica. Por cDo, en la utiliza- don de este modelo se da por sentado que la temperatura final del alimento congelado alcanza como mínimo los —18 “C de la cadena del frío.

Si se desean resaltados más exactos pueden utilizaTse otros métodos analíticos, que suelea ser modificaciones de la ccuadón de Planck-

E nde a fin de supera r sus lim itaciones y que, ev id en tem en te , son ex p res io n es m ás com plejas, com o es el caso de las reseñadas po r Sing y Dermis (1993).

E n el caso de que el a lim en to esté envasado la ecuación de P lanck -E nde tom a la forma:

donde x y k ' son, respectivam en te, el espesor y la conductiv idad del m a te ria l del envase.

O b se rv an d o la ecu ac ió n de P lanck-E nde, resalta la influencia de tr e s factores en el tiem po activo de congelación y, p o r tanto, en la capacidad de conseguir u n a congelación rápida.

E stos tres factores son:

a) El salto térm ico (í_ — í ) en tre alim ento y foco frío. C uanto m ás baja sea la tem peratura del foco frío , m ás pequeño será 6.

b) El coeficiente de transm isión de calor h en tre el alim ento y el foco frío. C uanto inás grande sea h m ás pequeño será 9.

c) El tam añ o L del a lim en to . C uan to más pequeño sea L m ás p equeño será 6.

E stos tre s factores son variables tecnológicas d e los p rocesos de congelación de los alim entos y se pueden tra ta r de m odificar favorab lem ente al d iseñar un s istem a de congelación, de form a que la ve loc idad de congelación re sulte la m ás ap ro p iad a p a ra la b u en a calidad del producto congelado.

A m odo de ejem plo se pueden hacer algunas reflex iones en el su p u es to de la congelación de un b o n ito en un congelador de placa (figura 3.15). E l líquido re frigeran te circula po r el in te rio r de la placa h u eca rem oviendo el calor.del bonito hasta congelarlo . E l pescado descansa sobre la superficie de la placa. L a superficie de con tac to es peq u eñ a , el calor tiene que transm itirse desde una d istancia x grande y hay bolsas de aire en tre la p laca y el pescado. La velocidad de congelación será m uy lenta.

[3.13]

o)

/$ * l \ / t * | i \ u TQ

-33 aC Q, Q 2 Q ’ -3 3 °C

Refrigerante

bl

FIGURA 3 .1 5 . C onge lac ión sobre placas: a) producto ente

ro sobre la placa, b] producto en rajas presionado sobre

ia placa.

La situación pu ed e cam biar si se congela el bon ito partiéndo lo en rajas p rev iam ente y p re sionando las rajas sob re la placa. Se habrá h e cho m ás pequeña la d i s t a n c ia x , ha au m en tado la superfic ie de con tac to del pescado con la placa y han desaparecido las bolsas de a íre de conductividad baja al ap retar las rajas sob re la placa.

La velocidad de congelación habrá aum entado no tab lem en te , po rque se ha aum en tado el coeficiente de transm isión de calor en tre la superficie del alim ento y el foco frío, h , y po rq u e se ha d ism inu ido el espesor del a lim en to , L, con la co rrespond ien te dism inución de 9 en la ecuación de P lanck-E nde.

El concepto m ás utilizado de velhcidad de congelación viene expresado en la ecuación

V = * ! ^ f - [3.14]6

donde tj significa la tem p era tu ra inicial del alim ento , ¡y la tem p era tu ra final de congelación y 0 el tiem po que se ta rd a en que el cen tro térm ico de a lim ento pase de la prim era a la segunda. Se suele exp resar en g rados p o r m in u to (ÜC m in-1). R elac ionando esta velocidad con la ra-

pidez o lentitud de la operación podría en principio anotarse que valores de la velocidad superiores a 5 °C min-1 suponen una congelación rápida, valores inferiores a 1 °C min-1 una congelación lenta y entre ambos valores se dan situaciones intermedias, siendo todas aprovechables según los alimentos y los fines de la congelación, tanto técnicos como económicos.

Otros libros se refieren a la velocidad con que avanza el frente de congelación y lo expresan en centímetros por hora (cm Ir1).

Ejemplo 3.5. Cálculo de la carga de congelación y aplicación de la ecuación de Planck.

Una carne de vacuno cortada en bloques de 30 cm x 10 cm x 10 cm se congela desde +10 °C hasta -18 °C en un congelador de aire forzado a -25 °C. Calcúlese:

a) La variación de entalpia música del vacuno durante la congelación.

b) El tiempo de duración de la congelación.c) ¿Cuál debe ser la potencia frigorífica mí

nima del congelador para tratar 1 1 de vacuno, de modo que la velocidad de congelación no se vea limitada por dicha potencia frigorífica?

d) ¿Qué capacidad de producción por día tendrá la instalación?

Datos

Calor latente de fusión del agua: A. =■ 335 IcJ kg-1.

Calor específico del agua: Ct = 4,18 kJ (kg °C)-‘,

Calor específico del liieto: Ch = 0.5 CB.Calor específico de la materia seca: Ct = 0,3

Humedad: W = 74% (b.h.).Proporción de agua congelada a -18 °C: y =

95%.Temperatura .inicio congelación: tc = -1 UC.Coeficiente de convección, del aire: h = 30 W

tar1 eC_1,Conductividad del vacuno congelado: k =

1,55 Wm1'1 "C-1,

Peso específico del vacuno congelado: p - 1000 kg m-3.

Ecuación de Planck para un alimento en forma de placa:

Solución

a) Variación de entalpia o carga de congelación (Ac) y calores específicos del producto descongelado (C+) y congelado (Cp )

Jc =C -M 10-(-l)] + (y-W-an) ++ c ~ • [-1 - (-1S)]

C ' = 4,18 • [0,74 + 0,3 • (1 - 0,74)| =- 3,42 kJíkgXJr1

C - = 4,18 ■ [(1 - 0,95) - 0,74 + (0,5 • 0,95 0,74) + 03 ■ (1-0.74)] = 1.95 kJ^gX)-*

Xc - (3,42-11) + (035 0,74-335)♦ +(1,95 • 17) = 306 Id kg'1

b)t = {(1.000 306 - 10¡*)/[(-1 - (-25)]] •

{[0,1 / (2 • 30)) + [0,12/ (8 • 135)]} =31.702sr = 8£ h

c)q = (m- Xc)it = (1.000 - 306,8^31.702=

- 9,68 kW

d)m = (1 1 ■ 24 h día_1)/S,8 h = 2,7 ídiV1

3.7. Descongelación

El proceso de descongelación no es exactamente el inverso del proceso de congelación debido a las diferentes propiedades físicas del hielo y el agua: la conductividad térmica del hielo es aproximadamente cuatro veces mayor que la del agua, la difusividad térmica ocho veces mayor y el calor específico la mitad.

En la congelación, la capa ele hielo crece desde el exterior del alimento hacia el centro

té rm ico y a m ed id a que se v a h ac ien d o m ás gruesa la velocidad de transm isión d e calor aum enta. Por el contrario , en la descongelación la capa de hielo se va fundiendo desde el exterior hacia dentro , y a m ed ida que va creciendo el grosor de la capa de agua la velocidad de transmisión de calor se reduce. P o r ello, a igualdad de salto térmico la descongelación es m ás lenta.

E n la figura 3.16 se ha rep resen tad o la variación de la tem peratura del cen tro térm ico en un proceso típico de descongelación con aporte de calor desde un foco calien te convencional. En una prim era fase sube la tem p era tu ra hasta, un valor cercano al pun to de congelación en un tiem po re la tivam en te corto d eb id o a que la transferencia de calor se hace a través de la entera capa congelada. A l fu n d irse e l hielo la transm isión de calor se ralentiza, y el alim ento se m antiene duran te un tiem po prolongado en esa tem peratura próxim a al p.c., h a s ta que finalm ente alcanza la tem pera tu ra am biente.

En la fase BC, con tem pera tu ras en tre -5 y -3 UC pueden aparecer efectos de degradaciones m icrobiana o quím ica, tan to en la descongelación dom éstica como en la industrial. Tam bién, en el caso de que la congelación hubiera sido lenta o se hubiese dado lugar a recristalización con ro tu ra celular, en esta fase aparece un exudado form ado de líquidos celulares, que contiene nutrientes y agua no reabso rb ida en la

a

FIGURA 3 .1 6 , Variación de la temperatura en la descongelación: ¡: Curva de congelación, II: curva de desconge

lación.

descongelación p o r la histéresis y pérd ida de perm eab ilidad de las m em branas celulares aunque no se hayan roto.

E n la descongelación a escala industrial los productos congelados no se llevan a descongelación com pleta en aquellas ocasiones en que sólo se persigue p repararlos para operaciones comerciales subsiguientes. E ntonces se hace un atem perado , que es una descongelación hasta que el p roducto se ablanda y se puede cortar o trocear con los equipos apropiados, lo cual se puede hacer aunque todavía haya h ielo en el congelado, por ejem plo en un punto A',

E n la descongelación no se pueden utilizar focos calien tes con tem p era tu ras muy altas pues, aunque se favorecería el salto térm ico, los alim entos podrían precocinarse.

Este inconveniente existe tam bién en el empleo de los m icroondas para estos fines, porque el hielo es prácticam ente tran sparen te a la r a diación electrom agnética de baja frecuencia, y si se funde es po r la acción del calo r que generan las m icroondas en el m aterial no congelado, que se tran sm ite al hielo. E l m a te ria l no congelado puede sobrecalentarse y para evitarlo la descongelación con m icroondas se hace con descargas in term itentes en la banda de frecuencia más baja del aparato.

C ualquier sistem a de descongelación deberá ev ita r sobrecalen tam ien tos, p rccocinado y deshidratación. R especto a la velocidad de descongelación debe a ten d e rse a la ca lidad del producto congelado. C uando es un ultraconge- lado conviene u n a descongelación ráp id a y cuando es un congelado norm al una descongelación más lenta, que perm ita una cierta absorción del agua citoplasm ática perdida para restau rar parcialm ente la textura,

3.8. Métodos e instalaciones de congelación

Las instalaciones de producción de frío m ecánico se fueron desarrollando en paralelo con el despegue industrial de la p rim era m itad del

siglo XIX. Hacia 1860 comienza a comercializarse la congelación como un método de conservación de alimentos y en 1890 existió un comercio importante de venta de carne congelada en Europa, que era traída en barcos frigoríficos desde Sudamérica y Australia. A principios del siglo XX se sumaron el pescado y la mantequilla.

Fue en Estados Unidos donde se introdujo la noción de cadena del frío en 1928, y donde por primera vez se utilizaron métodos comerciales de congelación rápida, primero con frío mecánico en lechos fluidizados e inmediatamente con frío criogénico.

Las instalaciones de congelación de alimentos se clasifican o agrupan según el método de contacto del alimento con el foco frío:

1. Métodos de contacto del producto (envasado o sin envasar) con la superficie del evaporador de 1.a m áq u in a frigorífica. La superficie actúa de foco frío. El re f r ig e ran te circula por el interior de placas huecas, circuitos impresos o serpentines que constituyen ci evaporador de la máquina frigorífica, sobre los cuales se colocan los alimentos y la transmisión del calor se hace a través de las paredes de la placa, circuitos o tubos. Se conocen también como métodos de contacto indirecto.

2 Métodos de contacto directo del producto (envasado o sin envasar) con aire que se ha enfriado previamente por contacto con el evaporador de una máquina frigorífica. El aire actúa de foco frío y se recircula a través del evaporador.

3. M étodos de inmersión. Éstos pueden ser en mezclas frigoríficas (enfriadas por frío mecánico) o en gases licuados (frío criogénico), que actúan de foco frío y entran en contacto directo con el producto. Las mezclas frigoríficas líquidas se mantienen fr ía s por recirculación a través del evaporador de una máquina frigorífica.

En el cuadro 3.4 se expone una clasificación general de los métodos de congelación. A la hora de decidirse por alguna de las opciones plausibles habrá que tener en cuenta el tipo de alimento, la calidad requerida, la producción horaria, la operación continua o por cargas y el coste final del producto congelado. También hay que considerar la congelación del producto antes o después de ser envasado.

CUADRO 3.4 Métodos de congelación

Congelador de una placa Congelador de dos placas Congelador con dos placas

a presión Congelador de escarcha Túnel de congelación

de superficies

M étodo de cómoras:• convección natural• convección forzada Método de túnel Método de cinta sinfín Métodos de lechos Fluidizados

En gases licuodos En mezclas frigoríficas

Conviene recordar que la transmisión de calor desde el alimento hasta llegar a temperaturas de congelación tiene lugar generalm ente mediante la ecuación general [3.2], En esta situación, para llegar a un producto ultraconge- lado es necesario que la cantidad de calor que se transfiere por unidad de tiempo (<7 ) tenga valores elevados para alcanzar velocidades de congelación de cinco grados por minuto como mínimo, por lo que al menos dos de .los tres factores del segundo termino de la ecuación [3.2j deben ser especialmente favorables, bien el coeficiente global de transmisión de calor (U) y la superficie específica (A), bien U y el salto térmico (tc - rj, o bien A y (tc — t¡). Un objetivo tecnológico de la ingeniería alimenta

Con tocto con superficie Frió

Contacto directo con oiré frío

Inmersión

ria en este tem a es concebir sistemas con estas características.

So lam ente conducen a p roductos u ltracoa- gelados los m étodos de congelación con lechos fluidizados, con gases licuados (líquidos criogénicos) o alguna v a rian te de los m étodos de cinta sinfín en casos especiales.

3.8. J . Métodos de contacto con superficie fría

A ) Congeladores de placas

Se basa en e l s is tem a descrito d e n tro del apartado 3.6 y que se ilustra en la figura 3.15. El m ás utilizado es el de dos placas a presión. Las placas van alo jadas en un arm ario y el Huido refrigeran te fluye en para le lo y p o r el interior de ías placas. E l con jun to de placas constituye e l ev apo rado r de la m áquina frigorífica.

L as p lacas se p re s io n a n sob re el p roducto para m ejo ra r el con tac to m ed ian te un tornillo accionado m ecán icam ente o un ém bolo. Unos espaciadores ajustab lcs lim itan la p resión al va

lo r requerido según el producto . E n la figura3.17 se da un esquem a del aparato .

E l congelador de placas de la figura trab a ja ría en form a discontinua. La carga y descarga del p roducto se hace por unas puertas que tie ne e l arm ario en su parte de lan tera . La congelac ión es len ta y pu ed e ta rd a r h o ras , d e p e n d iendo del espeso r y na tu ra leza del producto . L as p lacas p u e d e n d isponerse en sen tid o horizon ta l o vertical. E stos congeladores se em plean usualm ente para productos envasados en cajas rectangulares.

B ) Congelador de escarcha

Se utilizan p a ra la congelación de alim entos líquidos, po r e jem plo en la p reparac ión de helados. G e n e ra lm e n te el p ro d u c to se congela h a s ta que ad q u ie re una consis tenc ia p asto sa pe ro que aún perm ite un tran sp o rte po r bom beo. E n el caso de los helados el p ro d u c to pastoso se mezcla con aire durante el tran spo rte y se lleva a una cám ara frigorífica de alm acena-

FIGURA3.17. C onge lador de placas: 1: m áquina Frigorífica, 2: conducciones del flu ido refrigerante, 3: p lacas huecas,

4: paquete; de producto, 5 : mecanismo de presión, ó: espaciadores, 7: carcasa provista de aislam iento ca lorífico.

miento o a un congelador de túnel donde se llega a la congelación necesaria para su endurecimiento.

En la figura 3.18 se representa un esquema de un evaporador de escarcha. La congelación tiene lugar en contacto con la superficie interna del cilindro exterior hueco por el que circula el refrigerante, constituyendo el evaporador de la máquina frigorífica. El congelado va aumentando de espesor hasta que es barrido por las cuchillas rascadores que lo conducen a la salida del producto congelado. El proceso de congelación es lento y el rotor gira a pocas revoluciones por minuto.

C) Túnel de congelación de superficies

Es un congelador en el que se usa 1.a técnica de congelación por contacto directo con lina superficie fría.

El producto, blando, húmedo o pogajoso se transporta sobre una delgada película que circula continuamente en contacto sobre una placa hueca fija por cuyo interior circula un refrigerante a -40 °C en circuito cerrado. La película circulante alcanza una temperatura muy baja que congela rápidamente la base del producto, consolidándose así su forma y reduciendo a cero la pérdida de humedad por goleo. En este túnel de congelación, patentado por FRTGOSCAN- DIA, se congela la base del producto basta una

profundidad de 1 rom en 1 inmuto. El producto conformado con la base endurecida conserva la forma y puede pasar a una segunda etapa para la congelación total en un congelador convencional con cinta de malla metálica sin ningún riesgo de marca o deformación por adherencia. Se construyen en módulos de 3 m de longitud y anchura variable con capacidades de congelación superficial desde 50 a 2.500 kg h l.

3.8,2. Métodos de contado directo con oiré frío

La congelación por contacto con aire frío se practicó desde el principio de la introducción industrial de la congelación en la conservación de los alimentos. En este método se encuadran las cámaras de congelación, los túneles, los sistemas de cinta sinfín y los lechos fluidizados. Todas estas instalaciones trabajan generalmente en forma continua.

A) Cámaras de congelación

El representante genuino de convección natural son las cámaras de congelación, que consisten en un recinto construido y equipado para evitar la entrada de calor del exterior. Las paredes interiores están protegidas con aislante que se coloca entre el material estructural y el recubrimiento interior de la cámara, que suele

FIGURA 3.18. Congelador de escorcha: 1: rotor, 2: cuchilla rascadora, 3: camisa de refrigerante, 4: entrado de producto líquido, 5: salido del producto congelado, 6: entrada del refrigerante, 7: salida del refrigerante.

ser u n a lám ina co n tinua de m ateria l fácilm ente descontam inablc, com o los esm altados, e l acero in o x id ab le o a lgunos p lá s tico s ríg id o s. E l suelo debe tam bién se r aislado y la p u e rta tien e que ten e r cierre herm ético (figura 3.19).

E n el in te rio r de la cám ara debe ir el evapo- rad o r de una m áquina frigorífica (M F). L a con vección natu ral de l aire estab lece u n a co rrien te tran spo rtando el calor del a lim ento al evaporador, com o se señala en la figura 3.1.9 m ed ian te flechas.

E l m é to d o de co n g e la c ió n en cám aras de convección natu ra l es el m ás antiguo en la congelación industrial y ya se u tilizaba en 1860. E l valor de V en la convección n a tu ra l es muy bajo y tam bién lo es el salto té rm ico que puede o frece r este tipo de in s ta lac iones, q u e suelen o p e ra r a tem pera tu ras en tre -2 0 y -3 0 "C. E n consecuencia , la ve loc idad de co n g e lac ió n es len ta y se favorece la form ación de m ono cristales, con ia consiguiente perd ida de calidad del producto . A sí y to do , todavía se usan en la actu a lid ad p a ra cana les de v acuno , a u n q u e los tiem pos de congelación son m uy largos, del o rden cíe 1 - 2 días.

Si se instala un sistem a de circu lación de a ire en el in terio r de la cám ara, corno pu ed e ser

u n v en tilad o r c o n v en ie n tem en te d irig ido , el e fec to de convección fo rzad a d ism inuye el tiem p o d e congelación , p asando la ve locidad de len ta a in term edia.

Se puede concluir que las cám aras de con gelación no son b uenos co n g e lad o res p o r su baja velocidad de congelación pero son útiles com o cám aras frigoríficas p a ra a lm acen ar los p roductos prev iam en te congelados p o r técnicas m odernas, ya q u e su tem p e ra tu ra de trab a jo está en tre -2 0 y -30 °C.

B ) Túneles de congelación

Los túneles de congelación com ienzan a instalarse en la industria a lim entaria a lred ed o r de 1950, cuando em pezó a Lomar cu e rp o el con cep to de la cadena del frío.

R esp o n d en a los d iseños básicos re p re se n tad o s en la figu ra 3.20 o com binaciones de los m ism os. E l a ire incide so b re los a lim en to s a tem p e ra tu ra s p o r d eba jo de -3 0 ÜC y ve lo c idades de hasta 600 m p o r m inu to y seg ú n un s is tem a de o perac ión en c o m e n te s cruzadas. A esta ve locidad del a ire d ism inuye la cap a o pelícu la de convección, con lo que a u m e n ta el

Figura 3 .19. Cámara de congelación: 1: recubrimiento interno, 2: aislante, 3: material estructural, 4: solera, 5: acceso de cierre hermético, á: evaporador de la máquina Frigorífica, 7: ¡aula móvil para colocar los alimentos.

FIGURA 3,20. Sección vertical de túneles de congelación: I: Flujo descendente, una fila de corrillos. II: Flujo ascendente, dos filas de corrillos: 1. carrillos con bandejas. 2. evaporcdor de lo máquina frigorífica. 3.ventilador. 4. bastidor para el

retomo del aire.

coeficiente superficial de transmisión de calor, U.

Varios evaporadores y ventiladores ubicados a lo largo del túnel mantienen las condiciones de operación en cualquier sector del mismo (figura 3.21).

Trabajan en operación continua. Los carrillos entran por un extremo del túnel portando el producto y salen por el otro extrem o con el producto congelado y a la tem peratura de almacenamiento. Los carrillos llevan bandejas co.n la base de rejilla metálica donde se colocan los productos de forma que la separación entre bandejas permita la circulación del aire. Cuando los carrillos salen con el producto congelado se descargan y vuelven a llevarse a la zona de

carga. Tanto una como otra son manuales pero se pueden hacer automáticas cuando interesa que la instalación opere en línea con toda la cadena de producción. E l aire frío por contacto con la superficie del evaporador pasa a través de las bandejas, disminuyendo la temperatura del producto y calentándose él y es dirigido a! evaporador donde se enfría nuevam ente, repitiéndose la operación durante Lodo e l proceso. Conviene que la carga de las bandejas no deje huecos que sean caminos p referen tes para el aire.

Cuando los alimentos no están envasados pueden experimentar una pequeña pérdida de peso por deshidratacíún en el contacto con el aire frío y seco que, al aumentar su lemperatu-

ra a costa de l alim ento , tien e una m ayor capacidad de hum idificarse. E l aire cede e s ta agua en el ev ap o rad o r al enfriarse nuevam ente y se va fo rm ando una capa de n ieve o de escarcha sobre la superfic ie deí ev ap o rad o r que disminuye e l coefic ien te superfic ia l de transm isión de calor, re s tan d o po tencia frigorífica a la instalación. Para evitarlo , los m odernos túneles de congelación e s tá n do tados de un sistem a que desprende la capa de n ieve cuando es necesario p o r p royección del aire seco a 30 °C sobre la superfic ie del ev ap o rad o r. La n ieve cae al suelo dc.1 recep tácu lo , de d o n d e se re tira . Esta operación se llam a desescarche. Tam bién se ha usado el rociado de un an ticongelan te sobre los evaporadores, q u e es recogido sobre una bandeja q u e se v ac ía au to m áticam en te p e ro este p roced im ien to p u ed e in troducir olores y sabores en los p roducto s sin envasar.

El sistem a es m uy flexible y se puede utilizar p a ra congelar una am plia gam a de alim entos de o rigen vegeta l o an im al, envasados en pequeños p aq u e te s o en g randes cajas de cartón y tam bién sin envasar, en teros o en forma troceada o reb an ad a . Incluso se pueden congelar canales de vacuno, y en tonces se sustituyen los carrillo s p o r un m o norra íi en el techo del que se suspenden ganchos.

L a capacidad de p roducción de estas instalac iones es variab le , p u d ien d o llegar a varias to n e la d a s de p ro d u c to /h o ra . E n la ecuación[3.2] el valor de O es m ayor que en las cám aras y e l salto térm ico tam bién pe ro la velocidad de co n g e lac ió n d ep en d e m ucho de la superfic ie específica. A título de ejem plo para p roductos com o filetes de carne o pescado sobre bandejas el tiem p o de congelación es de 2 ho ras , p ara canales de vacuno p u ed e alcanzar 2 días o más, y p a ra gu isan tes a g rane l (con aire a 500 m /m ín) se reduce a 20 min. L a velocidad de p a so de los carrillo s es regu lab le , d ep en d ie n d o del tiem po de congelación del p roducto ,

C) Túneles de congelación de cinta sinfín

Son una m odalidad de los túneles de congelac ió n descrito s a n te r io rm e n te en los que en vez de utilizarse carrillos se utilizan cintas sinfín de rejillas m etálicas. A fio de ev itar una excesiva longitud de los túneles se utilizan d iseños que perm iten que la instalación tenga una ocupación superficial pequeña en la p lan ta de fabricación. Los m odelos m ás utilizados son los de bandas superpuestas y los congeladores en espiral.

Figura 3.21. Túnel de congelador (cortesía de FRIGOSCAND1A)

FIGURA 3 .2 2 . Túneles de congelación de cinta sinfín. I: Sección longitudinal. II: Sección transversal.

D ) Túneles de congelación de bandassuperpuestas

E n la figura 3.22 se p resen tan las secciones longitud inal y transversal de un túnel de congelación de este tipo.

E l aire a tem peraturas inferiores a -30 °C y gran velocidad incide en corrientes cruzadas sobre la banda superior y consigue form ar una p rim era capa de congelación que p ro tege al p ro ducto d e la desh idratación en las bandas inferiores, donde el aire llega a tem peraturas superiores y con más capacidad de deshidratación por ende. Conviene recordar que la producción de canales preferentes para el paso del aire puede agudizarse en estos m odelos d onde el aire atraviesa m enos capas que en el caso de los carrillos con bandejas múltiples. Para evitarlo conviene distribuir la carga de forma hom ogénea y cubriendo el máximo porcentaje de rejilla de las cintas. Tam bién puede ayudar un flujo parcial de aire la teral como en el diseño de la figura 3.23.

L a velocidad de las bandas puede regularse de form a independiente. G eneralm ente la b an da inferior se mueve más lentam ente que las dos superiores, acum ulando una m ayor cantidad de producto , una vez que éste se ha conform ado y en du rec ido en las o tras bandas. E s to perm ite m ayor producción horaria con m ejor calidad del producto.

A l f in a l del reco rrid o de las bandas se su e len co lo ca r d ispositivos p a ra am o rtig u a r la

ca íd a lib re del p roduc to de una banda a la in fe r io r y así ev itar que el p ro d u c to p u e d a d a ña rse .

L o d icho para la velocidad de congelación en túneles con carrillos sirve tam bién p a ra los de bandas superpuestas y d ep en d e m ucho del tam añ o y espesor del p roducto a congelar y de la velocidad del aire, que dism inuye la capa de convección aum entando el coeficiente superfic ia l de tran sm isión de calor. B u scan d o este e fec to en algunos diseños se ha conducido el a ire po r toberas que lanzan el aire sobre el alim en to d irectam ente desde encim a y debajo la b an d a , lo cual disminuye el tiem po de congelac ió n p e ro in troduce una cierta com plicación m ecánica.

Figura 3 .2 3 . Túnel de congelación de cinta sinfín

con flujo lateral de aire.

E ) Túnel de congelación de cinta sinfín en espiral

Se tra ta de un m odelo de túne l de congelación de c in ta sinfín que tiene m enos ocupación en p lan ta q u e cualqu ier o tro túne l de congelación de igual capacidad.

El hecho d iferencia l es que la c in ta se apila en ro llán d o se sobre sí m ism a en e sp ira l com o se m uestra en el esq u em a de la figura 3.24. E n los p rim eros m odelos el cu erp o cen tra l, c ilindrico, n eces itab a guías y ra íles com o so p o rte de las esp iras, pe ro ac tu a lm en te el so p o rte ha sido su s titu ido po r el em pleo de c in ta au toap i- lable.

E l cuerpo central tiene dos com ponentes: el sistem a de accionam ien to y tracc ión y el con ju n to de espiras fo rm ado po r la cinta sinfín au- toapilable.

E i sistem a trac to r es circu lar y está situado en la base del cuerpo cen tral. E stá fo rm ado por una cadena q u e se desliza sob re un sopo rte de bolas de acero, accionada por ü iia iu e d a den tada acoplada a un m o to r de baja tensión.

La cinta es de m alla de acero inox idab le y lleva barandillas en sus dos lados. Ed ancho ele

la c in ta y la a ltu ra de las barandillas perm ite congelar cualqu ier tipo de producto y condiciona la capacidad m áxim a de producción.

E n cada m om ento , una sección de la c in ta llega a la base del cu erp o central, y sube tem pora lm en te a la cadena del sistem a trac to r que la em puja y la eleva de form a que se va ju n ta n do a la espira superio r po r contacto del b o rd e de sus b a ran d illa s con la base de la su p e r io r donde hay un p equeño resalte. El em puje del sistem a trac to r a la cinta que va en trando p ro duce el m ovim iento circu lar del cuerpo central de form a com pacta, sin que las espiras que van ascend iendo se m uevan unas respecto a otras b asta que llega a la p a r te su p e rio r y la cin ta ab an d o n a el cu erp o cen tra l p o rtan d o el p ro ducto congelado . F in a lm en te la cinta re to rn a hacía la en trad a cerrando el lazo.

Las barandillas la tera les y la m alla de la base de la c in ta se co n stru y en de form a q u e se ajustan al trazado del recorrido sin p e rd e r con tinuidad, curvándose p a ra form ar el espiral.

A l acoplarse la cinta con la espira superio r se delim ita u n a zona de congelación, de sección rectangular, cerrada y libre de atascos, q u e sólo

Fig u r a 3 .2 4 . Esquema de túnel de conge lac ión de cinta sinfín en espiral: 1 : cinta con barand illa , 2: cuerpo central (espi

ras), 3 : sistema tractor, 4 : evaporador, 5 : ventilador, ó: bastidor d irector del a ire , 7 : tensor de la cin ta , 8: desescarche

neumático autom ático, 9 : entrada del producto, 1 0: producto conge lado.

deja pasar el aire frío a través de rejillas y barandillas.

E l aire circula en contracorriente respecto al movimiento ascendente del cuerpo central y en corrientes cruzadas respecto al movimiento circular de la espira, consiguiéndose una turbulencia que aumenta U, disminuyendo el tiempo de congelación respecto a o tros equipos de congelación. Esto acelera también la formación de una primera capa de congelación al entrar el alimento que lo protege de la deshidratación, con lo que las pérdidas de hum edad son mínimas. Se construyen de diversos tamaños y capacidades. En el cuadro 3.5 se incluyen características de un modelo de gran capacidad de producción patentado por FRIOO S CANDIA.

Los túneles de congelación en espiral, como el que se m uestra en la figura 3.25, son muy versátiles respecto a los productos a congelar, pudiendo utilizarse para alimentos muy diversos, de los que son ejemplos verduras, frutas, filetes de pescadn, gambas, chipirones, ham burguesas, albóndigas fritas, pollo (filetes, pechugas muslos, frescos o cocinados), pan y bollería sin hornear comidas preparadas, de todo

tipo, alim entos envasados a vacío y agua en bolsas de plástico. A título com parativo, se pueden congelar hamburguesas en 12-15 min.

CUADRO 3.5 .Características de un túnel de congelación de cinta sinfín

en espiral

Anchura de la cinta 1.000 mmSuperficie útil por espira 15,5 m5Altura de la barandilla 80-220 mmVelocidad de la cinto:— alta 3,5-30 m min-1— baja 2,0-20 m min-1Número máximo de espiras:— de 80 mm 40— de 220 mm 25Altura máxima 7,7 mOcupación en planta <7A m1Capacidad de producción máxima 8 th - '

Fuente; Datos de PRIGOSCANDIA: Girccompact M I 06.

C) Túnel de congelación de lecho fluidizado

Es un m étodo de contacto con aire en que éste entra por la cara inferior de la cinta sinfín

Figura 3 .2 5 . M o d e lo avan za d o de túnel de congelación de cinta sinfín en espiral (cortesía de FRIGOSCANDIA).

con suficiente velocidad para suspender los alimentos y hacerlos flo tar form ando un lecho íluidizado en tre 10 y 20 cm de espesor que avanza en la dirección de la cinta.

Los lechos fluidízados se caracterizan por su gran turbulencia, que perm ite ob tener coeficientes superficiales de transm isión de calor muy elevados, lo cual se traduce en una velocidad de congelación mayor. Además, se pone en juego toda la superficie del alimento, puesto que éste se separa del conjunto y flota individualmente en el aire, que le hace subir, bajar y tropezar continuam ente con ¡os elementos vecinos. Por eso se ha bautizado a esta técnica como IQ F (Individual Q uick Freezíng) y es el procedimiento más rápido de congelar después de los congeladores criogénicos.

La velocidad de congelación es muy rápida {U y A elevados) y depende del tipo de producto. Para congelar guisantes bastan 3 min.

La velocidad del aire tiene que ser suficiente para m antener el alimento en suspensión y depende de la densidad de éste, el tamaño y la forma. Suele estar alrededor de los 300-400 m min-1. De las características del sistema se deduce que se debe utilizar con alimentos de pequeño tam año o troceados, com o guisantes, maíz, coles de Bruselas, judías verdes, fresas, granos de arroz cocidos, gambas y componentes para las menestras, etc.

En la figura 3.26 se incluye un esquema de un túnel de congelación de lecho íluidizado que responde básicamente a un modelo avanzado de FRIGO SCA N DIA . Se construyen con capacidades entre 3.000 y 12.000 kg h-1.

La cinta está dividida en dos zonas. El alim ento pasa de la primera a la segunda zona cayendo librem ente para im pedir el apelm azamiento de los productos húmedos o pegajosos. Para impedir este posible apelmazamiento en

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FtGURA 3.26. Esquema de un túne! de congelación de lecho íluidizado (basado en e! FLOFREZEM IQF Freezer de FR1- GOSCANDIA). I: Sección longitudinal. II: Sección transversal: 1. cinta, 2. ventilador, 3. evaporador, 4. panel divisor pa

ra conducir el flujo de aire, 5. compuerta.

el caso de los granos de arroz cocidos se ponen en accionamiento pulsadores especiales. Una compuerta situada al final de la primera zona regula el tiempo de residencia, que es distinto según los alimentos. La altura de los laterales de la cinta evita la caída del producto.

En modelos anteriores la circulación del aire era independiente en las dos zonas de congelación. En el modelo del esquema la circulación es interactiva. El caudal de aire de la zona de congelación inicial se dirige hacia la zona final más fría, creando una turbulencia que acelera la transferencia de calor y asegura una rápida y suave congelación de la superficie desde el comienzo de la operación de congelación.

La congelación superficial conseguida por este flujo de aire aísla rápidamente la superficie del producto antes de la congelación final, preservando peso y apariencia del producto y aportando mayor calidad, ya que se impide la posible deshidratación (<1%).

Está provisto de un descscarclvador neumático automático. Toda la operación está informatizada en un panel desde donde se seleccionan las variables adecuadas al tratamiento de cada producto.

3.8 .3 . Métodos por inmersión

A ) Túneles de congelación criogénicos

El nitrógeno (N,) líquido y el anhídrido carbónico (C 0 2) tienen puntos de ebullición muy bajos como puede apreciarse en el cuadro 3.2. Por esta razón se ha pensado en utilizarlos como líquidos refrigerantes, que proporcionan un foco frío de temperatura muy baja, inferior a la de los freones. Además, sus calores latentes de ebullición son altos, son inodoros, insípidos y químicamente inertes y su disponibilidad y distribución industrial está asegurada a precios razonables, por lo que son aceptables para un método de congelación por contacto directo.

El contacto puede ser por rociado del gas licuado sobre el producto o por inmersión total

del producto en el líquido. En la figura 3.27 se presenta un diseño común de túnel de congelación criogénico de N , líquido. El nitrógeno líquido procedente de un tanque de almacenamiento o de una batería de botellas se rocía sobre el producto, que entra en el túnel transportado por una cinta de malla. En el contacto con el producto hierve a -196 °C tomando el calor latente necesario del alimento que se congela a una gran velocidad, y convirtiéndose en nitrógeno gas a -196 °C, que constituye un foco frío excelente para seguir robando calor al alimento de acuerdo con la fórmula general [3.2].

Aproximadamente un 50% de la capacidad cougeladora del nitrógeno líquido viene de su ebullición en contacto con el producto y el resto viene del calor sensible potencialmente en juego en el paso de N, gas a -196 “C a N2 gas a temperatura ambiente. Por esa razón el N, gas se rccircula sobre el alimento en la zona de entrada, donde sube su temperatura a costa de disminuir la del alimento, que se enfría y es así, preenfriado, como pasa a la zona de congelación. El N2 gas a temperaturas ya más cercanas a las del medio ambiente se vehicula a la atmósfera ya que no se recupera.

La recirculación del N2 gas se hace mediante un ventilador que lo proyecta encima del alimento a gran velocidad, con lo que se aumenta el valor del coeficiente superficial en esa zona del túnel criogénico.

Una parte del nitrógeno líquido rociado resbala a una bandeja desde donde se rccircula nuevamente a los rociadores.

El alimento llega a la zona de congelación enfriado a temperaturas cercanas a la de congelación pero, a pesar de ello, en el contacto con el nitrógeno líquido puede experimentar un choque térmico, capaz de producir tensiones internas derivadas de contracciones o expansiones rápidas y desiguales en los alimentos con distribución zonal muy heterogénea, pu- díendo llegarse a cuartear.

Antes de su salida el producto recorre una última zona donde se equilibra en parte la diferencia de temperaturas entre la capa exter

Figma 3.27. Túnel de congelación de nitrógeno líquido: 1 entrada del producto, 2: rociador de N? líquido, 3: recirculación de N2 líquido, 4: recirculadón de N j gas, 5 : solida del producto congelado, ó: depósito de N2 líquido, 7: chime

nea de salido do N2 gas.

na y el interior del alimento. La velocidad de la cinta sinfín puede regularse asegurando que la temperatura de salida sea siempre la misma independientemente de la temperatura de entrada. La capacidad de producción llega hasta los 3.000 kg h'1. La velocidad de congelación es i a más alta que puede lograrse, superando los 10 flC min-1, por lo que es uno de los métodos que produce ultracongelados. Esto se debe a que el cambio de estado del nitrógeno líquido a gas produce una turbulencia que disminuye considerablemente la película o capa de convección y los valores de U alcanzan un valor excepcional, y además el salto térmico es unas 4 veces superior al que se consigue con el frío mecánico. Conviene recordar lo que se indicó en el apartado 3.8 respecto a la ecuación general [3.2]. En este caso O y (tc-ty son altamente favorables y se pueden obtener productos 1QF de la mejor calidad, en especial cuando la relación superficie-volumen es grande. Por ejemplo, se pueden congelar hamburguesas en 3 min.

La capacidad de humidificarse del nitrógeno líquido es menor que la del aire. Las perdidas de peso del producto por deshidratación son menores que en los sistemas de contacto directo con aire frío. Algunos autores las señalan como del 0,5%.

Respecto a los costes, las instalaciones son más sencillas, necesitan ¡menos inversión y son

de menor consumo energético que las de frío mecánico, pero el refrigerante no se recupera, y esto tiene influencia negativa. En la figura 3.28 se comparan los costes de congelación para instalaciones de frío mecánico y criogénico de la misma capacidad (3.000 kg Ir1) en función de la ocupación o factor de carga anual. A partir del 20% de ocupación los costes son favorables al frío mecánico. Es obvio que la comparación debe hacerse obteniendo productos de igual calidad.

La inmersión directa en nitrógeno líquido se ha utilizado como etapa inicial de conscrva-

Figura 3.28. Comparación de costes para Frío mecái y criogénico en función de la carga anual (datos de

Mallet, 1993).

ción para algunos productos. Primero se obtiene una congelación rápida de la superficie pasando el producto transportado por una cinta sinfín a través de un depósito de nitrógeno líquido de nivel constante, formándose una corteza de unos milímetros que conforma el producto y lo protege, y se sigue después la operación por métodos de frío mecánico hasta la congelación total.

El nitrógeno gas que se origina se evacúa al exterior. La calidad aum enta, pues en nitrógeno líquido no hay deshidratación y la corteza congelada form ada m itigaría una hipotética deshidratación en Ja operación posterior.

Un sistema de inmersión directa parecido al anterior utiliza freón con buen resultado desde el punto de vista de ía velocidad de congelación. Además el freón se recupera en un 97%, por lo que el coste es menor. Sin embargo, el freón no goza de la falta de sabor y olor del nitrógeno o del anhídrido carbónico y puede comunicárselo a los alimentos, por lo que sólo se recomienda para productos envasados,

El anhídrido carbónico licuado tiene un punto de ebullición de -78 °C a la presión atmosférica, más alto que el del nitrógeno líquido, y esta circunstancia le hace preferible cuando el alim ento es lábil al choque térmico. Cuando el C 0 2 liega a los rociadores un 50% forma una nieve carbónica y el otro 50% pasa a gas. El gas se utiliza para el preenfriamiento y la nieve carbónica que cae sobre el producto lo congela sublimándose. En estos congeladores la zona de congelación debe ser algo más larga porque la nieve carbónica no cambia de estado tan deprisa como el N2 líquido. En la sublimación se pone en juego el 85% de la capacidad congelante total del C 0 7 licuado. El anhídrido carbónico gaseoso tam poco se recupera y es conducido a la chimenea para su liberación a la atmósfera.

Los túneles de congelación criogénicos pueden congelar tanto productos a granel como envasados y pueden acoplarse a otros congeladores como etapa previa. Se utilizan para congelar gambas, langostinos, mariscos en general,

fresas, fram buesas, pasteles, panes, h am burguesas, taquitos de pescado, verduras y otros productos.

B) Túneles de congelación por inmersiónen mezclas frigoríficas

Con el nom bre de mezclas frigoríficas se conocen líquidos como la salmuera (23% de cloruro sódico en agua), propilenglicol, disolución de sacarosa (60% en agua), que tienen un punto de congelación por debajo de 0 °C, la salmuera -21 ÜC, el propilenglicol -45 °C y la disolución de sacarosa -15 °C, y que pueden servir de vehículo de transporte del calor del producto al evaporado: de una máquina frigorífica. El m étodo supera al de placas por el contacto íntimo en tre el producto y la mezcla frigorífica, que favorece la transmisión de calor, y porque mantiene la calidad en alimentos sensibles a la oxidación y a la deshidratación. Salvo el empleo fie la salmuera para congelar pescado y la sacarosa para congelar frutas, no tiene aplicación pata productos a granel por el sabor que comunica, y si los p ro ductos se envasan se pierden parcialm ente las ventajas del sistema respecto a los alim entos sensibles a la congelación con aire frío.

Se construyen modelos variados pero fundam entalm ente consisten en una cinta sinfín que transporta el alimento en contracorriente con la mezcla frigorífica en un depósito longitudinal, como se m uestra en la figura 3.29.

Figura 3.29. Esquema de un túnel de congelación por inmersión en salmuera: I : artesa cerrada con aberturas de entrada y salida, 2: evaporador, 3: salmuera, 4: cinta sinfín,

5: bomba.

Resumen

1. La congelación es una operación de conservación de los alim entos que se basa en reducir su tem peratu ra p o r debajo de -18 “C. A esta tem peratura se inhibe el crecimiento de los m icroorganism os tan to patógenos como alterativos y se anula la velocidad, de las reacciones de pardeo químico (M aillard). La velocidad de las reacciones enzimátícas se reduce pero no se an u la , siendo éste el caso tam bién de los procesos oxidativos.

2. In ternacionalm ente se ha fijado en -18 °C la tem p era tu ra m áxim a de la cadena del frío. Esta es una expresión que com prende la secuencia de instalaciones, vehículos y aparatos, desde la producción del alimento congelado hasta las vitrinas de los centros de venta. La cadena del frío debe asegurar que la temperatura del alim ento no sube por encima de -1.8 °C, pues po d ría dañarse su textura por recristalización.

3. La congelación industria l supone la capacidad de disponer de u n foco frío de tem peratura inferior a -18 °C fácil de ob tener y re- producible. Esto se ha conseguido con el frío mecánico, que se basa en los ciclos termodi- námicos de refrigeración, y con el frío criogénico, que se basa en la utilización de gases licuados.

4. En la producción de frío mecánico el refrigeran te reco rrerá con tinua m ente un circuito cerrado. M ientras el sistema funcione habrá un foco frío estable y perm anente. Si el sistema se para basta ponerlo en m archa para reproducir el foco frío . En la producción de frío criogénico el efecto refrigerante lo proporciona un líquido con tem peratura de ebullición muy baja (el Ni, hierve a -195,8 °C, el CO, a -78,5 °C) que en el contacto con los alimentos cambia al estado de gas.

5. Ln principio, sólo el agua presente en el alimento congela a tem peratura de -18 °C. Todos los conocim ientos químico-físicos y cristalográficos de la congelación del agua son aplicables. La velocidad de congelación condiciona la form ación de microcristaics en el conjunto del tejido alim entario o macrocris- tales en los intersticios celulares. En este segundo caso peligra la in tegridad celular y

cuando el alim ento se descongele no recuperará la textura original.

6. Cuanto más rápida es ía congelación más se asegura la formación de microcristaics y m enor es la pérdida de hum edad. La velocidad de transm isión de calor en tre el foco frío y el alimento se rige globalm ente por fa ecuación q = UAAt. La congelación rápida exige que al menos dos de los factores del segundo m iem bro sean aítos. E l objetivo tecnológico en el diseño y la fabricación de bienes de equipo para la congelación de alimentos es conseguir altos valores de q.

7. P ara calcular una operación de congelación es necesario conocer en prim er lugar la carga de refrigeración, que es la cantidad de calor que hay que rem over del alimento por un idad de tiempo y que nos dará la potencia necesaria de ía m áquina frigorífica y, en segundo lugar el tiem po de congelación. La prim era se determ ina a partir de la cantidad horaria de alim ento a congelar y de alguna de sus características com o contenido en agua, porcentaje de agua que congela, punto de congelación, calores específicos y calor latente del cambio de estado. El tiem po de congelación se puede calcular por la ecuación de Planck-Endc, que da resultados satisfactorios tanto para productos a granel como para envasados.

8. Los aparatos para la congelación evolucionan al ritm o de las nuevas tecnologías y los nuevos m ateriales y sue len tener un elevado grado de tecnificación inform ática. Se pueden clasificar en tres grandes grupos en re lación con e! tipo de contacto entre el alim ento y el foco frío. A sí, h ay congeladores de contacto directo del alim ento con la superficie fría del e vapor ador de la m áquina frigorífica, congeladores de contacto directo con aire frío que hace de fluido in term ediario en el transporte de calor del alim ento al evaporado!' y congeladores de inmersión. Los p rimeros son los congeladores de placas, de escarcha y de túnel de congelación superficial, los segundos son los túneles de congelación, de cinta sinfín, bien en bandas superpuestas o en esp ira l, y de lechos íluidizados, y los terceros corresponden a túneles de congelación criogénicos o a túneles que utilizan finí-

dos distintos a! aire para transpo rta r el calor, tales como la salm uera, soluciones de s a carosa o el prop ilenglico l E n algunos casos de alim entos preparados se em plean com binaciones de dos túneles de congelación en serie, el prim ero para hacer un conform ado superficial y el segundo para congelar toda la masa.

