Ingenieria de La Industria Alimentaria - Volumen 3 Operaciones de Conservacion de Alimentos - F.rodriguez

P r o y e c t o E d it o r ia l

CIEN CIA S Q U ÍM IC A S

Director: Guillermo Calleja Pardo

C o l e c c ió n :

Tecnología Bioquímica y de los A lim entos Director: Jasé Agitado A lo n so

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

EDITORIAL

SINTESIS

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 M adrid 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 .................................................................................................................................................

1.

9

CONSERVACIÓN D E ALIM ENTOS POR EL C A L O R .......................................................

II

1.1. Destrucción térmica de los microorganismos .......................................................................... 1.1.1. Tipos de microorganismos ................ 1.1.2. Cinética .......................................... 1.1.3. Tiempo de reducción d e c im a l ............................................................................... 1.1.4. O rden de proceso ............................... 1.1.5. Tiempo de m uerte térmica ....... 1.1.6. Termorresistencia ...................... 1.1.7. Relaciones entre parám etros cinéticos ................................... 1.1.8. Degradación térmica de los alim entos........................................................................... 1.2. Esterilización de alimentos envasados...................................................................................... 1.2.1. Transmisión de calor en el proceso ................................................................................ 1.2.2. Cálculo del tiempo de operación .................................................................................... 1.2.3. Operaciones previas .............................................................................................. 1.2.4. Procedim iento operativo ................................................................ 1.2.5. Equipos ..................................................................................................... 1.3. Esterilización de alimentos sin envasar .................................................................................... 1.3.1. Procesado aséptico ............................................................................................................ 1.3.2. Sistemas de intercambio de calor ................................................................................... 1.3.3. Esterilización de envases ......................................................................... 1.3.4. Esterilización de e q u ip o s .................................................................................................. 1.4. Pasteurización .................................................................................................... 1.4.1. Fundam ento ............................................................................................ 1.4.2. E quipos ..................................................................................................... 1.5. E scald ad o ........................................................................................................................................ 1.5.1. Fundam ento ........................................................................................................................ 1.5.2. E quipos ............................................ 1.6. Tecnologías avanzadas en la esterilización de alimentos ...................................................... 1.7. Efectos del calor sobre los alim entos........................................................................................ 1.7.1. Esterilización ...................................................................................................................... 1.7.2. Pasteurización ..................................................................................................................... 1.7.3. E sc a ld a d o .............................................................................................................................

13 13 16 17 IB 19 19 20 22 22 23 25 31 32 33 40 41 43 48 49 49 50 50 52 53 54 57 61 61 63 64

2. L A IR R A D IA C IÓ N D E A L IM E N T O S ........................................................................................... 2.1. 2.2. 2.3. 2.4.

67

Tipos de radiación ........................................................................................................................... Interacciones de la radiación ionizante con la m ateria .......................................................... Concepto de d o s is ............................................................................................................................ A plicaciones en la industria de alim en to s................ 2.4.1. D estrucción de microorganismos .................................................................................... 2.4.2. Interrupción de procesos biológicos....................................................................... E stado actual de la tecnología ........................................................................................... In sta la c io n e s........................................................ 2.6.1. lrradiadores con fuentes isotópicas ............................................................................. 2.6.2. A celeradores de electrones ............................................................................................... 2.6.3. Capacidad de producción .................................................................................................. D o s im e tría .......................................................................................................................... 2.7.1. D osím etros líq u id o s..................................... 2.7.2. D osím etros sólidos ................... 2.7.3. D osím etros c a lo rim é tric o s................................ Calidad de los alim entos irra d ia d o s ............................................................................................

69 71 72 73 73 75 76 77 78 83 84 85 85 85 85 85

3. CO N SER V A C IÓ N D E A L IM EN T O S POR EL FR ÍO . C O N G E L A C IÓ N ...........................

89

3.1. A plicaciones del frío ............................... 3.2. Producción de frío m e c á n ic o ........................................................................................... 3.2.1. E l diagram a entálpico ..................................................................... 3.2.2. R e frig e ra n te s...................................... :................................................................................. 3.2.3. Estudio del frío m ecánico en el diagrama entálpico .................................................... 3.3. Frío criogénico ..................................... 3.4. Congelación ..................................... 3.4.1. Form ación de cristales ..................... 3.4.2. Curvas de congelación ..................... 3.4.3. L a cadena del frío ................................................................................................................ 3.4.4. Recristalización ...................... 3.5. Cálculo de la carga de refrigeración ................................................................................... 3.6. Tiem po de congelación .............................................................................. 3.7. D escongelación .................................................................................................................. 3.8. M étodos e instalaciones de congelación .................................................................................... 3.8.1. M étodos de contacto con superficie fría ................................................................ 3.8.2. M étodos de contacto directo conaire frío ............................................................. 3.8.3. M étodos por in m e rs ió n ......................................................................................