9. H ay que en tender la descongelación como la fase final del proceso congelador. En condiciones equiparables el tiempo requerido en la descongelación es mayor que en la congelación, porque el calor específico del agua que se va form ando en la fusión del hielo es doble que el del hielo y su conductividad es la cuarta parte. La descongelación puede acelerarse utilizando un foco caliente de tem peratura alta, siem pre que no importe, o incluso que se busque, el cocinado del alim ento. T am bién se pueden utilizar los m icroondas en su frecuencia más baja y por impulsos in term itentes. En general, cuando la congelación ha sido rápida conviene una descongelación rápida y cuando ha sido lenta conviene una descongelación lenta. En la industria transform adora se descongela en algunos casos sólo hasta -3 “C (alem perardo),

Problemas propuestos

1, D eterm ine el coeficiente de funcionam iento de un ciclo de refrigeración por compresión que em plea am oníaco en condiciones de saturación. La tem peratura de evaporación es de -10 UC y la de condensación 20 °C.

2. U na cám ara de refrigeración de alim entos precisa 10 toneladas de frío, p ara lo cual la m áquina frigorífica opera con un evaporador a -5 °C y un condensador a 20 UC em pleando am oníaco saturado. Calcúlese:

a) El coeficiente de funcionamiento. h) El flujo másico de refrigerante.c) El flujo de calor retirado por el condensa

dor.

ción) y 30 °C (condensación) un aum ento de 5 "C en el evaporador en relación a la po ten cia de refrigeración, el coeficiente de funcionam iento , el consum o de po tencia po r el com presor y el ca lor elim inado d u ran te la condensación.

4. Se dispone de una unidad de frío que precisa ex traer 140 kJ para que tenga lugar la condensación de 1 kg de fluido refrigerante. La po tencia consum ida po r el com presor, que tiene un rendim iento del 85%, es de 8,05 kW y el coeficiente de funcionam iento vale 5,67. Calcúlese:

a) E l salto entáípicn del refrigerante debido a Ja evaporación.

b) El salto entálpico del refrigerante debido a la compresión.

c) Flujo másico de refrigerante,d) Potencia de refrigeración en kW.e) Carga de refrigeración en toneladas de frío.

5. U n sistem a de refrigeración basado en el freón R-12 opera con un evaporador a -20 °C y un condensador a 40 °C. Las necesidades frigoríficas ascienden a 15 toneladas de frío. Calcúlese:

a) El caudal másico de refrigerante,b) La potencia consumida por el compresor,

el cual presenta un rendim iento del 80%.c) El coeficiente de funcionam iento o efi

ciencia.

Si se modifica el sistema introduciendo en el ciclo una segunda expansión a 400 kPa en tre la salida del condensador y la expansión previa al evaporador, establezca:

d) Los caudales músicos de refrigerante para los dos com presores de este nuevo ciclo.

e) ¿Q ué sistema (el convencional o el m odificado) es más conveniente atendiendo a la potencia consum ida en cada caso, su puesto que todos los compresores tienen el mismo rendim iento?

3. Establezca cómo afecta a un sistema de refrigeración con R-12 que opera a -10 (evapora-

6. Repita los ejemplos 3.1 y 3.2 utilizando amoniaco como refrigerante en lugar del freón R-12.

7. Se congelan fresas mediante un congelador de lecho fluidizado de potencia frigorífica 200 k\V basado en el freón R-12. La humedad de las fresas es del 85% (b.h.), entrando al congelador a 15 °C y saliendo a -25 °C. Las temperaturas de operación del refrigerante durante la evaporación y condensación son, respectivamente, -30 °C y 40 <JC. Ambas unidades operan en condiciones de saturación. Asumiendo, 1) que todo el agua congelase, 2) que las propiedades térmicas de las fresas descongeladas y congeladas coinciden, respectivamente, con las del agua y el hielo y 3) que la temperatura de congelación coincide con la del agua y no varía a lo largo del proceso, calcúlese:

a) La variación de la entalpia música de las fresas durante la congelación.

b) Las condiciones de presión, temperatura y entalpia de las corrientes de entrada-salida a cada una de las unidades del sistema de refrigeración, así como la fracción de vapor a la entrada del e vapor ador. Dibuje un esquema que represente el sistema de refrigeración.

c) El caudal másico de refrigerante que circula por el sistema.

d) La potencia del com presor si su rendimiento es del 85%.

e) El coeficiente de eficacia del sistema de refrigeración.

f ) La capacidad de congelación diaria del congelador.

Datos

— Calor latente de congelación del agua: A. = 80 kcal/kg.

— Calor específico del agua: Cp+ = 1 kcal/(kg°C).

— Calor específico del hielo: Cp" = 0,5 kcal/(kg °C).

8. Se pretende congelar 600 kg/li de carne de vacuno, cuya temperatura es de -18 °C, por inmersión en una sal muera a —21 °C. Ksta tem- pieratura se alcanza mediante un sistema de refrigeración primario, basado en el freón R-12, que opera en el evaporador a -24 nC y en el condensador a 40 °C. Suponiendo que

ambas etapas trabajan en condiciones de saturación, que el sistema de refrigeración se comporta adiabáticamente, que el producto alcanza el equilibrio térmico con la sal muera y que el rendimiento del compresor es del 90%;

a) Dibujar el ciclo de refrigeración sobre el gráfico P-H y un diagrama de bloques con las distintas corrientes y etapas del sistema, así como las condiciones (P,T,H) a la entrada y salida de cada operación.

b) Calcular la potencia de refrigeración.c) Determinar el flujo másico de refrigeran

te, el coeficiente de funcionamiento y la potencia consumida por el compresor,

d) Si quisiéramos reducir en 2/3 la fracción de refrigerante vapor que entra en el evaporador m ediante una segunda expansión, ¿cuáles serían las condiciones (P,T,H) del refrigerante en esta unidad y qué caudales másicos de freón llegarían a los compresores primario y secundario?

Datos

Calor latente de fusión del agua: A. = 80 kcal/kg.CaloT específico del producto descongelado: Cf; = 4,1.8 (0,7W + 0,3) kJ/(kg °C).Calor específico del producto congelado: C ~ = 4,18 (E -f 0,5G + 0,3S) kJ/kg °C), siendo fe el agua sin congelar, G el hielo y S la materia seca.Humedad: W = 75% (b.h.).Proporción de agua congelada a -21 UC: y = 95%.Temperatura inicial de congelación: T ■ = —1 nC.

9. Una cámara frigorífica opera con 0,05 kg/s del refrigerante R-l 34a entre las presiones de 0,12 y 0,7 MPa en evaporador y condensador, respectivamente. Calcular:

a) Los caudales de calor intercambiados en el evaporador y condensador.

b) FA coeficiente de operación del sistema.c) Consumo de energía en el compresor.

Repetir los cálculos suponiendo que el rendimiento en el compresor es del 90%.

4 .1 . R efrigerac ión4.2. Atmósferas protectoras

REFRIGERACIÓN Y ATMÓSFERAS PROTECTORAS

El almacenamiento da los productos frescos has

ta su consumo si éste es ráp ido o hasta su paso

a la etapa de conservación puede hacerse me

d iante re frig e rac ión en cám aras frigo ríficas con

temperaturas entre -1 y 8 °C, cuya técnica general

se ha descrito en el capítu lo 3, Los productos vege

tales se han venido almacenando para retrasar su

maduración en cámaras con atmósfera controlada

donde se mantiene un bajo nivel de oxígeno y etile-

no. Los conocimientos obtenidos en esta técnica se

han transvasado a un moderno método de conser

vación ind iv idua lizada por envasado en atmósferas

protectoras que retrasan el deterioro m icrobiológico

y metabólico de los alimentos. Finalmente, la refri

geración com binada con el envasado en atmósfe

ras protectoras conduce a los mejores resultados.


Cf Energía necesaria para condensar '1 g de agua 21 Pérdidas por transmisión de calor/día en pare= 2,55 kj g-1 des y techo (k.T día-1)

Cp Calor específico del producto (kJ kg-1 °C '!) 2 4 Pérdidas totales por transmisión de calor (kJc p«h Calor específico medio del aire húmedo (k.T día-1)

n r 3 X M) 2 5 Pérdidas de calor operacionales (kJ día-1)C, Calor desprendido en la cámara de refrigera Q r Necesidades energéticas totales de una cámara

ción (kJ t"1 día-1) de refrigeración (kJ día-1)M Masa del alimento (kg) S' Superficie de paredes y techo (rrv2)M, Contenido de producto de la cámara de refri S" Superficie del suelo (m2)

geración (l.) h Temperatura inicial (X )Qi Cantidad de calor a remover en la cámara fri h Temperatura final (°C)

gorífica (k j día-1) At‘ Diferencia de temperaturas exterior-inLerior2 , Calor de respiración y maduración (kJ día-1) (°C)0 , Necesidades energéticas por renovación (kJ . Al" Diferencia de tem peraturas interior-suelo (°C)

día-1) U‘ Coeficiente global de transmisión de calor parao .:■—'s»

Necesidades energéticas por enfriamiento cleí paredes y techo (kJ h-1 m-2 “C"1)aire (kJ d ía 1) U" Coeficiente global de transmisión de calor para

¡23 Necesidades energéticas por variación de la el suelo (kJ h-1 n r 2 °C-1)humedad absoluta del aire (kJ día"1) V Volumen de aire renovado (m3día-i)

2 4 Pérdidas por transmisión de calor/día a través 7 ir Masa de agua a eliminar por volumen de airedel suelo (k j día-1)

5

(g n r 5)

GLOSARIO

acumulador de frío: Sistema en que se almacena en forma de hielo el frío que producen equipos que funcionan de form a continua a potencia baja y

que pueden atender una demanda punta de refrigeración por fusión del hielo acumulado.

alimentos refrigerados: Alimentos frescos perecederos conservados a tem peraturas entre -1 y 8 °C.

atmósfera controlada (MAS): A tm ósfera cuya composición es regulada dentro de ciertos límites durante la operación del almacenamiento y maduración de productos vegetales en cámaras frigoríficas.

atmósfera modificada (MAP): Gas o mezcla de gases, generalmente teniendo una cierta cantidad

de oxígeno, que sustituye al aire en el envasado hermético de un alimento fresco.

atmósfera protectora: Mezcla de gases o condiciones de vacío que constituyen mejores oportunidades que el aire para el mantenimiento de la calidad de los alimentos frescos envasados.

cámaras frigoríficas: Recintos térmicamente aislados en cuyo interior se mantiene una tem peratura entre -20 “C y -30 °C en el caso de congelación y entre -1 y 8 °C en el caso de la refrigeración.

4.1. Refrigeración

Los a lim en tos conge lados (cap ítu lo 3) se conservan y m anipulan a la tem p era tu ra m ínim a establecida in ternacionalm ente , de -1 8 °C, para la cadena del frío. E n lincas generales to da in sta lación de conservac ión de a lim en to s p o r congelación d eb e inc lu ir un s is tem a de congelación p rop iam ente dicho, que debe llevar el a lim en to a -18 GC lo m ás ráp id am en te posib le, y un sistem a de a lm acen am ien to del p roducto congelado que lo m antenga a la tem pera tu ra de referencia de form a constante. E ste alm acenam iento puede pro longarse d u ran te meses, p o r lo q u e hay que d isponer de cám aras frigoríficas adecuadas.

Sin em bargo existen productos que sólo ad m iten tem p era tu ra s de enfriam ien to p o r encim a del punto de congelación, com o es el caso de las fru tas, algunas h o rta liza s , la leche, el queso, algunos em butidos, efe. E l em pleo del frío, aunque sea con esta lim itación, constituye un m edio im portan te de conservación de este tipo de alim entos po r unos días o sem anas.

Se define así la refrigeración com o una operación que se aplica a los alim entos perecederos para prolongar el tiem po que perm anecen higiénicam ente seguros y organolépticam ente aceptables m ediante su conservación a tem peraturas superiores a -1 °C e inferiores a 8 GC. Los alim entos así conservados se llam an refrigerados.

Los alim entos refrigerados se han enfriado hasta una te m p era tu ra óp tim a y p e rm an ecen

alm acenados a esa tem peratu ra sin que n ingún p u n to del alim ento haya llegado a congelación e n n ingún m om ento . La conservación se hace tam b ién en cám aras frigoríficas que en este caso m a n tien en la tem peratu ra del producto e n tre -1 y 8 °C. Tam bién p ara los alim entos re frig e ra d o s ex iste una cad en a del frío desde la p roducc ión hasta el consum idor con una te m p e ra tu ra de referencia cercana aO “C (alm acén frig o rífico , tra n sp o r te , d epósito s de d is tr ib u c ión , ce n tro s de ven ta, vitrinas y neveras d o m ésticas).

T am bién son cám aras refrigeradas las salas d e e la b o ra c ió n m an ten idas a 12 °C d onde se p ro ced e al despiezado, troceado y file teado de aves, vacuno y porcino y a la salm orización y envasado . E n general, las operaciones en que. in te rv e n g a n m an ip u lad o res de a lim en tos d e b en se r realizadas en cám aras refrigeradas.

La acción conservadora del frío en las cá m aras frigoríficas se p u ed e p o ten c ia r con la su stituc ión del aíre de la cám ara por gases p ro tec to res com o el n itrógeno o el anhídrido c a rbónico , con lo que se pro longa aún más el p e río d o de conservación, m anten iendo la calidad.

4 .1 .1 . Efectos del descenso de temperaturas

L os efectos son los siguientes:

a) E v ita r el crecim ien to de los m ic ro o rg an ism os te rinófilos y de m uchos m esófi-

los. E n tre estos últim os se encuentran los patógenos más caracterísitcos (géneros salmón ella, s taphilococits aureus, es- cherichia culi) en los alimentos.

b ) A largar el período de íatencia de los microorganism os psicrótrofos (género pseudom onas flavobacterium ), que son los principales causantes de alteración en los alim entos refrigerados (flora banal). La mayoría de los mohos y levaduras son psicrótrofos asimismo.

c) Disminuir logarítm icam ente la velocidad de las reacciones bioquímicas (tiansfor-, maciones enzimáticas, respiración de los alimentos frescos).

d) Disminuir logarítm icam ente la velocidad de las reacciones quím icas que pueden tener lugar en los alim entos (oxidación de lípidos, desnaturalización de pro Ler

nas, degradación de pigmentos).

T o d o e l lo conduce a m an ten er la salubridad, las cualidades organolép ticas, e l poder nutritivo, la tex tura y la apariencia de los alim entos, dando una buena im agen de productos frescos y naturales, po r lo que la conservación por refrigeración es una operación en auge.

Sin em bargo, la refrigeración no destruye ios m icroorganism os, cuya clasificación en función de la tem peratura se da en el cuadro4.1, ni anula las velocidades de reacción bioquímicas y químicas, por lo que los alim entos refrigerados no se conservan indefin idam ente y tienen una vida útil rela tivam ente corta (días o semanas), si bien superior a la que alcanzarían alm acenándolos a la tem p era tu ra am biente. Desde el punto de vista sanitario es im portan te asegurarse de que los signos de d eterio ro o alterac ión del p roducto puedan ser percibidos por el consum idor antes de que ningún organism o pa tógeno alcance niveles de 10ú microorganismos o anidados form ado- res de colonias (u fe ) por gram o, siendo conveniente m antener la tem peratu ra cercana a los 0 °C.

CUADRO 4.1 Clasificación de los microorganismos en función

de sus temperaturas óptimas

Termófilos 45 /55 °CMesófilos1 10/45 °CPsicrótrofos2 25 /35 °C (puede descender a 5 °C]Psicrófilos3 -5 /+ 1 5 °C

1 Enfre ellos se encuentran los patógenos im portunes en los alimentos.

A lgunos de ellos pueden actuar como psicrótrofos entre 3 y 7 °C.

2 Principales alterativos. N o patógenos.

J Alterativos. No patógenos.

4.1.2. Factores que determinan la vida útil de los alimentos refrigerados

Para el diseño de una instalación de conservación por refrigeración conviene identificar los factores que pueden condicionar ía calidad y la vida útil del producto, A continuación se reseñan los más importantes:

1. El tipo de alimento de que se trate.2. El almacenamiento previo a la refrigera

ción.3. Que el alimento sea fresco o procesado.4. Que sea sólido o líquido.5. La humedad relativa de la atmósfera del

almacenamiento en refrigeración.

Se pasa a glosar cada uno de los apartados anteriores.

1. Respecto al tipo de alim ento conviene señalar que cada alimento tiene una tem peratura de refrigeración óptim a. G eneralizando, se pueden contemplar dos grandes grupos:

— Tejidos animales, huevos y leche requieren tem peraturas bajas en tre -1 y 1 °C

— Verduras y frutas tienen un intervalo de variabilidad más amplio, que puede ir de -1 a 5 °C.

E n el cuadro 4.2 se incluyen algunos valores óptimos de tem peratura. Estos valores se deben conservar en todas las etapas de la cadena

de refrigeración, incluida la doméstica, con una variación máxima de ±1 °C.

Algunas fru tas y verduras procedentes de regiones trop icales sufren alteraciones si se refrigeran a las tem peraturas habituales de su grupo. El frío las “daña” p o r alteración meta- bólica y es truc tu ral, com o es el caso de ios plátanos, cuya piel se pone negra y se pudren interiorm ente cuando se almacenan a tem peraturas inferiores a los 12 °C.

Finalmente, si se quiere tener un producto refrigerado de calidad hay que partir de una materia prima de calidad. La refrigeración no se plantea para introducir mejoras en la calidad, sólo trata de conservarla.

2. La operación de refrigeración debería realizarse inm ediatam ente tras el sacrificio de los animales, la pesca, la recolección o el procesado de los alimentos. El transporte lejano y el alm acenam iento a tem peratura am biente aumentan la probabilidad de deterioro químico y enzimático y de contam inación microbiana,

tanto más cuanto mayor es el retraso en proceder a la refrigeración.

3, Respecto a los alimentos frescos verduras y frutas, hay que tener en cuenta su actividad metabólica después de ía recolección. La refrigeración ralentiza la respiración aerobia, pero no la elim ina, p o r lo que hay que tener en cuenta la generación de CO, y el calor de las reacciones de oxidación de los carbohidratos y ácidos orgánicos. El calor generado en la respiración debe tenerse en cuenta en los cálculos de refrigeración.

Cuando las verduras y frutas han sido procesadas o form an parte de alimentos preparados la actividad respiratoria ha desaparecido.

4, En el caso de alimentos sólidos o líquidos envasados el alm acenam iento refrigerado se hace en cám aras frigoríficas. En ei caso de líquidos a granel la refrigeración se hace por cambiadores de calor, siendo necesario en ocasiones la utilización do un acumulador de frío (agua helada).

CUADRO 4.2Datos pora los cálculos frigoríficos de alimentos refrigerados

ProductoPunto de

congelación p.c. re )

Calor especifico por encimo

del p.c.(kl kg“T "C-')

Temperaturade

almacenamiento

r o

Humedadrelativo

IV

Tiempode

almaceno-miento

Calor de respiración

|kj hg"1 día’ 1)

c o 2desprendida

(mg kg_1 día-1)

Aves Frescas -2 ,7 3,40 0 85-90 1 semana

Carne buey (magra) -1 ,7 2,90 -5/+1 90-95 5-10 días

Carne cerdo fresca 2,13 -1/+1 85-90 3-7 díasJamón fresco -2 ,0 2,50 0 / - I 85-90 7-12 díasQueso en maduración -1 ,7 2,09 -1 /-2 65-70 0,75

Pescados frescos -2 ,2 3,40 +0,ó/+2 90-95 5-1 0 días

Pescados ahumados -2 ,2 2,92 +4/+10 50-00 ó-8 meses

Leche pasteurízada -0 ,6 3,76 +0,ó — 7 díasHuevos frescos -2 ,2 0 — 1 añoEspinacas -0,3 4,00 0 90-95 10-14 días 1 1,07

Guisantes -0 ,0 3,53 0 90-95 1-3 semanas 9,61

Coles de Bruselas -0 ,8 3,80 0 90-95 3-5 semanas Ó,Ó8

Alubias verdes -0 ,7 3,80 +4/+7 90-95 7-10 días 1 1,57

Patatas nuevas -0 ,0 3,63 +10/+13 90 2-4 semans 3,00 to o

Tomatas -0,5 3,97 +7/+10 85-90 4-7 días 7,18

Manzanas -1 ,5 3,59 -1 /-3 90 1-6 meses 1,88 84

Naranjas -0 ,8 3,7ó 0/+9 85-90 3-12 semanas 1,67 48-120

Fresas -0,8 3,84 -0,5 90-95 5-7 días 5,43 384

5. La hum edad relativa en las cámaras tiene tam bién valores óptimos para cada alimento y debe m antenerse entre m árgenes muy estrechos durante todo el período de alm acenamiento. Si la hum edad relativa es alta se pueden producir condensaciones en las superficies frías de los alimentos con Jo que puede aumentar el crecim iento de los microorganismos en los productos no envasados. Por el contrario, si baja la hum edad relativa, el alim ento pierde agua para restab lecer el equilibrio, deshidratándose y perdiendo peso y calidad.

En el cuadro 4.2 se adjuntan datos relativos a los factores que determ inan ía calidad y la vida útil de los alimentos refrigerados. Se han extractado de M allet (1993) y García-Vaquero y Ayuga (1993).

4.1.3. Cálculos frigoríficos en la refrigeración

Como en el casó de la congelación hay una carga de frío asociada a la operación, que tiene dos fases. La prim era es la disminución de la tem peratura del alimento hasta su valor óptimo de refrigeración. La segunda es el traslado inmediato del producto a una cámara frigorífica donde se va a almacenar refrigerado.

La prim era fase puede realizarse mediante alguno de los m étodos descritos para la congelación, Con este fin se utilizan métodos de contacto directo en túneles de refrigeración de corrientes cruzadas con aire a 0 °C, para garantizar que el producto no va a alcanzar en ningún caso el punto de congelación. También se utilizan métodos de inmersión em pleando como refrigerante agua fría a 0 "C o cercana a ü c0 y mezclas de hielo y agua, así como mezclando el producto con hielo picado como es el caso del pescado. Cuando se requiere una velocidad de refrigeración rápida el m étodo más adecuado es el de túnel.

También se puede ob tener una refrigeración rápida utilizando los métodos de inm ersión en gases licuados por rociado de los alimentos con nitrógeno o anhídrido carbónico

líquidos en armarios o túneles, regulando la inyección del gas licuado de form a que no se llegue a la tem peratura de congelación en el alimento.

La segunda fase es el almacenamiento frigorífico de los alimentos refrigerados. Se entiende como tal su permanencia en cámaras frigoríficas en las condiciones de temperatura, humedad relativa, circulación de aire y, eventualm ente, composición de la mezcla gases-ambiente más adecuada para el mantenimiento durante el mayor tiempo posible de las características de los alimentos en el momento de ser introducidos en las mismas. Para esta segunda fase se utiliza el método de cámara frigorífica con aire en movimiento a una tem peratura de 0 °C.

Cuando no se requiere una velocidad rápida de refrigeración ambas fases pueden realizarse en una cám ara frigorífica. En lo que sigue se dan las pautas para el cálculo de la carga de frío total en este caso.

Enfriamiento del producto

En la refrigeración sólo interviene el calor sensible del alimento, que se pone en juego al descender su tem peratu ra hasta el valor de conservación en el interior de la cámara. La cantidad de calor a remover será:

Q\ ~ M Cp [q - q j [4.1]

siendo M la masa del alimento, Cp el calor específico del producto, q ía tem peratura inicial o de entrada del producto y q la tem peratura final (tem peratura interior de la cámara).

Como se ha indicado anteriorm ente es conveniente m antener la tem peratura interior de la cám ara cercana a los 0 °C, por lo que por re gla general q - 0 °C, salvo en casos especiales de daño por frío.

La velocidad de enfriam iento depende del tipo producto. Los alimentos perecederos conviene enfriarlos rápidamente para disminuir el

riesgo de alteración, por lo que será necesario una m ayor potencia del equipo de frío que en el caso de alim entos que perm iten un enfriam iento más lento. Si los alimentos están envasados o colocados en cajas u otros recipientes hay que te n e r tam bién en cuenta su e n fr ia m iento. Según algunos au tores esto aum enta Q t en tre un 5 y un 10%. La e tapa de en friam ien to de p roducto es la que consum e más energía en el proceso total.

Calor de respiración y maduración

Como se ha indicado, algunos productos alm acenados en refrigeración con tinúan desprendiendo calor por su actividad m etabólica (fru tas, verduras, quesos). E l cálculo en este caso se establece en función del contenido en toneladas de producto de la cám ara de refrigeración (M () y el calor desprendido p o r tonelada y día (Cr). A efectos de simplificar los cálculos se considera que la actividad resp ira to ria del alim ento se m antiene constante. A sí se llega a:

Q2- M £ r [4.2]

Renovación del aire de la cámara

E n las reacciones de respiración y m aduración se produce C 0 2 y se desprenden algunos otros gases volátiles y asimismo los productos en refrigeración pueden desprender arom as característicos, por lo que es necesario la renovación de la atm ósfera de la cám ara periód icam ente. L a frecuencia de las renovaciones es variable según el alimento de que se trate.

El aire entra en la cám ara a la tem peratura y hum edad relativa exterior y hay que llevarlo a la tem peratura y hum edad relativa que rige en el in te rio r de la cám ara, para lo cual hay que enfriarlo y variar su contenido en agua, genera lm en te dism inuyéndolo. Las necesidades energéticas p o r enfriam iento del aire se p u e den calcular a partir de la ecuación:

& _ h \CPah [45]

siendo V el volum en de aire renovado, q la tem pera tu ra del aire de entrada, q la tem peratu ra in te rio r de la cám ara y Cpah el calor específico m edio del aire húm edo referido a m3.

Las necesidades energéticas por variación de la hum edad absoluta del aire serán:

Q > C c Y s [4-4]

donde C'c es la energía necesaria para condensar un g de agua y V es la masa de agua a elim inar p o r volumen de aire renovado.

Las necesidades energéticas por renovación serán:

0 3 = o ; + Q" [4.5]

E l agua de condensación form ará escarcha en los evaporadores, por lo que habrá que instalar un sistema para su eliminación.

Aparatos auxiliares

E n el interior de la cámara funcionan aparatos cuyo desprendim iento de calor tiene que ser tenido en cuenta en el balance total de necesidades energéticas. Tales son los ventiladores de la convección forzada del aire entre los evaporadores y los sistemas de iluminación y control. Si se conocen las potencias y tiempo de funcionam iento de estos equipos se puede hacer el cálculo de calor disipado, que tiene que ser eliminado de la cámara. Las necesidades por este concepto son muy bajas respecto al total de necesidades energéticas y algunos autores estiman que basta una cifra aproxim ada, que suele estar entre -400 y 200 k j n r 3 de cám ara d ía '1.

Pérdidas p o r transmisión de calor

Sabido es que la eficacia de los aislantes nunca es del 100%, po r lo que hay paso de calor

desde el exterior de la cámara al interior a través de las paredes, el techo y el suelo. Para calcularlo se puede utilizar la fórmula clásica de transmisión de calor, en la que los coeficientes de transmisión y la diferencia de temperaturas serán distintos para paredes y techo y para el suelo

Q¡ = 24(horas/día"1) U'S'At' [4.6]

donde Q' son las pérdidas por transmisión de calor/día en paredes y techo, f/'el coeficiente global de transmisión de calor para paredes y techo, S ' la superficie de paredes y techo y Af la diferencia de temperaturas exterior-interior.

Por otra parte, las pérdidas por transmisión de caior/día a través del suelo (Q'f) serán:

Q l~ 24(horas/día-1) U"S"At" [4.7]

donde U" es el coeficiente global de transmisión de calor para el suelo, 5" la superficie del suelo y At" la diferencia de temperaturas interior-suelo.

Las necesidades energéticas totales por este concepto serán:

Q<=Q¡+Q'a (4.8]

Pérdidas operacioncdes

Se refiere a la apertura de puertas para la entrada y salida de producto, circulación de personas, arreglo de averías, etc. Las pérdidas deben minimizarse con la construcción de esclusas y la Instalación de cortinas automáticas de aire frío al abrir las puertas. Se valoran enun máximo de un 25% de las pérdidas portransmisión de calor:

G; <O,2504 [4.9]

Necesidades energéticas totales de una cámara de refrigeración

El máximo valor de necesidades frigoríficas corresponde a la etapa de llenado de la cámara que corresponde al enfriamiento del producto. Qx puede ser el 80% de Q T: Una vez enfriado el producto, Q r disminuye en Q v pero el cálculo de los equipos frigoríficos tiene que hacerse para la máxima demanda de frío 0 T Por ello se instalan varias unidades en cada cámara, aunque sólo funcionan todas en la etapa de llenado. En los cálculos hay que tener en cuenta las posibles variaciones estacionales de la temperatura y humedad del aire exterior.

Ejemplo 4.1. Cálculo de las necesidades frigoríficas de una cámara.

Calcular las necesidades frigoríficas de una cámara de 20 x 10 x 7 m que almacena manzanas desde octubre hasta julio con un período de llenado de 7 días.

— Condiciones de conservación de las manzanas: T -2 ° C y Hk = 80%.

— Datos climatológicos:Octubre: T - 22 °C y HR = 70%.Julio: T= 32 °C y H{( ~ 50%.

— Densidad del producto: 250 kg/m3.— Calor específico del producto: 0,9 kcal (kg

cC)-h— Calor específico del aire: 0,307 kcal (m3

cc )-1.— Tiempo de enfriamiento de 22 a 2 °C: 24 b.— Pérdidas frigoríficas en las condiciones

más desfavorables: 10 kcal (m2 h )1.— Renovación del aire: una al día.— Calor de respiración de la fruta: 200 kcal

(t día)-1.— Pérdidas por servicio: 15% de las totales.— Calor desprendido por los ventiladores:

15 kcal (m3 día)"1.— Resistencia del embalaje al enfriamiento:

10% de las necesidades de enfriamiento.— Capacidad de refrigeración de los equipos

estándar: 0,6 Tf h_1.

Solución

Qt = Q\ + Q2 + 0 3 + 0 4 + Q5 [4.10] Cálculos previos;

Volupien de la cámara: 20 x 10 x 7 = 1.400m3.

Superficie de la cámara: (20 x 10) x 2 (20 X

7) x 2 + (lOx 7)x 2 = 820 m2,Capacidad de almacenamiento: 1.400 m3 x

250 kg/m3 = 350,000 kg.Entrada diaria: 350.000 kg/7 días = 50.000 kg

día-1.

OCTUBRE (semana de recepción):

— El aislamiento en las condiciones más desfavorables ( ju lio ) arroja unas pérdidas de 10 kcal (i t í 2 ■ h)_1, En octubre las pérdidas (función del AT) ascenderán a:

(10)(22-2)/(32-2) = 6,66 kcal/(m2 ■ h)

Pérdidas por aislamiento: Ql = [6,66 kcal (m2- h)-1] (820 m:) (24 b día-1) = 131.069 kcal día-1.

— Necesidades de enfriamiento desde 22 a 2 “C: Enfriam iento: Q 2 = [1,1 (10% embalaje.)] (50.000 kg ■ día'1) [0,9 kcal (kg ■ día)-1] (22-2) °C = 990.000 kcal día-1.

— Conservación:Carga media de llenado: (50 + 100 + 150 + 200 4- 250 -i- 300 + 350) /7 = 2001.Calor por conservación: Q3 = 200 x 200 kcal (í • día)-1 = 40.000 kcal día-1.

— Renovación del aire:El volumen húmedo o específico del aire viene dado por la siguiente expresión:

v n = [VnJ { W M K ■ I atm)] •• (273,15 + Ta "C) K ■ [(1//W kg¡E

(mol-kgM) 3))]+ W/PMw kgv (mol-kgv ■ kg^)-1]

VH = [(22,4 m3 (mol-kg .)-1)/(273,15 K • 1 atm)] • (273,15 + 2 °C) K • [(1/28,84 kgas

(m ol-kgj-1) i 0,003/18 kgv (mol-kgv • kgas)-1] = 0,786 m3 k 19 AS

Aunque la densidad del aire es la inversa de su volumen específico, es más sencillo prescindir del cálculo de VR. Así, directamente:

w »< ( ^ = 80% y 'i' = 2 °C) == 3 g HjO kg.;1; 3,864 kg agua mís"3

WfVt (H}{ = 7°% y T = 22 °C) = =13,234 kg H20 mas3

Calor cedido por la deshunridificación del aire: Como el vapor de agua del aire condensa, hay que tener en cuenta el calor latente correspondiente a 2 °C, a saber: 500 kcal kg-1.

1.400 m3 aire día"1 (13,234 - 3,864)(kg H20 m'3 aire) (500 kcal kg"1) =

= 6.559.000 kcal día'1

El calor sensible del enfriamiento del aire (húmedo) asciende a:

(1.400 m3 aire día-1) (0,307 kcal (m3- “C)'1) (22-2) °C= 8.596 kcal día"1

Calor por renovación: Q4 = 6.559.000 + 8.596 = 6.567.596 kcal día-1.

— Servicio: Qs ~ (0,15)(Q,) - (0,15)(131.069) = 19.660 kcal día-1

— Ventiladores: Q6 = 15 kcal (m3-día)"1(1.400 m-3) = 21.000 kcal día-1

TOTAL (semana recepción octubre) == 7.769.325 kcal día-1

JULIO:

Oj = (131.069) (32 - 2)/(22 - 2) = 196.603 kcal día-1.

0 2 = 0 (El producto ya está a 2 °C).0 3 = (350 t) [200 (kcal(T día)-1] = 700.000

kcal día-1.Qa = (6.567.596)(32 -2)1(22 - 2) = 9.851.394

kcal día-1.Qs = (0,15) Qj = 29.535 kcal día-1.Q 6 = 21.000 kcal día"1.TOTAL (julio) = 10.798.532 kcal día"1.OCTUBRE (una vez está lleno el almacén).TOTAL = 7.769.325 - Q2 = 6.779.325 (kcal

día-1).Recepción octubre:

p = (P ■ PM)I(R ■ T) = 1,288 kg. nr3; pT- (1,288) (273/275) = 1,279 kg nr3 (7.769.325 (kcal día)-1)(80.000 kcal tf v) = 99 tf

9 9 1/[(7 unidades) (0,6 tf (unidad-h)*1) =- 23,6 horas

Resto octubre:

6.779.325/80.000 = 84,7 tf84,7/(6 x 0,6) = 23,5 horas

Julio:

1 0 .7 9 8 .5 3 2 /8 0 .0 0 0 = 135 t.1 3 5 /( 1 0 x 0 ,6 ) = 22, 5 h o ra s

En el caso más desfavoable (julio) se precisan 10 unidades de frío funcionando 22,5 horas al día. En octubre bastan 6 unidades, excepto en el período de carga de ese mismo mes, en el que se necesitan 7.

Refrigeración de líquidos

L a re frig e rac ió n de líqu idos se hace con agua fría a 0 °C circu lando en un in tercam biador d e calor que p u ed e se r exterior o estar sum ergido en el in te rio r del depósito iso term o de alm acenam iento . L a ca rga de refrigeración se calcula com o en el caso de refrigeración de sólidos (E [4.11]) y p a ra el balance energético final h a b rá que te n er en cuen ta las pérdidas por transm isión de calor del depósito .

E n algunos casos es necesario es ta r p reparado para d isponer de la carga de refrigeración

en un plazo muy corto , com o ocurre en las industrias lácteas, donde es necesario enfriar toda la lecbe que llega en el p e ríodo de recepción (3-4 h o ras) . E sto p u ed e h acerse d ispon iendo de m áquinas frigoríficas de po tencia superio r a las que h ab ría que instalar si la refrigeración se re p a rtie ra a lo largo de la jo rn ad a (18-20 horas/día). Tam bién es posib le utilizar un acum ulador de frío para el m om ento de la recepción, en el que se ha ido guardando el frío que p roducen equipos que funcionan de fo rm a continua a po tencia más baja.

E n la f ig u ra 4.1 se re p re se n ta u n a in s ta la c ión p a ra re frig e rac ió n d e líqu idos a g rane l co n un s is te m a de ac u m u la c ió n f r ig o ríf ic a . Se tra ta de un depósito d e agua en e l q u e está su m e rg id o el e v a p o ra d o r de la m á q u in a frig o rífica , donde d u ra n te e l fu n cio n am ien to a lo la rg o de la jo rn a d a se p ro d u c irá n b lo q ues de h ie lo que p e rm a n e c e rá n m ezclados con ag u a líqu ida de re frig e rac ió n a 0 °C, que re c ib e e l no m b re de agua helada . E sto s b lo q u es c o n s titu y e n la re s e rv a f r ig o ríf ic a que c e d e rá el ca lo r la te n te a c u m u la d o an te una d e m a n d a p u n ta y c u a n to m ay o r sea la p ro p o rc ió n d e l h ie lo m ay o r se rá la d isp o n ib ilid a d de frío .

D a d a la im posib ilidad de que en un in te r c a m b ia d o r de ca lo r el foco ca lien te alcance la te m p e ra tu ra del foco frío , el ag u a h e lad a n o p o d ría ac tua r de re frig e ra n te secu n d a rio si se n ec es ita ra re frig e ra r el a lim en to líqu ido a 0 °C.

FlGL'RA 4.1 . Refrigeración de líquidos a granel. 1: máquina frigorífica, 2: evaporador de la máquina frigorífica , 3: depósito acum ulador de frío, 4: cam biador de placas, 5: entrada del producto líquido, 6: solida del producto líqu ido refrige

rado, 7: depósito isotermo de almacenamiento.

4.2. Atmósferas protectoras

La tecnología de la conservación de alimentos con gases protectores consiste en sustituir el aire que rodea al producto por un gas o una mezcla de gases que ofrecen mejores condiciones para el m antenimiento de la calidad química, m icrobiológica y estructural del alimento. También puede eliminarse el aire haciendo el vacío en la cámara o en el envase que mantiene el alimento.

Nace así la conservación en atmósferas protectoras, bace unos treinta años, que tiene dos vertientes de aplicación importantes: la conservación de alimentos a granel en cámaras acondicionadas y la conservación individual de los alimentos envasados. Este último m étodo está encontrando numerosas aplicaciones.

4.2. ?. Tipos de atmósferas protectoras

La definición anterior conduce a cuatro tipos de técnicas basadas en la utilización de pro tectores: envasado a vacío, envasado en atmósferas modificadas, almacenamiento en atm ósferas contro ladas y alm acenam iento en atm ósferas hipo bóricas.

El envasado a vacío consiste en la eliminación de la atmósfera de aire en el recipiente que contiene al alimento. Las paredes del envase se coiapsan sobre el alimento y la presión en el interior del recipiente es inferior a la atmosférica. Con ello se consigue fundamentalmente evitar que haya oxígeno en contacto con el alimento, porque el oxígeno es uno de los principales favorecedores de la alteración. Con el oxígeno crecen las bacterias aerobias, que en el caso de la refrigeración son fundamentalmente las alterantes, y asociados a la presencia de oxígeno están los problemas de oxidación de las grasas y también diversas alteraciones enzimáticas, así como el ataque de parásitos e insectos.

Existen sin embargo determ inados productos en que es necesario m antener concentraciones de oxígeno, por ejemplo en el caso de la

conservación o envasado de fruta y verdura, que, una vez envasadas continúan teniendo un m etabolism o y necesitan oxígeno para evitar que m aduren rápidam ente y se pudran. Tam bién es necesario el oxígeno para m antener el co lo r de las carnes rojas, que se debe al pigm en to mioglobina, que en presencia de oxígen o está en form a de oximioglobina que tiene n n color rojo brillante, que es ci que quiere el consumidor. Cuando la presión de oxígeno dism inuye, la oximioglobina pasa a la metamio- g lobina que tiene un color pardo marrón, que es reversible, y cuando aumenta la presión de 0 2 vuelve el color rojo. Sin embargo, al estar d en tro de un envase, el consumidor, que no sab e de la reversibilidad, no lo coge, ya que la m etam ioglobina tam bién se forma cuando la carne envejece y el consumidor asocia ese colo r m arrón con carne pasada. Por último, tam b ié n es necesario utilizar atm ósferas con una cierta proporción de oxígeno en el caso de la conservación de productos en que pueda haber m icroorganism os patógenos anaerobios como el Costridium. Botulinum. Por estas razones se h an im plem entado los o tros tres tipos de a tm ósferas protectoras.

E l envasado en atmósferas m odificadas (M A P) es una técnica en que se sustituye el aire de l recipiente por un gas o una mezcla de gases conteniendo cierta cantidad de oxígeno. Ibas modificaciones en la composición de la a tm ósfera del envase que se puedan producir dura n te el almacenamiento debido al m etabolism o del alimento o de los microorganismos que crezcan en el no se corrigen, por eilo la concentración de C 0 2 aumenta durante el tiempo hasta su consumición. También se pueden almacen a r los productos a granel en atm ósferas modificadas (MAS).

E l almacenamiento en atmósfera controlada se hace de forma que se pueda corregir la composición de los gases m anteniéndola continuam en te entre unos valores prefijados. E sto se hace en cámaras.

E l almacenamiento en atmósferas hipobári- cas es un tipo de almacenamiento en cámaras

controladas en que se mantiene no sólo la composición de la atmósfera sino también la humedad y la presión, que es generalmente inferior a la atmosférica.

En el cuadro 4.3 se dan varios ejemplos de aumento de la duración de conservación por ei empleo de atmósferas protectoras.

CUADRO 4.3 Aumento de la duración de la conservación

Temperatura(°q

Duración de b vida (días}

ProduciosAl oiré

Bajoatmósferaprotectora

Buey 4 4 10-12Cerdo 4 4 8-9Carne picada 4 2 4Despojos (hígado) 4 2 óPescados 4 4 8-10Pizzas 4 ó 21

4.2.2. Envasado a vacío

Consiste simplemente en extraer el aire del envase para evitar que haya oxígeno alrededor del producto. Las particularidades de este tipc de envasado se pueden equiparar a las del envasado en atmósferas modificadas porque las transformaciones que puedan darse en la microbio ta del alimento son iguales que las que ocurren cuando estamos envasando con concentraciones muy bajas de oxígeno (el vacíe nunca es absoluto) en atmósfera de dióxido de carbono, ya que a vacío empiezan a trabajar microorganismos que producen dióxido de carbono y ellos mismos van creando una atmósfera modificada en el espacio vacío.

4.2.3. Envasado en atmósferas modificadas

La presencia de un gas o de una mezcla de gases en este tipo de envasado comienza por

evitar el colapso del envase sobre el alimento que se da en el envasado a vacío, aunque con algunos gases sigue existiendo un colapso parcial. Esto se debe a que algunos gases se solubilizan en la fracción líquida del alimento, reduciendo el tamaño del envase al disminuir el volumen del gas libre. También a que el envasado se hace generalmente a temperaturas superiores a la de refrigeración e incluso superiores a la temperatura ambiente normal, debido al calor de fricción de las máquinas envasadoras, y al recuperar la temperatura de almacenamiento disminuye el volumen del gas con el consiguiente colapso parcial. En el estudio del envasado en atmósferas modificadas hay que tener en cuenta los siguientes factores:

1. El gas o la mezcla de gases que se va a emplear.

2. Los envases.3. La forma de introducir el gas.4. El equipo de envasado.5. La temperatura de almacenamiento.6. La calidad del producto a envasar.

A ) Mezcla de gases

Es uno de los factores más importantes. Según su concentración en la mezcla los gases se clasifican en gases componentes o gases traza. Se utilizan como gases componentes el nitrógeno, el oxígeno y el dióxido de carbono, y como gases traza el monóxido de carbono y el monó- xido de nitrógeno. Los tres primeros son componentes normales del aire en proporciones respectivamente de 78% ,21% y 0,03.

El nitrógeno (N2) se utiliza como atmósfera para desplazar el oxígeno evitando así las alteraciones que puede producir este gas descritas anteriormente. El nitrógeno es incoloro, inodoro, insípido, químicamente inerte y prácticamente insoluble en la fracción líquida de los alimentos, por lo que no contribuye al colapso del envase.

El oxígeno ( 0 2) es tam bién incoloro, inodoro e insípido pero no es químicamente inerte. Sus ventajas e inconvenientes se han discutido en el apartado 4.2.1.

El dióxido de carbono (C 0 2) es el más utilizado. Es incoloro, inodoro y de sabor ácido. Es soluble en agua y grasas, originando un ligero sabor ácido, aumentando su solubilidad a bajas tem peraturas. Es bacterostático, aunque no con todos los m icroorganism os, y fungicida, con acción mayor a m edida que desciende la tem peratura. Estos efectos se deben a la suma de varias acciones. U na de ellas es su carácter ácido, que unido a su solubilidad en el agua y las grasas produce una disminución en el pH del alimento. Los microorganismos crecen peor en los pH extremos, por lo que al aum entar la acidez se impide su crecimiento. También influye el posible paso del ácido carbónico a bicarbonato, que es capaz de producir daños en la m em brana celular de los microorganismos. En cualquier caso la acción inhibidora del CO,2 es mayor que la del N, aunque las razones no sean totalm ente conocidas.

El m onóxido de carbono (CO) inhibe el crecimiento de algunos microorganismos patógenos y estabiliza los pigmentos, por ejemplo, en el caso de la mioglobina da lugar a carboxi- m ioglobina que tam bién tiene un color rojo atractivo. Es altam ente tóxico por lo que su concentración está lim itada y hay países que tienen prohibido su aplicación a la conservación de alimentos.

El monóxido de dinitrógeno u óxido nitroso (Nz0 ) previene oxidaciones y suprime la actividad enzimática evitando alteraciones por esta causa.

Para com prender en toda su extensión la conservación con atmósferas modificadas conviene explicar los efectos de los gases de la atm ósfera modificada en térm inos de su acción m icrobiológica. Cuando se tiene un alimento conservado en refrigeración y aerobiosis (atm ósfera de aire) crece fundam entalm ente la flora aerobia psicrótrofa G ram negativa, que crece a las tem peraturas propias de la refrige

ración, por ejem plo las pseudomonas. Estas condiciones no son buenas para el desarrollo de los microorganismos anaerobios o microae- rófilos, como son los lactobacilos. Por consiguiente la flora mayoritaria serán las pseudo- m onas y éstas serían las responsables de la alteración final del alimento. Si este mismo alim ento se envasa en atmósfera modificada con CO,, anaerobia o microaerófila, se produce un cambio drástico en la flora mayoritaria ya que las pseudomonas no crecen tan rápidam ente en concentraciones bajas de 0 2y en cambio crecerían los lactobacilos, que además necesitan más tiem po para llegar al umbral de alteración. Ambos pseudom onas y lactobacilos son microorganismos alterativos no patógenos.

Si se representa la curva de desarrollo en un diagrama de unidades formadoras de colonias frente al tiem po se obtiene la típica curva de la figura 4.2 con la fase de latcncia en que el microorganism o se acostum bra al nuevo medio, la fase exponencial de crecimiento, la fase plana de estabilidad y la fase de decrecimiento o declive. Se llam a um bral de alteración de un alimento al tiempo transcurrido cuando se perciben los signos de alteración (olor repugnante, limo superficial) debidos a los diversos m eta- bolitos (trim etilam ina, am oníaco, sulfuro de

FIGURA 4 .2 . Curvo d e desarrollo de un microorganismo en un cultivo. I Fase de latericia. II Fase de crecimiento,

III Fase de estabilidad. IV Fase de declive.

carbono , es te res de ác id o s grasos de cadena corta) resu ltan tes de la m etabo lización de los nu trien tes por los m icroorganism os. E l umbral de alterac ión suele co inc id ir con cargas entre 10e y 107 ufe cm-2.

E n la figura 4.3 se rep re se n ta el crecim iento de la m icrobiota de un a lim en to d u ran te su alm acenam iento y el re traso dei um bral de alteración al u tiliza r a tm ó sfe ra s m odificadas, así como el increm ento del tiem po de latericia.

Tiem po de a lm a cenam ie n to (días)

FIGURA 4 ,3 . Crecimiento de la m icrobiota en almacena

miento en refrigeración. A, en aerobiosis; B, en atmósfera

20% C 0 2 - 80% aire; C, en atmósfera 40% C O , - 60% aire; P, umbrales de alteración. Fuente: López Gálvez, 0.

y col. para filetes de atún {A grie . Food Chem isfry 43, 4 8 3 -4 9 0 , 1995).

Se puede suponer una situación en que un alim ento esté con tam inado con dos géneros de m icroorganism os a lte ra tivos R ¡ y R 2 en que el prim ero crece en aerobiosis y el segundo es ini- croaeróíilo. L a situación se ha p lasm ado en la figura 4.4. El género R l su p e ra el um bral de alteración (107 ufe cm -2) en aerob iosis y en atmósfera de C O , no lo alcanza nunca, m ientras que e l R , no lo alcanza n u n ca en aerobiosis y sí lo alcanza en a tm ósfera de C O , p ero llega a él más ta rd e que el R 1 en aerobiosis. N o se está im pidiendo que crezcan m icroorganism os, pero se es tán cam biando los géneros que crecen al modificar las condiciones d e la atm ósfera. Esto

1 2 -

10 -

u3 Ó “U)

■2 4 -

2 -

O -0 3 ó 9 1 2 15 18 21 24 27

Tiempo de almacena miento [días)

FlGU.RA 4.4 Crecimiento de microorganismos en refrigeración.

Ata, microbiota en aerobiosis; Ale, microbiota en atmósfera

CCq-aíre; P]t el género Jt, alcanza el umbral de alteración

(107 ufe cm-2) en aerobiosis; A,, el género P2 alcanza el um

bral de alteración (107 ufo cm-2) en atmósfera C O 2-0 ¡re. Fuente: López Gólvez, D y col. para filetes de salmón [J.

Agrie. Food Chemiilry 4ó, 1 143-1 149, 1 998],

pro d u ciría un re traso en alcanzar la carga de 107 ufe cm -2, y un alargam iento de la láse de 1a- tcneia.

La refrigeración no destruye los m icroorganism os y con las atm ósferas m odificadas no se está aplicando tam poco un tra tam ien to fuerte de des trucción , sino que se está perm itien d o que c rezcan unos m icroorgan ism os en d e tr im ento de otros, de form a que la sustitución sea favo rab le a a la rgar la conservación. E n estas condiciones una situación que podría p lan tea rse es la de un alim ento en refrigeración con pFT m ayor de 4,5, cuya correspondien te acidez p e rm ite el desarrollo de m icroorganism os patógenos en coexistencia con los alterativos R L y R T E n ausencia de 0 2 (atm ósferas de C 0 2 o N 2) se favorece el crecim iento de los anaerob ios, de form a que un género pa tógeno anaerobio , R v puede alcanzar una carga infectiva sin h ab e r p o r ello a lte rado el a lim en to o rg an o lé p tic a m ente y n i R l ni R 2 han provocado aún los síntom as del um bral de alteración , tal com o se re p resen ta en la figura 4.5, y podría ingerirse un alim ento tóxico. Conviene indicar que la carga in fectiva de un m ic roo rgan ism o p a tó g en o se

corresponde con valores altos de ufe cm-2, porque el estómago destruye gran parte de los microorganismos, el intestino también y son los que quedan los posibles productores de una infección. Puede así ocurrir que si la carga alcanzada por R 3 es alta convierte al alimento en tóxico aunque no esté alterado.

En el caso de los patógenos susceptibles de esporular puede ocurrir también que si alcanza una carga elevada la forma vegetativa de los microorganismos se agoten los nutrientes y procedan a esporular liberando una toxina que sea tóxica para el hombre. Este es el caso del Clostridium Botulinum que libera una toxina exógena. cuya dosis letal es 10"7 g, sin que aparezcan síntomas de alteración.

Por estas razones es peligroso utilizar el vacío, o atmósferas modificadas con ausencia total de O z cuando puede haber presencia de patógenos anaerobios y por ello se utilizan atmósferas con cierta concentración de Or Si esto no conviniera a las características del alimento o de la operación, hay que tener un gran rigor en el mantenimiento de la refrigeración durante todo el almacenamiento siempre por debajo de una temperatura determinada, distinta para cada microorganismo, habiendo de

Tiempo de almacenamiento (días)

FlGUSA 4.5 . C recim ien to d e m icroorganism os en re frigera

c ión: M e, m ic ra b io ta en atm ósfera a n a e ro b ia ; C, ca rga

infectiva d e b id a al c rec im ien to del pa tó g e n o R3; P, um

b ra l de a lte rac ión d e b id o al crecim ien to de i a ltera tivo R?.

mostrado que a valores inferiores a esa tem pera tu ra el microorganismo no crece. P a ra el Clostridium Botulinum este valor es 3,3 °C.

El envasado en atmósferas modificadas está relacionado generalmente con el crecimiento microbiano. Sin embargo hay casos en que se persiguen otros fines, como puede ser evitar el enranciamiento de productos grasos envasándolos en atmósferas de N,. Como ejemplo puede ponerse el cacahuete, que tiene una actividad de agua tan baja que no p reocupa -el crecimiento microbiano, pero por su gran contenido en grasa se llega a enranciar en presencia de 0 2, por lo que se conservará enlatado en atmósfera de N2, sin ser necesario re frigeración. Con productos frescos o con actividades de agua suficientes para que crezcan los microorganismos, la conservación en atmósferas m odificadas se hace en refrigeración. Así la carne, fruta, verdura y productos como pastelería y bollería. Hay mucha variedad de alimentos y cada producto exige un estudio de la atmósfera que necesita, como se deriva del examen del cuadro 4.4 tomado de Gilbranel Salazar (A limentación, Equipos y Tecnología, 4, 137-140, 1986).

C U AD R O 4 .4

M e z c la de gases con n itrógeno corno gas de base

Producto %o2 %co2 % Gas fraza

Carne ro¡a 5 0,0 15-25 _Pescado blanco — 40,0 --Pescado azul (graso) — 20,0 --Pescado pigm entado 5,0 30,0 f ,Ü C O

Aves — 25,0 —

Vegetales verdes >ó,0 2,0 1,0 c oColiflo r, etc. 7 ,0 10,0 —

Cham piñones 7 ,0 — 5 ,0 N 20

Frutos cítricos 25,0 10,0 1,0 c oFresas 2,5 15,0 —

Tomates 4,0 4,0 —

M anzanas 1,5-2,5 0,1 —

Peras 2,0 10 —

Quesos frescos — 20 20 N 2G

Fuen/e: Tomado de Gibrcne? Solo zar (198Ó): Alimentación, Equipos y Tecnología 4, 137-140.

Conviene recordar que la buena práctica a seguir es envasar productos de buena calidad, idealm ente sin contam inación, o con ésta al principio del período de latencia.

B) Tipos de envases

Se utilizan tres tipos de envases construidos de materiales plásticos, además de latas metálicas p ara casos especiales. A continuación se describen los de plástico y se representan en la figura 4.6.

a) Envase tipo N Fnvnsf! tipo

alm ohada bandeja

c) Envase tipo sobre o saco

FIGURA 4.6. Diversos tipos de envases de plástico utilizados.

Envases tipo almohada o con cabezal, que tienen un sellado de solapa o de rebaba longitudinalm ente en la base y dos transversales a ambos lados. Envases tipo sobre o saco, con un sellado de rebaba por cuatro lados o por tres dependiendo de que se doble por un lado. E nvases tipo bandeja o barqueta, que tienen una bandeja inferior rígida term oform ada y se cierra con una lámina flexible.

Las funciones del envase son fundam entalm ente contener, proteger e identificar el p ro

ducto. Para contener se utilizan plásticos que tengan buenas características de resistencia como copolímeros de cloruro de vinilideno o de etileno y alcohol vimlico y si se busca rigidez se usan copolímeros de etileno y acetato de vinilo. Para proteger o preservar se buscan plásticos que sean barrera para el 0 2, como el policster, el cloruro de polivinilideno o el poliacrilonitri-lo. Para identificar el contenido y estimular el deseo de compra se emplean plásticos transparentes, como la poliamida o el cloruro de poli- vinilídeno, e imprimibles, como el mismo cloruro de polivinilideno o el polipropileno, y además antiem pañables en cierta m edida, ya que tratándose de productos frescos su hum edad puede producir condensaciones. Los m ateriales empleados deben ser además inocuos, estab les ,'re la tivam en te reciclables, perm itidos por la lesgilación y fáciles de trabajar en las máquinas para la soldadura, el term oform ado y el sellado. Como es imposible reunir en un sólo polím ero todas estas p rop iedades se utilizan plásticos obtenidos por laminación o coextrusión de varios polímeros.

En el cuadro 4.5 se especifican las ventajas e inconvenientes de los tres tipos de envases descritos y los productos para que se usan. El volumen de la mezcla de gases que constituyen la atmósfera m odificada debe ser como mínimo igual al volumen neto del alim ento. Se suele llamar espacio de cabeza a la diferencia entre el volumen del alimento y el volumen del envase. El vacío puede hacer colapsar los envases y esto se notaría especialmente con el envase tipo bandeja.

C) Introducción de la mezcla de gasesen el envase

H ay cuatro métodos de crear la atmósfera modificada; barrido gaseoso o purga con gas, vacío compensado, modificadores de atmósfera y a partir del metabolismo del producto envasado.

E n el barrido gaseoso o purga con gas se introduce el gas o la mezcla de gases deseados en

CUADRO 4.5Ventajas e inconvenientes de ¡os diversos tipos de envases

Ventaje Inconvenientes Productos

Máquinas relativamente si m pías y costes da envasado relativamente bajos.

Bueno relación volumen de producto (VP) tamaño de envaso [TE|.Permite velocidades elevadas de producción.

Ajuste Fácil para amplia gama de tamaños de producto.Ideal para el envasado a vado de productos voluminosos.

Trpo almohada o con cabezo/

Llenado y sellado del paquete por el mismo lugar, de marera que los polvos finos pueden interferir en el sellado.

La lámina especial constituye la totalidad del envase:- Mayor gasto en plásticos especiales. -Aumenta el riesgo de ruptura.

No recomendado para productos en polvo.

Difícil llenado de multicomponenfes.

Aperitivos: patatas chips, cacahuetes, etc. Productos de pastelería y panadería.

Productos a granel para distribución al por mayor, verduras para ensaladas, mozza relia para pizzas, etc.

Cornos, calé, mejillones, etc., envasados al vado (Productos "sous vide").

Buena contención de productos en polvo fino, Generalmente los más populares paro la ventode pequeñas cantidades

de productos de este tipo.

La rigidez del paquete es superior a la del envase almohada.

Máquinas simples. Velocidades

elevados de producción.

Tipo saquilo o sobre

Sólo adecuado para envases planos. Se excluyen los productos voluminosos. Relación VP/TE pobre..

Llenado y sellado del paquete por el mismo lugar.

El llenado de multicomoonentes usualmenle tío es posible.

Productos en polvo o copo "instantáneos': leche, sopas, postres, puré de patata, etc.

Salchichas y embutidos en lonchos.

Llenado y sellado del paquete por lugares distintos. Menor riesgo de sellado defectuoso.

Sólo la tapa del envase es plástico especial:- Menor gasto en plásticos especiales.- Disminuye el riesgo de ruptura.

Fácil sellado de muIticomponentes.

Permite compartimentación,

Horqueta concede gran rigidez al envase.

Permite la utilización de materiales que absorban lo exudación del producto.

Tipo bandeja o barqueta

Maquinarlo y costes de envasado elevados. Velocidades bajos de producción.

Relación VP/TE muy pobre, inadecuado para productos muy grandes.

Inviable para el envasado a vacío por colapso fácil.

El producto puede desplazarse en el interior del envase.

Carne y pescados crudos.

Platos preparados. Frutas.

FIGURA 4.7. Envasado por barrido gaseoso en una máquina í.f.s. horizontal automática concepto L'AIR LIQUIDE: 1: alimento, 2 : rollo de lámina de plástico flexible, 3: envase formateado, 4: tubo inyector de la mezcla de gases, 5: mandí

bula lermoselladora, ó: corte para salido de envases individuales, 7: salida de aire y gas excedente.

el in terior del envase m ediante un flujo continuo de gas que arrastra el aire que contenía el envase hasta conseguir la atm ósfera deseada. Las m áquinas pueden ser de flujo horizontal (figura 4.7) o vertical. Esas máquinas permiten altas velocidades de producción (1.20 envases por m inuto) y sólo pueden empicarse con envases flexibles tipo almohada, tipo sobre o tipo saco. E l form ateado y corte del envase se hace por calor, Se las conoce com o m áquinas f.f.s. (form, fill, seal).

En el método de vacío compensado se hace primero una evacuación to tal de la atmósfera inicial del aire y después se rom pe el vacío mediante la introducción del gas o mezcla de gases deseados. Al hacerse la operación dentro de una cám ara de vacío se pierde menos gas que con el m étodo de barrido. Este sistema es el más idóneo para envasar productos no uniformes o muy grandes, por ejemplo jamones cocidos estilo Sajonia. Se usa con envases tipo barqueta o tipo sobre o saco, tanto flexibles como rígidos. Las máquinas se llam an envasadoras de cam pana o envasadoras “cham berí’ (cámara) (figuras 4.8 y 4.9).

O tra form a de in troducir la atm ósfera es utilizar productos capaces de absorber o generar gases, que se colocan en el interior del envase y una vez cerrado éste van modificando activamente la composición del espacio de cabeza del envase. Se denom inan modificadores de atmósferas y los más usados son absorbentes de 0 7, generadores de etanol, absorbentes

de C 0 2 y absorbentes de humedad. Se presentan en s aquí tos de m aterial perm eable a los gases que generan o absorben. Los absorbedores de O , son productos químicos de naturaleza oxidable. El más usado es polvo de hierro, que en presencia de hum edad utiliza el O., que hay en el interior del envase para oxidarse, consiguiendo niveles de 0 2 muy bajos (< 0,01%) que no se consiguen con el envasado por barrido o por vacío compensado. Los generadores de etanol contienen alcohol microencapsulado con dióxido de cinc en cápsulas de dióxido de silicona, con contenidos entre 1 y 3 g por saqui- to. Con la humedad del alimento las cápsulas liberan etanol en el espacio de cabeza que es efectivo para inhibir el crecimiento de mohos y bacterias como estafilococos, salmone.Ua y es- cherichia coli. Los m odificadores descritos se emplean ampliamente en Japón en la conservación de productos de la pesca. Com o absorbedores de COz y hum edad se pueden utilizar hidróxido calcico y cloruro cálcico respectivamente.

La cuarta forma de modificar la atmósfera en el espacio de cabeza del envase es a partir del metabolismo del producto envasado. Se emplea con frutas y verduras en países en que tarda en llegar la fruta im portada y el precio que se paga por ellas es alto y permite un envasado en atm ósfera modificada, como es el caso de Inglaterra. Las frutas y verduras después de cosechadas siguen ten iendo un m etabolism o y respiran tomando 0 2 y desprendiendo C 0 2.

CapítuJo 4 : Refrigeración y atmósferas protectoras )4 7

( I I

(3)

(2 )

[4]

r i f -

j d l

(5) (6|

FIGURA 4 ,8 , Envasado por vacio com pensado. Secuencia de operac ión en una envasadora de cam pana sem iautomátíca:

1: colocación def alim ento envasado, 2: c ierre de cam pana. Evacuación del aire por vacío, 3: rotura del vacío por in tro

ducción de la atmósfera deseada, 4 : actuación de la m andíbula selladora, 5: com unicación con el exterior, ó: ap er

tura de la cám ara.

Film

f

Vacio A Atmósfera m odificada

A A1TT1'

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\ I A o / - "\o/"t .

w

FIGURA 4,9. Envasado por vacío compensado. Envasadora continua de cámara automática con termoformado concepto LAIR LIQUIDE: 1: calentado, 2: formado, 3: enfriado, 4: llenado, 5: colocado de lámina superior, ó: evacuación de aire,

introducción de la atmósfera deseada y sellado, 7: corte.

Dióxido de

FIGURA 4.10. Modificación de la atmósfera a partir del metabolismo del producto envasado.

El alimento se envasa en un plástico semipermeable con una permeabilidad selectiva a favor del C 0 2, soliendo también ser permeable al vapor de agua. Al respirar iría aumentando mucho la concentración del C 0 2 en detrimento de la del O, que disminuiría, pero gracias a la permeabilidad selectiva del envase se difunde C 0 2 del interior al exterior y entra O,, aunque más lentamente porque la permeabilidad es menor (figura 4.1.0).

En la gráfica de la figura 4.11 se presenta la variación de las concentraciones de C 0 2 y 0 2 después de sellado el envase. A l principio la concentración del C 0 2 es la normal en el aire

FIGURA 4.11. Variación de lo composición dol espacio de cabeza con el tiempo" en el caso en que el producto crea su propia atmósfera. En el equilibrio la permeabilidad del envase al oxigeno equivale al oxígeno consumido en la

respiración.

0,03% y la del 0 2 21%. Según va respirando el vegetal va aumentando la concentración del C 0 2, y parte se difunde al exterior, mientras que la del 0 2 va disminuyendo. No interesa que el 0 2 desaparezca totalmente porque el alimento debe seguir respirando, ya que si se llegara a la situación de un metabolismo anaerobio se produciría etileno, con lo que el vegetal madura más rápidamente y se estropea. Interesa mantener el metabolismo aerobio, pero ralentizado. Por consiguiente, la permeabilidad del envase para el oxígeno debe ser tal que éste se mantenga a niveles bajos pero llegando a un equilibrio en que el Oz que entra en el envase sea el necesario para mantener una respiración ralentizada del vegetal retrasando la maduración y consiguiendo además una concentración elevada de C 0 2 que impide el crecimiento microbiano.

Conviene recordar finalmente que las atmósferas modificadas se suelen utilizar para alargar la vida de los alimentos en almacenamiento por refrigeración, y que las temperaturas de trabajo son las convenientes para este fin, según se ha tabulado en el cuadro 4.2. Asimismo, las atmósferas modificadas no mejoran la calidad original del alimento envasado, sólo tratan de conservar esa calidad durante más tiempo. En el cuadro 4.6 se han recopilado las ventajas e inconvenientes de este método.

CUADRO 4.6

Ventajas e inconvenientes de las atmósferas modificadas

Vento/cu inconvenientes

- Previene lo alteración de - Puede promover el crecialimento: miento de bacterias pató* Microbiana genas• Química - El dióxido de carbono es* Snzimátka soluble en agua y grasa:• Biológica • Cambios en e! sabor y• Física aroma

- Mantiene calidad de! ali * Colapso del envase

mento sin necesidad de: - Necesita un espacio de

• Tratamiento fuerte cabeza grande• Aditivos - Genera cambios en el co

• Pesticidas lar de lo5 carnes rojas- Aumenta la vida útil: - Genera un valar añadido:

• Mayor radio de distribu • Equipamiento

ción • Films de envasado* Más tíompo en el mer - Problemas de intoxicación

cado por mal uso de modifica

• Mejora ¡a presentación dores

del alimento

4 .2 .4 . Almacenamiento en atmósferas

controladas

Se hace en cám aras frigoríficas con p roductos a granel con tro lando la a tm ósfera para que su com posición se m antenga den tro de límites prefijados. C on las atm ósferas con tro ladas se tra ta de regu lar el proceso de m aduración para que el p roducto p u ed a ir saliendo al m ercado pau la tinam en te y de acuerdo con la capacidad de abso rc ión de d icho m ercado . U nas veces conviene re tra sa r la m aduración y o tras acelerarla . A lgunos fru tos tienen un proceso de m aduración m uy ráp id o tras ser cosechados. O tros siguen un proceso a la m ism a velocidad que si se m an tuv ieran en el árbol (figura 4.12). Los prim eros se llam an frutos clim atéricos (peras, a lbaricoques, m elocotones, ciruelas, m anzanas, plátanos) y los segundos no climatéricos (cítricos, cerezas).

E n el p ro ce so de m a d u ra c ió n los fru tos resp iran to m an d o 0 2 del aire y desprend iendo C 0 2 y p eq u eñ as can tidades de etileno que es-

i 1 1 r----- 1-----1— " i — i------- ]----e—4 8 12 16 20

días de m aduración

FIGURA 4 .1 2 . Variaciones de la intensided respiratoria du

rante la m aduración: i: Frutos climatéricos. II: Frutas na

climatéricos.

tim ulan la m aduración , y tam bién p ie rd en h u m edad.

P ara re ta rd a r la m aduración de los fruLos se dism inuye la concentración de 0 2 y se au m en ta la de C O , según proporciones adecuadas a cada p ro d u c to . P a ra acelerarla se aum enta la co n centración de 0 .2 y se introduce etileno (hasta 10% ) m ezclado con N 2 para evitar la inflam abilidad del prim ero. En cualquier caso se m an tie ne una hum edad alta en las cám aras (90-98% ) para evitar la pérd ida de hum edad de ios frutos.

El con tro l de las cám aras es au tom ático y El a tm ósfera se puede rccircular a través d e lavadores o absorbedores de 0 2 o de C 0 2 según, los casos.

R esum en

1. Para conservar un producto fresco, tal como sale después del. faenado de su pesca, o de su captara, o después de su cosechado se dispone de pocas técnicas de conservación porque se necesita mantener las características del producto fresco y la mayoría de las técnicas no lo hacen. Sólo, en principio, podrían usarse tres, la radiación ionizante, la aplicación del frío, que se denomina refrigeración y la utilización de atmósferas protectoras alrededor del alimento.

2. La refrigeración es la más conocida y aceptad a socialm ente, pero da al producto una vida útil y una vida com ercial bastante corta, máximo 2 sem anas dependiendo de las características del p roducto , de su composición química y de la flora m icrobiana inicial (m icrobiota) de ese producto . A sí pues, se buscan tratam ien tos coadyuvantes de esta refrigeración, in ten tando aum en ta re ! increm ento de la vida ú til q u e se produce con tratam ientos añadidos, que condujeron a la entronización de las atm ósferas protectoras,

3. La conservación en atm ósferas protectoras consiste en controlar las reacciones químicas, enzimáticas y m icrobianas que pueden suceder en un alim ento minimizando o evitando las principales alteraciones que pu eden ocurrir durante su alm acenam iento. Se hace m ediante la elim inación de la atmósfera de aire que rodea al producto, haciendo el vacío, o m ediante su sustitución por otra constituida por un gas o por una mezcla de gases adecuados p ara cada producto . Esto prolonga la vida útil del alim ento fresco por un tiem po m ayor que la refrigeración.

4. La refrigeración prolonga el tiem po que los alimentos perecederos perm anecen higiénicam ente seguros y organolépticam ente aceptables m ediante su conservación a tem peraturas en tre -í. C'C y 8 °C. Los alimentos refrigerados se lian enfriado sin que en ninguna zona del alim ento se haya alcanzado el punto de congelación.

5. Tam bién p ara los alim en tos refrigerados existe una cadena del frío, que en este caso tiene una tem peratura de referencia de 0 CC y debe m antenerse en todas las instalaciones y vehículos de la cadena, incluyendo las vitrinas de los centros de venta al consumidor.

ó. La hum edad relativa en la atm ósfera de la cám ara de refrigeración juega un papel importante en la calidad del alimento refrigerado cuando este no es tá envasado. Cada

alim ento tiene un valor óptim o de humedad relativa en la cám ara y se deben tener en cuenta los datos climatológicos.

7. En el cálculo de las necesidades energéticas de una cám ara de refrigeración hay que considerar ei calor de respiración y m aduración y la renovación del aire, que se enrarece con los productos del metabolismo de los productos refrigerados vegetales o con los olores típicos de cada producto.

8. El envasado a vacío consiste en la eliminación del aire en el recipiente que contiene el alimento. Las paredes del envase se colap- san sobre e) alim ento y la presión en el interior es inferior a la atmosférica. Con ello se consigue dism inuir la concentración de oxígeno que es un factor de deterioro.

9. El envasado en atm ósferas m odificadas (M AP) sustituye el aíre del envase por un gas o una mezcla de gases. Se utilizan nitrógeno, dióxido de carbono, monóxido de carbono y óxido nitroso. La concentración varía según los casos, y tam bién puede llevar parte de oxígeno, dependiendo de los alimentos y de la flora microbiana,

10. Para crear la atmósfera protectora se utilizan máquinas de purga con gas o de vacío compensado, o se colocan en el in terior del envase productos químicos m odificadores de atmósferas. En ciertos casos los gases del metabolismo del producto crean después de sellado el envase la atm ósfera conveniente en relación con la perm eabilidad selectiva del film del envase.

11. El alm acenam iento en atm ósferas controladas se refiere al cuso de cámaras frigoríficas con productos a granel en las que se controla la composición de la atmósfera para que se mantenga dentro de unos límites prefijados p ara la conservación del producto durante un tiempo determ inado. En este caso se com binan la refrigeración y el control de la atm ósfera en el recinto interior de la cámara.

5

CONSERVACIÓN DE ALIMENTOS

POR REDUCCIÓN DE SU ACTIVIDAD

DE AGUA. SECADO

5.1. Psicrometría5.2. Actividad de agua5.3. Secado con aire caliente5.4. Secado por contacto con una superficie

caliente5.5. Equipos de secado convencionales

El ob je tivo de las operaciones que conducen a

la deshidratacíón de los alim entas consiste en

reducir su contenido de ogua hasta un va lo r tal

que inhiba toda activ idad m icrob iana o enzim ática.

Estas técnicas perm iten, pues, p ro lo n g a r la v ida útil

de los alimentos, lo que supone en el caso de cien

tos productos a liv ia r su carácter estaciona!. En ge

neral, la deshidratacíón de un a lim ento lleva consi

go, adem ás, una notab le reducción de su peso y

volum en, ventaja nada desdeñable a efectos de a l

m acénale y transporte. Los p rinc ipa les problem as

asociados a este tipo de operaciones de conserva

ción son la a lteración del va lor nutritivo y de las ca

racterísticas organolépticas del alim ento, asi como

el consigu iente consumo energético.

Si el a lim ento es fundam entalm ente líqu ido , éste

puede ser ob je to de una concentración p rev ia al se

c a d o fin a l. Las ope rac iones de p reconcen trac íón

más extendidas son la evaporación , centrifugación,

filtrac ión , u ítra filtra d ó n , osmosis inversa, escurrido

por g ra ve d a d y prensado. La desh idra tacíón poten

cial del a lim ento se encuentra restring ida a su frac

ción de agua libre. Por otra parte , se ha d e tener

presente la baja selectividad de estas operaciones

de p reconcen trac íón , que com p o rta la lix iv ia c ió n

parc ia l del sustrato seca del a lim ento, excepción he

cha de la osmosis inversa, sumamente selectiva res

pecto al agua. Desde el punto de vista del consumo

energético, éstos son p o r [o genera l m oderados, ya.

que el agua que se lib e ra del a lim ento no se en

cuentra ligada aí mismo por fuerzas de considera

ción. La excepción viene d a d o , en este caso tam

b ié n , p o r la osm osis inversa, cuyo consum o

energ é tico es in te rm ed io entre los deb idos a los

procedim ientos mecánicos y los correspondientes a

los procesos térmicos, y por la evaporación, sin du

da la más costosa al respecto.

El secado del a lim ento, preconcentrado o no, se

ultima m ediante un proceso térm ica, el cual se justi

fica por ofrecer una m ayor selectividad respecto al

agua e lim inada. La operac ión presenta, pues, co

mo p rin c ip o I inconveniente, un e levado consum o

ene rgé tico . Eí secado té rm ico es m uy versátil en

cuanto a posib ilidades de ap licac ión se refiere, to

da vez que su cam po de actuación com prende des

de alimentos m ayoriíarlam ente sólidas hasta a lim en

tos líqu idos, pasando por pap illas y suspensiones

en general.

Las técnicas desarrolladas al efecto son, según

el caso, el secado con a ire o p o r contacto con una

p laca caliente, la deshidratacíón por congelación y

subsiguiente sublim ación [lio filizac ión) y la concen

tración p o r congelación. Si el alim ento es de natu

ra leza líqu ida , la e lim inación de aguo puede [levar

se a c a b o tam bién por co ncen trac ión por

evaporación , bien como proceso de preconcentra-

c ión, bien com o operac ión Final de secado.

Antes de pasar a exponer las principales carac

terísticas de los distintos procesos térmicos de seca

d o de alimentos, se da cuenta de dos aspectos re la

c ionados con los mismos, a saber: la psicrom etría

de las m ezclas vapor de agua-a ire , agente de seca

do por antonom asia, y la ac tiv idad de agua, pro

p iedad intrínseca del alim ento que inform a sobre el

g ra d o de fijac ión deí agua y, par ende, sobre su

aptitud hacia el secado.


A Á re n (m 2)A ' Á re n p o r un id ad de m asa de sólido seco (m 2

k - 1)aw A ctiv idad de agua C E U C o n su m o en erg é tico u n ita rio (kJ k g '1) cH C a lo r h ú m e d o o e sp ec ífico de la m ezcla

ai.re/vapor de ag u a (k J kga-1 K -1) cpa C a lo r específico a p resió n c o n s tan te d e i aire

seco (kJ kg-1 K~E) c/)(7l C a lo r específico a p resió n c o n s tan te d e l aíre

seco a la salida (kJ kg-1 K-1)

cPc0 C a lo r específico a p resió n co n stan te del aireseco a la en tra d a (kJ kg-1 K-3)

cyv C a lo r específico a p resió n co n stan te del v ap o r de agua (k J kg-1 K -1)D ifusív idad efectiva in te rn a (m 2/s _))

D D iá m e tro m edio de go ta ( |im )D q P a rá m e tro es tru c tu ra l det a lim en to re lac io n a

d o con su d ifusív idad (n i2 s"f)E n erg ía de activación (kJ m ol-1)

E b E n erg ía de en lace del agua (kJ m o l-1)f C oefic ien te defin ido p o r la ecuac ión [5.63J

G Velocidad másica del aire (kg m 2 s'1) f ía Entalpia del aire seco (kJ kg-1)HoX Entalpia del aire seco a la salida (kJ kg'1)Ha. Entalpia del aire seco a la entrada {kJ kg-1)Hw Entalpia del vapor de agua saturado (kJ kg-1) h Coeficiente individual de transmisión de calor

(W nr2 K-1)hr Coeficiente superficial de radiación (W m"2 K_l) K Constante de equilibrio k Conductividad térmica (W ■ m 1 • K”1) ka Conductividad térmica del alimento (W m"1

K’1)kp Conductividad térmica de la pared (W n r1 K_1) k Coeficiente global de transferencia de materia

(kg s"1 o tu s-1) kc Coeficiente de transferencia de materia de

difusión externa (kg s_1 o m s_l)L Perímetro del disco de un atomizador centrifu

go o espesor de pieza (m) la Espesor de la película de alimento (m)lp Espesor de pared (ni)Ms Peso molecular del aire secoMw Peso molecular del vapor de aguam Pendiente de una recta o caudal másico (kg/s-1) ma Peso de aire seco (kg) o flujo másico de aire

seco (kg s_1)m Flujo másico de producto (kg s"'); referido al

perímetro del disco de un atomizador centrífugo (kg nr1 s-1)

m. t Flujo másico de producto a la entrada (kg s_1) m 2 Flujo másico de producto a la salida (kg s_1) mw Peso de vapor de agua (kg)N Velocidad de giro del disco de un atomizador

centrífugo (rpm)O Cantidad de calor (kcal o kJ)F Presión total de la mezcla aire/vapor de agua

(atm)pa Presión parcial del aíre seco en la mezcla

aire/vapor (atm) p vv Presión de vapor del agua a la temperatura de

la mezcla aire/vapor de agua (atm)Presión de vapor del agua en un alimento (atm)

Pto Presión de vapor del agua superficial de un alimento (atm)

p w Presión parcial del vapor de agua en la mezcla aire/vapor (atm)

R Constante universal de los gases (Id kg-1 K_1) Rc Velocidad de secado (kg de agua kg-1 alimento

seco s'1)

r Radio del disco de un atomizador centrífugo (m)

T Temperatura (°C o K)T Tempemtura del aire seco (°C)T ! Temperatura del aire seco a la salida (°C)Ta, Temperatura del aire seco a la entrada (°C)Ta. Temperatura del aire húmedo (”C)Thh Temperatura de bulbo húmedo (°C)Tb¡ Temperatura de bulbo seco (°C)Ta Temperatura de referencia (°C)T0 Temperatura de la pared o del producto (°C) Tpl Temperatura del producto a la entrada (°C)T 2 Temperatura del producto a la salida (°C)T Punto de rocío o temperatura de saturación de

la mezcla aire vapor de agua o temperatura relativa a una superficie (°C)

Tv Temperatura de ebullición (”C)T_ Temperatura de saturación adiabática de la

mezcla aire/vapor de agua (°C)T , Temperatura de saturación del vapor de agua

(DC)í Tiempo total de secadot Tiempo de secado para el período de velocidad

constante (s) íF Tiempo de secado para el período de velocidad

decreciente (s)U Coeficiente global de transmisión de calor (W

nr2 K J)V Volumen de la mezcla aire/vapor de agua (m3)

o velocidad de paso del aire (m s- -)V Volumen de aire seco (m3)Vw Volumen de vapor de agua (m3)V}1 Volumen húmedo o específico de la mezcla

aire/vapor de agua (m3 hg^)W Humedad absoluta o específica del aire (kg de

vapor de agua/kg de aire seco) o contenido do agua de un alimento referido al peso de su fracción seca (kg de agua/kg de alimento seco)

Wbh Humedad absoluta o específica del aire a la temperatura Tbh (kg de vapor de agua/kg de aire seco)

We Contenido de humedad en equilibrio de un alimento (kg de agua/kg de alimente seco)

W. Contenido critico de agua de un alimento (kgde agua/kg de alimento seco)

W0 Contenido inicial de agua de un alimento (kg de agua/kg de alimento seco)

\VR Humedad relativa del aire (%)Wp Humedad absoluta porcentual del aire (%)W, Humedad de saturación de la mezcla aire/

vapor de agua (kg de vapor de agua/kg de aire A P Caída de presión {Fá)seco) U Rendim iento térm ico (% )

w Cantidad de agua del alim ento (kg), que puede X Calor latente de evaporación (kJ kg-1)estar referida o no a su extracto seco P Viscosidad (kg m-1 mi i r 1)

x Fracción m olar del aire seco en ia mezcla P D ensidad (kg n r 3)aíre/vapor de agua r Tensión superficial (kg m in-2)

x,v Fracción m olar del vapor de agua en la mezcla aire/vapor de agua

GLOSARIO

actividad de agua: Es la can tidad de agua disponible para la actividad m icrobiana, bioquímica o enzi- mática. La reducción del contenido de agua del alim ento, que implica una dism inución paralela de su actividad de agua, justifica el desarrollo y em pleo de procesos de deshidratación tales corno el secado, la evaporación, la liofilizaclón o la concentración por congelación. La actividad de agua se define como el cociente entre la presión de vapor del agua en el alim ento y la presión de vapor del agua pura a la misma tem peratura.

consumo energético unitario: Se define como la energía consumida por unidad de masa de agua eliminada. Se pone de m anifiesto la necesidad de aprovechar en lo posible la entalpia de salida del fluido calefactor. Un ejem plo al respecto podría ser la re circuí ación de p a rte del aire de salida de un secadero.

contenido de humedad en equilibrio: Si se pone en contacto un alimento con aire de una humedad relativa y una tem peratu ra dadas acaba por alcanzarse un equilibrio en tre la presión de vapor del agua en el alim ento y la presión parcial del vapor de agua en el aire, F,n estas condiciones, el alim ento adquiere una determ inada cantidad de agua, que se define como e l contenido de hum edad en equilibrio, m ientras que el aire ambiente

queda, por su parte, con una hum edad determ inada, la denom inada humedad relativa en equilibrio. La diferencia entre ia hum edad inicial del producto y so contenido de hum edad en equilibrio se conoce por hum edad Ubre o en exceso, a no confundir con el term ino agita Ubre, que hace referencia a la fracción de agua m ás débilm ente ligada al alimento.

proceso adiabático de secado: El secado de alim entos con aire se puede considerar un proceso adiabático, aunque en realidad este com portam iento se circunscribe ai período de velocidad de secado constante. E l aire cede calor sensible al alimento recuperándolo como calor latente a través de la incorporación, como vapor, del agua eliminada, D uran te este proceso, la tem peratura de bulbo seco del aire disminuye, perm aneciendo constantes su entalpia y tem peratura de bulbo húmedo.

rendimiento térmico: Se define como la relación en tre la cantidad de energía teórica necesaria para elim inar el agua y la cantidad de energía consumida en la práctica. In teresa que la tem peratura a la salida del secadero sea io más baja posible, lo que se opone a la conveniencia de que esta corrien te no se sature en hum edad, que se evita aum entando su tem peratura.

5.1. Psicrometría

La psicrometría, en su sentido más amplio, se encarga de ia determ inación de las propiedades termodinámicas de las mezclas entre gases y vapores. Su aplicación más frecuente se centra en el sistema aire-vapor de agua. La industria alimentaria no es una excepción. Así, el com portam iento de estas mezclas bajo distintas condiciones determina, entre otras cuestiones, el diseño de los secaderos de alimentos y de los equipos para su almacenamiento frigorífico. Se com ienza con la exposición de las principales propiedades de cada uno de los componentes de la mezcla para, posteriorm ente, proseguir con el análisis y características del conjunto aire-vapor de agua.

5. /. 1. Propiedades del aire seco

a) Calor específico. El calor específico del aire seco a 1 atm de presión varía, en ei intervalo de tem peraturas -40/60 °C, entre 0.997 y 1,022 kd/(kg K). Para cálculos rápidos se suele adoptar un valor promedio de 1,005 kJ/(kg K).

b) Entalpia. Dado el carácter relativo de esta propiedad se han de fijar unas condiciones de referencia que, para cí caso del aire seco, coinciden con las normales: ü "C y 1 atm. Cajo esta premisa, la entalpia del aíre seco viene dada por la siguiente expresión:

H a =cPJ T bs~ T Q) ^ l ,m 5 T bs [5.1]

donde H representa la entalpia en cuestión, en kJ/kg, Tbs su tem peratura de bulbo seco (se explicará seguidam ente) y TQ la tem peratura de referencia, ambas en °C.

c) Temperatura del aire. También llamada de bulbo seco (7) = T ), nombre que toma del sistem a de m edida em pleado. Se trata de la tem peratura medida por un sensor al efecto sin modificar (en el caso de un term óm etro convencional dicho sensor sería su bulbo). Se emplea el término seco en contraposición al hú

m edo, que define una nueva tem peratura , la cual se tratará más adelante en relación con las propiedades de las mezclas aire-vapor de agua.

5. ] .2. Propiedades del vapor de agua

a) Calor específico. La variación del calor específico del vapor de agua (saturado o sobrecalentado) con la tem peratura puede considerarse nula en el intervalo -71/124 ÜC. Se suele tom ar el valor de 1,88 kJ/(kg K).

b) Entalpia. La entalpia de un vapor saturado es la suma de dos contribuciones: el calor sensible necesario para llevar el agua desde la tem peratura de referencia a la tem peratura de saturación de! vapor y el calor latente de vaporización (2t ), función de esta última temperatura.

H w = cPw( T „ - T f¡) + XT [5.2]

5.1.3 . Propiedades de las mezclas aire-vapor de agua

Las mezclas aíre-vapor de agua presentan un com portam iento asimilable al de los gases perfec to s, siem pre que el sistema no supere un a presión to tal de 3 atm . Por otra parte , cum plen la ley de G ibbs-D aiton, a saber: la presión total de la mezcla (P) es igual a la suma d e Jas presiones parciales del aire seco (p ) y del vapor de agua (p w)-

a) Humedad. Para definir el estado de un aire húm edo se requiere conocer su contenido en vapor de agua. Se introduce así el concepto de hum edad, que puede adquirir distintos valores según la designación que se adopte en cada caso.

■— La humedad absoluta o específica (W) es el peso del vapor de agua (m w) presente en la mezcla por unidad de peso de aire seco (m ). Se expresa en kg de agua por kg de aire seco.

W = [5.3]m a

Aplicando la ley de los gases perfectos a los dos com ponentes de la mezcla considerada,

P„VM„ [5.4]R T

= [5.5]R T

donde M w y M a representan, respectivam ente, los pesos m oleculares del vapor de agua y de! aire seco. La combinación de las ecuaciones [5.3], [5.4] y [5.5] conduce a las siguientes expresiones:

M wP,

W =

Mwpw _________K P c M J P - p w)

M w x ÍV M w $

[5.6]

[5.7]

siendo y x las fracciones molares del vapor de agua y del aire seco, respectivamente.La hum edad de saturación (14^) corresponde al máximo contenido posible de vapor de agua en la m ezcla p ara una tem peratura dada. En estas condiciones se dice que el aire se encuentra saturado, siendo la presión parcial del vapor de agua (p w) igual a la presión de vapor del agua a la tem peratura del aire (p )■ Por tanto, de la ecuación [5.6]:

W r =M. Pv» M. x [5i81K ( P ~ P VJ M.a xü L J

La humedad absoluta porcentual (W ) es el cociente entre la hum edad absoluta de la mezcla a una tem peratura dada y la de saturación a esa misma tem peratura.

W p ( R - A ™ )1L = X 100 = ^ 4 LTtLL x 1 0 0 [5.9]

P W s P „ „ ( P - p J

— La humedad relativa (Wjj) se expresa como la relación porcentual entre la p resión parcial del vapor de agua en el aire húmedo y la presión de vapor del agua a la tem peratura de dicho aire.

■ x 100 [5.10]

El valor de W p es m enor que el de WR, excepto para el 0 y 100% de hum edad, que coinciden. Para establecer el contenido de vapor de agua de un aire respecto al que tendría en estado saturado a la misma tem peratura se suele emplear la WR.

b) E l punto de rocío o temperatura de saturación (T.) es la tem peratura a la cual se satura la mezcla aíre-vapor de agua conforme se enfría a presión y hum edad constantes. E n este punto se iguala la presión parcial del vapor de agua en el aire (que perm anece constante durante el enfriamiento) con la presión de vapor del agua (que ha ido disminuyendo al descender la temperatura). Si se fuerza el enfriam iento por debajo de dicho punto, como la presión de vapor del agua continúa reduciéndose, la igualdad se mantiene a expensas de la condensación de parte del vapor (m enor presión p arcial del vapor de agua en el aire).

c) E l calor húmedo o específico (cH) se define com o la cantidad de calor necesaria p a ra elevar la tem peratura de la mezcla, referida a la unidad de masa de aire seco, en un grado Kelvin. cH se puede expresar, pues, en función de los calores específicos de los dos com ponentes de la mezcla,

c« = cp., + c ^ lV = l , 005+1,88 [5.11]

donde c.H está en kJ/(kga; K), cp y cp en kJ/(kg K ) y W en kg de agua/kgas.

d) E l volumen húmedo o específico (VH) denota el volumen que ocupa la mezcla aire-vapor

de agua, referido a la unidad de m asa de aire seco, a una atmósfera de presión y a una temperatura dada. Su cálculo se efectúa como la suma de las contribuciones de los volúmenes específicos de los dos constituyentes de la mezcla. Así, aplicando la ecuación de los gases perfectos,

^ ,.= 2 2 ,41 (Tb l+ 273)

29 273[5.12]

Vw - 22,4 JL (Tfa + 273) w [5.13]18 273

22 4V H = Vas. + V» = + 273) 29

f 1 W'-~ + l&

[5.14]

siendo 29 y '18 los pesos moleculares del aire seco y del vapor de agua, respectivamente.

e) Temperatura de saturación adiabática (T w). Supóngase una cám ara adiabática como la que se m uestra en la figura 5.1, donde se pone en contacto una c o r r ie n te de aire que entra a Tbs ( Tbs = 7 'J con una gran cantidad de agua a T w. U na vez alcanzado el equilibrio, la corriente de aire abandona la cámara a una tem peratura T w (tem peratura de saturación adiabática), como resultado de que la pérdida de calor sensible por parte del aire húm edo se compensa con la ganancia de calor latente procedente de la vaporización parcial del agua. Se trata, pues, de un proceso isocntálpico, representado por la siguiente ecuación.

Aire seco

Tbs'WEvaporación

7bAíre húmedo

Tb. vy

AguaL,

Aislamiento

FIGURA 5 .1 . C ám a ra para la determinación de la tempe

ratura de saturación adiabática.

f) La temperatura de bulbo húmedo (T hh) se determina m ediante un term ómetro cuyo bulbo está recubierto por un trapo perm anentemente saturado con agua, Al circular el a ire in- saturado a través del term óm etro húm edo tiende a ganar humedad, con lo que la tem pera tu ra m edida disminuye. Esta situación se com pensa p o r la cesión de calor sensible por parte del aire. Se alcanza el estado estacionario cuando el calor sensible cedido por el a ire es igual al que tom a como latente. La tem peratura correspondiente a este equilibrio es la denominada tem peratura de bulbo húmedo. D icho equilibrio se puede representar también como el punto en el que la velocidad de transmisión de calor desde el aire a la sonda se iguala a la velocidad con que se transfiere el vapor desde la sonda h as ta el aire. Surge así la siguiente ecuación:

cu (Tbs Tw) ~ X jw (Wj W ) [5.15]

donde XT es el calor latente a la tem peratura de saturación adiabática.

U na simple transform ación de la ecuación anterior permite establecer una relación lineal entre la hum edad y tem peratura del aire durante su enfriam iento adiabático, conocida como línea de enfriamiento adiabático.

(W s- W) = j i L (Ta- T j [5.16]Á,J"

h (T bs- T b/:) - k l TJ W bh-W ) [5.17]

que expresada de form a análoga a la deducida para la línea de enfriamiento queda como:

(Wbh-W) = - ! LT (r t¡- T bk) [5 .18]

siendo h y k , respectivamente, los coeficientes individuales de transm isión de calor a través del aire y do transferencia de materia referido en este caso al vapor de agua.

Se ha dem ostrado experim entalm ente que las mezclas aire-vapor de agua presentan unos valores de T w y Tbh muy próximos entre sí, pudiéndose utilizar ind istin tam ente. No sucede así con otros sistemas gas-vapor, donde las diferencias pueden ser más que apreciables.

5.1.4. Diagrama psicroméifico

A la vista de lo expuesto, queda patente que las propiedades de las mezclas aire-vapor de agua están interrelacionadas entre sí, pudiéndose determinar aplicando la expresión matemática al efecto. Sin em bargo, para determinar las distintas propiedades se suele recurrir al empleo del diagrama psicrométrico a la presión barométrica correspondiente (figura 5.2). A partir del conocimiento de dos de las propiedades de la mezcla, el diagrama perm ite, merced a la inte- rrelación existente, la determinación casi inmediata del resto de propiedades psicrométricas.