91 92 93 93 94 100 101 101 104 105 105 107 109 111 112 114 115 123

4. R E F R IG E R A C IÓ N Y A TM Ó SFERA S P R O T E C T O R A S ........................................................

129

2.5. 2.6.

2.7.

2.8.

4.1.

R efrigeración ................................................................................................................................. 4.1.1. Efectos del descenso de temperaturas .........................................................................

131 131

5.

6.

4.1.2. Factores que determinan la vida útil de losalimentos refrigerados ........................ 4.1.3. Cálculos frigoríficos en la refrigeración ........................................................................ 4.2. Atmósferas protectoras ................................. 4.2.1. Tipos de atmósferas p ro tec to ras ........................................................................... 4.2.2. Envasado a vacío ................................... 4.23. Envasado en atmósferas modificadas ........................................................................... 4.2.4. Almacenamiento en atmósferas controladas ...............................................................

132 134 139 139 140 140 149

CONSERVACIÓN D E ALIM ENTOS PO R R E D U C C IÓ N D E SU ACTIVID A D D E A G U A . S E C A D O ........................................................................................................................

151

5.1. Psicrom etría................................................................................................................................... 5.1.1. Propiedades del aire seco ................................................................................ 5.1.2. Propiedades del vapor de a g u a .............................................................. 5.1.3. Propiedades de las mezclas aire-vapor de a g u a .......................................... 5.1.4. Diagrama psicr orné tric o ................................................................................................... 5.1.5. Procesos psicrom étricos.............................................................. 5.2. Actividad de a g u a ......................................................................................................................... 5.2.1. Contenido de humedad en equilibrio ............................................................................ 5.2.2. Isotermas de so rció n ......................................................................................................... 5.2.3. Modclización de isotermas de sorción........................................................................... 5.2.4. Efecto de la tem peratura sób rela a w ............................................................................. 5.2.5. Efecto de la «Msobre los alim e n to s................................................................................ 5.3. Secado con aire caliente .............................................................................................................. 5.3.1. Cálculo del tiempo de secado ......................................................................................... 5.3.2. Consideraciones energéticas ........................................................................................... 5.4. Secado por contacto con una superficie caliente .................................................................... 5.4.1. Cálculo del tiempo de operació n ................................................. 5.4.2. Consideraciones energéticas ........................................................................................... 5.5. Equipos de secado convencionales ........................................................................................... 5.5.1. Secaderos convectivos...................................................................................................... 5.5.2. Secaderos conductivos ..........

155 155 155 155 158 159 164 165 165 166 167 168 169 171 176 177 178 180 180 181 192

CONSERVACIÓN D E ALIM ENTOS POR R E D U C C IÓ N D E SU A CTIVID A D D E A G UA . OTRAS TÉCNICAS D E H ID R A T A C IÓ N ...........................................................

199

6.1. L iofilización......................................................... 6.1.1. Fundam ento teórico ............................... 6.1.2. Cálculo del tiempo de o p era ció n .......................................................................... 6.1.3. Liofilizadores............................................ 6.2. Concentración por congelación..................... 6.2.1. Fundam ento teórico ............................... 6.2.2. Concentradores por congelación .................................................................................... 6.3. Evaporación ...............................................

202 202 205 206 208 209 210 213

6.3.1. Energía n e c e sa ria ......... 6.3.2. Velocidad de intercam bio de calor .............................................................................. 6.3.3. E vaporador de sim ple efecto .......................................................................................... 6.3.4. E vaporador de múltiple efecto ........ 6.3.5. Tipos de evaporadores ......................................................... 6.4. Técnicas a v a n za d as............... 6.5. Calidad de los alimentos deshidratados .................................................................................. 6.5.1. Posibles alteraciones ..................... 6.5.2. Liofilización frente a secado convencional .................................................................. 6.5.3. Evaporación ...................................... 6.5.4. R chidratabilidad ................................................................................................................