Las coordenadas del diagrama son temperatura, ya sea seca, húm eda o de saturación (abei- sa) y la humedad absoluta o específica (ordenada), La familia de curvas de tipo exponencial representa la variación de la humedad relativa, la cual aum enta de derecha a izquierda hasta alcanzar su valor de saturación (W R = 100%). Es en esta última curva, por tanto, donde se podrán establecer las tem peraturas de saturación

(tanto el punto de rocío como la de saturación adiabática, coincidente en este caso con la de bulbo húm edo). Am bas tem peraturas se leen en abeisas. La de bulbo húmedo se determina prolongando la linca de enfriamiento adiabático que pasa por el punto considerado hasta alcanzar la humedad de saturación, mientras que el punto de rocío surge de enfriar la mezcla a humedad específica constante hasta saturación.

Existen dos familias de rectas que cruzan el diagrama. Las de mayor pendiente corresponden al volumen especifico del aire seco, en tanto que las otras representan procesos adiabáticos de enfriam iento o calentam iento. La prolongación de estas líneas hacia la izquierda, habida cuenta que estos procesos son isoentál- pieos, conduce a una escala de entalpias.

Ejemplo 5.1. Manejo del diagrama psicrométrico.

Se tiene l i l i aire cuyas te m p e ra tu ra s de bu lbo seco y húm ed o son, resp ec tiv am en te , 60 y 35 “C. D e te rm in e , con ay u d a del d iag ram a psic rom élri- co, su hum edad abso lu ta , h u m ed ad relativa, e n talpia, volum en específico y p u n to de rocío.

Solución

La in te rsecc ió n d e la lín ea de e n fr ia m ie n to ad iab á tico que pasa p o r 35 °C (T bh) con la p e r-

Llnea de enfriamiento

Temperatura seca/húmeda

Figura 5.2. Diagrama psicrométrico simplificado.

pendicnlar al eje de abolsas que parte de 60 °C (Th'í) determina las coordenadas del aire problema en el diagrama psícrométrico.

a) Humedad absoluta. Desde estas coordenadas se traza una paralela al eje de abeisas hasta alcanzar la ordenada de la derecha, donde se encuentra la escala de la humedad absoluta. Su lectura arroja un valor de 26 g de vapor por kg de aire seco.

b) Humedad relativa. El punto correspondiente a las coordenadas del aire está contenido en la curva de humedad relativa del 20%.

c) Entalpia. La prolongación de la línea de enfriamiento adiabático que pasa por 35 °C hasta la escala de entalpias permite establecer el valor de la misma en prácticamente 30 kJ/kg de aire seco.

d) Volumen específico. Hay que interpolar entre las dos rectas de volúmenes específicos adyacentes al punto de identificación del aire problema, esto es, entre 0,95 y 1 ,110 m3/kg de aire seco. El valor resultante es de 0,98 que, como se aprecia en el diagrama, está más próximo al volumen especifico unidad.

e) Punto de rocío o temperatura de saturación. .Desde las coordenadas del aire problema se traza una paralela al eje de abeisas hasta alcanzar la curva correspondiente a las condiciones de saturación

- 100%), La lectura se puede realizar “in situ” o trazando desde ese punto

una perpendicular al eje de abeisas. El valor determinado es de 29 °C.

5. 1.5. Procesos psicroméiricos

E l diagram a psicrom étrico , adem ás de p e rm itir la caracterización de un aire húm edo , fac ilita el seguim iento de los cambios q u e se p ro d u cen en determ inados procesos. E l análisis de la evolución de las condiciones de) aire a lo larg o de la operación constituye una h erram ien ta b á s ic a p a ra el d iseño de equipos en los que aq u é l juega u n papel relevante, ta i es el caso de su acond ic ionam ien to , ca len tam ien to , secado , en friam ien to p o r vaporización, hum idificación y deshum idificación. En relación a los a lim ento s, las operaciones donde el aire tiene u n a m ay o r participación son ei secado convectivo y el a lm acenam ien to frigorífico.

a) Calentamiento o enfriamiento de aire (figur a 5.3). El proceso transcurre en condiciones de h u m e d ad ab so lu ta constan te. P or ello, la descripción de dicho proceso a través del d iagram a psicrom étrico vendrá dada po r una línea para lela al eje de abeisas que una las coordenadas del a ire de partida con las del aire final, cuyo sentid o se rá de izquierda a derecha, si hay apo rte de calor, o viceversa p ara el enfriam iento. E l cálculo del caudal calorífico necesario para pasar el

, 0 ,|

/ X

1

XX

*\ /

< \ B VTem peratura se sa /h ú m e d a

FIGURA 5 .3 . Calentamiento o enfriam iento de aire.

Figura 5 .4 . Mezcla de dos corrientes de aire al 50%.

aiie desde su estado inicial (A) al final (B) se realizará a partir de la siguiente ecuación:

Q = t519]donde ma es el caudal másico de aire y H n y HA las entalpias de] aíre a la salida y entrada del proceso, las cuales se pueden obtener a partir del propio diagrama prolongando las respectivas lincas de enfriamiento adiabático hasta alcanzar la escala en cuestión.

b) Mezclas de aire (figura 5.4). En algunas ocasiones es preciso mezclar dos corrientes de aire de propiedades diferentes. En tal caso, el diagrama psicrométrico perm ite establecer las características del aire resultante. El procedimiento es sencillo: una vez identificados en el

diagrama los dos puntos de las corrientes de partida, se unen por medio de una recta. La mezcla de aire estará contenida en esta recta en un punto determinado por la regla de la palanca. Lógicamente, el aire problema estará tanto más cerca de uno de los puntos cuanto mayor sea la contribución del aire de partida representado por ese punto.

c) Secada de sólidos con aire (figura 5.5). Se trata de un proceso de saturación adiabático en el que el aire ccdc calor sensible al sólido recuperándolo como calor latente a través del vapor de agua captado. Como se aprecia en la figura 5.5, la tem peratura del aire (Th¡) disminuye, permaneciendo constantes su entalpia y temperatura de bulbo húmedo.

FIGURA 5 .5 . Proceso odiabático de secado.

Ejem plo 5.2, Aplicación del diagrama psicrorné- trico al secado de alimentos con aire.

Se procede a secar un alimento sólido con on contenido de hum edad del 70% (b.h.). E l aire de secado, que se tom a del am biente a 30 °C y WR = 30% y se precalienta hasta reducir su humedad relativa al 1%, entra al secadero con un caudal de 800 m3/h. El alim ento se obtiene con una hum edad final del 157o (b.h.), mientras que el aire de salida presen ta una hum edad relativa del 607o. Determ ine:

a) La tem peratura del aire a la entrada y salida del secadero.

b) La hum edad absoluta del aíre a la entrada y salida del secadero.

cj E l volum en húm edo del aire de entrada al secadero; com pruebe su valor analíticam ente.

d) El flujo músico de aire a la entrada del secadero.

e) El caudal volum étrico de aire a la salida del secadero.

f ) La ganancia entúlpica del aire debida a su calefacción.

g) La capacidad de tratam iento del secadero.

Solución

Los co n ten id o s de hum edad del alim ento en kg referidos a la un idad de m asa de su fracción seca (kg) son: wq ~ 0,7/0,3 = 2,33 para la en trad a y vu, = 0,15/0,85 = 0,1765 para la salida. E l aire de p artid a , qne se identifica en el d iag ram a p o r su te m p e ra tu ra de bu lbo seco (30 °C) y p o r su hum edad rela tiva (30% ), se calienta a hum edad abso lu ta constan te (paralela al eje de abeisas) hasta alcanzar una hum edad relativa del 17o . D esde este punto se sigue la línea de en friam ien to adiabático que lo corttieue h as ta que su h u m ed ad re la tiva sea del 60% .

a) A tend iendo al d iagram a psícrom étrico , las tem peraturas del aire a la entrada (T aJ) y salida (7’nl) del secadero son, respectivamente, 44 y 107 °C.

b) Las hum edades absolutas del aire a la en trada (W?) y salida (Wt) del secadero son, respectivam ente, 0,008 y 0,035 kgv/kg .

c) El volum en húm edo o específico del aire de entrada es, gráficam ente, de 1,092 m3/kgaí Su com probación analítica exige aplicar la siguiente expresión (ecuación 5.14):

VV = (7 ^ /(2 7 3 ,1 5 K - l atm) l '■ (273,15 + T& °C) K ■ [(1/A4 k g jm o l - k g j +

+ W 2/M w kgv/(mol-kgT * kgas)]

V m = [(22,4 m 7m ol-kg¡iJ/(273 ;15 K ■ 1 atm)]• (273,15 + 107 °C )K ■

■ [(1/28,84 kgJm oI-kgH) ++ 0,008/18 kgv/(moI-kgv - k g J J =

=1,094 m :’/kgas

d) El flujo músico de aire seco a la en trada del secadero viene dado por el cociente en tre su caudal volum étrico (800 in7h) y su volum en específico (1,092 m-Vkg ). Su valor asciende a732,6 kgas/h. Como en realidad se pide el flujo músico de aire, a esta cifra hay que sum arle la contribución del vapor de agua qne lleva consigo; se requiere la operación siguiente:

= 732,6 (1 + W2) = 732,6 (1 4- 0,008) == 738,5 kg /h

e) En prim er lugar, hay que establecer el volum en específico del aire a la salida del secade- r° (V^j): 0,946 m3/kgas. A continuación basta con m ultiplicar este dato p o r el flujo músico de aire seco, 732,6 kg /h, determ inado en el apartado anterior. El caudal volum étrico pedido resu lta ser de 693,04 m 3/h.

f) E l aire tiene una ganancia entálpica debida a su p recalen tam ien to , operación p rev ia a su empleo en el secadero, que se calcula como la diferencia de entalpias entre el aire d e salida y de en trada en esta etapa: 135 - 50 - 85 k.í/kgas.

g) Se parte de un balance de agua a lrededor del sistem a, es decir, la cantidad de agua que pierde e l alim ento es igual a la can tidad de vapor de agua que tom a el aire:

(W , - W 2) k g /k g as ■ (m a) k g ,/h = (w, - w2) kg agua/kg al. seco ■ (m ) kg al. seco/h

Despejando mp y sustituyendo,

mp = 732,fi ■ (0,035 - 0,008)/(2,33 - 0,1765) = 9,18 kg fracción seca del alimento/h

Corno quieta que falta por contabilizar el agua del alimento,

m'p = mp ■ (1 + wL) = 9,18 ■ (1 + 2,33) == 30,6 kg de alimento/h

Si el equipo de secado del sólido con aire es en cascada, intercalándose entre las bandejas que lo soportan los sistem as de recalefacción precisos para el aire, la representación del proceso en el diagrama psicromctrico se ajustará a una función escalón, del tipo de la que se muestra en la figura 5.6.

Ejemplo S.3. Secado de alimentos con recalefac- ción del aire entre bandejas.

En un secadero de alimentos constituido por cuatro bandejas dispuestas en serie se introduce aire a 52 °C con una humedad absoluta de 0,005 kg de vapor de agua por kg de aire seco. Para evitar una p recalefacción excesiva del aire de entrada, éste se calienta después de cada paso a través de las distintas bandejas (excepto en la úl

tima) hasta alcanzar de nuevo los 52 °C. Suponiendo que el aire abandona las bandejas con una HR = 60% y que las pérdidas de calor son despreciables, calcúlese:

a) La temperatura de bulbo húmedo del aire a la salida de cada bandeja.

b) Los caudales másicos de aire húmedo de salida y de agua eliminada del alimento, si del secadero salen 5 mJ de aire/s.

c) ¿A qué temperatura sería preciso calentar el aire de entrada para efectuar el secado en una sola etapa, es decir, sin recalefacción entre bandejas?

Solución

Una vez identificado el aire de entrada al secadero, se toma la línea de enfriamiento adiabático hasta alcanzar la función de la humedad relativa del 60%. Este punto corresponde al aire de salida de la primera bandeja. Seguidamente el aire se rccalienta hasta los 52 °C antes de pasar a través de la segunda bandeja. Este proceso está representado por una línea paralela al eje de ab- cisas, que se interrumpe cuando se alcanza la citada temperatura A partir de aquí se repiten sucesivamente estos pasos hasta que el aire abandona la cuarta bandeja.

a) A partir del trazado efectuado en el diagrama psicrométrico se determinan las propíe-

F igura 5.6. Secado en cascado con recaleFacción del aire.

dad es del aire a ía salida de las sucesivas bandejas:

1.a bandeja: Tbh = 22,5 UC; Ths = 28 °0; Wl = 14,5 g vapor/kgsJ.

2." bandeja: TWr = 28 °C; Tbs = 35 °C; W¡ — 21,5 gvapor/kgB5.

3.a bandeja: 7 ,, « 31,5 °C; 7. = 39 °C; Wl = 21 g vapor/kg1¡3.

4.a bandeja: 7 W, = 34 °C; 7 ^ = 42 “C; ^ = 31 gvapor/kgas;

b) El volumen específico del aire de salida del secadero es, a tenor de la interpolación efectuada en el diagrama psicrométrico, de 0,938 m3/kgas. Así pues,

Caudal de aire seco a la salida; 5 m5/s - 0,938 m3/kgas = 5,33 kgas/s.

Caudal de aire húmedo a la salida: 5,33 k i j s ■ (1 + 0,031 kg¥/ k g j = 5,5 k g js .

Agua eliminada del alimento en forma de vapor: 0,031. - 0,005 - 0,026 kgv/kgas.

Caudal másico de vapor de agua: 0,026 kgv/kga? ■ 5,33 k g j s = 0,139 kgv/s.

cj A la vista del diagrama psicrométrico, si se desean alcanzar Jas condiciones del aire de salida del secadero en una sola etapa, es preciso calentar el aire de partida hasta una cierta temperatura (105 °C), la cual está definida por la intersección entre la línea de calentamiento del aire de entrada y la línea de enfriamiento adiabático que contiene las coordenadas del aire de salida.

E n otras ocasiones se recircula parte del aire de salida del secadero a fin de aprovechar la en ta lp ia de esta co rrien te , la cual se m ezcla con a ire am bien te antes de p asa r el conjunto al p rc- ca len tador. E n la figura 5.7 se pone de m a n ifiesto cóm o la m ezcla tiene una hum edad su p e r io r a la que te n d r ía el a ire e n ausencia de recircu lación , lo que supone u n m enor p o te n cial de desecación, p rincipal inconveniente del sistem a. L a identificación de los puntos es la sigu ien te: B y B ' co rresponden a la en trada del se ca d e ro en am bos casos (p ro ceso n o rm al y con recirculación, respectivam ente), C y C a lu den a la salida del secadero , y A y A" a la e n tra da d e l precalen tador.

Ejemplo 5.4. Diferencias entre la recirculación o no del aire de salida de un secadero.

E n un secadero con recirculación de aire éste sale del mismo a 60 °C y con una temperatura de bulbo húmedo de 50 °C. El 75% de esta corriente se mezcla con aire am biente, el cual se encuentra a 20 °C y tiene una W¡{ = 30% y una H = 30 kJVkg.ls. La mezcla resultante se conduce a u n precalentador, desde donde se envía al secadero, que opera sin intercambio de calor con el exterior.

FIGURA 5.7. C om paración entre un proceso convencional de secado y un proceso con recirculación parcialdel aire de salida.

a) Determine gráficamente las temperaturas del aire a la entrada y salida del precalentador.

Si se suprime la recirculación, supuesto que la temperatura del aire a la entrada del secadero es la misma que en el caso anterior y que su temperatura de salida es 10 °C superior a la de bulbo húmedo, establezca a partir del diagrama psícro- métrico cuál de los dos sistemas de secado, con y sin recirculación, es el que:

b) Consume menos calor por kilogramo de agua evaporada en el secadero.

c) Presenta mayor potencial de secado por kilogramo de aire seco.

Solución

Con los datos de partida se pueden localizar en el diagrama psicrométrico los puntos correspondientes al aire de entrada (A ) y al aire de salida (O') del secadero con recirculación. Así, en el primer caso se conoce su Tbs (20 °C) y su (30%), mientras que en el segundo se posee su Tbs (60 "C) y su Tbh (50 °C). Las humedades específicas respectivas son: WA = 0,0042 kgp'lcg^ y Wc = ü,082 kg/kg^.

a) El aire de entrada al precalentador (A '), resultante de la mezcla de A y C7, se localiza en la linca A-C' a una distancia de C' tres veces menor (25%) de la existente hasta A (75%). El aire de salida del precalentador (B ') se sitúa en la intersección entre la línea de hum edad específica de A ' y la línea de entalpia (o de enfriamiento adiabático) de C . Las temperaturas de bulbo seco determinadas gráficamente son: T/V = 50 °C y TB. = 100,2 °C. WA, = WB, toma un valor de 0,06255 kgv/kg8¡¡ y Ha. y Hfr son iguales a 214 y 275 kJ/kgas, respectivamente.

El aire de entrada al secadero sin recirculación (5) se identifica en la línea de humedad específica de A para una Tg (igual a TB) de 100,2 UC. H1 aíre de salida del secadero (C) se establece en la línea de enfriamiento adiabático (o de entalpia) de B en un punto tal que su tem peratura de bulbo seco (Tc) sea igual a la de bulbo húmedo más 10 °C.

Esto sucede para una Tc de 43 °C. W c tiene un valor de 0,0282 kgv/kg,s y H B (igual a i/.-.) de 117 kJ/kgas.

b) Consumo de calor por kilogramo de agua evaporada en el secadero:

QA, B ( l l li. - H A)l(Wc - W B) ^= (275 - 214) kJ/kgas / (0,01945) kgv/kgaa =

= 3136 kJ/kgv

Qa _b = (H b - H a)!(Wc - W b) == (117 - 30) kJ/kg* / (0,024) kgii/kgas =

= 3625 kJ/kgv

c) Potencial de secado por kilogramo de aire seco

W' r, = -- V' = 0,082 - 0,06255 == 0,01945 kgv/kgas

WB-c = w c~ w b = 0,0282-0,0042 == 0,024 kg„/kg.íS

El sistema sin recirculación es capaz de eliminar un 23,4% más de agua (0,024/ 0,01945 = 1,234), supuesto que la cantidad de aire introducida sea la misma en ambos casos. En contrapartida, este secadero consume un 15,6% más de energía (3.625/3.136 1,156).

5.2 . Actividad de agua

E l principal factor que condiciona el grado de alteración de un a lim en to es su con ten ido de agua. D icha alteración puede se r debida a la p resencia de m icroorganism os, p roceso re la tivam ente ráp ido , o m erced a las reacciones b io quím icas y enzim áticas que tienen lugar d u ra n te su alm acenam iento , considerab lem ente m ás lentas. La estab ilidad de un a lim en to no está asegurada, sin em bargo , para un de term in ad o con ten ido m ínim o de agua. E xisten num erosos ejem plos al respecto . A sí, el café es susceptible de a lterarse cuando su conten ido en agua sobre base seca supera el 3% , m ientras que el tom ate

se muestra estable para un contenido de agua del 30%

La variable que realmente determina la vida útil de un alimento, conocida por actividad de agua, es la cantidad de agua disponible para la actividad microbiana, bioquímica o enzimáti- ca. La reducción del contenido de agua del alimento, que implica una disminución paralela de su actividad de agua, justifica el desarrollo y empleo de procesos de deshidratación tales como el secado, la evaporación, la liofilización o la concentración por congelación. La actividad de agua (au) se define mediante la siguiente expresión:

— P vivaaw-------Pvw

[5.20]

donde p vwa representa la presión de vapor del agua en el alimento y pvw la presión de vapor del agua pura a la misma temperatura.

5.2.1. Contenido de humedad en equilibrio

La transferencia de agua desde el alimento al aire en forma de vapor de agua es función, por una parte, del contenido de agua y de la estructura y composición del producto y, por otra parto, de la temperatura y humedad relativa del enlomo ambiental. Si se ponen en contacto ambos medios a una temperatura dada acaba por alcanzarse un equilibrio entre la presión de vapor del agua en el alimento (pvwa) y la presión parcial del vapor de agua en el aire (pw). En estas condiciones, el alimento adquiere una determinada cantidad de agua, que se define como el contenido de humedad en equilibrio, mientras que el aire ambiente queda, por su parte, con una humedad dada, la denominada humedad relativa en equilibrio.

La diferencia entre la humedad inicial del producto y su contenido de humedad eu equilibrio se conoce por humedad libre o en exceso, a no confundir con el término agua libre, cuyo

significado se expone en el siguiente subapar- tado.

De la igualdad entre y p w en el equilibrio y teniendo en cuenta la definición de la WR del aire (ecuación [5.10]), surge una nueva expresión para definir la actividad de agua, a saber:

Pw _ W* (%) Pvw 100

[5.21]

5.2.2. Isotermas de sorción

Si se representan distintos valores de la humedad relativa en equilibrio del aire frente al correspondiente contenido de humedad en equilibrio del producto a una temperatura dada, se obtiene una función sigmoide (figura 5.8), denominada isoterma de sorción, la cual varía según el alimento considerado. Se trata, por tanto, de una característica propia de cada alimento, consecuencia básicamente de cómo se encuentre ligada el agoa al mismo y de su estructura y composición.

El análisis de la figura 5.8, donde se representa un comportamiento isotérmico típico, permite distinguir dos clases de isotermas, se-

FIGURA 5.8. Isoterma de sorción típica de un alimento.

gún el equilibrio se alcance a través de un proceso de hum idificación del alim ento (adsorción) o mediante el proceso contrario, de secado (desorción). Se conform a así un ciclo de histéresis, característico de cada alimento. En la figura se diferencian, asimismo, tres tramos, que se corresponden con otros tantos estados del agua.

Tramo A. En esta zona el agua se encuentra fuertem ente ligada al alim ento por fuerzas de Van der Waals. cuando no form ando parte de la propia estructura m olecular del producto. El agua puede estar asociada a, entre otros grupos, los hidróxidos de los polisacáridos, así como a los carbonilo y amínico de las proteínas. La totalidad del agua unida a estos puntos se conoce como agua m unocapa (capa monomo- lecular de agua). Se trata de un agua con una entalpia de vaporización m uy superior a la del agua pura, sum am ente estab le y difícilmente congelable o desh idratab le. Se habla en este caso, también, de agua rígida.

Tramo B. Corresponde esta fase al agua retenida en diversas capas (agua muíticapa), la cual ejerce como disolvente de solutos de bajo peso molecular. Las fuerzas de unión a la estructura del alim ento o sustrato seco son bastan te menos intensas que en el caso anterior. Presenta una entalpia de vaporización todavía superior a la del agua pura. Constituye un medio donde en ciertos alim entos pueden tener lugar algunas reacciones bioquímicas. Se dice que el agua en esta zona se encuentra en estado pseudo-líquida.

Tramo C. El agua en este tramo está retenida por capilaridad o en las células del alimento. Su grado de fijación al alimento es en todo caso débil, de ahí el térm ino agua libre, Sus características están muy próximas a las del agua pura. Se deshidrata o congela con facilidad. Es el medio donde se desarrolla el crecimiento microbiano, así como donde se dan las reacciones enzimáticas y bioquímicas. P or ello, a veces, recibe el nombre de agua biológica. Parece claro, por tanto, que si el alim ento presenta una a den tro del intervalo del tram o C, existirán

grandes posibilidades de que experim ente alguna alteración.

E l conocim iento de las isoterm as de sorción de los alim entos es fundam en tal para plantear su conservación. Así, si se tra ta del secado de un alim ento con aire de una hum edad dada, su contenido de hum edad en equilibrio es el con ten ido de hum edad m ínim o que se puede alcanzar para una determ inada tem peratura. Si la operación es un alm acenam iento frigorífico del alim ento, h ab rá que buscar a través del estudio de su isoterm a de sorción unas condiciones para el a ire am biente tales que aseguren una actividad de agua del producto capaz de preservarlo de posibles alteraciones.

Los métodos utilizados para determ inar las isotermas de sorción pueden ser gravimétricos, basados en el seguimiento de las variaciones de peso del alimento, manometricos, donde la va- riabie a medir es la presión parcial dei vapor de agua en el entorno (igual a la presión de vapor del agua en el alim ento cuando se alcanza el equilibrio) o, higrométricos, en los que se mide la hum edad relativa en equilibrio del aire en contacto con ci alimento.

5 .2 .3 . M o d e l i z a d ó n de isotermas d e sorc ión

Una vez se determ inan experimentalm ente las isotermas de sorción, el siguiente paso consiste en ajustar los datos a un m odelo teórico (empírico en la mayoría de los casos) que describa el com portam iento del sistema bajo distintas condiciones. En el cuadro 5.1 se recopilan los diferentes modelos al uso, así como sus particularidades e intervalos de validez. Los parám etros reseñados son: aw, actividad de agua; W, contenido de hum edad en el equilibrio (base seca); W v humedad absoluta en la monocapa, W Q humedad absoluta para una aw = 0,5, ¿?(1) y Í3(2), constantes determinadas estadísticamente; CG, constante de GAB, y K y C sendas constantes propias del modelo considerado.

C U A D R O 5.1 M odelos d e isotermas d e sorc/ón

Modelo Ecuación Observación

Langmmr (191 8]

Bradley (1936)

Bruna uer-Emmett-Teller. BET (1938]

Oswin (1946]

Smilh (1947]

Halsay (1948)

Henderson (1952]

Guggenhemr-Anderson-De Boer. GAB (I9ÓÓ)

Kuhn (1972]

Iglesíos-Chirífe (1978)

Iglesias-Chmfe (1981)

W = W| _C W t¡_ 1 + CVVfi

in—— = B(2J 8/1J aw

1(1 - a j w IV¡C W,C

r sBfl W = B(2]! -SüA-

W - [6(2)-8(1 ]] in (1 -AJ

6(2 ) 1 'BIH J

1 ■ aiv, = exp

W

________W] |1 - k a w) [ l t (Cg - 1 k o w ]

311]W =iff a.

- + 6(2]

Teoría de ¡a polarización S 0,7

Mono capa de agua > 0,45

Curvas sigmoides —

Biopolímeros y alimentos en general > 0 ,3

Multicapa de agua 0 ,1 -0 ,8

Proteínas y alimentos en general —

Multicapa de agua ¿ 0 ,94

Alimentos con azúcares < 0,5

ln [W + (VV5 + W y 0'3] - 6(1) + 6(2)

W=6(1) L f ^ - | + 6|2)

5 .2 .4 . Efecto de la temperatura sobre la a w

En general, la cantidad de agua adsorbida por el alimento disminuye conforme aumenta la temperatura. Dicho de otro modo, si se desea que el alimento mantenga un determinado contenido de agua en equilibrio a una nueva temperatura, superior a la anterior, aumentará su actividad de agua. En suma, un incremento de temperatura tiende a desplazar la isoterma de referencia hacia abajo. El efecto de la tem

peratura sobre las isotermas de sorción se ajusta a una ecuación análoga a la de Clausius- Clayperon:

d (la g,v) d (1 I T ) ^

donde E b es la energía de enlace del agua en cal/mol y R la constante universal de los gases perfectos, cuyo valor es de 1,987 cal/(mol K).

.MkR

[ 5 .2 2 ]

Dicha energía se puede expresar como la diferencia entre el calor de absorción del agua y su calor latente de vaporización. Si se integra la ecuación [5.22] para un nivel de hum edad dado, resulta una nueva expresión:

siendo rq y a2 las actividades del agua a T j T2, respectivamente.

La representación del in aw frente a 1 !T determ ina una recta de p en d ien te -E b/R . Así pues, a partir de los datos experim entales de las diferentes isotermas de sorción de distintos alimentos se pueden establecer las correspondientes energías de enlace. El conocimiento de las energías de enlace de los alimentos, la m ayoría de las cuales se en cuen tran tabuladas, permite predecir o extrapolar las isotermas de soi don a otras tem peraturas.

5.2.5. Efecto de la a sobre los alimentos

Como norma general se puede indicar que por debajo de una actividad de agua de 0,6 se inhibe toda actividad m icrobiana. Los mohos se inhiben cuando a,v < 0,7, valor que se sitúa en 0,8 para las levaduras y en 0,9 para la mayor parte de las bacterias. H abítualm ente se juega con el efecto sínérgíco que supone ia conjunción de factores tales como n PH- tem peratura, concentración de 0 2 o C 0 2 y adición de conservantes en general. Esto permite que no sea necesario reducir en exceso la a , lo que redunda en una conservación del alim ento sin perdidas significativas de su valor nutritivo ni de sus características organolépticas.

En ciertos alimentos las enzimas no se desactivan duran te su procesado térm ico. P or ello, las reacciones enzim áticas pueden tener lugar incluso cuando la aw es reducida. En estas condiciones, no obstante, este tipo de reacciones se encuentran desfavorecidas por la lim ita

da movilidad de los sustratos potencialm ente reactivos, que dificulta su acceso a los centros activos de la enzima.

Las reacciones bioquímicas que se producen a valores de a bajos son el pardeam iento de Maillard y la oxidación de lípidos. A estos niveles de aw, al igual que en el caso anterior, se limitan los movimientos de las sustancias susceptibles de reaccionar, reduciéndose así el pardeamiento. Si ia a w aum enta, se pasa por un máximo en el pardeam iento, cuya explicación radica en que, por una parte, el agua de reacción llega a disolver los sustratos sujetos a una posible alteración y, por otra, se acumula, restringiendo la extensión de ia propia reacción principal (ley de acción de masas).

La oxidación de lípidos a bajos valores de la aw transcurre merced a la actuación de los radicales libres. Si aumenta la a , los secuestrantes (coloides y quelatos) de los cationes metálicos responsables de la catálisis de la oxidación se solubilizan, reduciéndose ésta. S uperado un cierto nivel de los catalizadores se hidratan, llegando a precipitar como hidróxidos si cl pH del medio lo permite, lo que supone una pérdida-de actividad. Si el contenido de agua libre sigue aum entando, el alim ento se expande, presen tando los lípidos un m ayor riesgo a la oxidación.

Las alteraciones de Ja textura en un alimento se pueden dar, más que en el secado convectivo, durante el almacenamiento de productos liofiíizados. Una baja actividad de agua puede también ayudar a desorber las sustancias volátiles responsables del aroma. Este extremo resulta especialmente relevante durante el almacenam iento conjunto de diferentes alimentos. Éstos deben ser com patibles en tre sí, de tal m odo que no se produzcan intercam bios de aromas. La selección se basa en el conocimiento de las respectivas isotermas de sorción, así como en la determinación de la aw por debajo de la cual comienzan a resentirse las propiedades aromáticas de cada uno de los productos. En la actualidad, uno de los campos de investigación de mayor auge en la industria alim enta

ria es aquel que se ocupa de establecer la influencia de la aw sobre las propiedades del alimento; se tra ta de relacionar las posibles alteraciones de alimentos de características parejas en función de su composición, procesado y almacenamiento.

5.3. Secado con aire caliente

Cuando un alim ento se pone en contacto con aire de una tem peratura y humedad dadas, este último proporciona el calor latente necesario para que el agua del producto pase a vapor. F,1 vapor de agua abandona el alimento por difusión, a través de la película de aire en reposo que rodea a la superficie del prpducto, hasta alcanzar la corriente de aire en movimiento, que se encarga de arrastrarlo. La velocidad de eliminación de agua está supeditada tanto por la transferencia de materia (vapor de agua) entre el alimento y el aire, como por la transmisión de calor, de signo contrario. La transferencia de materia tiene lugar merced al gradiente existente entre la presión de vapor del agua del alimento y la presión parcial del vapor de agua en el aíre, fuerza impulsora de este movimiento.

La representación de la hum edad del producto frente al tiempo de secado es el punto de partida para establecer la evolución de ía velocidad de secado a lo largo de la operación. En la figura 5.9 se muestran las variaciones típicas de la humedad de un alimento y de su velocidad de secado fren te al tiempo. U na tercera gráfica informa sobre cómo varía la velocidad de secado conform e se reduce la humedad del sólido. Como puede apreciarse, se distinguen tres periodos para la velocidad de secado según ésta aum ente (tram o A-B), permanezca constante (tramo B-C) o disminuya (tramo C-E).

El primer período, llamado de estabilización o de inducción, no es significativo frente al tiempo total de secado. Corresponde al tiempo que necesita el sistem a para alcanzar el régimen estacionario y se caracteriza por la cesión de calor sensible del aire al alim ento, que se

FIGURA 5 .9 . E tapas de l se ca d o de un a lim e n to c o n a ire .

manifiesta en form a de un aum ento de su tem peratura. Esta fase term ina cuando la tem peratura del alim ento se iguala a la de bulbo húm edo del aire. D uran te este período, dado que el alimento se encuentra frío respecto al aire, p revalece la transm isión de calor frente a la transferencia de materia, la cual se encuentra lim itada por la reducida presión de vapor del agua del alimento a baja temperatura.

En el segundo período, de velocidad de secado constante, el agua migra desde el interior del alimento hasta su superficie con la misma velocidad con que se evapora desde la referida superficie hasta el aire. Este com portam iento se explica debido al equilibrio existente entre el

flujo de calor y el flujo de materia, que permite que la superficie del alimento permanezca en todo momento saturada de agua. El gradiente de temperaturas permanece, pues, constante a lo largo de este período; de lo contrario afectaría a la transferencia de materia. La temperatura del producto se corresponde con la de bulbo húmedo del aire, en tanto que la de este último es la de bulbo seco. La diferencia viene dada por el hecho de que la evaporación implica una pérdida de calor latente que enfría la superficie del producto. Esta diferencia tenderá a cero conforme el aire se satura de humedad, siendo, así, tanto más acusada cuanto más seco sea éste. Este período está regido por condiciones ajenas al alimento, como son la temperatura, humedad relativa y velocidad del aire. En concreto, el aire debe reunir los siguientes requisitos:

• Temperatura de bulbo seco relativamente elevada.

• Reducida humedad relativa.• Velocidad de paso elevada.

Es evidente que si disminuye la temperatura del aire se resiente la velocidad de evaporación del agua y, por ende, se prolonga el proceso de secado. Lo mismo se puede afirmar si se aumenta la humedad relativa del aire, aunque en este caso la prolongación del tiempo de secado vendría dado por la reducción de la fuerza impulsora responsable de la transferencia de materia. En relación a la velocidad de paso del aire, si ésta disminuye, aumenta el espesor de la película de aire en reposo, adyacente a la superficie del alimento, lo que supone una mayor resistencia al flujo de calor y de materia.

Por lo general, si se parte de un aire relativamente seco, como sucede en un proceso de secado, resulta más crítico el valor de su temperatura que e) de su humedad relativa. Durante esta fase, el control del proceso corre a cargo de la transmisión de calor, que regula la veLoci- dad de evaporación del agua, en detrimento de la difusión externa de este vapor a través de la

película de aire interpuesto entre la superficie del sólido y la corriente de arrastre. La variable humedad relativa del aire, de menor influencia sobre la velocidad del proceso que su temperatura y velocidad de paso, determina, eso sí, el contenido de humedad en equilibrio del producto secado, aspecto decisivo en ío que atañe a la conservación del alimento deshidratado.

El período de velocidad de secado constante finaliza cuando se alcanza fa denominada “humedad crítica” del producto, punto de partida del siguiente y último tramo. En la práctica, esta división no es tan tajante, ya que hacia el final del tramo en cuestión comienza a apreciarse una disminución de la velocidad de secado, que enlaza gradualmente con el período de velocidad de secado decreciente. La razón de que la humedad crítica no esté claramente definida hay que buscarla en su dependencia respecto a la temperatura y velocidad de paso del aire, así como en relación al espesor, estructura y morfología interna del .sólido objeto de secado. Si la humedad de partida del alimento es inferior a su humedad crítica, parece claro que el período de velocidad de secado constante no tendrá lugar; la difusión interna del agua hasta la superficie del producto no es capaz de reponer todo el líquido que se evapora, por lo que difícilmente ésta se saturará. En realidad, el periodo de velocidad de secado constante se centra en la dcshidratación del agua libre del alimento, de ahí la importancia de conocer la aw del alimento para unas condiciones de operación dadas (isotermas de sorción).

El período de velocidad de secado decreciente comienza cuando la velocidad de migración del agua desde el interior del producto hasta su superficie decae respecto a la velocidad de evaporación del agua, lo que conduce a una desecación progresiva de la superficie del alimento. Paralelamente, tiene lugar un aumento de la temperatura superficial como consecuencia del desequilibrio existente entre el calor suministrado por el aire y la cantidad de agua evaporada. En suma, predomina en estas condiciones la transmisión de calor sobre la

transferencia de materia. El tramo considerado p resenta nn punto de inflexión cuando la su- perficic se seca por completo, momento en el que alcanza la tem peratura de bulbo seco del aire. Se com pleta así el prim er subtrarno del período de velocidad de secado decreciente, controlado por la difusión interna del agua, a diferencia de lo que sucedía en el período an terior, donde el control corría a cargo del g radiente de tem peraturas, a expensas de la difusión externa del vapor de agua.

Una vez se seca la superficie del sólido, se inicia el segundo subtrarno de este período, que se caracteriza por el progresivo desplazam iento del frente o plano de evaporación del agua desde la superficie hacia el centro de p ro ducto conforme avanza el secado. En este caso, la operación está controlada por la difusión interna del vapor de agua. El secado se da por terminado cuando la humedad del alimento se aproxima a su contenido de humedad en equilibrio, mínimo valor posible para unas condiciones dadas del aire. No todos los alimentos dan lugar a los dos subperíodos mencionados. Así, los no higroscópicos sólo manifiestan uno, con una definición muy nítida de su humedad crítica, en tanto los higroscópicos se ajustan a los dos sub tramos expuestos para el período de velocidad de secado decreciente, con las peculiaridades propias de cada caso.

En términos globales, se puede afirmar que la principal variable a controlar en el período de velocidad de secado decreciente es, al m argen del espesor de la pieza, la temperatura del aire. Habida cuenta que la difusión es interna, la influencia de la velocidad de circulación del aire pasa a un segundo plano. Por otra parte, durante este período desciende la transferencia de materia debido a la menor presión de vapor del agua rem anente (< aw) y a la resistencia que opone el propio alimento a la difusión interna. Si a esto se añade que se trata del período de mayor duración y en el que menos cantidad de agua se elimina, parece obvia la conveniencia de no operar con tem peraturas excesivamente elevadas; esta fase es la que presenta un mayor

riesgo de alteración de las propiedades del alim ento por sobrecalefacción. O tra posibilidad es llevar a cabo el proceso en su conjunto de una m anera escalonada, en etapas, disminuyendo gradualm ente la tem peratura del aire.

5 .3 . f . C á lc u lo d e l t ie m p o d e seca do

A ) Período de velocidad de secado constante

El cálculo para este período se basa en el equilibrio existente entre la velocidad de transferencia de m ateria y la de transmisión de calor. Así, la prim era puede expresarse por m edio de la siguiente ecuación:

d w , ,

t r í = - k - A Pv, r b a [5 -24 ]

donde w se refiere a la cantidad de agua del alim ento, kg es el coeficiente global de transferencia de materia, A el área de la superficie de secado, p la presión de vapor del agua superficial a )a tem peratura T (igual a la tem pera tu ra de bulbo húm edo del aire) y p a la p resión parcial del vapor de agua en el aire a la tem peratura de bulbo seco (Ta).

La velocidad de transmisión de calor viene dada, por su parte, por la siguiente expresión:

= h A ( T a - T s ) ¡5 .25 ]

en la que h es el coeficiente individual de transmisión de calor por convección y A el área afectada por dicha transmisión.

En el equilibrio, el caudal de calor suministrado al alimento debe asegurar la evaporación (transferencia de materia) del agua superficial, esto es:

dtdQ j J d w

dt[5 .2 6 ]

siendo X el calor la ten te de evaporación del agua a la tem peratura Tt . Sustituyendo en la anterior ecuación la expresión del flujo de calor:

h A(T a- T ¡ ) {5.27]

Si se refiere la cantidad de agua del alimento (w) al peso de la fracción seca del mismo, la velocidad de secado pasará a expresarse como la variación del contenido de humedad (W) por unidad de tiempo.

dWdt [5.28]

en la que A ' representa el área de secado por unidad de masa de sólido seco.

Particularizando para ei caso de una pieza de producto húmedo de espesor L, en la que la evaporación se limita a su cara superior, sin que el proceso de secado dé lugar a retracciones significativas, A ‘ se puede relacionar con la densidad de la fracción seca del alimento (ps) según se muestra a continuación:

a ' = - L - 1P s L

[5.29]

La velocidad de secado. R c, vendrá dada por:

= (W o-W c) p s* L _ (W g-W c) [5 31iíc h{Ta- T t ) R c

La expresión establece la influencia de lasprincipales variables del proceso sobre el tiempo de secado. Por lo general, se prefiere recurrir a términos de transmisión de calor, cuya determinación experimental es más sencilla y fiable, que al empleo de coeficientes de transferencia de materia.

E l coeficiente global de transferencia de materia, k , está relacionado con el coeficiente de difusión externa (/cc) y con la difusividad efectiva interna a través de esta expresión:

k e

LD,f

= - + — [5.32]

k se puede determ inar experim entalm ente a partir de los datos del proceso de secado. La estimación de kc se realiza mediante el empico de correlaciones al cfeclo. De la expresión anterior se deduce que para el período considerado, en el que controla la difusión externa, 1 Ik debe tener un valor muy próximo al de l//q .

El coeficiente individual de transmisión de calor se puede establecer bien experim entalmente, bien a través de la aplicación de correlaciones empíricas apropiadas al caso. Así, si el flujo de aire es paralelo a la superficie dei alimento,

h = 0,0204 G 0,8 [5.33]

, 5 ' 3 0 1

La integración de la ecuación [5.30] entre t = 0; W = WQ y i = fc; W = Wc perm ite establecer el tiempo de secado para el período de velocidad constante (/c), cuya hum edad varía entre la inicial (W0) y la final o crítica (Wc).

donde h viene dado en W m~2 K_1 y G, la velocidad música del aire, en kg m~2 s_1. Si el flujo es perpendicular a dicha superficie,

h = 0,0345 C7°'37 [5.34]

Cuando el calor que recibe el alimento se transmite también por radiación y conducción, como puede ser el caso de un secadero de ban-

dejas, hay que sustituir el coeficiente individual h por el global, U, que considera los distintos medios y mecanismos a través de los cuales se propaga el calor. Esta vez, la tem peratura superficial del sólido estará com prendida entre las tem peraturas de bulbo húmedo y de bulbo seco del aire.

B) Período de velocidad de secado decreciente

D urante esta fase del proceso la velocidad de secado pasa a estar controlada por la difusión in te rna del agua a través del sólido. Los m ecanism os por los cuales puede transcurrir dicha difusión son:

• D ifusión del líquido p o r gradientes de concentración de solutos.

• Difusión del líquido por capilaridad.• D ifusión superficial del agua adsorbida

por las capas superiores a la monocapa.• Difusión del vapor de agua por gradien

tes de presión de vapor.

En los sólidos granulares y porosos predomina el m ovim iento del agua p o r capilaridad, mientras que en aquellos que presentan una estructura más continua prevalece la difusión del líquido por gradientes de concentración. Estos dos mecanismos se pueden dar en serie, según el orden citado. También puede darse en serie una doble difusión por gradientes de concentración, diferenciadas entre sí por el valor de la difusrvi- dad efectiva, función del contenido de humedad. Asimismo, pueden coexistir una primera etapa de difusión del líquido con una segunda de difusión del vapor desde un plano interior del alimento. La difusión del vapor puede darse, a su vez, según toda una gama de modelos propuestos al efecto. En suma, resulta complejo discernir los mecanismos de difusión interna que tienen lugar en este período y su participación.

De una m anera genérica, la velocidad de secado durante este período puede representarse mediante la siguiente expresión:

dWdt

[5.35]

cuya in tegración entre los límites indicados conduce a:

f t = [5.36]Re W! W

(/ = ' - V = | r í " ( ^ r } [5.37]

siendo tf el tiem po de secado correspondiente a este período. El tiem po de secado to ta l del proceso, a tenor de las ecuaciones [5.31] y [5.37], sería:

, = < E o Z jU ) + HV,nRr Rr

[5.38]

que expresada en función de los térm inos que definen a ü r (ecuación [5.30]) quedaría como:

p X L

¿ ( X - n )(Wa - W c) + Wc ln Wc_

w [5-39]

Para la deducción del tiempo de secado a velocidad decrecien te se ha supuesto que la velocidad de secado durante el prim er subpe- ríodo de e s ta fase varía linealm ente con la hum edad, tal como se representa en la figura 5.9, D icha variación, expresada m ediante la ecuación [5.35], se establece a través de una constante de proporcionalidad, R /W c, determ inada, a su vez, por el valor de la velocidad en el período de secado constante. En ios alim entos en los que prevalece la difusión por fuerzas capilares se suele partir de o tra relación, tam bién lineal, en tre la velocidad de secado para este período y el contenido de hum edad, a saber:

d Wdt

Rc( W c - W e)

ecuación que desarrollada para los dos prime- (W — We) [5.4Ü] ros términos de la serie conduce a:

función, asimismo, del valor de la velocidad de secado durante el an terio r período, así como del contenido de hum edad en equilibrio, W . Siguiendo los mismos pasos que en el anterior

W - W .

cálculo de í ,

f' dt = —( W í- W j f w dW J VJ

Rc IV , ( W - W c)[5.41 j

t [5.42]1 Rc ( W c - W t)

íf = . (P¡XL — (W c ~ w j l n ^ [5.43](W c -W t)

E n los sólidos de geom etría plana en los que la deshidraíación se encuentra limitada a una sola de sus caras de mayor superficie y en los que la difusión interna controla la velocidad del proceso, el tiem po de secado para este período se puede establecer aplicando la ecuación de Fíele.

dW d w^ ‘ D " l x r

[5.44]

donde W es el contenido de humedad sobre base seca, f el tiempo y x la coordenada espacial. La resolución de esta ecuación para un alimento pasa por suponer que la difusión interna es unidireccional (eje x) y que el contenido de humedad inicial es uniforme. Para una rodaja de espesor L, relativam ente pequeña frente a las dimensiones de la superficie de secado, se tiene:

Wc - W e^ -9Dcf tf (jrJZL)2

’ + 9 C

[5.46]

Esta ecuación se simplifica despreciando todos los términos de la serie, excepto el primero: la aproximación es tanto mejor cuanto mayor sea el tiempo de secado.

W c-W ,e K

Despejando de la ecuación anterior, se obtiene:

4 L2 í , W - W r , 8 t f = ---- ;------ | l n —— — - l n — | [548j

x 2D e 'W c - W e K~

Si se diferencia esta ecuación, se llega a la siguiente expresión;

‘«ó »-rd<w-w,) [5.49]dt ) 4 L2

análoga a la ecuación [5.40]. La integración de la ecuación [5.49] conduciría, obviamente, a aquella a partir de la cual se ha deducido (ecuación [5.48]). Sin embargo, si se desprecia la constante de integración, que vendría dada por el término In 8/tc2, se llega a la siguiente ecuación:

= — Y .—n o (2n + 1)

W - Wf

W c ~ W,

exp - ( 2 « +

41tf ~ z r ~ Z i-ln-

W -W .

Defx (Wc- W e)[5.50]

similar a la deducida para el tiempo de velocidad de secado decreciente cuando controla la

difusión por capilaridad (ecuación [5,43]). N ótese que si el secado es por ambas caras, L correspondería al sem iespesor de la lámina de alimento.

El estudio experimental del período de velocidad de secado decreciente se lleva a cabo re presentado en papel semilogarítmico el valor de (W - W J/(W { - W J en ordenadas frente a t¡. E sta representación perm ite conocer o descartar el mecanismo de difusión que controla el secado, según se ajusten o no los resultados experimentales a las ecuaciones anteriormente deducidas, así como relacionar estos resultados con los que cabe esperar para el secado del mismo alimento bajo otras condiciones de operación.

Si los datos se ajustan a una línea recta, por com paración en tre el significado físico de su pendiente y las ecuaciones [5.42J y [5.43], dicha pendiente ha de ser proporcional al espesor de la pieza. Se confirmaría, así, que en el período de secado estudiado controla la difusión por capilaridad.

Si el mecanismo de secado está regido por la difusión interna del líquido, situación que se puede dar para cualquiera de los dos subperío- dos del tram o analizado, la representación de los puntos experimentales dará lugar a una recta después de un corto período inicial de leve curvatura. E n este caso, por comparación con la ecuación [5.50], la pendiente será inversamente proporcional al cuadrado del espesor y d irectam ente proporcional a la difusividad efectiva del líquido, sin que dependa, a diferencia de la situación anterior, de la velocidad de secado antecrítica. Esta representación perm ite, asimismo, deducir el valor de la difusividad efectiva. Ea pendiente del tram o recto de la función, teniendo en cuenta el cambio de base logarítmica, será igual a:

E n síntesis, el período de velocidad de secado decreciente depende fundamentalmente de

las características del sólido tratado, lo que no sucede en el período previo, condicionado sobre todo por las condiciones del aire de secado. El tiempo de secado para el período considerado puede ser directam ente proporcional al espesor del alimento, cuando controla la capilaridad, cen trada p referen tem ente en el prim er subperíodo, o al cuadrado del espesor si controla la difusión interna, situación que se puede dar para cualquiera de los dos subperíodos.

C) Determinación de la difusividad efectiva

La difusividad efectiva del agua en el interior de un alimento depende tanto de las características estructurales del mismo, como de la variación de su contenido de humedad y temperatura a lo largo del proceso de secado. Su valor se puede establecer para determ inados alimentos aplicando la correlación apropiada al caso. Sin embargo, norm alm ente se ha de recurrir a una experim entación que perm ita establecer una correlación específica para el alim ento y sistem a de secado en cuestión. La influencia de la tem peratura sobre la diíusivi- dad se cuan tífica por medio de la ecuación de Arrhenius:

Def = A¡ exp ( -E J R T) [5.52]

donde E a es la energía de activación y T la temperatura. D 0 depende de la estructura del alim ento, en tanto que E a de los contenidos de solutos en el agua.

En lo que concierne a la hum edad del alim ento, se aprecia que la difusividad aum enta conforme aquélla es mayor, estabilizándose su valor a partir de un determinado grado de humedad, distinto según el alimento considerado. Se trata, pues, de una función de tipo saturante, cuya asíntota corresponde ai valor de la difusividad para altos contenidos de humedad. Un modelo general, que se ajusta al tipo de función antes descrita y que considera las dos variables citadas, es el representado por la ecuación:

A ¡ f _ -E J R T jC g

A 1 + K e '£‘/Rr[5.53]

La aplicación de esta ecuación para predecir la variación de D^ con la humedad y temperatura exige la determinación experimental do D0, Ea, Eb y K. Como se ha indicado antes, Def se puede establecer a partir de la representación de (W - We)/(W e- WJ frente ai tiempo desecado. La energía de activación se obtiene también gráficamente representando ln frente a 1/7. La energía de enlace del agua Eb se calcula, tal como se apuntó en su momento (ecuación [5.23]), representando ln nH>, lo que implica la determinación de las isotermas de sorción a distintas temperaturas, frente a 1/7. Por último, la constante K se establece ajustando los datos experimentales de Def ala ecuación [5.53] para distintas humedades y temperaturas.

Aire To,.W,

mo/dfcVV*Producto

TP2,W7 mp/ 7"pi

Figura 5 .1 0 . Balance de energía en un procejo de secado con aire.

donde el producto de los factores entre paréntesis corresponde al calor húmedo de la mezcla (<*)■

Considerando que la entalpia del producto carece de peso frente a otros términos del balan- oe energético y teniendo en cuenta la expresión anterior, la ecuación [5.54] quedaría como sigue:

tñaCj>mj T a2 r t la C p ^ T al + W lCp„. T o l

~ W z c F„ T a2 + W i X Tal - W i Xr , t t5 -5 6 ]

5.3.2. Consideraciones energéticas

Si el aire entra a temperatura 7a2 y sale a 7fll, con un caudal másico sobre base seca ma, mientras que el producto se introduce a la temperatura Tpl y se retira a 7 2, con un caudal másico sobre base seca el balance energético para un sistema adiabático, representado en la figura 5.10, quedaría como sigue:

maH + mp Hpi = r r t n H m ¡ , H pi [5.54]

La entalpia Hta corresponde a la suma del calor sensible de la mezcla aire-vapor de agua y del calor latente del vapor de agua. El calor sensible se calcula como el producto del calor húmedo de la mezcla (ecuación [5.11]) por la diferencia de temperaturas entre la de saturación del vapor y la de referencia (70 = 0 °C). El valor del calor latente se toma de las tablas de vapor de agua saturado. Así pues, Ha2 se expresa mediante la siguiente ecuación:

f l-2 = (cM + c» W 2){T* - 7 0) + W2Xm [5.55]

El rendimiento térmico de un secadero se define como la relación entre la cantidad de energía teórica necesaria para eliminar el agua y lá cantidad de energía consumida en la práctica. Así pues, la aplicación al caso conduce a una expresión en función de las temperaturas de entrada y salida del aire, en la que se ha considerado que el calor específico del aire no varía con la temperatura, lo cual no deja de ser una simplificación:

_ m nH a i - m a H a i

m a l í a i

muCpa1Tai -maCp^Taj 7 at [5.57]ntaCp^T al Tal

El análisis de esta expresión es inmediato: interesa que la temperatura del aire a la salida de la instalación (7al) sea lo más baja posible, lo que se opone a la conveniencia de que esta corriente no se sature en humedad, que se evita aumentando su temperatura.

El consumo energético unitario, por su parte, se define como la energía consumida por unidad de masa de agua eliminada.

la corriente depurada por intercambio con el aire seco de entrada al secadero, que resulta así precalentado.

CEU =(W2 - W i)

[5.58]

En definitiva, se pone de manifiesto la necesidad de optimar el aprovechamiento de la entalpia de salida del fluido calefactor, limitándose así el coste energético. Un ejemplo al respecto podría ser la recirculación de parte del aíre de salida de un secadero convectivo, aun cuando esta alternativa se encuentre supeditada a la pérdida de capacidad de secado por parte de la corriente de aire de enriada, merced al consiguiente incremento de su humedad relativa (véase el ejemplo 5.4).

La recuperación de la entalpia del aire de salida resulta deficiente por diversas razones. El aire presenta un calor específico moderado, sobre 1 k f kg-1 K-1. Su entalpia se debe en gran parte al calor latente del vapor de agua, muy diluido en la corriente. Por otra parte, su coeficiente individual de transmisión de calor es muy bajo. Por tanto, la recuperación de su entalpia pasa por la impulsión de un considerable caudal, con el consiguiente consumo eléctrico. El intercambio de calor se ve dificultado también por este caudal, así como por el bajo coeficiente convectivo, factores que determinan una gran superficie para la transmisión de calor y, por ende, un equipo voluminoso. Por último, esta corriente de aire arrastra contaminantes, sólidos y vapores, que pueden dar lugar a la formación de depósitos sobre la superficie del intercambiad or.

A pesar de lo expuesto, el futuro de las técnicas de secado con aire pasa por el desarrollo de procedim ientos de recuperación del calor del aire húmedo. Además de lo apuntado acerca de una posible recirculación, algunas instalaciones ya incorporan un lavador o absorbedor húmedo para la depuración del aire de salida. Seguidamente, se recupera el calor sensible de

5.4. Secado por contactocon una superficie caliente

Esta técnica de secado se aplica preferentemente a alimentos de consistencia fluida, depositándose una fina película de! mismo sobre una superficie metálica caliente. El equipo más habitual consiste en un tambor por cuyo interio r circula vapor de agua. La transmisión de calor al producto se efectúa, pues, fundamentalm ente p o r conducción. H abida cuenta de que su superficie externa se encuentra en contacto con el aire ambiente, se ha de considerar también la contribución adicional que supone el secado por arrastre, convectivo. Las etapas de que consta el proceso de secado son las siguientes:

• Calentamiento de la película de producto hasta alcanzar su temperatura de ebullición. Se trata de un período muy corto.

• Ebullición del producto. Su fracción líquida pasa gradualmente a estado vapor. La superficie externa del cilindro se enfría como consecuencia del calor latente de vaporización que se consume. Esta fase de secado, rápida, se puede asimilar al período de velocidad de secado constante con aire caliente.

• A um ento de la temperatura de! producto hasta alcanzar un valor próximo al de la tem peratura de la superficie externa del cilindro calefactor. Es una fase de secado lenta, donde sobrevienen los mayores riesgos de alteración del producto por sobrecalefacción, que guarda cierto parecido con el período de velocidad de secado convectivo decreciente.

En realidad, en este tipo de secado no se da un cambio de mecanismo durante la deshi-

dratación como en el caso convectivo. Las etapas dependen fundam entalm ente de las condiciones de operación y del equipo, y menos de las características del producto a secar. Por ello, se suele considerar la velocidad de secado desde el punto de vista de la transmisión de calor. Las principales variables que rigen el proceso son:

• Presión del vapor. Determina la temperatura de la superficie de calentamiento. Nótese que si se emplea un vapor de alta presión, al margen de los posibles riesgos de alteración del producto, habrá que aumentar el espesor de la pared del cilindro, lo que lleva consigo, además de una mayor inversión, una disminución del rendimiento térmico del proceso. El límite para la temperatura del vapor saturado se establece en torno a los 130-150 °C.

• Velocidad de giro del cilindro, Pija el tiempo de secado del producto. Por otra parte, está relacionada con el coeficiente global de transmisión de calor; en concreto, conforme aumenta la velocidad de giro disminuye el coeficiente individual de transm isión de calor entre la pared externa y el alimento en contacto con ella a través de la capa límite de aire interpuesta.

6 Espesor de la película de producto. Al igual que en el caso anterior, esta variable influye sobre la transmisión de calor. Así, si se reduce su espesor, disminuye la resistencia que ofrece el alimento a la transmisión de calor. Ahora bien, si la película adherida al cilindro es excesivamente delgada, se resiente el tamaño de partícula del sólido obtenido, aspecto que puede ser im portante a efectos de presentación o, si es el caso, de su posterior rehidratación.

• Espesor y tipo ¿le material sobre el que se deposita el producto. Determinan el flujo de calor por conducción a través de la pared del cilindro. Es evidente que inte

resa el menor espesor posible y un material con una elevada conductividad térmica.

* Características del alimento. Las más interesantes desde el punto de vista del proceso de secado son aquellas relacionadas con su adherencia a la superficie del cilindro, a saber: viscosidad, tensión .superficial y poder humectante. Lógicamente, cuanto mejor se adhiera, menor es el espesor de la capa límite de aire que se interpone entre el alimento y la superficie externa del cilindro.

Para salvaguardar las propiedades nutritivas y organolépticas del alimento frecuentemente se opera a vacío, lo que permite reducir la temperatura de ebullición del líquido, al tiempo que se aumenta el gradiente de temperaturas entre la superficie calefactora y el producto tratado.

5.4 . J. Cálculo del tiempo de operación

La velocidad de secado de un alimento en este tipo de equipos está gobernada, como ya se ha dicho, por la velocidad de transmisión de calor desde el cilindro hasta c.l producto. Supuesto que existe un equilibrio entre el calor que se transfiere y la cantidad de agua que se evapora, representado por la ecuación [5.26], la velocidad de secado vendrá dada, en este caso, por la siguiente ecuación, análoga a la [5.27]:

dw UA(Jp ~T S)dt X

[5.59]

donde dw/dt representa la cantidad de agua eliminada por unidad de tiempo, U el coeficiente global de transmisión de calor, A la superficie disponible para el intercambio de calor (área externa del cilindro). Tp la temperatura superficial del cilindro, Ts la temperatura de la superficie del alimento donde se produce la eva-

potación y A el calor latente de vaporización del agua a la tem peratura T

El coeficiente global de transmisión de calor tiene en cuenta las resistencias en serie que se oponen al flujo térmico a través de los coeficientes individuales de los medios convectivos y de las conductividades térmicas de los m ateriales sólidos existentes. Así, se tiene;

• Coeficiente individual de transmisión de calor del vapor condensado sobre la pared interna del cilindro (hc).

* Conductividad térmica del material de la pared del cilindro ( k ) .

• Coeficiente individual de transmisión de calor entre la superficie externa del cilindro y la superficie del alimento en contacto con ella a través de la capa de aire interpuesta (ha).

* Conductividad térmica del alimento (/cj o coeficiente individual de transm isión de calor si éste es líquido (h ).

* Coeficiente superficial de radiación (hr).• Coeficiente individual de transmisión de

calor correspondiente a la evaporación del agua (he).

Si se considera que los cocientes entre las áreas de los distintos medios y el área de referencia está próximo a la unidad, el coeficiente global de transmisión de calor se ajustará a la siguiente expresión:

i— + — + — [5.60] h p ) h 2 K

en la que / y lp representan, respectivamente, los espesores de la pared del cilindro y de la película de alimento.

Los factores de mayor peso en el valor de U son los térm inos debidos a la transm isión de calor a través de la película de aíre y a las propiedades térm icas del alimento. Por tanto. U puede expresarse de una manera simplificada sesún la ecuación:

A = n L + A u K k.

V

\ ht>)[5.61]

Si la operación de secado se complementa con el paso de aire a una cierta velocidad y temperatura, el coeficiente he debe considerarse en el cálculo de U. A continuación se expone una expresión empírica para establecer el valor de he.

h< =3 , 0 5 1 0 V ^ ( p ^ - p J A

T , ~ T a[5.62]

donde h r viene en J/(h m J °C), V es la velocidad de paso del aire (m/s), la presión de vapor del agua en la superficie de evaporación (atm), p la presión parcial del vapor de agua en el aire (Pa), A el calor latente de vaporización (J/kg), 7\ la tem peratura reinante en la superficie de evaporación (°C) y A la tem peratura del aire (nC).

O tra cuestión a tener en cuenta es la variación de las distintas tem peraturas a lo largo del proceso. D e partida, se ha considerado que la tem peratura de la pared (T ) es igual a la tem pera tu ra de saturación del vapor de calefacción y que la tem peratura de la superficie donde se produce la evaporación (Ts) se corresponde con la tem peratura de ebullición (2 'J . Por lo general, tampoco se considera el posible increm ento de Tv según aum enta la concentración de solutos en la disolución. Ahora bien, dado que hacia el final del secado Ts tiende a aum entar por encima de Tv, aproximándose al valor de T , se ha de introducir un coeficiente (f) que tenga en cuenta esta posibilidad,

/ =T p - T sT n ~ T v

[5.63]

cuyo valor siempre será próximo (inferior) a la unidad.

P or combinación de las ecuaciones [5.59] y [5.63], se concluye que la velocidad de secado

de an alimento por contacto con una superficie caliente está representada, de una manera aproximada, por la siguiente ecuación:

5.4,2. Consideraciones energéticas

El agente de calefacción en este caso suele ser vapor de agua. Dado que el calor latente de condensación de este vapor se destina casi exclusivamente a evaporar el agua del producto secado, el rendimiento térmico del proceso es muy elevado. Así, si se parte de un vapor de calefacción de 100 °C (// = 2676,1 kJflcg), su condensado a la misma temperatura (H = 419,04 kJ/kg) asegura un excelente rendimiento térmico (ecuación [5 .5 7 ]) : r j = 1 - (419,040676,1) - 0,844

En segundo lugar, el vapor procedente del alimento tiene una entalpia considerable, próxima a la del vapor de calefacción. Por otra parte, no existe el problema de su dilución por parte del aire, aun cuando la economía de la recuperación de la entalpia se vea condicionada por su gran volumen específico: un vapor saturado a 90 °C ocupa 236 m3/kg. Esta afra se dispara conforme desciende su temperatura de saturación: a 40 “C la misma cantidad ocuparía casi 20 m3.

En tercer lugar, citar las facilidades que ofrece la recuperación del condensado del vapor de calefacción. Se puede aprovechar su calor sensible por intercambio con otro fluido o, simplemente, reutilizarlo como agua de alimentación de la caldera de producción del vapor de agua de calefacción. En principio, parece más lógica esta última opción, ya que se está ante un agua ya tratada, de cierto valor, apta para su empleo como materia prima en la generación de vapor. E n resumen, los procesos de eliminación de agua por contacto con una superficie caliente resultan más favorables, desde el punto de vista energético, que los procesos puramente convectivos.

5.5. Equipos de secado convencionales

La selección de un secadero viene dada, fundamentalmente, por un compromiso entre Ja inversión precisa, los costes de operación, la calidad del producto obtenido, la seguridad asociada al proceso y la repercusión medioambiental. El emplazamiento se considera implícitamente a través de su influencia sobre los aspectos anteriormente atados. En el cuadro 5.2 se establece una clasificación de secaderos atendiendo a su modo de operación, continuo o discontinuo, y al mecanismo predominante de transmisión del calor, convección o conducción. El cuadro 53 recoge, por su parte, ciertos aspectos económicos de algunos secaderos.

CUADRO 5.2 Clasificación ríe secoríetos

Convección Conducción

Discontinuos Continuos Discontinuos Confínaos

Dedos plantas De lecho Owduodo De bandejas a vacio D» tamboresDe bande jas De túnel k) vacio o no)De tolva De cinta sinfín De placas a vacíoSolar Decenal (ovado)De lecho Ruidizado Rotatorio De dnta sinfín

Neumático {avado)Por atomización

CUADRO 5.3 Costes de operación y consumos energéticos

de algunos secaderos

Secadera

Costesde

operoáóorelativos

Consumos energéticos

(kWh/kg agua eliminada)

De lecho fluidizado 1,59 3,50Convectivo convencional 1,00 _Neumático — 1,80Por atomización — 2,50De tambor 1,65 1,25En continuo a vacio 9,29 _Liofilizador 17,82 —

Hay una serie de casos en los que la selección es prácticam ente inmediata. Así, si la capacidad de tratam iento prevista es de poca consideración, la m ayoría de los alimentos se pueden secar medíante un equipo de bandejas (discontinuo), ya sea a presión atm osférica (por convección) o a vacío (por conducción). Cuando el alimento es muy sensible a la temperatura y su valor añadido lo permite, se justifica su liofilización. Los calentamientos por ra diación tam bién se circunscriben a casos muy específicos.

5.5. /. Secaderos convectivos

Calentamiento del aire. El aire se puede calentar por métodos directos o indirectos. Et calentam iento directo consiste en mezclar el aire con los gases de una combustión, sin que medie en tre am bos fluidos resistencia alguna a la transmisión de calor, como es el caso de un intercam biador de calor. La exigencia de un fluido térmico no tóxico limita el tipo de combustible a ciertos gases com o, por ejemplo, el butano. El equipo no requiere una gran inversión y su rendim iento térmico es excelente: todo c! calor de combustión del gas se transfiere al aire. La ausencia de intercam biador de calor reduce, asimismo, la perdida de carga debida a la circulación del aíre, lo que se traduce en un

menor consumo de electricidad del sistema de impulsión. La operación presenta, sin embargo, un inconveniente: el vapor de agua generado por la combustión del gas se incorpora a la corriente de aire, aumentando así su humedad.

Un segundo método de calefacción directa del aire lo constituye el basado en el empleo de resistencias eléctricas. Como inconveniente principal reseñar su carestía, consecuencia del bajo rendimiento de la producción de la electricidad, sobre el 40% en los procesos convencionales. N o obstante, el uso de electricidad puede llegar a resultar interesante según las fuentes de producción de energía primaria del país donde se radica la actividad industrial. Sus ventajas vienen dadas por su elevado rendimiento térmico y por su disponibilidad, accesibilidad, flexibilidad y fácil control. Su empleo asegura, además, una operación con bajos niveles de riesgos de incendio y explosión y con una higiene y limpieza más que aceptables.

La calefacción indirecta, es decir, a través de un intercam bio de calor, se puede llevar a cabo mediante gases de combustión, vapor de agua o fluidos térmicos. Los gases se pueden obtener a partir de una amplia variedad de combustibles. El vapor de agua es el agente de calefacción por antonomasia. Posee un calor latente elevado, así como una aceptable conductividad té rmica. Desde el punto de vista del alimento, carece de toxicidad, no presenta riesgos de incendio o explosión y no da lugar a olores. Su empleo se restringe a temperaturas por debajo de los 200 °C, valor para el cual ya precisaría una presión de saturación en torno a las 15 atm, para evitar el sobredíinensionamicnto de equipos en general. Cuando se sobrecalienta, se reduce su conductividad térm ica, de ahí que su campo de aplicación se circunscriba a unos pocos casos. El vapor de agua, a pesar de lo expuesto , se encuen tra en retroceso respecto a otros sistemas de calefacción. Esto se explica debido al bajo rendimiento térmico global (generación + aplicación) que presenta respecto a otros posibles m edios calefactores. P or ejem plo, los fluidos térm icos, aceites m inerales de

alto punto de ebullición, cuyo calentamiento se efectúa por intercam bio con los productos de combustión de un combustible, permiten calenta r aire por encima de los 300 CC con un rendimiento térmico del orden del 85%.

Secadero de dos plantas. Consta, como su nom bre indica, de dos plantas: la baja, donde se aloja el horno en el que se calienta el aire m ediante los gases de com bustión, y la superior, sobre la que se esparce el alimento a secar sin exceder los 20 cm de espesor. Las plantas se encuentran separadas entre sí p o r una rejilla que, además de soportar el alimento, distribuye la corriente de aíre que asciende por convección. Son de difícil control, los tiempos de secado prolongados y el coste de mano de obra considerable; la carga, volteo y descarga del alim ento se efectúan m anualm ente. Aun cuando dan lugar a un producto poco uniforme, resultan todavía interesantes por su elevada capacidad de tratam iento y sencilla utilización. Aplicaciones', lúpulo, malta y rodajas de naranja.

Secadero de bandejas (de cabina o de armario). E l com partim ento, conocido por cabina o armario, está dotado de uno o varios ventiladores encargados de im pulsar el aíre caliente a través de la batería de bandejas que soportan el alimento. El sentido de flujo del aire, que se establece m ediante tabiques deflectores, puede ser transversal a las bandejas (1,5 m/s), secado en paralelo, o ascendente (sobre 1 m/s). secado en serie. En este último caso la base de las bandejas está constituida por una malla. La carga y descarga de las bandejas se efectúa por lotes con ayuda de un bastidor. El control del proceso, de existir, se limita a regular la temperatura y caudal de aire, así como su tasa de recirculación. Se emplean para pequeñas capacidades de tratam iento (1.000 kg de producto/día y unidad), Su principal inconveniente viene dado por la heterogeneidad del producto seco. Sus ventajas se centran en su coste y sencillez de operación, siendo la más sobresaliente su gran versatilidad. Aplicaciones: frutas y verduras en general.

Secadero de tolva. En estos equipos el alimento descansa sobre una malla, a través de la cual se distribuye el flujo ascendente de aire caliente (0,5 m/s). Si la instalación es de gran capacidad, caso habitual, incorpora un sistema de impulsión y calefacción de aire. De lo contrario, el equipo posee una toma para acoplar el servicio de aire caliente. Esta operación se justifica como com plem ento al secado previo del alimento en otro equipo. Su empleo en serie supone un ahorro del tiem po de secado total, aun cuando su velocidad de deshidratación resulte moderada/baja. El alimento a tratar debe reunir, habida cuenta de su disposición en la tolva, una gran resistencia mecánica a la compresión. La humedad del producto “acabado” está sobre eí 3-5% sobre base seca. Al igual que en el caso anterior, la inversión requerida es razonable y su funcionamiento sencillo. Aplicaciones', secado final de productos vegetales.

Desecación solar. Se trata de un proceso natural, que no requiere instalación, en el que la radiación solar incide sobre el alim ento. La operación se limita al volteo del alimento esparcido hasta alcanzar el grado de deshidratación deseado. En algunos casos se aprovecha la energía solar para calentar el aire que se va a utilizar como agente de secado. Se combina así la desecación por convección natural con la debida a la convección forzada. Los dos sistemas expuestos son sumamente económicos; sin embargo, la velocidad de secado es muy lenta y los productos obtenidos heterogéneos. I-a operación, además, se encuentra supeditada a la radiación media solar de la zona en cuestión. A pesar de todo, la desecación solar es la técnica de conservación de alimentos más extendida a escala mundial. Aplicaciones', productos agrícolas en general.

Secadero de lecho fluidizado. Consiste en la fluidización del alim ento m edian te una corriente de aire caliente que actúa simultáneam ente como gas fluidizantc y agente de secado. La operación puede ser continua o discontinua. El sólido se soporta sobre una rejilla distribuidora constitu ida p o r una placa

metálica, perforada o provista de distintos accesorios para la difusión del aire. Si ia operación es en continuo, el sólido seco se retira del sistema a través de un rebosadero, pasando al siguiente lecho. En estas condiciones, el producto obtenido no es tan homogéneo. Esta técnica se beneficia de las ventajas inherentes a la fíuidización, a saber: humedad uniforme del sólido, buen contacto sólido-fluido y condiciones de isotermicidad. La técnica, por tanto, permite una elevada velocidad de secado y un buen control del proceso, lo que redunda sobre la calidad del producto procesado. Aplicaciones'. granos de cereales en general, puré y granulos de patata, alubias, guisantes, cebollas, zanahorias, café, carne en cubos, arroz y alimentos pulverulentos como harina, azúcar, cacao, sal y suero de leche.

El equipo, además del lecho propiamente dicho, incorpora un sistema de alimentación del sólido, un dispositivo de extracción del sólido seco una vez rebosa (normalmente un. tornillo sinfín), así como un medio de recolección de finos del aire de salida (ciclón o filtro de mangas) (figura 5.11). La fracción de finos separada puede, bien devolverse al lecho, bien mezclarse con la alimentación a fin de facilitar su fíuidización por reducción de su humedad. El ventilador de aire

Salido de airAlim entación

Entrada de aireLámina

C alen tad ort Tornillo nde aire ’ sinfín Salida de(v

producto

Figura 5 .1 1. Secadero de lecho fluidiitado.

se suele situar, al igual que en los atomizadores, a la salida del equipo de filtración. La operación, atmosférica, se puede llevar a cabo también a presión o incluso a vacío, lo que supone en ambos casos un encarecimiento del equipo.

El grado de fíuidización deseado se fija atendiendo al valor de la velocidad mínima de fíuidización, propiedad específica de cada alimento y que se determina cxperimentalmente. Normalmente se opera con velocidades 2-3 veces superiores a la de mínima fíuidización. Por encima de 4 veces el valor de esta última se alcanza la denominada velocidad de arrastre, es decir, se pasa al transporte de sólidos en corriente de aire (condiciones neumáticas). Para establecer los niveles de operación se parte de las ecuaciones empíricas que correlacionan la pérdida de carga debida al lecho con la velocidad mínima de fíuidización por medio de las propiedades físicas del sólido y de las propiedades fluidodinámicas del gas fluidizante. Como quiera que estas correlaciones sólo tienen en cuenta el efecto de ia temperatura a través del valor de la viscosidad del fluido, por lo general resulta imprescindible efectuar una experimentación previa al diseño de la instalación.

Como comportamiento de carácLer general se puede señalar que el sistema no limita la velocidad de transferencia de materia ni la de calor entre el aire y el sólido, lo que conduce a la isotermicidad del conjunto. Las burbujas de aire contribuyen decisivamente a la homogeint- zación del sistema, siendo la velocidad de mezcla más acusada vertical que horizon taimen te. Esta técnica se encuentra limitada, lógicamente, a alimentos susceptibles de ser fiuidizados. En principio, un alimento que se desee fluidizar debe reunir los siguientes requisitos:

• Tamaño medio de partícula comprendido entre 20 pm y 10 mm para evitar, por una parte, el apelmazamiento de finos y, por otra, la formación de canales preferentes a lo largo del lecho, que quedaría así cortocircuitado por el aire ascendente.

• Distribución de tamaños de partícula estrecha para asegurar la íluidizacion de la mayor parte del sólido. Las pérdidas de finos por arrastre serían en este caso mínimas.

• Si el material es propenso a aglomerarse entre sí, la fluídizacíón debe garantizar su fractura en partículas de menor tamaño, más fácilmente fluidizables.

• La forma más deseable^ desde el punto de vista de la fluídizacíón es la esférica, que es la que ofrece mayor superficie por unidad de volumen (mejor contacto). Cuando el producto es de geometría irregular el corte más habitual es en forma de rodaja o de cubo.

• El sólido debe poseer una gran resistencia mecánica, a fin de que pueda soportar los impactos que implica semejante grado de agitación,

• El producto final no puede ser de naturaleza pegajosa a la tem peratura de salida del aire, por los inconvenientes que ello plantearía.

Las características de algunos alimentos requieren la consiguiente modificación del equipo con vistas a su fluidizacíón. Entre las distintas m odalidades de lechos destacan las siguientes:

Lecho fluidizado vibratorio. Se aplica a alimentos con escasa aptitud hacia la íluidización, esto es: amplia distribución de tam años de partícula, moderada resistencia mecánica, untuosos, termoplásticos o de consistencia pastosa. El alimento se sitúa en una cámara de secado rectangular, estrecha, som etida a una vibración comprendida entre 5 y 25 Hz. Este sistema se corresponde más con un suave transporte del sólido por vibración a lo largo de la cámara que con una fluidizacíón convencional; de hecho, la velocidad del aire se suele establecer por debajo del valor de la de mínima fluidizacíón.

Granulación en lecho fluidizado. Se aprovecha el buen contacto existente en este tipo de equipos para nebulizar sobre el lecho un líqui

do que perm ita la aglomeración de partículas entre sí, proceso simultáneo al secado. Las nuevas partículas, entre Ü,2 y 2 mm, determ inan una mejor distribución granulométrica y densidad aparente. Una ventaja adicional es la ausencia de finos en la corriente del aire de salida.

Lecho fluidizado cónico giratorio (secadero “Torbed”). Se emplea con alimentos de tamaño de partícula superior a 5 mm cuya fluidizacíón convencional resulta deficiente. El aire caliente se introduce por la parte central inferior del lecho troncocónico, de tal forma que las partículas adquieren un movimiento centrífugo ascendente que las lleva al rebosadero periférico superior conforme se van secando (figura 5.12). El excelente grado de mezcla alcanzado posibilita unas elevadas velocidades de transferencia de materia y energía, de ahí que el equipo este especialmente indicado para alimentos termosensibles.

Lecho fluidizado agitado. Se trata de un lecho fluidizado convencional provisto de agitación mecánica. La finalidad de esta agitación se centra en la fractura de las partículas de mayor tamaño para favorecer así su íluidización. Se aplica a alimentos pastosos con un gran contenido de humedad.

Entrada producto

CUADRO 5 .4Vente/as e inconvenientes de vn secadero convectivo convencional continuo según ei sentido del flujo de aire

Flojo de aire Venía/as inconvenientes

Paralelo Elevada velocidad inicial de secado. Retracción moderada del producto. Densidod moderado dd producto. Ausencia de riesgos de deteriora del producto por sobrecalefacción.

Secado poco exhaustivo.

Contracorriente Bueno eficacia energética. Secado más exhaustivoi

Baja velotidod initial de secodo. Retracción significativa del producto. Producto de alto densidad.Riesgo de sobrecalefocción del producto.

Poralelo<on Iraeorri ente en serie Tiempos de secado eorlos.Mayor capacidad de tratamiento. Mejor control del proceso.

Mayor inversión.Mayores costos de operación.

Transversal con control de los condiciones del aire por secciones

Tiempos de secado muy cortos. Grand capacidad de tratamiento. Buen control del proceso.Producto uniforme y de calidad.

Gran inversión.Grandes costes de operación

Lecho fluidizado rotatorio. En realidad consiste en una modificación de un secadero rotatorio convencional, en el que el aire se introduce por la parte inferior del cilindro rotatorio perforado, dispuesto horizoutalmente. El alimento en su paso por la cámaTa cilindrica se seca tanto en lecho fijo como en lecho fluidizado. Se aplica a alimentos pegajosos o a vegetales de geometría irregular, ambos difíciles de fluidizar en condiciones ordinarias, y que tampoco se pueden secar por un sistema de túnel o similar por su sensibilidad a la temperatura.

En los secaderos de túnel, cuyas dimensiones pueden llegar a ser de 2 x 2 x 25 ni, el alimento se sitúa sobre bandejas (espesor: 3-5 cm) dispuestas verticalmentc en vagonetas, que circulan con la velocidad que determine el tiempo de secado previsto. Los posibles sentidos de flujo del aire son (cuadro 5.4): en paralelo o concurrente, en contracorriente y transversal al alimento (3-6 m/s). Se pueden dar, además, distintas combinaciones entre los citados sentidos de flujo. Por ejemplo, hay equipos donde la primera parte del secado se efectúa

en paralelo y la segunda, más prolongada, en contracorriente. La salida de aire, común a los dos tramos, se encuentra en una zona intermedia del túnel, por lo general más cercana a la entrada del producto húmedo (figura 5.13).

En otras ocasiones, se asocian hasta tres túneles en serie, cada uno con sus propias características en cuanto a sentido de flujo y condiciones de! aire. Así, si el producto está en el período de velocidad de secado constante, se opera con aire en paralelo en torno a los 100 °C, mientras que por debajo de su humedad crítica se invierte el sentido de flujo del aire y se limita la temperatura a los 70 °C para prevenir su deterioro por sobrecalefacción.

El secadero de cinta sinfín o de transportad o r se diferencia del de túnel (también secadero convectivo convencional), más que en sus dimensiones, parejas, en que el alimento se deposita (espesor: hasta 20 cm) sobre una malla. Consta de dos etapas de secado: en la primera el aire circula (flujo cruzado o vertical) de abajo a arriba, en tanto que en la segunda, donde presumiblemente el producto tiene me-

Entrada de vagonetas

Placas Ventiladordeflectoras Calentador

v

Salida de vagonetas

Entrado de aire

FIGURA 5 .1 3 . Secadero de túnel con aire en contracorriente.

ñor densidad, se invierte el sentido de flujo del uire. I-a cámara incorpora a veces una tercera sección de enfriamiento, donde se mantiene el sentido de flujo de aire de la etapa anterior para evitar el arrastre neumático del producto seco. El espesor de producto sobre la cinta se va aumentando conforme éste pasa por las sucesivas etapas (figura 5.14).

SentidodelAlimentación flujo d e aire Producto

\ U * | j

FIGURA 5 .1 4 . Secadero de cinta sinfín.

Este tipo de secaderos se utiliza también para la deshidratación de alimentos en forma de espumas. Con esta consistencia de partida se agiliza el proceso de secado, al tiempo que se alcanza un producto de estructura porosa. La preparación de la espuma consiste en añadir al alimento líquido una pequeña proporción de un agente espumante inocuo (1%), inyectando simultáneamente aire o un gas inerte. Se llega así a un producto voluminoso, de baja densidad, cuyo secado sobre cinta transportadora maciza se efectúa con suma eficacia. El secado en espuma, que reduce el tiempo de operación a 1/3 del requerido para el mismo producto en

estado líquido, se conduce con aire en paralelo, seguido de aire en contracorriente. El producto seco, poroso, es por último triturado en polvo, fácilmente rehidratable.

Los secaderos de canal son una variante de los de cinta sinfín, en los que ésta, constituida por una malta, se mueve merced a unos rodillos inclinados (15-20"), que configuran su forma acanalada. El sentido de) flujo es cruzado ascendente durante las dos etapas de que consta la operación. El aíre cumple, además de su función primordial, agente de secado, una secundaria, cual es la de facilitar el volteo del alimento a lo largo de su recorrido. Este dispositivo de secado, muy eficaz, permite reducir el tiempo de secado a 1/5 respecto al preciso en un secadero de túnel convencional. El grado de mezcla alcanzado permite, asimismo, reducir la temperatura del aire de secado, así como mejorar el aprovechamiento energético del proceso, a semejanza de lo que sucede en un lecho fluidizado, donde el contacto sólido-fluido es todavía superior.

Los tres tipos de secaderos descritos dan lugar a un producto con un contenido en humedad suficiente (10-20%) como para justificar su acabado en tolva. Dentro de los secaderos de túnel, se impone el de flujo cruzado con control de las condiciones del aire de secado por secciones que, como se indica en el cuadro 5.4, permite alcanzar un producto uniforme, de calidad, aunque sea a expensas de un mayor coste de operación.

•CUADRO 5 .5Principales características y aplicaciones de los secaderos convectivos convencionales continuos

7?po d« secadero Producios Característicos

De túnel Frutas y verdura» enteras, en rodajas o picada».

Versátil.Capacidad de tratamiento aceptable.Tiempos relativamente cortos.Control deficiente (excepto en los de flujo transverso!). Baja rehidralobilidad del producto.

De cinta sinfín Frutas y verdura». Gran capacidad de tratamiento. Calidad homogénea.Mayor grado de automatización. Control aceptable.Baja rehid notabilidad.

(En espuma) Zumo» de fruta. Purés de patata. Potitos para bebés.

Secado y calidad uniforme. Tiempo de secado reducido. Producto poroso.Buena refiidratabilidad.

De canal Patatas troceadas.Guisantes.Cebollas.Pimienta,Verduras picadas,

Gran velocidad de deshidratoción. Elevada capacidad de tratamiento. Secado uniforme.Calidad homogénea.Buen rendimiento energético.Buen control.Baja rehidratabilidod N o admite producto» pegajosos. Apto para productos termosensible».

A la visla de lo expuesto y de la información recogida en el cuadro 5.5, donde se sintetizan los principales aspectos de los secaderos convectivos convencionales, se explica el que los de túnel estén siendo relegados por los de cinta sinfín y, éstos, a su vez, postergados por los de canal y por los de lecho fluidizado.

Secadero rotatorio. Está constituido por un cilindro metálico rotatorio, dispuesto con una pequeña inclinación (5-10°), por cuyo interior circula por gravedad el producto sólido y el aire de secado, ya sea en paralelo o en contracorriente (cuadro 5.4). La cámara de secado monta en sn interior un sistema de agitación del producto (repisas, alabes, cadenas, etc.) que permite desplazar el alimento desde la parte inferior del tambor a la superior conforme éste gira, desde donde cae por gravedad formando

una “cortina” normal al flujo de aire. E) grado de agitación alcanzado mediante este sistema, que origina un excelente contacto con el aire caliente, determina una gran velocidad de secado, así como la uniformidad del producto obtenido. Aplicaciones: azúcar cristalizado, semillas de cacao, concentrados de carne en cubos.

Ciertos equipos, provistos de una “camisa” externa, complementan la acción del aire con la circulación de un fluido caliente por esta sección anular concéntrica. El secado en estas condiciones se lleva a cabo, pues, tanto por convección como por conducción. Estos secaderos se pueden utilizar si el alimento:

• Incluso presenta tendencia a apelmazarse.• Posee una buena resistencia mecánica

sin ser abrasivo.

• Fluye razonablemente bien por gravedad.

Secadero neumático. Consiste en el transporte del alimento suspendido en una corriente de aire caliente a través de una conducción horizontal o vertical. El sistema, además de dar lugar al secado del producto, puede utilizarse como medio de clasificación de las partículas por tamaños. El aire de salida se conduce a un separador sólido-gas, normalmente de tipo mecánico, que permite la extracción del producto seco y, si es el caso, recircular parte dei aire ya depurado. La recirculación no puede ser en ningún caso completa, ya que como quiera que la eficacia de la separación no es del 100%, se daría un progresivo aumento de la concentración de sólidos en suspensión en la corriente de aire, amén de que ésta presentaría una considerable humedad relativa. Así pues, se requiere una purga de aire en el circuito de rccircula- ción. El aire de reposición, cuyo caudal viene fijado por la purga, se debe ajustar a unas determinadas condiciones de humedad y temperatura, a fin de alcanzarse las especificaciones del aire de entrada.

El tiempo de residencia de las partículas, variable según su tamaño y el grado de secado deseado, se lija atendiendo a la velocidad del gas, al menos cuatro veces la de mínima fluidi- zación, y a la longitud de su recorrido. Para reducir en lo posible la temperatura de la operación en algunos equipos se prolonga el tiempo de contacto recirculando el material a secar por espacios anulares concéntricos al conducto interior principal: son los llamados secaderos neumáticos anulares. Otra posibilidad es operar con dos o tres secaderos en serie, cada tino de los cuales funciona con su propia corriente de aire. Un tercer sistema, de tiempo de secado reducido, y que implica elevadas temperaturas, es en el que se provoca una brusca disminución de la presión durante el secado, como consecuencia de aumentar la sección de paso del conducto. Se asegura así la expansión del producto, rígido y poroso, por oclusión de aire; la

finalidad de esta práctica es mejorar su posterior secado por convección o sus condiciones de rehidratabilidad. Se conocen por secadero de expansión o de anillo, en referencia a la forma del conducto en su parte central.

Los secaderos neumáticos, baratos y de una eficacia energética contrastada, presentan una buena velocidad de secado. En algunos casos, la simultaneidad secado-transporte supone una apreciable ventaja adicional. Su principal inconveniente reside en la dificultad de controlar el proceso, tanto más acusada cuanto más amplia sea la distribución granulométrica del sólido en cuestión. Aplicación: se limita a alimentos pulverulentos de características similares a las ya expuestas para los productos fluidizados. Se emplea como sistema de deshidración de alimentos procedentes de un secado previo por atomización, para los cuales se desea un contenido de humedad final muy bajo, próximo al de equilibrio; es el caso de determinadas leches en polvo, de los huevos en polvo y de la patata en granulos. Como secadero único se aplica a granos de cereales en general.

Secaderos por nebulización (atomización). En estos equipos, el alimento de consistencia líquida (bombeable) se nebuliza por medio de una boquilla al efecto a la entrada de la cámara de secado, donde se pone en contacto con una corriente de aire caliente. La nebulización es uno de los aspectos críticos del secado, toda vez que permite desarrollar una gran superficie por unidad de volumen de alimento. Las gotí- culas de la niebla (.10-200 pm) se evaporan muy rápidamente bajo estas condiciones (3-30 s), dando lugar a un polvo seco que desciende por gravedad hacia el fondo cónico de la cámara.

Las ventajas e inconvenientes de estas instalaciones se han resumido en el cuadro 5.6. Entre las ventajas, destacar que la conjunción: temperatura moderada de operación-tiempos de secado muy rápidos, consecuencia del buen contacto líquido-gas que proporciona esta técnica, permite utilizar alimentos relativamente tcrmosensibles, sin que se vean notablemente afectadas sus propiedades originales. Entre sus

principales inconvenientes figuran su elevado coste y la necesidad de que el alimento sea líquido. O tro problem a lo constituye la escasa retención de componentes volátiles del alimento, que obliga a aum entar el diámetro de gota (mayor tiempo de secado), a disminuir la temperatura de la alimentación (menor difusividad efectiva del vapor de agua) o a reducir la temperatura del aire de entrada (menor capacidad de secado y rendimiento térmico). A continuación se da cuenta de los tipos de atomizadores existentes, los cuales deben, ante todo, asegurar una completa y uniforme nebulización del alimento.

Atomizadores centrífugos. El líquido se introduce próximo al eje de giro del disco, por donde circula a velocidades crecientes conforme avanza hacia la periferia de la citada turbina. El tamaño de la gota de la aspersión se controla variando la velocidad rotacional del disco. El líquido nebulizado se proyecta horizontalmente en la parte superior de la cámara de secado con una velocidad comprendida entre los 100 y 200 mis. Como este atomizador no presenta problemas de atascos, se utiliza preferentemente con alimentaciones viscosas. El tamaño de la gota se establece aplicando correlaciones empíricas como la siguiente, obtenida a partir de un análisis dimensional del sistema:

Atomizadores de presión. Es el de uso más extendido. Su principio se basa en hacer pasar el líquido a presión (30-300 atm) a través de un orificio (0,4-4 mm). La energía de presión que Lleva el fluido se emplea en la nebulización del líquido. Proporcionan una distribución de tamaños de gota más estrecha, un secado más uniforme; su coste de operación es menor que el debido a otros tipos de atomizadores. Sin embargo, presenta ciertos inconvenientes. Así, el estrecham iento limita el flujo máximo de producto, lo que implica dotar al secadero de cuantos atomizadores sean necesarios. Una segunda cuestión es la facilidad con que se obturan las boquillas (se limpian con agua a presión en contracorriente), especialmente si el alimento a nebulizar es viscoso (3 particulado. Por último, indicar que el líquido, sobre todo si contiene partículas abrasivas, acaba por ensanchar el diámetro del orificio, aumentando así el tam año de gota. A nte esta situación no cabe otra solución que sustituir la pieza afectada. El tamaño de gota producido por un atomizador de presión se puede calcular mediante esta sencilla expresión:

{ \°'6 m P

/ - A 2 /" A0,1x p tL

A n Pj .. m p j

donde Dg es el diám etro medio de la gota (pm). r el radio del disco (m), m p el flujo másico de la alimentación referido al perímetro del disco (kg/m min), p¡ la densidad del líquido (kg/m3), N la velocidad de giro del disco (rpm). ¡i la viscosidad d e l líquido (kg/m min), t la tensión superficial del líquido (kg/min2) y L el perímetro del disco (m).

donde es el diámetro medio de la gota (pm) e AP la caída de presión debida al atomizador (Pa).

Atom izador de dos fluidos. Se fundamenta en el aprovecham iento de la energía cinética de un segundo fluido (el aire caliente comprimido normalmente), que circula concéntrico a la sección interior del flujo de líquido. La salida de ambos fluidos es conjunta. La nebulización se complementa por el estrechamiento del conducto central. Las presiones del fluido alimentado a la cámara son menores que en el caso anterior. Se utilizan muy poco, ya que, además de presentar los problemas de obturación debidos al estrangulamiento, su capacidad es también reducida y, sobre todo, proporcionan

una dispersión muy heterógenea en cuanto a tam años de gota.

La cámara de secado es el lugar de la instalación donde se produce la deshidratación propiamente dicha. Los flujos de alimento y aire caliente suelen ser paralelos entre sí; de lo contrario existiría un claro riesgo de alteración del producto por sobrecalefacción hacia el final del secado (cuadro 5.4). La cámara, cuya primera parte es cilindrica, term ina en form a de cono, donde se recoge el polvo ya seco, que desciende por gravedad. Las dimensiones de la cámara están supeditadas al tipo de nebulizador que incorpora. Si éste es centrífugo, el diámetro de aquélla ha de ser suficiente para evitar la proyección de gotas sobre sus paredes. La relación altura/diámetro de la parle cilindrica se fija entonces en la unidad. Si el diámetro, como es habitual, es grande, se reduce la velocidad lineal del fluido en su paso a través de la cámara, lo que supone tiempos de residencia elevados. Cuando la cámara monta un nebulizador de presión no es preciso un gran diámetro, lo que se traduce en tiempos de secados mucho más cortos. E n esta ocasión, la relación altura/diámetro llega a ser de 4 a 1.

El grueso del polvo seco se extrae, por lo general, por la parte inferior de la cántara con ayuda de rasquetas, tornillos sinfín o válvulas rotatorias, mientras que los finos se recuperan de la corriente de aire húm edo de salida mediante algún equipo al efecto. El más habitual es un separador ciclónico , constituido, bien por una batería de 2-3 ciclones dispuestos en serie, bien por un mult¡ciclón (asociación de varios ciclones de m enor tam año configurados en paralelo), Si el tam año del polvo impide el empleo de este tipo de separadores mecánicos, se recurre a un filtro de mangas. Este equipo, que requiere una m ayor inversión, precisa un control más exhaustivo de las condiciones del aire de salida (IV), y T), a fin de asegurar una buena eficacia de separación.

U n tercer sistema de recuperación del producto lo constituyen los lavadores o absorbedores húm edos; en realidad , su em pleo sólo se justifica cuando, además de tratarse de un pol

vo fino, se desea concentrar y precalentar ei líquido de alimentación a la cám ara de secado. Para ello, se utiliza como líquido de lavado el propio alimento. Las tres técnicas de separación indicadas ofrecen rendimientos de operación elevados, superiores en todos los casos al 95%, siempre que se opere en el intervalo de tamaños de partícula apropiado al caso.

En la deshidratación de alimentos por nebulización el período de velocidad de secado constante es prácticam ente instantáneo. En esta fase se da el grueso del secado, sin que el alim ento supere la tem peratura de bulbo húmedo del aire. Hacia el final del proceso se reducen considerablemente los gradientes de tem peratura y de hum edad entre el aire y el alimento respecto a sus valores iniciales. El aire va perdiendo tem peratura merced a la transferencia de calor sensible al alimento, que aumenta su tem peratura superficial hasta alcanzar 1.0-20 °C por debajo de la del aire de salida. En lo que concierne a la humedad, el aire va ganando humedad a expensas de la del alimento.

En suma, el secado en paralelo presenta dos etapas: una primera, rápida y eficaz, seguida de una segunda, lenta y de escasa contribución al proceso global de deshidratación. La operación en paralelo perm ite, sin embargo, el contacto entre el aire más caliente y el alimento cuando éste tiene su mayor contenido de humedad (1.a etapa). Por el contrario, cuando el producto se encuentra seco, éste se pone en contacto con un aire menos caliente (24 etapa). De este modo, se compensa la pérdida de eficacia en el secado por La calidad del producto resultante, a salvo de posibles alteraciones por sobrecalefacción.

El tiem po to tal de secado de un alim ento por atomización se puede asimilar a la siguiente expresión:

( pL , P*D%X (wc - w' )f 8 k a ( T a ~ T ÍV) + 12 k 0 A T

donde pL es la densidad del líquido (kg/m3), X su calor latente de evaporación (kJ/kg), D el

d iám etro inicial de gota (m ), k la conductivid ad té rm ic a del a ire (W /m ■ K ), Ta y T w las tem p era tu ras de bulbo seco y húm edo del aire (ÜC), D sr el diám etro de go ta cuando se alcanza la wc, hum edad crítica (kg de agua/kg de sólido seco), w con ten ido final de h u m ed ad (kg de agua/kg de sólido seco) y AT valor m edio de la d iferencia en tre las tem p era tu ras del aire y el p ro d u c to tra tad o (°C). E l p rim er té rm in o co r re sp o n d e al p e río d o de velocidad de secado co nstan te , m ientras que el segundo se debe al período de velocidad decreciente. En el cuadro

5.6 se reco g en las ventajas e inconvenientes del s ecad o d e a lim en to s p o r nebulización a te n d iendo a sus principales características,

A l tra ta rse de un m étodo convectivo, en el que el g rueso del secado se lleva a cabo con v e locidad co nstan te , el contro l de la velocidad del p ro ceso g lobal está d e te rm in ad o p o r la d ifu sión del v ap o r de agua desde la superficie del a lim e n to h a s ta la capa de a ire ad y acen te al m ism o . P a ra fav o rece r esta tran sfe ren c ia de m a te ria se o p era de tal fo rm a qne la hum edad del a íre de salida sea sustancialm ente inferior a

C U AD R C 5 .óVenía/as e inconvenientes de l secado d e a l imentos p o r nebu l izac ión

Configuración

Atomizadores

Ventajas Inconvenien tas

Centrífugos

De presión

De das fluidos

Buen control de! tamaño de gato.Gran capacidad de ira ¡amiento.A d m ite Fluidos viscosas.

Distribución de tamaños estrecha.Secado más uniforme.Menores costes de operación.Menor diámetro de cámara (menor tiempo de secado).

Las mismas que para ei de presión.

Sis temos de recuperación

Ciclones

Filtros de mangas

A b s o rb . H ú m e d o s

Económicos.Sencillez operativa.

Adm ite polvos < 50 mm.

A d m ito p o lv o s < 5 0 mm.

Concentración simultánea del alimento. Precafefacción simultánea del alimento.

G ran d iám etro de cám ara (mayar tiempo de secado).

M enor capacidad de tratamiento. Tendencia al obturcm ienlo a:e boquillas. Tendencia al ensanchamiento de boquillas. N o adm ite fluidos viscosas.

Las mismas que para el de presión.Costes de operación a lgo mayores.D istribución de tamaños polidispersa (restringe mucho su ap licación).

Limitado a polvos > 5 0 mm.

M ayor inversión.M ayor control VVt y T del aire. Limpieza y reposición de filtros.

G ran inversión.

De índole general Velocidades de secado muy rápidas.Grandes capacidades de tratamiento. Adm ite alimentos termosensibles. Costes moderados a'e mano de obra. Sencillez de funcionamiento.

Elevada inversión.Exigencia alimento Fluido, bombeable. Baja eficacia energética.Escasa retención de volátiles.

su hum edad de saturación. E sto se consigue aumentando el caudal másico de aire por unidad de peso de producto tratado, lo que supone reducir el rendimiento energético de la deshidratación.

Dicho rendimiento, a tenor de la expresión [5.57], se puede m ejorar aum entando la temperatura del aire de entrada y/o disminuyendo su tem peratura de salida. El máximo valor de la tem peratura de entrada está delimitado por la sensibilidad térmica del alimento hacia el final del proceso, mientras que la tem peratura de salida se encuentra condicionada por el contenido de humedad deseado para el producto seco, tanto mayor cuanto menor sea este último. Esta relación trajo consigo un nuevo modo de operación, el secado de doble, etapa, m uy extendido en la actualidad. Se trata de no apurar el secado del producto por nebulización -basta con alcanzar una humedad ligeramente inferior al '10%, para proseguir el proceso en un lecho fluidizado, vibratorio o no, hasta obtener la humedad final requerida (sobre el 5%). Con ello se consigue un doble objetivo: reducir la temperatura del aire de salida y aum entar la temperatura del aire de entrada al estar térmicam ente protegido el producto final por su mayor contenido de humedad. Supuesto que las temperaturas de entrada y salida de aire pasan, merced a la im plantación de una doble etapa de secado, de 165 a 215 °C y de 90 a 80 °C, respectivamente, el rendimiento térmico de la operación aum entará (ecuación [5.57]) desde el 55,5 hasta el 62,8%.

La operación descrita presenta u n a limitación en cuanto al contenido máximo posible de hum edad del producto secado exclusivam ente por nebulización. P o r encim a de una cierta hum edad el polvo se vuelve pegajoso (sobre todo si es higroscópico y termoplásti- co), dificultándose su extracción por la parte inferior de la cám ara. Este condicionante se ha resucito satisfactoriam ente acoplando ai fondo de la cám ara un lecho fluidizado que recoge el producto parcialm ente seco para completar su deshidratación. E n algunas oca

siones se llega incluso a disponer de un segundo lecho fluidizado (normalmente vibratorio) a la salida de la cámara que ultima la operación (secado de triple etapa). La innovación presenta una ventaja añadida, cual es la aglomeración de los finos arrastrados durante la fluidizacíón interior por interacción con los finos de la corriente de aire primario, que todavía conservan un cierto grado de humedad. Esta opción, que conduce a un producto poroso, de baja densidad, fácilmente separable de la corriente de aire de salida del atomizador por medios mecánicos, es una de las técnicas utilizadas para mejorar la rchidratabilidad de los alimentos pulverulentos.

5 .5 .2 . Secaderos conductivos

Los secaderos de tambor (de rodillos o de película) son los equipos más representativos del secado de alimentos por contacto con una superficie caliente. Están constituidos por un cilindro metálico hueco, en rotación, por cuyo interior circula vapor de agua. El líquido a trata r se extiende en form a de película sobre la superficie externa del tambor. El sistema de alimentación, que debe asegurar la uniformidad de la película en cuanto a composición y espesor, puede ser por inmersión parcial del tambor, por aspersión o con ayuda de unos rodillos secundarios, más pequeños y exentos de calefacción. La velocidad de rotación del tambor se establece de form a que se complete el secado en un giro (0,5-3 min). El producto seco se desprende de la superficie caliente mediante una cuchilla o rasqueta. Algunos equipos, más desarrollados, incorporan rodillos auxiliares para la retirada del producto adherido a la superficie. En otros se potencia la calefacción haciendo pasar aire caliente en tre la superficie externa del tambor principal y una carcasa. También se utiliza aire, esta vez. frío, para forzar el enfriamiento del producto. A continuación se pasa revista a las distintas modalidades de secaderos de tambor.

AlimentaciórAlim entación

Cuchilla \ | ^ C u c h illa

l O a -

oj Secadero de tambor único b) Secadero de tambor doble

FIGURA 5 .15. Secaderos de tambor.

Secadero de tambor único (figura 5.15). Es el más indicado para productos en los que es difícil conseguir un recubrim iento uniforme de la superficie calefactora. Tal es el caso de los alimentos con un contenido significativo de almidón. Un ejemplo al respecto es la preparación del concentrado (en polvo) de purés de patatas.

Secadero de. tambor doble. La distancia entre los dos cilindros determina el espesor de la película. Es más versátil en cuanto que admite una mayor variedad de productos: desde disoluciones diluidas hasta pastas viscosas. Puede tratar, asimismo, productos termosensibles (líquidos y pastosos), proporcionando un sólido de fácil rehidratación. Presenta el doble de capacidad de tratam iento que el tam bor simple. Aplicaciones: cereales precocinados, sopas, alimentos de frutas para bebés, etc...

Secadero de tambores gemelos. Los tam bores giran en este caso en sentido contrario, a diferencia de lo que sucede con el sistema de tambor doble. La alimentación se efectúa m ediante sendos rodillos auxiliares. Se encuentra especialmente indicado para alimentos tales como las disoluciones salinas, cuyo secado conduce a sólidos pulverulentos. En algunas ocasiones se utiliza como equipo de preconcentración.

Secadero de tambor a vacío. Se aplica a alimentos extrem adam ente sensibles a la tem peratura. La operación a vacío perm ite el secado a tem peraturas m oderadas. E l equipo precisa un colector húm edo de polvos (lavador o ab

sorbedor). un condensador del vapor de agua y una bom ba de vacío. El sistema de recogida del sólido opera alternativam ente; mientras en un recipiente se va acumulando, en el otro se va descargando m ediante un tornillo sinfín, p re servándose así el vacío de la instalación.

Secadero de placas (o de bandejas) a vacío. En estos equipos el alimento se dispone sobre bandejas, soportadas por unas placas huecas por cuyo in terio r circula el agente calefactor, vapor de agua o agua caliente. Desde cí punto de vista de la transmisión del calor resulta crítico el contacto bandeja-placa, lo que requiere una buena planificación de ambas superficies metálicas, así como el contacto bandeja-alimento, que se resiente hacia el final del secado por la retracción que experimenta el producto. El sistema, a vacío (1-70 mm de Hg), está indicado para alim entos muy sensibles al calor, ya sean líquidos o sólidos, por lo que se ha de controlar cuidadosamente la tem peratura de calefacción, especialmente en la parte de producto seco.

Secadero de cinta sinfín a vacío (figura 5.16). Sobre esta cinta se aplica por aspersión el alim ento líquido o de consistencia pastosa. La cinta se m ueve merced a dos rodillos huecos, de calefacción y refrigeración, situados en los extrem os de la cám ara a vacío. El calor se aporta a través de vapor o de agua caliente. Pueden funcionar con otras fuentes de calor suplem entario como son los serpentines de vapor de agua o los calentadores radiantes. El producto seco se conduce al segundo tam bor,

de enfriam iento, desde donde se retira de la einta con ayuda de unas cuchillas rascadoras. El empleo de este tipo de equipos a vacío, ya sean de placas o de cinta sinfín, dada la inversión que requieren , sólo se justifica para alimentos muy sensibles a la tem peratura, como es el caso de los concentrados de zumos de frutas y de tom ate y de los extractos de café.

■Cuchille

Vacio/? ~ > ^ T a m b o r Tambor i) /'ca liente frío

Calentador radiante Alimentación Producto

FIGURA 5 .1 6 . S e ca d e ra d e c in ta s in fín a va c ío .

El secada esponjante o por explosión (“explosión puff drying") parte de un producto sólido parcialm ente deshidratado, el cual se introduce en una cám ara cilindrica ro tatoria sometida a alta tem peratura. El alimento, que se ve así expuesto a una cierta presión, se descarga rápidam ente a presión atmosférica, con lo que se consigue la “destilación súbita” o evaporación “flash” de gases, vapores y vapor de agua del producto. La despresuri2ación, iso- entálpica, se ve acom pañada por un brusco enfriamiento del producto. Este tipo de secado, expansivo, da lugar a un producir) poroso, esponjado, que perm ite com pletar su deshidratación muy rápidam ente en una etapa posterior, y que presenta unas excelentes características de rebidratación (se puede llevar a cabo en tan sólo 15 min). Las características nutritivas y organolépticas del alimento tampoco se ven alteradas por el sistema de secado en cuestión.

Este modo de operación, que reduce los tiempos de secado a la mitad respecto a los m é

todos convencionales, proporciona productos con propiedades semejantes a las que se obtendrían m ediante una iiofílización, pero con un coste muy inferior. El secado esponjante está especialmente indicado para alimentos con períodos de velocidad de secado decreciente significativos. La eficacia de esta técnica pasa por trabajar con sólidos de pequeño tam año; normalmente se disponen en forma de cubos de no más de 1 cm de lado. En otras ocasiones se utiliza vapor de agua de 4 kg/cm2, sobrecalentado a unos 260 °C, lo que evita posibles condensaciones por despresurizacíón del sistema, al tiempo que asegura la misma presión y tem peratura para la totalidad de la superficie del sólido. Aplicaciones'. frutas, verduras y granos de cereal.

El secado en form a de espumas, que se aplica a líquidos más o menos viscosos, se da en tiempos muy cortos, lo que perm ite reducir la tem peratu ra de operación. Este com portamiento obedece a que la espuma presenta una m a y o r superficie de contacto, así como un notable tam año de poro, que facilita la difusión interna del agua o del vapor de agua durante el proceso de secado. Este último extremo resulta decisivo por cuanto que, si bien la transmisión de calor en este tipo de estructuras no es muy buena, el control de la velocidad de secado viene dado por la propia difusión interna. El secado en form a de espumas, además de facilitar el procesado de productos sensibles a la tem peratura, da lugar a alimentos de fácil reconstitución (rchidratación).

Este tipo de secado se puede llevar a cabo en distintos equipos. Así, ya se ha explicado esta práctica en relación a los secaderos convectivos de cin ta sinfín. O tra posibilidad es forzar la disolución de gases en el líquido bajo presión, de tal m odo que 1.a atomización de este alim ento, que implica una expansión del mismo, dé lugar a un producto poroso, de densidad muy in ferio r (sobre la m itad) respecto a la que se obtendría m ediante una nebulización convencional, lo que puede ser inte re san te a efectos de su posterior rehidratación. U na tercera alternativa de ope

CUADRO 5 .7C lasificac ión de equipos de secado a tend iendo a las p rop iedades que debe reun ir el alim ento tra tado

Equipo de seco do

Propiedades de l alimento

Consistencia Humedadinicia/ Tamaño

Velocidad de secado

Humedadfinal

Resistenciatérm ica/mecánico

De dos plantas s ma ma b mb m a/m bDe bandejas s ma ma m a /b mb m a/m bDe tolva s b ma b b m a/m aDesecación solar s ma ma b mb m a/m bDe lecho flu id izado s ma b ma mb m a/m aDe túnel s ma ma m a /b m b /b m a/m bDe cinta sinfín s ma ma m a /b m b /b m a/m b(En espuma) 1 — — ma b b / -De canal s ma b ma mb b / maRotatorio s ma fc ma b m a/m aNeumático s ma fc ma b m a/m aPor atomización i - _ ma m b /b b / -De tambor 1 — — ma b m a /—De tambor a vacío 1 —. _ ma b b / -De places a vacío s /l m a /— b / - ma m b/b b /m bDe cinta sinfín □ vacío 1 — — ma m b/b b / -

Nota: s: óoíída; I: líquida; ma; m edia/o-allfl/o; b; bajo/o; mb: m edio /o -baja /o .

E n el cuadro 5.7 se recoge la totalidad de los equipos descritos, clasificándolos según las principales características que deben p resen tar los alim entos en cada caso. Se trata, pues, de un sucinto resum en de lo apuntado con anterioridad.

Resumen

1. Se comienza con unas nociones básicas sobre la psicrometría de las mezclas agua-vapor de agua. Esta introducción es imprescindible para entender el papel y comportamiento del aire como agente de secado de los alimentos.

2. Lo mismo sucede con el concepto de actividad de agua, cuya reducción es la esencia de los métodos de conservación de alimentos por deshidratación.

3. Ei secado de alimentos con aire caliente es un proceso adiabático, en el que se distinguen claramente tres períodos: el de estabilización, el de velocidad constante y el de velocidad decreciente. Se exponen y justifican las expresiones que conducen al cálculo del

ración es la correspondiente a los secaderos a vacío de placas y de cinta sinfín, donde la d ism inución de la presión origina, al igual que en e l caso an te rio r, la expansión del a lim en to , con la consiguiente liberación de gases y vapo res . E l p roduc to resu ltan te reú n e , asim ism o, las p ropiedades an tes m encionadas.

En realidad, el principio de la formación de espum as en estos dos últimos casos es el m ism o que el expuesto para el secado por explosión (expansión por desprcsurización), aunque en esta ocasión se p a rta de un líquido, no de un sólido. E sto implica una cierta confusión al respecto , reforzada si cabe por la posibilidad de utilizar un mismo equipo para am bas m odalidades de secado. Así, eí secadero a vacío de placas, susceptible de aplicarse como se ha visto a la form ación de espumas, puede tam bién em plearse com o m edio de secado p o r exp lo sión. La diferencia estaría en la consistencia del alim ento de partida, líquida o sólida, respectivam ente. Aplicaciones: leche, purés de p a ta ta y concentrados de zumos de fruta.

tiempo de secado según el período considerado. El análisis de las cuestiones energéticas asociadas al proceso es otro aspecto fundamental para abordar con garantías el diseño de un secadero convectivo.

4. En el caso del secado de alimentos por contacto con una superficie caliente se ha seguido un esquema muy similar al del secado con aire. Se establecen las diferencias y analogías entre los dos sistemas de secado estudiados.

5. Se concluye con una descripción de los secaderos de alimentos, así como con un estudio comparativo de los mismos, que incluye ía compatibilidad del producto y las características más sobresalientes en cada caso.

Problemas propuestos

L Un alimento con un contenido inicial de agua de 68% (b.h.) se introduce en un secadero de cabina con el fin de rebajar su humedad hasta el 5,5% (b.h.). El aire de secado entra con una WR del .10% y una temperatura de 54 °C y sale a 30 °C, Calcúlese:

a) La cantidad de aire requerida por kg de alimento en base seca.

b) El tiempo requerido para el secado, sí se considera que la velocidad a lo largo del proceso permanece constante e igual a 0,1 kg/(m2 s) y que el producto tiene forma cúbica, de 5 cm de lado, y una densidad de 950 kg/m3.

c) La humedad relativa del aire de salida para el mismo grado de secado del producto si se reduce a la mitad la cantidad de aire (esta vez a 98 °C y = 4%) por kg de alimento en base seca.

d) La proporción de mezcla de los dos tipos de aire considerados hasta el momento (apartados: a y c) si se desea preparar un tercero con una humedad relativa del 8%.

2. Se procede a secar en un sistema de lechofluidizado un alimento con un contenido de agua del 60% (b.h.), cuya temperatura inicial es de 25 “C. El aire de secado, que se acondiciona a partir de aire ambiente a 20 °C y

WR = 60%, se hace pasar a través del lecho a 120 °C con un flujo rnásico de 700 kg de aire seco/h. £1 alimento se obtiene con una humedad final del 10% (b.h.). El producto abandona el secadero a la temperatura de bulbo húmedo del aire, mientras que el aire de salida presenta una temperatura 10 °C por encima de la del producto final. El calor específico del alimento, referido a base seca, es de 2,0 kJ/(kg °C). En estas condiciones, calcúlese la producción horaria resultante.

3. Se pretende secar un alimento desde un contenido inicial de humedad del 65% (b.h.) hasta uno final del 6% (b.h.). Su curva de secado determina que su humedad crítica, del 20%, se alcanza a los 4 min. Calcúlese el tiempo total de la operación.

4. Se desea secar un producto por atomización hasta reducir su humedad al 5% (b.h.). Se utiliza aire a 120 °C con una humedad relativa del 7%. Se sabe que el calor latente de evaporación, función de la temperatura, varía atendiendo al período de secado considerado: 2.150 y 2.375 kl/ kg para velocidad constante y decreciente, respectivamente. Se dispone, además, de los siguientes datos:

Densidad del producto líquido: 900 kg/m3.Densidad del producto sólido: 1.150 kg/m3.Diámetro inicial de gota: 110 pun.Diámetro de gota cuando se alcanza la w¿

40 jum.Conductividad térmica del aire: 0,032

W/(m K).Humedad crítica (wt): 0,8 kg de agua/kg

de sólida seco.

5. En un túnel de aire en contracorriente se procede a secar un alimento desde un 75 a un 10% de humedad (b.h.). El aire entra a 105 °C con una humedad relativa del 2% y sale a 45 CC. El producto, por su parte, se mantiene durante la operación a 25 °C. Su calor específico es de 2,0 kJ7(kg K). Establezca el flujo másico de aire a la entrada y sn humedad relativa a la salida para una capacidad de tratamiento horaria de 90 kg de producto.

En un secadero se introducen 100 kg/h de un producto con un 50% de humedad (b.h,). Se opera con aire a 60 CC y una humedad relativa del 15%. Su consumo, referido a base seca, es de 1.200 kg/h y su temperatura de salida de 20 °C. ¿Cuál es la humedad final del producto y qué valor adquiere su actividad de agua?

Un alimento se seca a velocidad constante durante 15 min, de tal forma que su humedad pasa del 70 al 20% (b.h.). Con esta información, determine su contenido final de humedad para un tiempo total de secado de 20 min.

8. Se desea secar a un alimento desde un 70 a un 10% de humedad (b.h.) procurando que su temperatura se mantenga en 25 °C. Se dispone de un túnel de aire en contracorriente, donde éste entra a 25 °C y con una humedad relativa del 75%, lo que proporciona 65 kJ/kg de aire seco. A la salida su humedad relativa alcanza el 90%, Se pide la temperatura y caudal volumétrico del aire a la salida para una capacidad de procesado de 50 kg/h de producto.

9. Si se quieren rehidratar 100 kg de un alimento desde un 5 hasta un 75% de humedad (b.h.), ¿qué cantidad de agua es necesaria y cuál será el peso final del producto?

6

CONSERVACION DE ALIMENTOS

POR REDUCCIÓN DE SU ACTIVIDAD

DE AGUA. OTRAS TÉCNICAS

DE HIDRATACIÓN

6,1* Liofilización6.2. Concentración por congelación6.3. Evaporación6.4. Técnicas avanzadas6.5. Calidad de los alimentos deshidratados

En «I capitulo anterior se ha desarrollado b conservación de alimentos por secado con aire y por contacto con una superficie caliente. En esta ocasión, se abordo su deshidratación por ftofili-

zación, concentración por congelación y evaporación, yo sea como procesado final o como tratamiento previo. Se exponen sus fundamentos

respectivos, asi como los equipos correspondientes. Se citan a continuación las técnicas mós avanzadas, algunos en fose experimental, y las tendencias ociuales. Se completa el capítulo con la descripción de los efectos del conjunto de las operaciones de desecación sobre la calidad y propiedades del alimento procesado.

Nomenclatura

A Área de transmisión de calor (m2)C¡ Concentración inicial de hielo (kg m"3)C f Concentración final de hielo (kg m~J)C¡, Calor específico (kcal kg’1 “O 1)C pp Calor específico medio de la disolución diluida

(kcal kg-^C"1)D Difusividad interna del vapor de agua (m2 s_l)d¡, Diámetro medio de los cristales de hielo (cm)e Espesor de pared (m)F Caudal músico de disolución alimento ( tg tr~})H Entalpias específicas de una com ente de vapor

(kcal kg-1)h Entalpias específicas de una corriente líquida

(kcal kg-1) o altura hidrostática de la columna de líquido (m)

h p Coeficiente individual de transmisión de calor de la disolución (kcal hr1 m~2 °C rI)

h w Coeficiente individual de transmisión de calor del vapor de calefacción (kcal h 1 m 2 “C"1)

ka Conductividad térmica de la fracción seca delalimento (kcal h‘l m_1 °C~‘)

kF Conductividad térmica de la pared (kcal h"1m-1 °C ■*)

ks Factor de forma de los cristales de hieloL Caudal más ico de la corriente de disolución

concentrada (kg s-1) o espesor de la fracción seca del alimento (m)

M s Peso molecular del solutom Molalidad de una disolución (mol kg-')P Presión total (atnj) o presión reinante en la

zona de evaporación (mm de Hg)PMa Peso molecular del disolventep Permeabilidad de la fracción seca del alimentoph Presión de vapor del hielo en el frente de subli

mación (Pa) p w Presión parcial del vapor de agua (Pa)

Q Caudal de calor intercambiado en d evapora-dor (kg h*1) o cantidad de calor (kcal)

Qf Caudal másico de calor sensible de la disolución de Tf a Ts¡> (kg Ir1)

^2 Caudal másico de calor latente de vaporización de la disoludón (kg h*1)

Q„f Caudal volumétrico de la disoludón alimento (m3 hrl)

R Constante universal de los gases (kl kg*1 K l) Ra Resistencia a la trzusmtsióa de caloi por dcp<k

sitase inscrustaciones (raK W 1)Ta Temperatura de congelación del alimento (H3) Tm Temperatura de congelación del agua pura (°Q T£ Temperatura de ebullición del disolvente paro

C QTe0 Tempera tara de ebullición de la disolución

r oTp Temperatura de la disoludón alimento (*C)Th Temperatura del frente de hielo (*C)Tt Temperatura superficial del alimento (®C)Tw Temperatura del vapor de calefacción (°C) r Tiempo (s)tR Tiempo de residend» medio de la disoludón

en el evaporador (s)U Cóefidcnte global de transmisión de calor

(kcal h_I 0C_1)V Caudal másico de la corriente de vapor genera

do (kg h-1)VL Fracdón volumétrica de liquido en una colum

na de lavado de cristales de hielo V¡ Volumen de disoludón en el evaporador (m3) v Velocidad descendente de fracción líquida en una

columna de lavado de cristales de hielo (m s-1)W Caudal másico de vapor de calefacdón (kg h"1) W0 Contenido inicial de humedad del alimento

sobre base seca (kg kg-1)

w, Contenido de humedad de la fracción seca del AT Diferencia de tem peratura (°C o K)alimento a tiem po t (kg kg-1) A T£ Increm ento de TE debido a la presencia de

W Cantidad de agua en el alimento (kg) o frac solutos (°C o K)ción másica de soluto V Rendim iento (%)Concentración molar de soluto en el alimento K Calor latente de evaporación (kcal kg'1)(mol l-1)

bAs

Calor latente de fusión del hielo (kj/kg)x r Fracción másica de soluto en la disolución inicial Calor latente de sublimación del hielo (kJ/kg)

x i. Fracción másica de soluto en la disolución final p Viscosidad (kg m-1 min-1)z Altura de la columna de lavado de cristales de p Densidad de la fracción seca del alimento

hielo (m) (kg/m3)

GLOSARIO

calor laten te: E n evaporación, calor necesario p a ra evaporar el disolvente de la disolución hasta alcanzar el grado de concentración re q u e rido,

calor sensible: En evaporación, calor necesario para alcanzar la temperatura de ebullición de la disolución.

columna de lavado: Hace referencia al sistema de lavado de los cristales de hielo que se producen en la concentración de alim entos por congelación. Su objetivo es reducir las pérdidas de p roducto por impurificación superficial de los m encionados cristales.

m ap orador de múltiple efecto: Sistema de evaporación constituido por varios evaporadores o efectos, in terco nectados a través de las corrientes de vapor y/o disolución.

fracción o capa seca: Parte liofilizada del alimento en un momento dado. A um enta progresivamente con el tiempo de operación.

frente de hielo; Punto o puntos del alimento desde donde se sublima el hielo durante su lioñliza- ción. P icho frente se desplaza hacia el in terior de la pieza conforme avanza la operación.

incremento ebulloscópico: Aum ento que se produce en la tem peratura de ebullición de un disolvente como consecuencia de la presencia de uno o varios solutos.

punto eutéctico: Tem peratura de congelación por debajo de la cual la fracción sólida tiene la misma composición que la líquida,

re hidra tab ¡lid a d de un alimento: Capacidad de rehi- dratación de un alimento previamente desecado. E sta propiedad m ide el grado y velocidad con que el producto adquiere agua hasta alcanzar un contenido próximo al de su estado orinal. D epende del tipo y condiciones de la técnica de deshidratación utilizada.

6.1. Liofilización

La liofilización, también llamada criodeshi- drcitación o secado en estado congelado, es otra de las técnicas de conservación de alimentos por reducción de su actividad de agua. Deslaca frente a las restantes por respetar en grado sumo las propiedades organolépticas y nutritivas del alimento procesado. O tra ventaja asociada a esta técnica es la porosidad del producto tratado, que le confiere una muy buena rchidratabilidad, Sin embargo, la operación, además de ser lenta respecto a las de secado convencional, implica un coste considerable. Las instalaciones, complejas, requieren una gran inversión. Así pues, su empleo sólo se justifica para alimentos muy sensibles a la tem peratura, pero de alto valor añadido.

6.1 ,1, Fundamento teórico

F.l proceso se basa en la sublimación a vacío del agua del alimento previamente congelada. Las condiciones se fijan atendiendo a las características del producto y al diagrama del punto triple del agua (condiciones de presión y temperatura para las cuales coexisten sus tres estados). A la vista de dicho diagrama (figura 6.1), la sublimación se debe efectuar al menos a 4,58 rani de Fig y a 0 °C.

FIGURA ó. 1. Diagrama triple del agua.

En realidad, como el agua está afectada por la composición y estructura biológica del alim ento y por su concentración en solutos, la tem peratura de congelación se suele establecer por debajo de los -10 UC. La presión de operación, por su parte, debe asegurar que el agua cristalizada no se funda a lo largo del proceso. Para ello, se trabaja por debajo de los 2 mm de Hg ele presión absoluta. A efectos prácticos, el desarrollo de esta técnica a escala industrial supone encadenar toda una serie de operaciones, enumeradas a continuación, algunas de las cuales se dan simultáneamente:

• Pretratamiento del alimento.• Congelación del agua.s Vacío del sistema.• Sublimación del hielo,• Condensación del vapor de agua elimi

nado.• Desorción de la fracción de agua no con

gelada.• Ruptura del vacío.

Pretratamiento del alimento. Si el producto a tratar es líquido, habida cuenta del coste asociado a la eliminación de agua por liofilización, es conveniente efectuar una prccon ceñir ación del mismo, siempre que la técnica al efecto garantice su establidad térmica, motivo por el que se ha seleccionado su conservación por criodeshidratación. Cuando el alimento es sólido, se reduce su tiempo de secado actuando sobre su forma y tamaño, troceándolo, de tal modo que desarrolle una mayor superficie por unidad de volumen.

Congelación del agua. La velocidad de congelación del agua determina el tamaño de los cristales de hielo formados y. por ende, el tamaño de poro resultante de la sublimación de los mismos. Dado que un excesivo tamaño de los cristales puede afectar irreversiblemente a las membranas celulares (con pérdida irreversible de agua intraceiular) y, por tanto, a la textura del producto final, se prefiere operar a elevadas velocidades de congelación, aun cuando esto

suponga limitar la difusión interna del vapor de agua a través de los poros formados, en este caso estrechos (menor velocidad de secado). Como contrapartida, el secado del producto es mucho más uniforme, dando lugar a una distribución de poros final también más homogénea.

E sta práctica se hace asimismo extensiva a los alimentos líquidos. En ocasiones, cuando la estructura cristalina del líquido congelado es muy tupida, se somete a una trituración posterior, con lo que se reduce el tiempo de secado, o bien se efectúa la congelación a p a rtir del producto en forma de espuma. En general, la congelación puede ser externa, en un equipo anejo al liofilizador, o interna, en el propio liofilizador, tendencia actual.

Vacío del sistema. El vacío contribuye a reducir los riesgos de fusión del hielo, al ser la presión en la cám ara directam ente proporcional a la tem peratura necesaria para que tenga lugar este fenómeno. Esta posibilidad se acentúa al comienzo de la operación, cuando controla la transm isión de calor, situación que se prolonga en tanto el sistema no alcanza el régimen estacionario. Esto requiere efectuar un cierto vacío (1-4 mm de Hg) en un tiempo relativamente corto (5-10 min). En prim er lugar se utiliza una bomba de gran caudal y vacío medio, que perm ite alcanzar las presiones necesarias al principio de la operación para, seguidam ente, conectar el sistema a una segunda bomba, de m enor caudal pero de alto vacío, que asegura el mantenimiento del vacío preestablecido para el resto del proceso.

La presión de operación en la cámara constituye, quizás, la principal variable de un proceso de liofilización. Cada alimento presenta su propio óptimo en cuanto a la presión de operación (0,005-1,5 mm de Hg). El análisis del nivel de presión más adecuado se centra en la velocidad de sublimación del hielo. Así, si se aum enta la presión en la cámara por encima de un determinado valor se disminuye la velocidad de liofilización. Ello se explica debido a que se aum entaría la presión parcial del vapor en la superficie del alimento para una misma presión

de vapor del hielo en su frente de sublimación, lo que dan a lugar a una reducción del gradiente de presiones, fuerza impulsora de la transferencia de materia. La situación implicaría asimism o alcanzar una mayor tem peratura para sublim ar el hielo, lo que supone un m enor gradiente térm ico entre las secciones consideradas.

E n el caso contrario, disminución de la p resión de operación por debajo de su valor óptim o en relación a la velocidad de liofilización, la explicación no resulta tan obvia. Parece ser que a alto vacío, condiciones en las que se favorece la desorción de los gases y aire ocluidos en el alim ento, se resiente la conductividad térm ica del mismo y, por ende, la velocidad de transm isión de calor. La pérdida de la com ponente convectiva de la propagación del calor, que actúa como m edio de cohesión entre las fracciones sólidas, supone un aum ento “aparente” de la porosidad del producto (inversamente p ro porcional a su conductividad térmica).

La p resión óptim a de operación no tiene por qué coincidir con su valor óptimo a efectos de la econom ía del proceso. N ótese que conform e se disminuye la presión (menor tem pera tu ra de sublimación) menor ha de ser la tem pera tu ra precisa para condensar en form a de escarcha el vapor de agua eliminado. Por o tra parte , el coste debido al vacío aum enta exponencial men te. D e cualquier forma, los eos les de operación en su conjunto disminuyen p ara lelam ente a la reducción del tiempo de secado.

Sublimación deí hielo. Al igual que en las operaciones de secado que ya se han tratado, la velocidad de eliminación de agua, en este caso por sublimación del hielo, está determinada por las velocidades de transm isión de calor y de transferencia de materia. La transmisión de calor depende del foco utilizado. La discusión se ha cen trado en un equipo donde el calor se transm ite por conducción a través de la fracción seca o liofilizada del alimento, caso más habitual. E n estas condiciones, la velocidad de p ro pagación del calor hasta el frente de sublim ación del hielo está condicionada por el espesor, área de transferencia y conductividad térm ica

del alimento, así como por el gradiente de temperaturas entre la superficie del mismo y el frente del hielo. Dicha transmisión se ve muy desfavorecida por la conductividad térmica de la capa de alimento lioíilizado, muy baja, cuyo espesor aumenta conforme avanza la operación.

La resistencia al paso del calor se mitiga disminuyendo el tamaño y grosor de las piezas a tratar, y/o aumentando la diferencia de temperaturas antes reseñada. Respecto-a este último punto, interesa operar con una temperatura en el frente de hielo lo más alta posible, sin que ello origine su fusión. Así pues, si se pretende un buen gradiente térmico se ha de actuar sobre la temperatura de la cámara, cuyo límite superior (40/50 nC) viene dado por la termos ensibili- dad del alimento. La temperatura en el frente de hielo se fija a través del valor establecido para la presión en la cámara. Es importante suministrar al hielo su calor de sublimación con una cierta velocidad. De lo contrario, se produce un descenso en su temperatura, que se traduce en una menor velocidad de deshidratación.

Condensación del vapor de agua eliminado. Aunque no se ha indicado, resulta evidente que el vacío, además de fijar la presión de operación, se encarga de la evacuación del vapor de agua, de los gases desorbidos del alimento y del aire que pudiera haberse introducido en la cámara de iíofilización. La mezcla de gases y vapores pasa a través de una trampa de vapor, constituida por un serpentín refrigerado internamente, donde la mayoría del vapor retirado del alimento condensa como escarcha. Este equipo, intercalado en la linca de vacío, permite reducir el caudal de succión de la bomba (un vapor de agua a -25 °C y 0,5 rom de Hg ocuparía unos 2 n^/g), que se limitaría así a extraer del sistema el vapor no condensado y los gases incondensables en general. La eficacia de la condensación del vapor depende, básicamente, de los siguientes factores:

• Diferencia de presiones entre la cámara (o la superficie del alimento) y la superficie externa del condensador.

• Temperatura del condensador: se establece atendiendo a la temperatura de sublimación del hielo. De hecho, la eficacia de la operación se define en ocasiones como el cociente entre la temperatura de sublimación y la temperatura del refrigerante, que es la que determina la del condensador.

• Espesor del hielo depositado sobre el condensador. La velocidad con que se acumula la escarcha sobre las paredes del condensador determina la frecuencia del desescarchado.

• Diferencia entre la temperatura del refrigerante (interior) y la temperatura superficial del condensador (exterior).

Es importante controlar la eficacia de la condensación del vapor de agua a lo largo del proceso. Si ésta disminuye, el excedente de frío resultante de la menor proporción de vapor condensado se traducirá en un descenso (le la temperatura de la cámara de Iíofilización.

Desorción de la fracción acuosa no congelada. En principio, la Iíofilización da lugar a la sublimación de todo el hielo. El agua residual (15%), “ligada” al alimento, se elimina por evaporación a vacío en el propio liofilizador (< 2-5%), a la misma presión de sublimación pero a temperaturas superiores, de hasta 50/60 °C. En estas condiciones de presión y temperaturas puede parecer que se encuentra favorecida la pérdida de volátiles. Sin embargo, la difusidad de estos componentes se reduce notablemente conforme disminuye la humedad del producto. Otra posibilidad es “acabar” el producto en un secadero de tolva.

Ruptura del vacío. Una vez se ha secado el producto, el siguiente paso consiste en la descarga del mismo. La operación implica una ruptura progresiva del vacío (en 15 min aproximadamente), utilizando a tal fin un gas inerte, N2 o COj. Se llega incluso a crear una leve so- brepresión respecto a la barométrica, de modo que el producto no adsorba parte de la humedad del aire ambiente. Su conservación, dada

su afinidad hacia el agua, pasa por un cuidadoso control 'de la com posición, tem peratura y hum edad relativa de la atmósfera de almacenamiento.

6.1.2. Cálculo del tiempo de operación

Cuando el secado del alimento tiene lugar a través de la superficie de calefacción, la velocidad de transmisión del calor vendrá dada por la siguiente ecuación:

d Q _ M (T _ tdt L s h

[6.1]

donde k n corresponde a la conductividad térm ica de la fracción seca del alimento, T a la temperatura de la superficie seca, Th a la tem peratu ra del frente de h ielo y L al espesor de la referida capa seca (distancia entre su superficie y la del frente de hielo).

La transferencia de vapor a través del sólido seco se puede expresar, de acuerdo con la ley de Darcy, como un transporte de cantidad de movimiento:

superficie del alimento, el incremento del gradiente de presiones se debe al aum ento de la presión de vapor del hielo como consecuencia del nivel térmico que se alcanza en esta zona, muy próxim o al existente en la superficie. Se dan así unas condiciones propicias para la fusión del hielo y posterior evaporación del agua formada. El riesgo se limita aumentando, Lien la presión en la cámara (mayor presión superficial), bien el espesor de la pieza (menor tem peratura en el frente de hielo). Ambas posibilidades conducen a la disminución del gradiente de presiones.

E n el caso contrario , alimento perm eable pero de conductividad térm ica deficiente, se puede producir una acumulación de calor en la superficie del mismo, con la consiguiente alteración térm ica. El gradiente de tem peraturas será sustancial, mientras que el de presiones se resentirá debido a la baja tem peratura en el frente de hielo. En esta situación, sólo se puede actuar sobre el foco caliente, controlando su actividad a partir de la medida de la tem peratura superficial del producto.

La transferencia de vapor por difusión molecular interna viene dada, según la ley de Eick, por la siguiente expresión:

dw _ A p ( ph —p iv)dt L

[6 .2]dwdt

en la que dw/dt es la velocidad con que se transfiere el vapor, p la perm eabilidad de la fracción seca del alimento, p h la presión de vapor del hielo en el frente de sublimación y p w la presión parcial del vapor de agua en la superficie del producto.

Si el producto es compacto, baja permeabilidad, se dificulta la difusión interna del vapor. Tendrá, por el contrario, una cierta conductividad térmica. En estas condiciones, el gradiente de tem peraturas será m oderado en tanto el de presiones elevado. D ado que la presión de la cám ara, que se fija m ediante el vacío consiguiente, determina una presión constante en la

donde D representa la difusividad interna del vapor de agua.

La velocidad de transferencia del vapor tam bién se puede expresar atendiendo a la variación del contenido de hum edad de la capa seca conforme progresa el secado. Así,

~ ^ A p (ÍV0 - Wt ) ~ [6-4]dt dt

en la que p es la densidad del producto seco, WQ la hum edad de la capa seca a tiempo cero, es decir, la hum edad inicial del producto (ex-

presada sobre base seca) y Wt la humedad de la capa seca a liempo t, referida también a base seca. La ecuación constituye una aproximación al comportamiento del sistema. Por ejemplo, la densidad no permanece constante entre el comienzo (r = 0) y el final de la operación (t = t).

En el equilibrio, la velocidad de transmisión de calor se iguala a la velocidad de transferencia de materia. Es decir, todo el calor que llega al frente de hielo se traduce, como calor de sublimación, en un transporte del vapor de agua formado.

dw~dF

± d Q X. di

(6.5\

Sustituyendo las ecuaciones establecidas para la transferencia de calor y materia en la anterior expresión se tiene que:

h i Á c r A p b>h-Pw) . dt Xs L ’ h) ' L

“ Í P * - p J = A p M > -W r) é r

¡6 .6 )

RTk dt

La integración de esta igualdad entre los límites: t = 0, L » 0 y t - t, L = L r permite establecer el tiempo de Iíofilización:

c K p O o - w,) ú _ P - Wt) ¿?k a i T s - T h ) 2 P ÍP h ~ P w) 2

= RTl lP(W0- W t ) t f D<Pk-P») 2

[6.7]

Del análisis de esta expresión se concluye que el. tiempo de operación es directamente proporcional al cuadrado del espesor del producto. Esto viene a confirmar la conveniencia de operar con piezas delgadas y de poco tamaño. En este sentido, también resultaría interesante el secado por las dos caras mayores, y no

por una única, que es el supuesto del que se ha partido para deducir la presente ecuación. En ese caso, habría que sustituir L por L¡2.

Aparte de lo apuntado en relación a la preparación del producto, la velocidad de sublimación del hielo se controla en la práctica actuando sobre las siguientes variables:

• Presión en la cámara de liofilización.• Temperatura del condensador. Interesa

la máxima condensación posible. Para ello hay que limitar la perdida de carga entre la cámara y el condensador, de tal forma que la presión en este último sea próxima a la de liofilización (de lo contrario bajaría la temperatura de condensación deí vapor). La temperatura del condensador debe ser lo suficientemente baja.

• Temperatura de sublimación del hielo. Interesa la máxima posible; el límite superior admisible viene dado por la temperatura de fusión del hielo.

Aplicaciones: aunque la relación de productos líofilizados a escala experimental es considerable, la realidad es que su campo de aplicación industrial se limita a unos pocos alimentos, de alto valor añadido y que se verían muy afectados por un secado térmico convencional. La conservación por liofilización se aplica, se entiende que no necesariamente siempre, a alimentos tales como: café soluble, extractos de café concentrado, ciertas setas, algunas frutas y verduras, carne en determinados casos, zumos de naranja, gambas o langostinos, etc.

6.1.3. Liofilizaclores

Las principales diferencias entre los liofilizadores existentes en el mercado son el tipo de fuente de calor utilizada y, en menor medida, la disposición dei sistema de condensación. La transmisión de calor más extendida es por conducción y por una sola cara del ali

mentó. El producto se extiende sobre bandejas, que pueden incorporar resistencias eléctricas o asentarse sobre unas placas calefacto- ras huecas, po r cuyo interior circula el fluido térm ico. Es la llam ada liofilización por contacto directo. Si ei calor se difunde a través de la capa seca del p roducto , la velocidad con que se transm ite es tanto m enor cuanto mayor sea el espesor de la referida capa. Es decir, la transm isión de calor se resiente conform e progresa la liofilización del alimento. Si por el contrario el calor se transm ite a través de la capa de hielo, su velocidad aum entará con el tiem po de operación. Se da, pues, una disminución gradual del espesor del m edio a través del cual se transfiere el calor. En cualquier caso, la liofilización por conducción da lugar a una sobrecalefacción de la superficie caliente del producto, con formación de una “costra” que limita, a su vez, la transmisión de calor al frente de hielo.

A lgunos equipos incorporan una doble placa calefactora que, si bien m ejora la uniform idad del secado, no supone una reducción del tiem po de procesado. El contacto placa-alim ento dificulta la evacuación del vapor de agua eliminado, de ahí que haya de reducirse la tem pera tu ra de calefacción hasta un valor que evite la acumulación superficial del mismo. Este inconveniente se palia empleando unas placas m etálicas sinterizadas, de es truc tu ra m icroporosa, que perm iten la difusión del vapor. Es la denom inada liofilización acelerada.

También se utilizan fuentes de calor radiante que, en principio, dan lugar a un calentamiento del producto más uniforme. Aun así, se requieren piezas de poco espesor y controlar la tem peratura superficial del alimento. Las bandejas en este caso actúan únicamente como soporte, y no como medio de transmisión del calor, ya que la fuente en cuestión no precisa un contacto íntimo con el alimento. U na práctica habitual consiste en utilizar un contacto directo (por conducción) por la superficie inferior del alimento y una fuente radiante por su superfi

cie superior. Se consigue así una velocidad de liofilización considerable.

El calentam iento por microondas es una de las fuentes de calor con m ayor fu turo en el campo de la liofilización. Con este sistema el calor se produce en el propio frente de hielo, cuyo factor de pérdida es muy superior al de la fracción seca del alimento, con lo que la velocidad de sublimación es independiente del espesor de la pieza tratada. Su principal inconven ien te viene dado por la relación existente entre el factor de pérdida del hielo y la tem pera tu ra , d irectam ente proporcionales. Así, se puede llegar a dar la fusión de parte del hielo, favoreciéndose a continuación la brusca evaporación de) agua form ada (con la consiguiente “explosión” del producto) m erced a su factor de pérdida, muy superior al del hielo. La aplicación de esta técnica a ia liofilización está m ucho más desarrollada que el calentamiento dieléctrico o que la radiación infrarroja, tam bién ensayadas a escala experimental. O tra investigación reseñable al respecto es la liofilización a presión atmosférica con corriente de aire o de nitrógeno. Para ello, se precisa que la presión parcial del vapor de agua en el gas sea inferior a la presión de vapor del hielo, lo que exige secar y enfriar el gas.

El condensador puede operar directam ente con un fluido refrigerante, cediendo frío por evaporación del mismo, o a través de un circuito secundario con un fluido de menor capacidad frigorífica, como puede ser una disolución acuosa glicolada. Su disposición en relación a la cám ara de liofilización puede ser interna o externa. En el primer caso el vapor presenta un m enor recorrido hasta alcanzar el serpentín de condensación. O tra ventaja de esta disposición es la posibilidad de utilizar el condensador como congelador dorante la primera etapa de la operación. Si se sitúa fuera de la cámara, se facilita su m antenim iento. Esta opción perm ite, asim ism o, operar alternativam ente con dos unidades de condensación: en una se condensa el vapor m ientras en la o tra se procede al de- scscarchado. El volumen sometido a vacío es,

en este caso, superior, ya que al del liofilizador hay que sumarle el de la conducción entre la cámara y el condensador,

Los liofilizadores se pueden clasificar atendiendo bien a la fuente de calor que incorporan, aspecto ya tratado, bien al modo de operación, continuo o discontinuo con una o más unidades.

El equipo en discontinuo consiste en una cámara de liofilización hermética, conectada a una línea de vacío, donde las bandejas que contienen el producto se soportan sobre placas calefactor as. Son capaces de tratar hasta 400 kg cada 6-8 lloras. Cuando se desea pasar a una capacidad mayor, sin estar supeditado a una operación en. continuo, se dispone de varias unidades (cabinas) en paralelo: 4 unidades darían lugar a una producción máxima de 5.000 kg/dfa. Esta disposición tiene ia ventaja de permitir un sistema de vacío común, con control individualizado del mismo según los requerimientos en cada caso. El sistema de calefacción sí es independiente. La carga del producto se distribuye entre las cabinas a intervalos de tiempos regulares, cada 2 h, estando pues la descarga también secueneiada.

La operación en continuo se lleva a cabo en los llamados liofilizadores de túnel. Como su nombre indica, consisten en una cámara cilindrica de unos 2 m de diámetro, que incorpora en toda su longitud las placas cale factor as, dispuestas a distintas alturas. Las bandejas se transportan en vagonetas, que circulan sobre unos raíles al efecto, de tal modo que en su paso se intercalan entre las placas caleíactoras, fijas. Ciertos sistemas están dotados de un dispositivo hidráulico que permite mejorar el contacto entre las bandejas y las placas. La calefacción se controla por secciones. El equipo, representado en la figura 6,2, está provisto de unas esclusas de carga y descarga para preservar el vacío en su interior. El sistema de condensación es doble, alternativo, de forma que no se interrumpa la operación por necesidades de desescarchado. Se suele situar en la parte inferior del túnel, en los laterales de los raíles centrales.

Descongelación Condensador en del condensador funcionamiento (desescarchado)

Figura Ó.2. Liofilizador de túnel.

Resulta difícil establecer un consumo energético promedio para la liofilización de alimentos en general. A título indicativo, ya que los productos so» de características muy dispares, se estima en unos 5.000 kW - h por tonelada de agua eliminada. Tomando como referencia unitaria el consumo debida a la etapa de congelación (2,4% del total), el resto de consumos relativos serían: 10,6 para la sublimación (25,9%), 5,9 para la condensación (14,4%), 1,3 para el desescarchado (3,2%), 1,5 para el vacío (3,7%) y 20,7 para la desorción (50,5%). A pesar del carácter aproximado de estas cifras, se pone de manifiesto que los cambios de estado del agua, esencia de la operación, no suponen más del 27% del consumo global, en tanto que la desorción del agua residual, etapa marcadamente térmica, representa prácticamente el 50% del consumo energético total,

6>2. Concentración por congelación

Esta técnica de deshidratación se basa en la concentración de los alimentos líquidos por cristalización controlada de su fracción acuosa, seguida de la separación del hielo formado. La concentración por congelación se beneficia de

las ventajas derivadas de operar a bajas temperaturas: se puede aplicar a productos muy sensibles a la tem peratura sin casi alterar sus características originales. La calidad de los alimentos tratados es similar a la de los procesados p o r osmosis inversa, y superior a la de los productos concentrados por evaporación, operación en la que se resiente la retención de volátiles. La calidad debida a la cristalización del agua del alimento se acerca más a la resultante de la liofilización del producto, donde las tem peraturas son tam bién reducidas.

El principal inconveniente de orden técnico de este tipo de deshidratación radica en la concentración máxima final que se puede alcanzar (40-50%), limitada por el aumento de la viscosidad de la disolución conforme se disminuye la tem peratura y ligeramente superior a la que se obtendría por osmosis inversa (25-35%), pero muy inferior a las habituales en la evaporación de alimentos líquidos (75-90%). La inversión necesaria y los costes de fa b ric ac ió n son una desventaja económica frente a otros posibles métodos de eliminación de agua. O tros inconvenientes reseñables son su capacidad de producción, menor que el de una evaporación, y su facilidad para adquirir aromas y sabores del entorno de la instalación, cuestión que puede dar lugar, si no se tom an precauciones al respecto , al deterioro organoléptico del p ro ducto.

que los cristales formados son extremadamente puros, la concentración del producto final vendrá dada por el porcentaje de hielo separado, el cual se puede calcular mediante la siguiente expresión:

donde C¡ y representan, respectivamente, las concentraciones de hielo en la mezcla antes y después de su separación. Cuanto menor sea la cantidad de hielo residual (mejor 7} ) m ayor será la concentración del producto final.

La principal variable del proceso es la tem peratura de congelación. La presencia de solutos tiene un efecto crioscópico sobre la fracción acuosa del alimento, tanto más marcado cuanto menores son sus pesos moleculares y m ayor es su concentración. Así pues, el punto de congelación. de la fracción acuosa desciende a lo largo del proceso, al margen de la naturaleza del soluto considerado, hasta alcanzar el correspondiente eutéctico del sistema. La tem peratura de congelación se fija atendiendo a su relación con la concentración de solutos, la cual se determ ina experim cntalm ente. Como primera aproxim ación se puede recurrir a expresiones deducidas de la term odinám ica del sistema. La siguiente ecuación:

6.2.1. Fundamento teórico

El rendim iento de la operación es tanto más elevado cuanto m ayor sea el tam año de los cristales de hielo formados. U n cristal grande supone reducir su impurificación por retención superficial del producto. Se trata, en suma, de lim itar el arrastre del alim ento por parte del hielo a fin de reducir sus pérdidas.

La eficacia de la separación de la masa cristalina constituye o tro aspecto im portante de la operación. Así, supuesto que se parte de una

-disolución exenta de sólidos en suspensión y

'V ta¡> R Ta ~TAo

= ln ( 1 - ^ ) [6.9]

relaciona la tem peratu ra de congelación (TA) para una concentración molar de soluto en un m om ento dado (XB) a través del calor latente de fusión del hielo referido a moles (2f) , de la constante universal de los gases (R) y del punto de congelación del agua pura (TjD). S i la disolución de partida es muy diluida, el descenso de tem peratura (A7j), previsiblcmente m oderado, se puede estim ar m ediante la siguiente expresión:

Xf

donde la concentración del soluto (m) viene en términos de molalidad y P M A representa el peso molecular del disolvente.

El conocimiento de la evolución del punto de congelación permite evitar un sobreenfriamiento innecesario de ia disolución que, en el caso de rebasar su punto eutéctico, daría lugar a un hielo impurificado, con la misma composición que la fase líquida. A dem ás, conviene recordar que la viscosidad d e la disolución aumenta conforme se disminuye la temperatura, lo que a su vez limita las velocidades de nuclea- ción y de crecimiento del cristal. El incremento d é la viscosidad se ve asimismo favorecido por el aumento de la concentración de soluto según avanza la operación. Esta circunstancia incide, también negativamente, sobre la eficacia de la etapa de lavado de los cristales separados, fundam ental para m ejorar la concentración del producto final.

En algunas ocasiones, com o es el caso de ciertos zumos de frutas, resu lta conveniente acondicionar el producto antes de abordar su concentración por congelación. Entre los posibles pretratam ientos destaca la separación, por una parte, de la pulpa por centrifugación, que palia el arrastre de producto por parte del hielo y, por otra, de determ inadas macromolcculas (proteínas, almidones, etc.) por ultrafiltración, que afectarían desfavorablem ente a la velocidad de cristalización del hielo. E n ambos casos, los com ponentes separados previam ente se añaden al alimento una vez se ha concentrado. La estabilización térm ica es otra de las prácticas habituales en el pretratam iento de zumos de frutas. Su efecto se centra en la pasteurización del producto y en la inactivación enzimáti- ca de las pectinaesterasas responsables de su oscurecimiento. Así pues, esta operación permite m ejorar la calidad del alim ento concentrado. Aplicaciones: zumos de cítricos, vinagre, cerveza, vino, extractos de café y té, jarabes de

azúcar (almíbares y '‘siropes”), leche y extractos de aromas.

6.2.2. Concentradores por congelación

Aunque la gam a de instalaciones que ofrece el mercado es muy amplia, el objetivo común de las mismas consiste en alcanzar, a través del control de la form ación y del crecim iento de los cristales, una distribución de tam años uniforme, m onodispersa, con un tam año medio elevado. Los cristales de estas características facilitan su lavado, reduciéndose así las pérdidas de producto como consecuencia de su arrastre por parte del hielo separado. Los cristalizadores se pueden clasificar atendiendo al tipo de contacto existente entre el fluido refrigerante y el alimento que se pretende congelar: directo o indirecto. Estos últimos se pueden dividir, a su vez, en internos, si el enfriamiento y la cristalización se dan en el mismo equipo, y externos, cuando la refrigeración del producto se lleva a cabo en una instalación aneja a la de cristalización.

Los equipos de contacto directo se basan en la expansión de un fluido refrigerante licuado a presión sobre el alimento líquido. La evaporación súbita del refrigerante proporciona el enfriamiento necesario para que tenga lugar ia cristalización del producto. El enfriam iento también se puede conseguir vaporizando mediante alto vacío una fracción del agua del alimento. Su aplicación al campo del procesado de alimentos es muy reducida. A la dificultad de disponer de un fluido refrigerante adecuado al caso, se añade el inconveniente que supone la extracción de componentes volátiles del alimento por parte de la fase vapor, circunstancia que precisamente limita el empleo de las técnicas de concentración por evaporación.

La cristalización p o r contacto indirecto en su modalidad interna puede ser superficial o en suspensión. En el prim er caso los cristales se forman sobre la superficie del dispositivo de intercambio de frío, retirándose de la misma pa

sado un cierto tiempo. Un ejemplo al respecto lo constituye la inmersión de un tambor rotatorio (por cuyo interior circula el fluido refrigerante) en el líqiiido a congelar, que cristaliza así sobre la superficie externa del cilindro. Luego se separan los cristales formados mediante una rasqueta. La cristalización en suspensión se lleva a cabo en un recipiente agitado, provisto de una camisa circundante de refrigeración. La mezcla líquido-sólido resultante se conduce, pasado un tiempo, al sistema de separación. Este modo de operación dificulta la posibilidad de controlar independientemente los procesos de nucleación y crecimiento de los cristales de hielo.

Los equipos de cristalización más extendidos en el ámbito alimentario son los de contacto indirecto por enfriamiento externo. La alimentación, una vez se subenfría en un intercambiador convencional, se conduce al recipiente principal, donde se forman los cristales. T,a última generación de este tipo de instalaciones incorpora la re circulación de la mezcla al intercambiador, esta vez de superficie rascada, donde predomina la nucleación de los cristales frente a su crecimiento, que se desarrolla

mayori(ariamente en ei recipiente principal. A veces se refuerza este reparto de funciones recirculando únicamente la fase líquida de la mezcla. Las condiciones de subenfriamiento del intercambiador originan la nucleación de pequeños cristales (<50 jxm), que se conducen al cristalizador propiamente dicho. Aquí, los cristales mayores crecen a expensas de los finos, que terminan por disolverse. En la figura 6.3 se representa una instalación de concentración por congelación de contacto indirecto por enfriamiento extemo, provista de recirculación parcial del concentrado obtenido en el cristalizador y de rccirculación de las aguas de lavado de la columna de separación del hielo.

En las unidades de separación del hielo formado. el objetivo primordial que se persigue es reducir al máximo las pérdidas de producto debidas a su arrastre por parte de aquél. Los equipos a tal fin se pueden dividir, atendiendo a su principio de funcionamiento, en dispositivos de presión, centrífugos o columnas de lavado. Los primeros tienen su campo de aplicación en los congeladores internos de contacto indirecto cuando el alimento se congela sobre la superficie interior de los tubos del intercam-

FlGURA 6.3. Concentrador por congelación de contacto indirecto: 1: inlercombiador de catar de superficie rascada; 2: tanque de mezcla; 3: columna de lavado; 4; intercambiodor de calor; 5: tanque de alimentación; ó: recipiente de pro

ducto trataeo; 7: bombas.

biador. Si bien resultan económicos, raram ente se utilizan en la industria alimentaria; arrastran mucho producto.

En los separadores centrífugos, basados en ia diferencia de densidades entre las fases implicadas, el concentrado se hace pasar a través de la cesta filtrante merced a la fuerza centrífuga reinante. La eficacia de la operación depende de la velocidad de giro de la centrífuga, de la viscosidad de la disolución concentrada y del tam año medio, form a y distribución granulo- métrica de los cristales que se pretenden separar. El enjuague de los cristales, práctica necesaria para reducir el arrastre de producto , origina su dilución. Se aprecia, asimismo, que el aire am biente, sobre el cual se induce una cierta turbulencia durante la operación, contribuye a la pérdida de volátiles.

Las columnas de lavado se están im poniendo al resto de sistemas de separación del hielo, sobre todo en la industria alimentaria, merced a los buenos resultados que arrojan: son capaces de disminuir la impurificación de los cristales por debajo de las 100 ppm. Se opera en contracorriente, el h ielo se retira p o r la parte superior con ayuda de unas rasquetas, mientras que el concentrado se recoge por la parte inferior. En la figura 6.3 se puede apreciar que la columna de lavado está provista de un in tercam biador de calor para fundir una pequeña proporción del hielo separado, lo que constituye el líquido de lavado de los cristales que ascienden. En ocasiones este dispositivo de fusión se sustituye por una resistencia eléctrica situada en la zona superior de la colum na.

El hielo puede ascender defo rm a natural, al ser su densidad m enor que la de la disolución concentrada. Dado que su velocidad ascensional está limitada por esta diferencia de densidades, se han desarrollado sistemas com plem entarios al efecto tales como la impulsión del hielo mediante mezcladores estáticos de espiral, tornillos sinfín o pistones de cabeza porosa (filtro del concentrado). En todos los casos, el concentrado desciende hasta el fondo de la columna, de donde se retira a través de un filtro.

La eficacia de separación del hielo en una columna de lavado está íntimam ente relacionada con la velocidad con que desciende el líquido, v, la cual se puede cuantificar, en m/s, m ediante la siguiente expresión:

v i (k \dp) dP

180 ( 1 - V¿) M d Z

donde V L es la fracción volumétrica de líquido en la columna, dp (m) el diám etro m edio del cristal, k s su factor de forma, ¡i (kg/m ■ s) la viscosidad deí líquido y dP /dZ (kPa/m) el g radiente de presiones en sentido axial. A tenor de esta expresión, se pone de manifiesto que la eficacia de la separación aum enta con el tam año medio de los cristales y con el gradiente de presiones a lo largo de la columna. Se requiere, asimismo, una viscosidad moderada, cuyo valor está determ inado por la concentración y tipo de soluto y por la tem peratura de la mezcla, para reducir el gradiente de presiones necesario, así como una distribución de tam años de hielo estrecha.

La operación en continuo se basa en el m antenim iento de una interfase concentrado- agua de lavado (frente de lavado) en su recorrido descendente. Su estabilización, potenciada por la diferencia de densidades entre uno y otro lado de la interfase, que origina una cierta recristalización (m ayor tamaño medio de cristal), pasa por cumplir el siguiente requisito:

¿L > 10" 7 P [6.12]

en la que el diámetro medio del cristal, d , viene dado en cm y la viscosidad del producto concentrado que se separa, p, en poises (P).

El consumo energético de los concentradores por congelación se debe, por una parte , a la carga de refrigeración precisa para pasar el agua a hielo y, por otra, al suministro de electricidad para atender los requerim ientos de los

motores de bombas, agitadores, rasquetas, etc. Se trata de una operación con un consumo energético ligeramente inferior al de una concentración por evaporación y muy superior al de una osmosis inversa; puede llegar a ser hasta 10-12 veces mayor. Precisa, p o r otra parte, una gran inversión, sobre todo por el peso relativo del capítulo correspondiente a la adquisición de los intercambiadores de superficie rascada, muy costosos,

6.3. Evaporación

La evaporación es una operación de concentración de una disolución por paso de parte del disolvente presente en la misma a fase vapor. Para ello, es necesario suministrar en forma de calor la energía asociada al cambio de estado líquido-vapor, A diferencia de lo que sucede en destilación, en evaporación no se produce un fracciona miento posterior del vapor generado y la volatilidad relativa disolvente/soluto es tan grande que suele considerarse que la fase vapor producida está libre de soluto.

La evaporación es la operación tradición alimente más utilizada en la Industria Alimentaria como método de concentración de disoluciones. E n tre las aplicaciones típicas de la evaporación en el procesado de alimentos cabe citar las siguientes fabricaciones: preparación de concentrados de zumos de frutas, obtención de diferentes productos derivados de la leche, purificación y refino tanto de sal como de azúcar, obtención de purés y pastas a partir de productos vegetales, etc.

La evaporación es una operación de transferencia de materia, ya que uno de los componentes, el disolvente, tiene que transportarse desde el seno de la disolución hasta la fase vapor. Sin embargo, previamente ha de producirse un transporte de calor desde el agente calefactor hasta la disolución. De los dos fenómenos, el más lento suele ser este último, por lo que el diseño de los evaporadores suele realizarse suponiendo que la etapa controlante

es el transporte de calor. De hecho, tal y como se verá más adelante en este capítulo, la ecuación de diseño de los evapora dores es similar a la de los cambiadores de calor.

Com parada con otras operaciones de concentración de disoluciones, como pueden ser las operaciones con membranas comentadas en el volumen II, la evaporación presenta la desventaja de requerir un mayor consumo energético, así como de poder provocar alteraciones no deseadas en determinadas sustancias al someterlas a tem peraturas relativam ente altas. Sin embargo, mediante evaporación es posible alcanzar concentraciones de soluto muy elevadas, hasta del 80-90%, lo que es inviablc en las separaciones con membranas. Cuando se re quiere un grado de eliminación todavía mayor del disolvente en el producto final, es necesario combinar la evaporación con operaciones más drásticas como pueden ser el secado o la cristalización. En este caso, la evaporación es realmente una operación de pmnoncenlrncrión de la disolución.

El objetivo fundamental de la evaporación es modificar la composición de la disolución, lo que puede implicar beneficios adicionales. Así, la evaporación de gran parte del disolvente permite disminuir apreciablemente el volumen que ocupa el alimento, lo que conlleva una reducción importante de los costes de envasado, transporte y almacenamiento de ese producto. Por otro lado, la disminución de la concentración de agua contribuye también a reducir su actividad, aumentando la estabilidad biológica deí producto.

6 .3 .1 En erg ¡a necesaria

Un evapora do r puede considerarse de forma simplificada como un equipo constituido por dos zonas separadas por una pared sólida, tal y como se muestra en el esquema representado en la figura 6.4. El agente calefactor, normalmente vapor de agua saturado (W), se introduce en la zona de calefacción, cediendo el

FIGURA ó .4. Esquema simplificado de un evaporados

calor necesario en la zona de evaporación ((3), lo que provoca su condensación. En la zona de evaporación, este calor se invierte en evaporar parcialm ente el disolvente de la disolución diluida (F), extrayéndose como corrientes de salida, la disolución concentrada producto (L) y el disolvente vaporizado (V). En este esquema, W, F, L y V simbolizan los caudales masivos de las diferentes com entes, m ientras que Q representa el caudal de calor intercam biado entre las dos zonas del evaporador.

El calor necesario para llevar a cabo esta operación puede considerarse la suma de dos términos:

• Calor sensible (<2¡). Representa la energía necesaria para calentar la disolución inicial desde su tem peratura a la entrada del evaporador (TF) hasta su tem peratura de ebullición (TED). Suponiendo un calor específico medio (CPF) para la disolución diluida, este calor se puede estimar mediante la siguiente expresión:

O ^ F C pr(TED- T F) [6.13]

• Calor latente (Q2). Es el calor necesario para evaporar el disolvente y generar la corriente de vapor V. Se puede determinar a partir del calor latente de vaporiza

ción del disolvente a la tem peratura de ebullición de la disolución (ÁeTED):

Q2 = l e rED [6.14]

El calor latente de vaporización de un determ inado com ponente varía con la temperatura. En el caso del agua, la expresión que proporciona dicha relación se denomina ecuación de Regnault;

Xe = 606,5 - 0,6957 [6.15]

donde el calor latente se expresa en kcal/kg y la tem peratura en grados centígrados.

Finalmente, el caudal de calor total a suministrar sería:

Q = Qi+Q2 [6.16]

6.2.2. Velocidad de intercambio de calor

La velocidad de transporte de calor entrelas dos zonas del evaporador se expresa m ediante ¡a ecuación de diseño del mismo, muy parecida a la planteada con anterioridad para cambiadores de calor:

Q = XJAAT [6.17]

donde A es el área de transmisión de calor, U el coeficiente global de transmisión de calor y AT la diferencia de tem peratura existente entre ambas zonas del evaporador, que actúa como fuerza impulsora del transporte de calor.

D icha fuerza im pulsora puede expresarse como:

ln P = 18,3036-

A T = T U ■ Uü [6.18]

siendo Tw la tem peratura del vapor utilizado como agente de calefacción. Cuanto mayor es la presión a la que se encuentra este vapor, m ayor es su tem peratura y, por tanto, su calidad térmica, aunque también se produce un incremento en su coste.

Asimismo, desde el punto de vista del transporte de calor, interesa que la tem peratura de ebullición de la disolución sea lo más pequeña posible ya que, con ello, aumenta la fuerza im pulsora existente entre las dos zonas del evaporados A continuación se relacionan los d iferentes factores que influyen sobre dicha temperatura:

• Tem peratura de ebullición del disolvente puro (Te). Es función de la naturaleza del disolvente y de la presión reinante en la zona de evaporación. Con frecuencia la evaporación se lleva a cabo a presión reducida con objeto de dism inuir dicha tem peratura , io que, adem ás de favorecer la transmisión de calor, evita o minimiza el posible deterioro de sustancias sensibles a la tem peratura. Este último factor es de primordial importancia en el procesado de alimentos. No obstante, existe un límite económ ico respecto de la disminución de la tem peratura de ebullición por debajo de un determinado valor (alrededor de 40 en el caso de disoluciones acuosas) ya que para ello han de conseguirse elevados niveles de vacío, lo que increm enta ios costes de operación y encarece el equipo de evaporación.

En el caso del agua, la ecuación de A ntoine que perm ite relacionar la tem peratura de ebullición con la presión (P) es la siguiente:

3.816,4 7V -46 .13

[6.19]

expresión en la que la presión viene dada en m m de Hg y la tem peratura en K.

* Presencia de solutos. Es un fenómeno conocido que la existencia de solutos en una disolución provoca un increm ento en el punto de ebullición (AT£) respecto del disolvente puro. E ste efecto es doblemente desfavorable ya que aum enta la tem peratura máxima a la que está som etida la disolución, con el consiguiente riesgo de degradación de determinados com pon en tes, y dism inuye la fuerza im pulsora del transporte de calor.

El valor de AT£ depende de la naturaleza del soluto y de su concentración. En general, es m ayor cuando se trata de solutos iónicos de bajo peso molecular. En la Industria Alim entaria la elevación del punto de ebullición es especialm en te im portan te en disoluciones de sales y azúcares. E n la bibliografía se pueden encontra r datos experim entales de la elevación del punto de ebullición para los sistemas más habituales, como es el caso de disoluciones acuosas de diferentes sales. Es muy frecuente que los datos se p resen ten en forma de gráficos de D uhring, que proporcionan directam ente la tem peratura de ebullición de la disolución en función de la del disolvente y la concentración de soluto. En la figura 6.5 se recoge el diagrama de Duhring correspondiente a disoluciones acuosas de CINa.

En el caso de disoluciones diluidas se ha propuesto la siguiente ecuación para estimar el increm ento en el punto de ebullición:

1.000 rm [6.20]

siendo M s el peso m olecular del soluto, m la molalidad de la disolución y R la constante de los gases. Se trata de la ecuación [6.10], pero con notación.

• Carga hidrostática sobre la disolución. L a formación y el crecimiento de burbujas de va

T 200 *£D

1 80

lóO

140

120

100

80

FIGURA 6.5. G ráfico de Duhring para disoluciones acuosos de C IN a.

por en un líquido en ebullición suele producirse mediante un mecanismo de nucleación heterogénea sobre la superficie calefactor^. La presión real existente en esa superficie es mayor que la correspondiente a la superficie libre del líquido debido a la carga hidrostática ejercida por la columna de líquido de altura h situada sobre la superficie sólida. Como consecuencia, la temperatura real de ebullición de la disolución es algo mayor que la correspondiente a la presión P de la zona de evaporación. No obstante, dada la dificultad de estimar con precisión un valor medio de dicha carga hidrostáli- ca, a efectos de diseño del evaporador se suele obviar este fenómeno, tom ándose como referencia la temperatura de ebullición de la disolución a la presión reinante en la fase vapor de la zona de evaporación.

Otro de los parámetros que aparecen en la ecuación de diseño del evaporador es el coeficiente global de transmisión de calor (17). Esta variable depende fundamentalmente de las re sistencias al transporte de calor existentes en el sistema, tal y como se muestra en la figura 6.6:

® resistencia que opone el vapor de calefacción,

• resistencia de la pared sólida que separa la zona de calefacción y de evaporación,

• resistencia de la propia disolución cu ebullición.

pista última suele ser la más importante, por lo que los evaporadores se diseñan tratando de mejorar el transporte de calor a través de la disolución, generalmente mediante un increm ento de la turbulencia existente en la misma: generación de corrientes de circulación natural (diferencia de densidades), agitación provoca-

FiGURA ó .ó . Resistencias a! transporte de calor en un evaporador.

da por la formación y desplazamiento de burbujas o m ediante una m áquina, como puede ser un agitador o una bomba (convección forzada). La variable que más negativamente influye sobre el transporte de calor a través de la disolución es su viscosidad. En este sentido hay que tener en cuenta que la mayor parte de los alimentos líquidos suelen ser muy viscosos, con com portamientos Teológicos en su mayoría no newtonianos, por lo que la resistencia que oponen al transporte de calor es bastante elevada. El incremento de la tem peratura disminuye ia viscosidad, favoreciendo la transmisión de calor pero, a medida que se produce la evaporación, la mayor concentración del soluto conlleva un aum ento de la viscosidad y, por tanto, de la resistencia de la disolución al transporte de calor.

O tro factor a tener en cuenta es la form ación con el paso del tiempo de depósitos sólidos sobre la superficie de calefacción, lo que contribuye a aum entar progresivamente la re sistencia al transporte de calor, provocando disminuciones en el coeficiente global de transmisión de calor que pueden llegar a ser de hasta un 40%. Dichos depósitos pueden tener orígenes muy variados: precipitación de sales, cristalización de solutos, etc. En el caso de disoluciones de alimentos, la presencia de puntos calientes en la superficie calefactora provoca con frecuencia la descom posición térm ica de alguna de las sustancias presentes, generándose productos de degradación que se acumulan sobre la misma. La formación de estos depósitos hace necesaria la limpieza del evaporador con una cierta periodicidad, que puede oscilar en tre días o meses, dependiendo de la naturaleza de la disolución y del tipo de evaporador.

Teniendo en cuenta todos estos factores, el coeficiente global de transmisión de calor del evaporador se puede relacionar con las diferentes resistencias m ediante la siguiente expresión:

siendo h w y hD los coeficientes individuales de transmisión de calor del vapor de calefacción y de la disolución, respectivamente, e el espesor de la pared sólida, ky su conductividad térm ica y R d la resistencia que oponen los diferentes depósitos sólidos que se puedan formar.

La velocidad de intercambio de calor en el evaporador determ ina el tiempo de residencia de la disolución a fin de alcanzar un determ inado grado de evaporación. El tiem po d e residencia medio se puede estimar como el cociente entre el volumen de disolución presente en el evaporador (V,) y el caudal volumétrico de disolución alim ento (O ^), resultando inversam ente proporcional al área y al coeficiente global de transmisión de calor:

V,

1 1 e 1 DU hw kP hD

[6.21]

( [6.22] * Qvf A U

Asimismo, hay que tener en cuenta qne en todo evaporador existe una distribución de tiem pos de residencia alrededor del tiem po medio. Cuanto mayor es el grado de mezcla de la disolución más amplia es esta distribución, con el consiguiente riesgo de degradación de aquellas porciones de disolución que perm anecen más tiem po en el evaporador. La m ayor o m enor am plitud de la distribución de tiempos de residencia depende del tipo de flujo, lo que a su vez viene marcado por el tipo de evaporador. En eí caso ideal de flujo pistón todos los elementos de fluido tienen el mismo tiempo de residencia.

6.3.3. Evaporador de simple efecto

En este apartado se detallan los pasos a seguir en el diseño de un evaporador de simple efecto, constituido por una sola unidad de evaporación con las correspondientes zonas de calefacción y evaporación, tal y como se muestra en la figura 6.4. En realidad, los evaporadores de simple efecto suelen estar dotados, además.

de un condensador que perm ite licuar la corriente de vapor generado en el mismo, utilizando agua fría como agente de refrigeración.

Como datos de partida se suele disponer del caudal, composición y tem peratura de la disolución inicial, siendo tam bién conocidos lastemperaturas existentes en cada una de las dos zonas del evaporador, la concentración de la disolución producto y el valor del coeficiente global de transmisión de calor.

P lanteando balances de m ateria total y de soluto en la zona de evaporación se obtienen las siguientes expresiones:

F - L + V [6.23j

Fxf ~ Lxl [6.24]

donde xF y x¡ representan las fracciones mási- cas de soluto en la disolución inicial y final, respectivamente. D ichas ecuaciones permiten determinar: ios caudales más icos ríe las corrientes L y V.

Suponiendo despreciable el calor de concentración, igual en valor absoluto pero de signo contrario respecto del calor de disolución, la siguiente expresión se corresponde con un balance entálpico en el conjunto del evaporador:

W Hw A PhF = Whw + V H v +- U i L [6.25]

representándose por H las entalpias específicas de las corrientes en estado vapor y por h las entalpias específicas de las corrientes líquidas.

Reordenando dicha ecuación, se puede determinar el caudal de calor intercam biado entre las dos zonas como diferencia entre las entalpias de las corrientes que entran y salen de cada zona, obteniéndose tam bién el caudal má- sico de ía co rrien te de vapor de calefacción (fV): .

O = (Hw - h w) = V H v + L h L - Fhp [6.26]

Finalmente, la ecuación de diseño del evaporador, ecuación [6,17], proporciona el área

de transmisión de calor necesaria en cada caso, la cual se corresponde con el área de la superficie calefactora existente entre las dos zonas del evaporador.

Ilabituaim enle, se denom ina capacidad de un evaporador al caudal másico de vapor generado en el mismo, m ientras que se define la economía del evaporador como el cociente entre el caudal de vapor generado y el alim entado (V/W).

Si en el balance entálpico se tiene en cuenta que la entalpia de las corrientes en estado líquido suele ser pequeña com parada con la entalpia de las corrientes vapor, se obtiene de una forma aproxim ada la siguiente relación:

Q = W H w ~ V H v [6.27]

Luego, la mayor parte de la energía suministrada con el vapor de calefacción sale del evaporador con la corriente de vapor generado, por lo que en numerosas ocasiones la rentabilidad económica de una evaporación está asociada a la posible recuperación de dicha energía. Entre las diferentes alternativas existentes para conseguir un mayor aprovechamiento energético en la evaporación por reutilización de la corriente V cabe citar las siguientes:

• Precalefacción de la disolución inicial (figura 6.7a). El vapor generado suministra el calor sensible necesario para calentar la disolución de partida hasta su tem peratura de ebullición, acoplando un cambiador de calor con el evaporador. No obstante, dado que el m ayor consumo energético está asociado al calor latente del cambio de estado liquid o-vapor, el ahorro energético que así se consigue es pequeño.

• Recom presión mecánica (figura 6.7b). El vapor generado se utiliza como agente de calefacción del propio efecto, para lo que es necesario aum entar previam ente su tem peratura m ediante com presión. Aunque durante la puesta en marcha del

FIGURA 6.7. Aprovecham ienb de energía en evaporadores: a) preca le facción de la disolución inicial, bj recompresión mecánica del vapor, c) reccmpresión térm ica del vapor.

evaporador se requiere una cierta can tidad de vapor de calefacción fresco, ésta ya no es necesaria una vez alcanzado el rég im en estac ionario . N o o b s ta n te , al aho rro energético así ob ten ido es n ecesario resta rle el consum o de energ ía m ecánica de la e tapa de com presión.

• R eco m p resió n té rm ica (figura 6,7c). Tam bién en este caso se em plea el vapor generado com o agente de calefacción del propio efecto, increm entando su presión y tem p era tu ra m ediante mezcla con una co rrien te de vapor fresco a alta presión. Con ob je to de conseguir que el sistem a traba je en régim en estacionario y evitar la acum ulación de vapor en sucesivas re- circulaciones, es necesario ex traer y p u rgar p a rte del v apo r generado (corrien te Vj), lo que dism inuye la eficacia energética de esta alternativa.

T an to la recom presión m ecánica co m o la térm ica se suelen em plear cuando el ev ap o ra dor o p era con A T m oderados, h ab itu a lm en te e n tre 5 y 15 "C, lo que hace posib le q u e la energ ía que hay que aporta r p o r com presión o m ed ian te la inyección de vapor fresco no sea dem asiado elevada. U na ventaja adicional de estas alternativas es que se dim inuye o se elim ina p o r com pleto el consum o de agua de refrigeración en el condensador situado a con tin u ación del evaporador.

F inalm en te , o tra posibilidad para recuperar la energ ía con ten ida en la corriente V es la u tilización de un ev a p o rad o r de m últip le efecto con varias etapas de evaporación. D ad a su im portanc ia , los d iferen tes aspectos relacionados con esta a lternativa se revisan po r separado en el sigu ien te apartado .

Ejemplo 6.1. Sistema de evaporación de simple efecto.

Se desea concentrar una disolución de sacarosa del 30 al 70% en peso mediante un evaporador de tubos verticales cortos (un solo efecto). El caudal de disolución alimento a tratar es de 1.000 kg/h. introduciéndose al evaporador a una tem peratura de 15 °C. I.a evaporación se lleva a cabo a presión reducida (0,4 atin), utilizando vapor de agua saturado a 115 °CJ como agen Le calefactor. Calcular el área de transmisión de calor y ei caudal de vapor de calefacción necesarios.

D a t o s

— Calores específicos:disoluciones de sacarosa (0,89 kcal kg-1 X -1). vapor de agua (0,46 kcalkg 1 “C"1),

— Elevación del punto de ebullición de la disolución de sacarosa al 70%: 5,5 °C.

— Coeficiente global de transmisión de calor: 2.24Ó kcal h ' m •• U 1

Solución

En primer lugar, planteamos los balances de materia y de soluto alrededor del evaporador, ecuaciones [6.23] y [6.24]:

F + L + V : Fxf = Lxl

1.000 = L+ V

(1.000)(0,3) = L(0,7)

Resolviendo ambas ecuaciones, se obtienen los caudales másicos de disolución concentrada y vapor generado:

L = 428,6 kgh" V =571,4 kgh'3

La temperatura de ebullición del disolvente a la presión de operación del evaporador se puede obtener aplicando la ecuación de Antoine de! agua, ecuación [6.19J:

1 nP L-. 18,3036 - 7 3.816,4

ln[(0,4)(760)] = 18,3036 -

Te - 46,13

3.816,4Te ~ 46,13

El valor de TE que se obtiene es de 349,3 K, es decir 76,2 °C.

El caudal de vapor de calefacción que es necesario suministrar al evaporador, así como el caudal de calor intercambiado en el mismo, se pueden determinar planteando el balance entál- pico, ecuación [6.26]:

Q = W(Hw - f t w ) = VIIv + LhL - FhF

El cálculo de las diferentes entalpias específicas requiere la selección previa de un estado de referencia a! que se le asigna entalpia cero. El estado de referencia seleccionado en este caso es agua líquida a la temperatura de ebullición de la disolución:

V = Ted = Te + = 76,2 e 5,5 = 81,7 “C

De acuerdo con el estado de referencia seleccionado y aplicando la ecuación de Regnault, ecuación (6.15], para el cálculo de los términos

de calor latente, se obtiene la entalpia de las diferentes corrientes que entran y salen del evaporador.

H w - h w = A<)rtv = ACiI15 = 606,5 - (0,695)(115)

= 526,58 kcal/kg-1//„ = rTED = ACi817 = 606,5 -(0,695)(8l,7) =

= 549,71 kcal/kg-1 hL = 0

hy = CpF{TF - Tref) = (0,89)(15 - 81,7) =

= -59,36 kcal/kg-1

Sustituyendo en el balance entálpico los valores de entalpias y caudales másicos conocidos:

Q = W (526,58) == (571,4)(549,71) - (1.000)(-59,36)

Operando, se obtiene el valor del caudal de vapor de calefacción y del en tidal de calor

W = 709,2 kg/h~l

Q = 373.464 kcal/h-1

Finalmente, el área de intercambio de calor del evaporador se puede determinar mediante la ecuación de diseño [6.17]:

Q = UAAT = UA(TW - TFD)373.464 = (2.246)A(115 - 81,7)

A = 5 m2

<5.3.4. Evaporador de múltiple efecto

El evaporador denominado de múltiple efecto consiste realmente en un sistema con varios evaporadores o efectos interconectados. En el primero de ellos se utiliza vapor fresco com o agente de calefacción, mientras que la com ente de vapor generada en el mismo se introduce como agente de calefacción en el se

gundo, A su vez, el vapor generado en el segundo efecto es el agente calefactor del tercero y así sucesivamente. Para que esta configuración sea term odinámicamente viable es necesario que exista un escalonamiento de tem peraturas de ebullición de la disolución al pasar de un efecto a otro, lo que perm ite establecer ías fuerzas impulsoras necesarias en cada efecto para el transporte de calor. E ste descenso en fas tem peraturas de ebullición se consigue, a su vez, m ediante un descenso escalonado de la presión reinante en las zonas de evaporación de cada efecto.

En cuanto a la circulación de las corrientes líquidas a través de los efectos existen diferentes alternativas, tal y como se muestra en la fi

gura 6.8, según se opere en contracorriente o en paralelo respecto de las corrientes de vapor o con alim entación de disolución fresca independiente a cada efecto. También existe la posibilidad de diseñar configuraciones mixtas por combinación de las anteriores.

Los sistemas de evaporadores de múltiples efectos con circulación en paralelo presentan la ventaja de no necesitar sistemas adicionales de bom beo para impulsar las disoluciones de un efecto a otro ya que se transportan en el sentido de dism inución de la presión. El principal inconveniente reside en que el vapor de m ayor calidad, es decir el vapor de calefacción fresco, se utiliza p ara concentrar la disolución d e p a rtida que, debido a su m enor concentración de

solutos, es ía más fácil de evaporar. Lo contrario sucede en los sistemas can configuración en contracorriente: el vapor fresco es el agente de calefacción de la disolución más concentrada, pero se requiere un sistem a de bom beo para transportar ía disolución de un efecto a otro.

Respecto del diseño de los evaporadores de múltiple efecto, ías herram ientas que se utilizan son similares a las de un evaporador sencillo: balances de materia, balances entálpicos y ecuaciones de transmisión de calor aplicadas a cada efecto. A continuación, se describe el procedimiento a seguir y las ecuaciones a utilizar en el cálculo de un sistem a de evaporación constituido por dos efectos con circulación en paralelo (figura 6.9). Como datos de partida se consideran disponibles los siguientes: caudal (F), composición (a f) y tem peratura (T,,) de la disolución inicial, concentración de la disolución producto final (x; i ), tem peratura del vapor de calefacción fresco (T\y), temperatura de ebullición de la disolución en el segundo efecto ( 7^ 2) y valores de los coeficientes globales de transmisión de calor correspondientes a cada efecto ( í / t y U2).

D esde un punto de vista económ ico, los evaporadores de m últiple efecto tienen un coste mínimo cuando todos los efectos tienen el mismo tamaño, es decir, el área de transmisión de calor es tam bién la misma. Imponiendo esta condición, el núm ero de variables a determinar en el sistema de dos efectos representado en J.a

figura 6.9 es de diez: W , L , , L 2, F 1S Vv x LV T£vGv Q2 y a .

En este caso se pueden plantear un total de cuatro balances de m ateria independientes. Las expresiones de los balances de materia total y de soluto alrededor de todo el sistema son las siguientes:

F = V^+V2 + L l [6.28]

Fxf = J-aX-12 [6.29]

Asimismo, los balances de m ateria total y de soluto alrededor del prim er efecto se expresan como:

i 7 = L 1+V1 [6.30]

Fxf ~ d.^xLl [6.31]

En cuanto a los balances entálpicos en cada efecto, m ediante un razonam iento similar al de un evaporador sencillo las ecuaciones a las que se llega son:

Ql = W (H w - h w) == ViHVÍ + L¡hLÍ - Fhr

Q z = ~ ^Vi) ~= V2H V2 + L 2h L2 - L,hu ^

F in alm en te , hay que co n sid erar las ecu ac io n es d e diseño de cad a efecto:

Q y ^ A A T ^ U ^ T v - T ^ ) [6.34]

Q2 = U 2A A T 2 = U 2A ( T E m - T ED2) [6.35]

T en iendo en cu en ta que cada uno de los b a lances eníálp icos son rea lm en te dos igualdades, el con jun to de expresiones [6.28] a [6.35] co n s tituye un sistem a de diez ecuaciones con diez in cógnitas. Sin em bargo , su reso luc ión no es d ir e c ta ya q u e al d esco n o c e rse la te m p e ra tu ra in te rm ed ia T rm no es posib le d e te rm in a r varias de las en talp ias que aparecen en las ecuac iones [6.32] y [6.33], P o r ello, es necesario recu rrir a un p ro ced im ien to de tan teos en el que se- p a r te su p o n ien d o un v a lo r de dicha te m p e ra tu ra de ebullic ión y se resue lve el sistem a a n te rio r h asta que en alguna de las iteraciones se ob ten g an valo res idén ticos o m uy p róxim os de las áreas de transm isión de ca lo r de los dos efectos.

Ejemplo 6,2, Sistema de evaporación de doble efecto.

Un evaporador de doble efecto con circulación en paralelo se utiliza para concentrar 10.000 kg/h de una disolución salina del 10 al 40% en peso. En el prim ero de Jos efectos, la disolución diluida se introduce a 25 aC, m ientras que el vapor de calefacción se alimenta a 125 °C. En el segundo de los efectos el vapor generado se en cuentra a una tem peratura de 80,7 CC. D e te rminar:

nj El área de calefacción en cada efecto, supuestos iguales.

b) Economía y capacidad del sistema de evaporación.

Datos

— Coeficientes globales de transmisión de calor:

Prim er efecto: 2.600 kcal h“L m~z °Crh Segundo efecto: 1.800 kcal h"1 n r 2 °C_1.

— Elevaciones en el punto de ebullición:Prim er efecto: 8 °C Segundo efecto: 12 5C

— Calores específicos:disoluciones salinas: 0,85 kcal kg-115O '1 vapor de agua: 0,46 kcal kg-1 °C 1

Solución

D e acuerdo con ei esquema de evaporador de doble efecto con circulación en paralelo que se m uestra en la figura 6.9, planteamos los balances de m ateria correspondientes al sistema global, ecuaciones [6.28] y [6.29]:

f = V1 + V2 + L , 10.000 - V, + V, + 1 2I'xf = L 2xL2 (10.000)(0,1) = L 2 (0,4)

O perando, se obtiene:

L 2 = 2.500 kg/h-1 \ \ + V2 = 7.500 kg/h-1

Asimismo, planteando los balances de m ateria alrededor del prim er efecto, ecuaciones [ó.30| y [6.31]:

F = Lj -rVx 10.000 = L l + \ \Fxp = Lxx lÁ (10.000)(0,i) = L {x a

Respecto de los balances entálpicos se p resenta el problem a de que la tem peratura en la zona de evaporación del primer efecto no es conocida, lo que hace inviable su resolución directa. Por ello, resulta necesario resolver el problema m ediante tanteos, suponiendo un valor de T£r Los pasos que se siguen son los siguientes:

1. E l vuloT inicial de TfÁ se obtiene suponiendo que los caudales de calor intercambiados en cada efecto son iguales, aunque no sea rigurosam ente cierto. Desarrollando las ecuaciones de diseño de los dos efectos:

Oj = Q2 U, Api 7 \ = Uz A 2 A1 2UlA T l = \J2AT2

ATj _ AT2 __ T w - T fdí _1 " 1

UlTgl ~ ?ED2 _ Tw ~ (?£1 + & J E l )

1 1

u 2 11 2

u-1TE\ ~ (T£7 + A.TF2 )

J _

l¡2

El término anterior es tam bién igual a ia fracción que se obtiene como suma de num eradores y denom inadores de los dos últimos términos:

AT) _ A in _ Tw ~ T ¡22 — {ATEl + ATE2)

U,í

'lh

1 1u ¡ + u 2

1.a tem peratura de ebullición del disolvente en el segundo efecto se puede obtener a partir de la de la disolución y del Incremento ebulloscópico:

r E2 = TED2 - A jf £2 =■ 80,7 - 1 2 = 6S, 7 °C

Sustituyendo en la ecuación anterior:

A T y _ A T2

2.000 1.800_ 1 2 5 - 6 8 ,7 - ( 8 + 12)

1 = 38.610

2,600 1.800

A i \ - T w - (T eí + ATE1)14,85 = 125 - (T£1 + 8)

Tn = 102,15 °C

2. U na vez conocido el valor inicial de T FV planteam os el balance entálpico de cadaefecto:

— Primer efecto. Como estado de referencia se fija agua líquida a la tem peratura T£D1:

T ref\ ~ T, + A T ci —EDI - T El- r m El

= 102,15 + 8 = 110,15 °C

La expresión del balance entálpico en el primer efecto viene dada por la ecuación [6.32]:

Qi = W ( H w - h w ) =

= + L ^ h u - FhF

Teniendo en cuenta el estado de referencia y la ecuación de Regnault para el cálculo de los calores latentes de vaporización se obtienen los diferentes términos de entalpia:

H w - h v Xe J2j = 519,63 kcal/.kg -i

H vi - rr¡.m - At, U0iJ5 - 529,95 kcal/kg

hLt = 0

hF = Cppi Tp - T , ef l ) =

= 0,85(25 -110,15) =

= -72,38 kcal/kg -i

Operando:

A7) =38.610/2.600 = 14,85 °C A'i\ - 38.610/1,800 = 21,45 °C

Teniendo en cuenta el significado de ios rem entos de tem peratura se obtiene el va-

supuesto de T FA correspondiente al pri- tr tanteo:

Sustituyendo en el balance entálpico del primer efecto:

& = VU (519,63) == V j(529,95)-(10.000)(-72,38)

Segundo efecto. Como estado de referencia se fija agua líquida a la tem peratura T1 ED2-

^re/2 “ Tj?D2 = í>0,7 °C

La expresión del balance entálpico en el segundo efecto viene dada por la ecuación [6.33]:

Q2 = v x( n v l - h v ,) =

- V2HiT2 + 2^1.2

Las diferentes entalpias se determinan de nuevo teniendo en cuenta el estado de referencia:

H V\.~ hyi = CpyAT£1 + e,TEÍ == (ü,46)(8) + 535,5:1 =

- 539,19 kcal/kg-1

Hvi ~ A ,ri£), = A,t¡0,7 = 550,41 kcaj/kg 1

hL2 ~ 0

Í¡L1 ~ CP!. 1 O f.Dl ~ l rc.fl) == 0,85(110,1.5 - 80,7) =

= 25,03 kcal/kg_1

Sustituyendo en el balance entálpico del segundo efecto:

22 = ^(539,19) = = V2 (550,41)- L , (25,03)

3. Resolución del sistema de ecuaciones constituido por los balances de materia y los balances entáípicos, obteniéndose el valor de las siguientes variables:

V, = 3642,6 kg/h-1 V2 = 3857,4 kg/h"1 xL1 = 0,157

T, = 6357,4 kg/IT1 W = 5107,9 kg/h-1

Q¡ = 2.654.218 kcal/h-1

Q2 = 1.964.053 kcal/tT1

4. Planteamiento y resolución de las ecuaciones de diseño de los dos efectos, ecuaciones [6.34]

y [6.35], lo que permite obtener las correspondientes áreas de transmisión de calor:

a = f / 1A1AT1 2.654.218 = (2.600)^(14,85)

Ai =68,7 m2

C?2 = k’zAjATj1.964.053 = (1.800)^,(21,45)

A¡ =50,9 m2

La gran diferencia existente entre las áreas de transmisión de calor de los dos efectos pone de manifiesto que la temperatura TE¡ supuesta inicialmente no es correcta, por lo que resulta necesario llevar a cabo un segundo tanteo con un nuevo valor de dicha temperatura.

1'. Para obtener el nuevo valor de TE, se tiene en cuenta la desviación obtenida en e l área de cada efecto respecto del valor medio:

A i = A ± A = 6s-7 + 50>9 =59|8 ¿

Los nuevos valores de las diferencias de temperatura se recalculan multiplicando por la relación entre el área de cada efecto y el valor medio del área de transmisión de calor:

A7? =. AT, A - = ( 1 4 ,8 5 ) |^ | | = 17,06 “C

A T i = A T2 A = (2 1 ,4 5 ) í § £ = 18,26 °C An (59,0)

La suma de estos incrementos de temperatura no coincide exactamente con la correspondiente a los datos del problema, por lo que es necesario corregirlos:

AT,'+ A T{ = 17,06 +18,26 = 35,32 °C

AT, +A T2 *=Tw ~TE2 - (A T e1-I- A7'E2) == 125 - 68,7 - ( 8 + 12) = 36,3 °C

AT,' = ( i 7 , 0 6 ) | j | A 17,53 =C

A partir de cualquiera de los dos incrementos de temperatura se obtiene el valor de T£l en el segundo tanteo:

ATj = ¡'¡y ~(T¿i +A2'pi)17,53 = 125 - (T ^ -h ü )

T'El = 99, 47 °C

2'. Se recalculan los balances de calor de ambos efectos:

Ü! = 17(519,63) = Vi (531,81) + 700.995 Q2 = ^(541,05) = V2(550,41)-2^(22,75)

3'- Resolviendo conjuntamente los balances de materia y los balances entálpicos, se obtiene el valor ríe las siguientes variables:

Vj = 3.649,7 kg/h*1 V, = 3.850,3 kg/h-1j»£i = 0,157

Lj = 6.350,3 kg/h"1 W = 5.084,3 kg/h-1Ql =2.641.955 kcal/li"1 Qx =1.974.670 kcal/h-1

4'. A partir de las ecuaciones de diseño se determinan las áreas de transmisión de calor en ambos efectos:

Aj =58,0 m2 . A ;-58,4 2 A , = 58,2 m2

La desviación respecto del valor medio es inferior al 0,34%, lo que indica la validez de

. los resultados obtenidos en el segundo tanteo, así como que el método de tanteo aplicado converge con gran rapidez.

Finalmente, se determina la capacidad y la economía del sistema de evaporación:

Capacidad: Vl + V2 = 7.500 kg/h'1

Economía: . m - M sW 5.084,3

6.3.5. Tipos de evaporadores

En este apartado se pasa revista a los tipos de evaporadores más utilizados a escala industrial. La descripción se realiza, en general, siguiendo un orden creciente de complejidad del equipo de evaporación:

• Evaporador discontinuo. Consiste en un recipiente calentado externamente por una camisa de vapor, que puede estar abierto a la atmósfera o cerrado y conectado a un condensador del vapor. Es un sistema que trabaja por cargas, es decir, opera en régimen no estacionario, utilizándose para pequeñas producciones como puede ser ía preparación de sopas, salsas, mermeladas, etc. La transmisión de calor a través de la disolución se desarrolla únicamente por convección natural, obteniéndose coeficientes de transmisión de calor bastante bajos.

• Evaporador de tubos horizontales (figura 6.10). Al igual que los restantes evaporadores que se describen a continuación trabaja en régimen estacionario, con una alimentación continua de la disolución diluida de partida y extracción continua de la disolución concentrada producto y del vapor generado. Está constituido por un bloque de tubos horizontales, por cuyo interior circula el vapor de calefacción, y que se encuentra sumergido en la disolución. El grado de agitación y turbulencia existente en el seno de esta última es pequeño, por lo que también en este caso el transporte de calor es lento. Se utiliza en la concentración de disoluciones de baja viscosidad.

En la parte superior del evaporador se deja un espacio lo suficientemente grande como para facilitar la separación entre las burbujas de vapor y el líquido que pueda acompañarlas. A veces se sitúan pantallas deflectoras que permi

| Vapor

Figura ó . 10, Evaporador de tubas horizontales.

ten la separación del líquido al chocar las burbujas de vapor contra ellas. El arrastre de líquido por parte del vapor es un fenómeno no deseado ya que implica una cierta pérdida de solutos y disminuye la calidad del vapor generado con vistas a su posible re utilización. Este arrastre se da en mayor medida cuando la ebullición do la disolución se produce a golpes o cuando en la disolución se produce la formación de espumas. E n la Industria Alimentaria, las disoluciones que contienen proteínas y carbohidratos son las que presentan una m ayor tendencia a form ar espumas.

• Evaporador de tubos verticales cortos (figura 6.11). Respecto del anterior se diferencia en la disposición vertical del bloque de tubos, denom inado calandria, y en la circulación del vapor de calefacción que se produce externamente a dicho bloque. La disolución situada en el interior de los tubos es la que recibe el calor procedente del vapor, produciéndose su ebullición, Las burbujas de vapor formadas en el inte rio r de los tubos se desplazan rápidam ente

concentrada

FiGURA ó . l 1. Evaporador de tubos verticales cortos.

hacia arriba debido a su baja densidad, arrastrando consigo a la disolución concentrada. A la salida de los tubos se produce la separación del vapor y de la disolución, de forma que esta última como consecuencia de su mayor densidad tiende a caer por gravedad por el espacio central del bloque de tubos. De esta forma se consigue crear una circulación y un desplazam iento de la disolución por convección natural que contribuye a m ejorar aprcciablem ente el coeficiente de transmisión de calor. Como consecuencia, este tipo de evaporadores es aplicable para la concentración de medios de viscosidad m oderada como son disoluciones salinas y de azúcar, zumos de frutas, etc.

* Evaporador de tubos verticales largos. El principio de operación de este evaporador es similar al caso anterior, aprovechando la agitación y turbulencia que provoca la formación y el desplazamiento de burbujas de vapor para mejorar el transporte de calor a través de la disolución. En este caso, al disponerse do un bloque de tu bos de m ayor longitud (3-15 m, habitualmcntc),

ese fenómeno se acentúa, formándose una película de líquido que asciende pegada a las paredes internas de los tubos al ser arrastrada por el vapor (evaporador de película ascendente, figura 6.12).

Cuando la disolución a concentrar posee una elevada viscosidad se suele utilizar una configuración diferente (evaporador de película descendente, figura 6.13) en la que el líquido se introduce por la parte superior del bloque de tubos cayendo en principio por gravedad. Para conseguir el desplazamiento de las burbujas de vapor hacia abajo, y el consiguiente arrastre de la disolución, es necesario hacer vacío en la parte inferior de los tubos. Con este sistema se pueden alcanzar velocidades muy elevadas de la mezcla líquido-vapor al final de los tubos, lo que conlleva la obtención de valores altos del coeficiente de transmisión de calor.

Otra variante de este tipo de evaporadores es el que se denomina evaporador de circulación forzada (figura 6.14). La disposición es muy parecida al de película ascendente, pero se utiliza una bomba para desplazar la disolución a través del bloque de tubos, lo que supone una me

jora sustancial en la transmisión de calor. La formación del vapor se produce no en el interior de los tubos, sino eu la cámara de expansión existente a la salida de los mismos. Con objeto de alcanzar elevados grados de concentración, exis-

Vapor de a9ua _^[j-

Alimentación

r r

m m

NVapor de agua

Condensado -o=

M -+Vapor(vacío)

i Disolución ▼ concentrada

Figura ó .13. Evaporador de película descendente.

placas, estando constituidos por una serie de compartimentos a los que se alimenta alternativamente vapor de calefacción y disolución diluida. La disolución puede dar varios pasos en el evaporador, es decir, atravesar varios compartimentos a fin de aumentar el grado de evaporación. Asimismo, el líquido puede hacerse circular en sentido ascendente o descendente. La formación del vapor puede producirse en el interior del evaporador o en una cámara de expansión posterior, al igual que en el evaporador de tubos de circulación forzada.

En los evaporadores de placas se obtienen elevadas velocidades de intercambio de calor. Son equipos compactos y fácilmente desmontables, lo que permite proceder a su limpieza con cierta frecuencia. Por todo ello, este tipo de evaporadores se utiliza bastante en la Industria Alimentaria. Como ejemplos típicos de sus aplicaciones cabe citar la concentración de extractos de café, gelatinas, zumos de frutas, sopas, etc.

• Evaporador de película agitada (figura6.16). Consta de un único tubo calentado externamente mediante una camisa de vapor de ca

ree ¡rcu loción

Figura 6,14, Evaporador de circulación forzada,

te la posibilidad de recirculaí parte de la disolución concentrada de nuevo al evaporador,

• Evaporadores de placas (figura 6.15). Son semejantes a los cambiadores de calor de

FIGURA 6 .1 5 . Evaporodor de placas.

concentrada

FIGURA ó. i ó . Evaporador de película agitada.

lefacción. En la parte cen tral del tubo se dispone de una serie de paletas unidas a un rotor que gira a gran velocidad. La disolución diluida se introduce por uno de los extremos del tubo, formándose tina película de líquido que se desplaza pegada a la pared y cuya superficie es agitada y barrida continuam ente por las paletas giratorias. Con ello, se consigue un grado muy elevado de turbulencia en la película de líqui

do, lo que conduce a valores muy altos del coeficiente de transm isión de calor. No obstante, se trata de un equipo caro con costes de operación elevados. Se suele utilizar en la etapa final de concentración de medios muy viscosos: extractos de carne, miel, pasta de tomate, etc.

• E vaporador cónico centrífugo (figura6.17). E stá constituido por un conjunto de conos invertidos apilados que delimitan una serie de espacios o compartimentos. Al igual que en el evaporador de placas, en dichos com partimentos se alimenta alternativam ente vapor de calefacción y disolución. El conjunto se encuentra unido a un eje central que gira a una determinada velocidad, de form a que la disolución tiende a desplazarse hacia la periferia por acción de la fuerza centrífuga. También en este caso se obtienen elevadas velocidades de intercambio de calor, siendo un sistema compacto y flexible. B asta con cambiar el núm ero de conos para modificar el área de transmisión de calor y, por lo tanto, la capacidad del evaporador. Su principal limitación es su alto coste.

En el cuadro 6.1 se recogen los valores típicos de tiempos de residencia y coeficientes globales de transmisión de calor en función del tipo de evaporador utilizado.

CUADRO 6.1Valores típicos de tiempos de residencia y coeficientes globales de transmisión de calor en función del tipo de

evaporador

Evaporador

U( W /|

So/o viscosidad \

m2 K)

Altaviscosidad

Discontinuo > 1.800 500-1.000 < 500Tubos horizontales > 900 600 -1.500 < ó 00Tubos verticales cortos > 300 600 -2.800 < 600Tubos verticales largos 5-60 2.000-6.000 < 300Placas 2-30 2,000-3.000 < 300Película agitada 20-30 2.000-3.000 1.500Cónico centrífugo 1-10 8.000 3.000

6 .4 . Técnicas avanzadas

La deshidr at ación de alimentos supone, por lo general, un consumo de energía considerable como consecuencia de su limitado aprovechamiento. Además, la calidad final del producto está supeditada al tipo de procesado seguido. Las investigaciones actuales se centran precisamente en el desarrollo de técnicas alternativas que permitan m ejorar los dos aspectos reseñados. A continuación, se da cuenta de algunas de las técnicas de deshidraíación de alimentos con mayores expectativas de aplicación.

El secado p o r microondas se basa en el em pleo de ondas radioeléctricas de alta fre cuencia. Su penetración en el alim ento, que depende del espesor y características del mismo, se m anifiesta, a través de la energía absorbida, en form a de calor, responsable a la postre de la evaporación del agua. El secado no suele ser uniform e a causa de la penetración irregular de las m icroondas en el seno del producto. A un así, resulta una técnica de secado prom etedora, toda vez que el aprovecham iento energético se cifra en un 70%, valor más que aceptable. Se ha aplicado a pa tatas fritas y a coles.

El olea to de etilo es uno de los aditivos capaces de favorecer el secado de ciertos alimentos, quizás el más representativo. Actúa como

surfactante/hum ectante dispersando el agua lib re po r todo el producto, lo que aumenta la velocidad de secado en su primera fase. Paralelam e n te , reacciona con la fracción cérea de la p ie l de determ inados frutos porosos, como la d e la uva, disolviéndola, que de lo contrario ofrecería una gran resistencia a la transferencia d e m ateria. También es capaz de disolver la pare d celular de algunos productos. Se ha ensayad o con almidones ricos en amilosa, con granos d e maíz y con uvas despepitadas por ingeniería genética.

El secado acústico consiste en som eter al alim ento a ondas de sonido de baja frecuencia a tem peraturas entre 60 y 90 °C. Esta práctica aum en ta significativamente las velocidades de transferencia de materia y calor a lo largo de la película de aire que rodea al producto. La instalación es similar a la de un secadero por atom ización pero con una cámara provista de una fuen te de ondas de sonido. Las velocidades de secado que se consiguen bajo estas condiciones llegan a ser hasta 10 veces superiores a las correspond ien tes a una deshidratación convencional. D ado que el proceso es rápido (se comp le ta en segundos) y relativam ente frío, la ca lidad y textura del producto se ven poco afectadas. Su reconstitución es, asimismo, buena. La técnica en cuestión se ha empleado con Líquidos tradicionalmenle difíciles de secar, alcanzándose contenidos finales de hum edad por d eb a jo del 1%. Se ha ensayado tam bién con éxito con productos con contenidos en m ateria grasa superiores al 30%. Otros alimentos secados p o r vía acústica son los jarabes de maíz Fructosados, la pasta de tom ate y los zumos de cítricos.

El vapor de agua sobrecalentado se ha utilizado como agente de secado de alimentos pastosos en lugar del aire. El secadero suele estar confo rm ado por dos cámaras en serie. E n la p rim era el sentido de Lujo del vapor es cruzado ascendente, en tanto que en la segunda es en paralelo. El alimento pasa de una a o tra cám a ra por gravedad. La velocidad de secado, que está supeditada a la velocidad de transm i

sión del calor entre el vapor y el alimento, es superior a la que tendría lugar con el aire. Esto perm ite reducir el tiempo de la operación. H acia el final del secado, el vapor se difunde desde el seno del producto hacia el exterior con más facilidad de lo que lo haría el aire. El vapor saturado que abandona el equipo procede tanto del sobrecalentado, que al ceder su calor sensible al producto se satura, como de la eliminación del agua del alim ento en form a de vapor. La economía del proceso pasa por la re- compresíón mecánica del vapor saturado de salida. Esto supone aum entar la tem peratura de saturación del vapor, lo que se traduce, en condiciones ísoentálpicas, en la condensación de parte del vapor a esa nueva tem peratu ra , el cual es capaz de sobrecalentar el vapor saturado restante, que es el que se introduce de nuevo en el secadero.

Además de las técnicas consignadas, existen otras que tam bién presentan una aplicación potencial muy in teresante en el cam po de la dcs- hidratación de alim entos. La extracción m ediante fluidos supercríticos, explicada en el volumen II, ofrece la posibilidad de deshidratar un alimento sin que el agua pase a vapor. Es decir, no se necesita calentar el producto en exceso, respetándose así su calidad.

La tecnología de m em branas, representada fundam entalm ente p o r la osmosis inversa, tam bién tra tad a con an terio ridad (volum en II), perm ite la concentración de alimentos entre 20 y 40 °C, lo que siem pre resulta beneficioso para la calidad del producto final. La radiación infrarroja se ha aplicado, asimismo, en la liofilización de alim entos, com binada con otra fuente de calor, para acelerar la sublim ación del hielo.

Todas estas técnicas, p o r lo general muy costosas, sólo se justifican si el producto final tiene un valor añadido suficiente p ara afrontar el coste de su procesado. Los esfuerzos actuales se dirigen, precisam ente, a abaraLar dichos costes. En este sen tido , se está potenciando la m ejora del aprovecham iento energético. E n tre otras actuaciones al respec

to destaca la im plantación de instalaciones de recompresión mecánica del vapor utilizado o el empleo de desecantes para la deshumidífica- ción del aire de secado agotado, con su consiguiente calentam iento adiabático. Es decir, el calor latente cedido se recupera como calor sensible. En este caso, el gasto energético se cen tra en el m an ten im ien to del desecante a baja tem peratura para facilitar la condensación de vapor sobre el m ismo y en su proceso térm ico de regeneración.

6.5. Calidad de los alimentos deshidratados

La conservación de alimentos por reducción de su actividad de agua lleva consigo la alteración de la calidad original del producto tratado. El tipo de proceso seguido y ias condiciones de operación establecidas determ inan la e x te n s ió n con que se desarrollan los factores responsables de su degradación, entre los que cabe citar: las reacciones de pardeam iento, la oxidación de lípidos, el deterioro de pigm entos, la pérdida de com ponentes volátiles asociados al aroma y sabor y la reducción de su valor nutritivo. La retracción que pueda experimentar el producto durante su deshidra- tación. así como la migración de solutos inherente a la operación, pueden dar lugar a la m odificación de su textura. Todo ello condiciona, a su vez, la capacidad de rehidratación del producto procesado, especialm ente en el caso de los alimentos pulverulentos.

6 .5 .1 . Posibles alteraciones

Las reacciones de pardeamiento de mayor peso específico en la deshidratación de alimentos son ias no enzimáticas, representadas principalm ente por la de caram elización y la de “M aillard”, que afectan sobre todo a su color, valor nutritivo, sabor y textura. D ependen de la tem peratura de operación y del contenido de

hum edad, pH y composición del producto. Conforme avanza el proceso se pueden distinguir tres fases en la velocidad de pardeamiento. U na prim era, correspondiente al período de estabilización, que se da fundamentalmente en la zona central como consecuencia de la m igración de com ponentes solubles hacia el interior del alim ento. Su velocidad es lenta y su contribución al efecto global despreciable. En la segunda fase, el pardeam iento presenta una gran velocidad de reacción, la cual se relaciona con la tem peratura a través de la ecuación de Arrhenius. U na vez se alcanza el contenido de hum edad crítica, prosiguen las reacciones de pardeam iento aunque con una velocidad inferior a la de la anterior fase. No obstante, esta velocidad es superior a la inicial debido a que se reduce ei enfriamiento evaporative) del producto, lo que se traduce en un aumento de su tem peratura , principal variable de la cinética del pardeam iento.

L a oxidación de lípidos en lo que se refiere a la deshidración de alimentos puede dar lugar a su cnranciamicnto, así como al desarrollo de olores desagradables y a la pérdida de vitaminas liposolubles y de pigmentos. Su extensión depende de factores tales como el contenido de agua del alimento, la naturaleza de la grasa, la presencia de oxígeno, la tem peratura, la concentración de metales pesados, la actividad en- zimática residual, la existencia o no de antioxidantes naturales y la radiación ultravioleta, La oxidación, que se centra en las insaturaciones de la cadena hidrocarbonada de los lípidos. sobre todo si se encuentran conjugadas, conduce a la formación de hídroperóxidos. Estos evolucionan p o r deshidratacioncs o polim erizaciones sucesivas hacia especies oxidadas como ios aldehidos, cetonas y ácidos.

Si la actividad de agua se sitúa por debajo de 0,3, el producto ofrece una buena resistencia a la oxidación de las grasas. La difusión del oxígeno a través del producto depende de su porosidad, propiedad ligada a las condiciones y tipo de proceso seguido. Así, la liofilización proporciona por lo general un alim ento más

poroso que el que se obtendría por métodos de secado convencionales, donde la retracción da lugar a un producto más compacto. La tem peratura favorece tan to la termodinámica como la cinética del proceso. Los metales pesados, solubles en agua, aum entan su concentración conforme se desarrolla la deshidratación. Esto refuerza su papel como catalizador de las reacciones de oxidación de la materia grasa. L a actividad enzimática residual, por su parte, puede centrarse en determ inados compuestos liposolubles, alterando así su sustrato graso. Los an tioxidantes naturales contrarrestan, si es el caso, la degradación de la m ateria grasa. P or último, indicar que la radiación u ltrav io leta también contribuye al deterioro de los lípidos a través de su fotooxidación.

E l producto se preserva de la oxidación de su m ateria grasa evitando en lo posible la p resencia de oxígeno durante su almacenamiento. Para ello, se envasa a vacío o en atm ósferas modificadas. Además, se p rec isa una tem peratura relativam ente baja y una protección a la radiación ultravioleta. La inhibición de la actividad enzim ática residual se establece a ten diendo más a propiedades de color, aroma y sabor que a la posible oxidación de los lípidos. Las medidas de protección al respecto se completan, si es necesario, con la adición de antioxidantes sintéticos.

La alteración del color de ios alim entos es una consecuencia de la oxidación de los pigmentos liposolubles (carotenos, clorofila, etc,), tam bién centrada en las insaturaciones de sus m oléculas. Así pues, resulta determ inante la composición del alimento en cuanto a las concentraciones y tipos de pigmentos. El proceso está favorecido por la temperatura y el contenido de hum edad del alimento, y se puede ver acompañado por la aparición de aromas y sabores secundarios procedentes de los productos de la descomposición de los pigmentos naturales. Las reacciones de pardeamiento también contribuyen a la degradación del color. Ambas reacciones, oxidación y pardeamiento, se dan preferentem ente duran te el almacenamiento. E n

relación a las primeras, son válidas las medidas de prevención expuestas para la oxidación de los lípidos, Respecto a las segundas, las verduras objeto de alm acenam iento se som eten previamente a un escaldado para inhibir la actividad enzimática residual. La leche se pastear iza. En el caso de las frutas, dicha actividad se reduce por adición de ácido ascórbico, ácido cítrico o anhídrido sulfuroso. Si se o p ta por este último aditivo se ha de tener presente que a partir de una determinada concentración puede dar lugar a la decoloración de las antocianinas, con la consiguiente degradación det alimento almacenado.

El aroma y sabor de los alim entos se debe a ciertos com ponentes orgánicos, volátiles, con una presión de vapor superio r a la del agua. Esta diferencia de volatilidades da lugar a la pérdida de aromas y sabores durante la deshi- dratacíón, tanto más acusada cuanto mayor es la tem peratura que adquiere el producto. EJ segundo factor de influencia es la solubilidad de estos com ponentes en el vapoi de agua eliminado, la cual determ ina la facilidad con que pueden ser arrastrados. P o r tanto , se han de extrem ar las precauciones en las primeras fases del secado, cuando, por u n a parte , el calor (sensible) que se aporta al alim ento se manifiesta en un aum ento de su tem peratura y, por otra, éste presenta su contenido máximo de humedad, La retención de volátiles se suele ver favorecida por la formación de una película de m ateria seca alrededor del producto en estas prim eras etapas del secado, que actúa como una m em brana sem iperm eable que permite el paso de vapor de agua pero no la difusión de los compuestos de interés. Las pérdidas de aroma y sabor debidas a las etapas de secado posteriores son despreciables respecto a las que tienen lugar en los m om entos iniciales. En ocasiones, se recuperan los volátiles, por condensación o por absorción, y se devuelven al producto deshidratado.

El valor nutritivo de los alim entos puede re sentirse antes (debido a su preparación), durante (sobre todo merced a la tem peratura del procesado) o después de la deshidratación (en

el alm acenam iento). L a pérdida nutricional asociada a la deshidratación del alimento es especialmente im portante en relación a su com ponente vitamínica. El com portam iento de las vitaminas depende de su disolvente en el producto: agua o lípidos. Las pérdidas y/o las alteraciones de las proteínas son despreciables.

Las vitaminas hidrosolubles son más sensibles a la tem peratura , sobre todo cuando e) contenido de hum edad es elevado. De nuevo, se pone de manifiesto la necesidad de operar con tem peraturas m oderadas duran te las p rimeras fases del secado. U na vez el producto adquiere su hum edad crítica, las vitaminas de este tipo experim entan una precipitación por sobresaturación, reaccionando o no con los solutos presentes. En cualquier caso, se puede considerar que las pérdidas correspondientes a esta parte final del secado son poco significativas en relación con las que se originan al principio. La vitamina C, la riboflavina y el ácido ascórbico se ajustan al comportamiento descrito. E l mantenim iento del valor nutritivo en estos casos pasa por un pretratam iento suave, sobre todo si es térm ico (escaldado), por un proceso de deshidratación corto, a tem peraturas m oderadas, y por un alm acenam iento del producto, que se supone tiene una baja actividad de agua, en una atmósfera modificada tendente a reducir la concentración de oxígeno en el ambiente.

Las vitaminas üposnlubles son menos susceptibles a su degradación térmica y a su oxidación, de ahí que sus pérdidas debidas a la deshidratación no sean relevantes, Su degradación, dado que no son objeto de concentración durante ei procesado del alimento, está supeditada a la oxidación de la m ateria grasa, cuyos productos de descomposición inm ediatos, los hidroperóxidos, propician su oxidación. Se ha de reparar en que la creciente falta de agua en ef producto a lo largo de la operación da lugar a un aum ento de la concentración de metales en la fase acuosa, lo que favorece, como ya se ha descrito, la catálisis de la oxidación de los lípidos. En suma, las medidas preventivas en reía-

cíón a este tipo de vitaminas (A, D, E y K ) son, en esencia, iguales a las ya planteadas para preservar la oxidación de ía materia grasa del alimento.

La textura es quizás la propiedad de los alimentos que se altera con más frecuencia. Además, su modificación constituye un serio inconveniente a efectos de su presentación comercial. La alteración de la textura en un alimento puede comenzar con su pretratamicnto. Un escaldado mal concebido, un determinado dispositivo de reducción de tamaño o, simplemente, un pelado inadecuado pueden causar cambios irreversibles en la textura de frutas y verduras, Si el problem a se centra en el proceso d.e deshidratación, la textura final del producto dependerá de la técnica seleccionada a tal fin, que implica unas condiciones de operación dadas, y de la humedad, tamaño, composición, variedad y grado de maduración de la especie objeto de tratam iento. A continuación, se pasan a analizar los fenómenos que tienen lugar en la deshidratación de las frutas y verduras y de las carnes en relación con sus respectivas texturas.

El secado de frutas y verduras origina, entre otros aspectos, la gelatinización del almidón, la degradación de las pectinas y la cristalización de la celulosa. Además, como la reducción de agua en el seno del producto no es homogénea, se produce una discontinuidad en su estructura orgánica en forma de roturas y compresiones localizadas en distintos puntos. Las células acaban por adquirir una cierta rigidez, cuestión que se traduce en el arrugamiento del producto tratado. La rehidratación, incompleta respecto a su contenido de hum edad inicial, se da con lentitud y no permite recuperar la textura original. Las carnes, por su parte, no se conservan por deshidratación. Se prefieren otros m étodos, como la congelación, que no alteran significativam ente su textura. La elim inación de agua de las carnes por acción del calor da lugar a la desnaturalización de sus proteínas, seguida de una agregación entre sí, que conduce al endurecim iento de su m asa muscular, especialmente a nivel superficial.

Se puede afirm ar que, por lo general, las texturas de las carnes, pescados y frutas se ven afectadas, en mayor o m enor medida, por las altas tem peraturas y velocidades de secado. El fenóm eno se achaca fundam entalm ente a la m igración de solutos hacia la superficie del producto conforme disminuye su contenido de hum edad. Dicha difusión está condicionada por la naturaleza de los solutos, por el tipo de alim ento y por las condiciones de operación. Si, además, la tem peratura del proceso es elevada, la superficie del alim ento se endurece tan to p o r la presencia de solutos del in terior com o por las modificaciones físico-químicas que tienen lugar en esta parte del producto, la más expuesta al calor. Las frutas se pueden proteger de esta alteración macerándolas p reviam ente en un jarabe azucarado. Esta práctica m antiene su textura elástica. El endurecim iento de la superficie del alim ento determ ina, aparte de la alteración de su textura final, una m enor velocidad de secado y una distribución heterogénea del agua residual. Así pues, resulta imprescindible un buen control térmico de la operación, de tal forma que se limite en lo p o sible este endurecim iento superficial y que se asegure un secado uniforme del alimento.

6 .5 .2 . L iofilización frente a secado convencional

La liofilización ofrece un producto con una calidad muy superior a la que se obtendría por técnicas de secado convencionales. Por otra parte , un alimento liofílizado envasado a vacío o alm acenado en una atmósfera de gases inertes puede conservarse en buenas condiciones duran te al menos un año. En general, esta técnica no altera sus principales prupiedades. Así, las reacciones de pardeam iento no enzimáti- cas, que se desarrollan hacia contenidos de agua intermedios, no tienen lugar de una manera apreciable. La velocidad de sublimación del hielo es lo suficientem ente ráp ida como para reducir esta fase de transición. Se evita así, adem ás del pardeam iento consiguiente, la

aparición de olores y sabores asociados a estas reacciones y las posibles pérdidas de valor nutritivo del alimento.

1.a oxidación de los lípidos es sin duda la principal causa de alteración de los productos lioñlizados. Se debe al aum ento de la concentración de metales en el agua del alimento según avanza la operación que, como es sabido, catalizan la oxidación de la m ateria grasa. Esta circunstancia se ve favorecida por la porosidad del producto liofilizado, característica inherente a la técnica seguida, que facilita la difusión del oxígeno hacia el interior del material. Como el grueso de la oxidación transcurre durante el alm acenam iento del alimento, éste se debe envasar a vacío o, en su defecto, m antenerse bajo una atmósfera de gases inertes.

El arom a y sabor de un producto liofilizado se conservan durante su tratam iento. Los componentes volátiles responsables de estas p ropiedades perm anecen en ía fracción seca del alimento, ai ser la tem peratura de la operación, que es la variable que condiciona su desorción, muy m oderada. La técnica en cuestión tampoco afecta al aspecto exterior del producto: no se aprecian alteraciones significativas de su textura ni endurecim iento de su superficie. La retracción originada por el tratam iento es tam bién despreciable.

Se respeta, asimismo, el valor nutritivo de los alim entos liofilizados. Las pérdidas vitamínicas se deben más al p re tra tam ien to del producto que a su procesado. En cuanto a las proteínas, indicar que no se alcanzan las temperaturas que hacen posible su desnaturalización: 40-60 “C p ara las carnes. Lo mismo se puede decir para el resto de constituyentes: almidones carbohidratos en general, etc. La liofilización origina, por otra parte, productos porosos, de rápida y fácil reh id ratación . La porosidad, sin embargo, les confiere una cierta fragilidad, de ahí que se haya de controlar su resistencia m ecánica antes de su alm acenamiento. En el cuadro 6.2 se recogen, de manera sucinta, las diferencias apuntadas entre el secado convencional y la liofilización.

6 .5 .3 . Evaporación

La concentración de un alimento po r evaporación implica un tratam iento térmico más o menos severo que puede provocar cambios en sus propiedades y una serie de efectos no deseados. Los com ponentes más sensibles, como es el caso de proteínas, enzimas y vitaminas, se pueden degradar con la consiguiente dism inución de calidad y de valor nutricional. Asimismo, se pueden producir reacciones químicas no deseadas, lo que conlleva la alteración de la naturaleza de las especies presentes. A nivel microscópico, se produce con frecuencia un cambio de color del alim ento derivado de las transformaciones com entadas o a veces simplem ente como consecuencia del aum ento de la concentración de solutos. Especialmente negativa suele resu ltar la pérd ida de olor que se produce como consecuencia de la evaporación de los com ponentes más volátiles presentes en el medio, lo que supone en definitiva una disminución im portante de las propiedades sensoriales del alimento.

Existen diferentes posibilidades para evitar o al menos paliar todos estos efectos no deseados que tienen lugar sim ultáneam ente con la evaporación del disolvente, Tal y como se ha com entado con anterioridad, una de las alternativas más utilizadas es la evaporación a p resión reducida, lo que perm ite disminuir apre- ciablernente la tem peratura de ebullición de la disolución, O tra posibilidad es la de acortar to do lo posible la duración del tratam iento térm ico. Para ello, se requiere el empleo de evaporadores con coeficientes de transmisión de calor muy elevados, como es el caso del evaporador de película agitada o el evaporador centrífugo cónico. Finalm ente, la pérdida de olor y aroma se puede compensar en parte mezclando la disolución concentrada con una determ inada proporción de disolución inicial. En m uchas ocasiones, los com ponentes volátiles se recuperan condensando la corriente de vapor generada, separándolos por destilación y añadiéndolos de nuevo a la disolución concentrada.

CUADRO ó ,2Diferencias entre el secado con verte ion ol y la iiafilizacíón

Secado convencional

Adecuado para alimentos de estructura accesible ¡granos y verduras).

Contraindicado para carnes.

Temperaturas relativamente elevadas: 35-100 "C.

Presión atmosférica o, si el producto es sensible a la temperatura, a vacío.

Grueso de la evaporación desde la superficie del producto.

Migración de solutos con arrugamiento del olirnento.

Propicia alteraciones estructurales de los productos sólidos.

Retracción significativa del alimento con posibilidad de aumentar su densidad.

Posible fuente de olores y sabores no deseados.

Tiende al oscurecimiento del alimento.

Notable pérdida de valor nutritivo.

Rehtdraíación lenta e incompleta,

Técnicas, por lo general, económicas.

Liofilización

Técnica de secado cas i universal, pero limitada a productos difícilmente deshidratares por medios convencionales, sumamente sensibles a la temperatura y de alto votor añadido.

Válido para carnes en general.

Temperaturas incluso por debajo del punto de congelación.

Alto vacío (0,1-1 mm de Hg).

Sublimación desde el frente de hielo.

Mínima migración de solutos.

Mínimas alteraciones estructurales si la velocidad de congelación es la adecuada al caso.

Retracción despreciable del alimento con disminución de su densidad.

Respeta el olor y sabor originales.

No altero el color original.

No se pierde valor nutritivo.

Rehidrotoción rápida y con mayor extensión.

Técnicas considerablemente más caras.

6 .5 .4 . Rebidratobilidad

L a capacidad de rebidr at ación (rehidratabilidad) de un alim ento previam ente desecado es la propiedad relacionada con el grado y velocidad con que adquiere agua hasta alcanzar un contenido próxim o al de su estado original. La reconstitución “acuosa” del producto depende de los cam bios estructurales y físico-químicos que le haya podido causar su deshidratación, los cuales están determ inados, a su vez, por su com posición y por las condiciones de operación del proceso de secado seguido.

La deshidratación del producto puede afecta r a com ponentes tales com o alm idones y pro

teínas, que p resen tan una gran capacidad de retención de agua. La tem peratura puede, asim ism o, a fec ta r a la reh idratab ilidad del p ro ducto final, tan to “per se” como por favorecer su retracción, especialm ente durante las p rim eras etapas de la operación, donde puede llegar a alcanzar hasta e l 40-50% de su volum en inicial. E l contro l de la tem peratura perm ite, por tanto , m ejorar la rehidratabilidad del producto , al tiem po que se consigue un secado m ás uniform e, Los alim entos liofilizados, adem ás de es ta r expuestos a unas tem peraturas m ás m oderadas, p resen tan por lo general una aprecia- blc porosidad, lo que les confiere una ráp ida y no tab le capacidad de rehidratación. E n suma,

la mejora de la rchidratabilidad de un producto se suele centrar más en el proceso de secado que en el propio proceso de reconstitución.

Los alimentos pulverulentos constituyen un caso aparte en cuanto a su capacidad de rchi- dratación. Como la reconstitución de alimentos en general se lleva a cabo por redisolución o resuspensión de los mismos en agua, los pulverulentos, además de verse tam bién afectados por las condiciones y tipo de proceso de secado seguido, deben reunir unas determinadas propiedades en relación a su hum ectabilidad, sumergibilidad, dispersabilidad y solubilidad. La principal variable viene d ad a por su tamaño de partícula. Si es excesivam ente pequeño, los finos tienden a agruparse en grumos, rodeados por una película, que limita ía difusión del agua hacia el seno del producto. E n todo caso, un tamaño reducido, lo que presupone una baja densidad, disminuye la sumergibilidad deí sólido y, por ende, su dispersabilidad, com portamiento contrario al deseable a efectos de favorecer su rehidratación.

Se prefiere, pues, p a rtir de un tam año de partícula mayor, aun a costa de someter al polvo seco a un proceso prev io de aglomeración controlada. En estas condiciones, se lim ita su tendencia a la formación de grumos, con la consiguiente mejora de su humectabilidad. Por otra parte, un tamaño relativam ente elevado da lugar por lo general a un producto más denso, de mayor sumergibilidad, que se dispersa mejor en el agua de reconstitución. Si la partícula contiene aire ocluido, se resiente su densidad, y con ello su sumergibilidad y dispersabilidad.

La solubilidad del alim ento pulverulento en el agua de reconstitución es, quizás, la propiedad que se ve afectada por un mayor número de factores. En principio depende, además del proceso de secado, de su composición quím ica y estado crista lino , así como de su p ll , densidad y tam año d e partícula. En la rehidratación de alim entos en polvo se tiende, como ya se ha com entado, a operar con tamaños de partículas relativam ente elevados. Sin em bargo, se ha de te n er presente que esta

p ráctica im plica un proceso de secado m ás prolongado, con el consiguiente riesgo térm ico de dism inuir la solubilidad del p ro d u cto por desnaturalización de sus pro teínas, c ircunstancia que dificultaría su reconstitución. Por o tra p arte , el proceso de disolución del sólido pulverulento está supeditado, a su vez, y por este orden, a su dispersabilidad, humectabilidad y sumergibilidad.

Si el polvo se reconstituye con facilidad se denom ina “in stan tán eo ”. E sta característica surge de un compromiso entre las propiedades del líquido a deshidratar, el tipo de atom izador y las condiciones que rigen el proceso de secado. En todo caso, existen una serie de m ejoras técnicas que perm iten aum entar la rehidratabilidad del sólido obtenido. Así, la cám ara de atomización puede estar provista de un circuito de rccirculación de finos a la zona húmeda, que facilite su agregación entre sí. U na variante de este m odo de actuación consiste en no secar excesivam ente el producto duran te la atomización, de tal forma que los finos puedan abandonar la cám ara aglomerados entre sí. F.1 sistema tiene como contrapartida ía necesidad de incorporar uno o incluso dos lechos fluidizados vibratorios para apurar el secado y en friar el producto final. El circuito de reci['dilación de finos captará, en este caso, además de la corriente de aire primario procedente de la cámara de secado, las corrientes de aire secundario provenientes de los lechos fluid izados. En la figura 6.18 se m uestra un atom izador con secado de doble etapa, es decir, con un único lecho fluidizado, provisto de recircu lación de finos.

Otra alternativa para m ejorar la rch idratabilidad de los polvos ya secos es someterlos a una “rehum idiíicación” con el objetivo de favorecer la form ación de aglom erados. Los equipos al respecto pueden operar con vapor de agua o aire húmedo caliente, con lo que se alcanza la condensación del vapor de agua sobre las partículas, a semejanza de lo que ocurre en un “absorbedor por condensación” durante ía depuración de gases con partículas en sus

Sistema de Enfriador Salida delalimentación producto

FIGURA ó. 18. Secadero por atom ización con recirculación de finos.

pensión. Tam bién se puede nebulizar agua sobre el producto pulverulento, tal y com o sucede en una torre de lavado de gases con partículas en suspensión . La técnica, aun siendo sum am ente eficaz y e s ta r muy difundida, re qu ie re una inversión adicional considerable, toda vez que el polvo rchumidií'icado ha de se

carse en una cám ara al electo para, posteriorm ente, pasar a un lecho fluidizado vibratorio, donde se procede a su enfriam iento. E l equipo, rep resen tado en la figura 6.19, incluye, asimism o, un circuito de recuperación de finos de las corrientes de aire de salida, los cuales se m ezclan con la alim entación principal.

Tubo de Flujo de aire húmedo y caliente

Calentador de aire

A¡re (fe Salida del enfriamiento producto

Figura 6 .1 9 . Rehumidificación de alimentos pulverulentos can aire húmedo caliente.

Resumen 5

1. La liofilización es una técnica compleja en ]a que se encadenan una serie de operaciones, algunas de las cuales se superponen entre sí.Las variables a controlar son varias. Así, destacan Ja velocidad de congelación, la presiónen la cámara, la tem peratura y la eficacia de 6,la condensación del vapor de agua eliminado, que se debe m antener constante.

2. Aun con todo, la mayor incidencia viene dada por la forma y tamaño de la pieza objeto de liofilización, toda vez que el tiem po de operación es función del cuadrado del espesor del producto tratado, a diferencia del secado convencional, donde esta relación no es tan acusada (directamente proporcional).

3. Siguiendo con la liofilización, indicar que su consumo energético está más supeditado a Ja etapa de desorción, que supone como la mitad del mismo, que a los cambios de estado: 7. congelación del agua y sublimación del hielo.Por lo que respecta al alim ento tratado , su calidad es notoriam ente superior a la que se obtendría si la deshidratación se hubiese llevado a cabo por medios convencionales, considerablem ente más económicos. 8-

4. La concentración p o r congelación es una alternativa a procesos como la evaporación o la osmosis inversa, ya sea como técnica d e preconcentración o de deshidratación final. Su elección pasa por un estudio comparativo en el que intervienen el grado de concentración deseado, los costes de operación y la calidad pretendida para el producto deshidratado.

La evaporación es la operación más utilizada en la industria alim entaria como m edio de concentración de disoluciones. En esta técnica, como en la deshidratación en general, compiten ia transferencia de m ateria con la transm isión de calor, siendo esta última la etapa controlante de la evaporación.El grado de concentración que se puede llegar a alcanzar en la evaporación es del 80- 90% respecto al soluto. Por ello, es la técnica de concentración más exhaustiva. Otras ventajas asociadas a esta técnica son ía reducción ele volumen, con lo que ello supone a efectos de envasado, almacenamiento y transporte, y su contribución a la disminución de la actividad de agua del producto, lo que lo hace biológicamente más estable. Sus inconvenientes son el consumo energético, elevado, y la tendencia que presenta a degradar el alimento por el efecto de la temperatura.Se ha dado un repaso a las técnicas más punteras en la deshidratación de los alimentos, indicando sus ventajas c inconvenientes, así como las aplicaciones ensayadas, muchas de ellas desde un plano de desarrollo de la in vestigación, cuando no experimental.El estudio de la rehidratabilidad, especialm ente de productos pulverulentos, pone de manifiesto la necesidad de establecer las condiciones de la deshidratación previa pensando, además, en la posterior reconstitución del alimento. La variable que más afecta al p roceso de rehidrataeión del sólido es el tam año de partícula, que incide sobre su dispersabíli- dad, humectabüidad y sumergibitidad.

APÉNDICE

P (kPa)

h (kj k g ’ ]

s (kj kg"' K '1)— V 0,94 0,96 0,98 1,00

FIGURA A .2. D iagram a presión-entalp ia del refrigerante R-l 34a: zona del vapor recalentado.

P[kPa}2000

1000 -

900 -

800 -

700 -

' ÓOO - 500 -

400 -

300 -

200

!00 —

90 -

80 -

70 -

60 -

O 50 100 150 200 250

h (W k g '1)

FIGURA A .3. D iagram a presión-entalp ia de! re frigerante R-12: zo n a del v a p o r saturado.

FIGURA A .4. D ia gram a presión-entalpia deí refrigerante R-l 2 : zona vapor recalentado.

FIGURA A .5, D iagram a presión-entalpia del re frigerante R-717: zona del vapor saturado.

Ent

alpi

a (k

cal/k

g de

ai

re

seco

)

Entalpia [kcal/kg de aire seco)

75 80 85 9 0 95 100

Temperatura de bulbo seco (°C)

Hum

edad absoluta

(kg vo

po

r/kg

aíre seco)

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