213 214 217 220 226 231 232 232 235 236 237

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

241

A .l. A.2. A .3. A.4. A.5. A.6. A .7.

D iagram a Diagram a D iagram a D iagram a D iagram a D iagram a D iagram a

B IB L IO G R A FÍA

presión-entalpia del refrigerante R-134a: zona del vapor s a tu ra d o ............. presión-entalpia del refrigerante R-134a: zona del vapor rec ale n tad o presión-entalpia del refrigerante R-12: zona del vapor saturado .................. presión-entalpia del refrigerante R-12: zona del vapor rec ale n tad o presión-entalpia del refrigerante R-717: zona del vapor s a tu ra d o ................ presión-entalpia del refrigerante R-7172: zona del vapor rec ale n tad o psucom étrico del sistemaaire-vapor de agua ....................................................

243 244 245 246 247 248 249

251

PROLOGO

D u ran te siglos, la producción de alimentos se ha llevado a cabo de form a totalm ente arte­ sanal y empírica, con nulo o escaso conocimien­ to de la composición real de ios mismos y de los cam bios que en ellos se producían durante su elaboración. También existían procedimientos para su conservación (salazón, desecación, ele.) desarrollados sin conocim iento de su mecanis­ mo de actuación, que eran aplicables a determi­ nados tipos de alimentos. P or ello, en la mayo­ ría de los casos, el consumo era de tem porada y en zonas geográficam ente próximas al lugar de producción. L a concentración de la población en grandes núcleos urbanos y las exigencias de la calidad obligaron a la Industria A lim entaria a revisar sus m étodos de producción en profundidad incorporando sistemas de trabajo más moder­ nos y los avances surgidos en otras ram as de la ciencia y la tecnología. E n la actualidad, la producción y transfor­ mación de los alimentos se lleva a cabo, mayoritariam eníe, en grandes fábricas, con procesos continuos de producción en los que la economía de escala juega un papel im portante en el pre­ cio de los productos, haciéndolos asequibles a

mayores segm entos de la población. Ello signi­ fica un elevado grado de desarrollo tecnológico de los procesos de fabricación de los alim entos, con sistemas de control muy avanzados, de diseño similar al de las m odernas plantas d e la Industria Química. Así, los métodos y operacio­ nes típicos de la Ingeniería Química se aplican en la m oderna Industria A lim entaria, como es el caso d e pretraíam íentos de las materias píti­ mas, separación de determ inados com ponentes p o r filtración, centrifugación y ad so rció n , manejo de corrientes de gases y líquidos, tran s­ misión de calor, optimización, etc. Por o tra parte, las aportaciones d e la In g e­ niería Q uím ica al desarrollo de los m odernos sistemas de conservación de alimentos (esterili­ zación U H T, irradiación, congelación, refrige­ ración, secado, atm ósferas modificadas) perm i­ ten m antener los alimentos, prácticam ente inal­ terados, d u ran te períodos de tiem po más o m enos largos según los casos. Sin embargo, el hecho de manejar m ateriales complejos, tanto desde el punto de vista de su composición química como de su com portam ien­ to, ya que son sustancias degradables por dete­ rioro microbiano, por reacción química y enzima-

tica, y por la acción del oxígeno (oxidación, maduración), hace que la Ingeniería de la Indus­ tria Alimentaria presente determ inadas caracte­ rísticas específicas que la diferencian como rama bien definida de la Ingeniería Química. L a presente obra aborda la aplicación de las O peraciones básicas de la Ingeniería Química a la In d u stria de los A lim entos. 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 segun­ do se dedica al estudio de las principales opera­ ciones de procesado y e ste tercer volumen a la conservación de alim entos propiam ente dicha, to d o ello con una orientación a! diseño de pro­ cesos para la Industria A lim entaria.

La obra está dirigida tanto a aquellos pro fe­ sionales que desarrollan su labor en la Industria A lim entaria com o a estudiantes de aquellas titulaciones en las q ue se im parten m aterias relacionadas con la producción y transform a­ ción de los alimentos, como Ingenieros A gró­ nomos, Ingenieros Químicos, Veterinaria, Far­ macia, Química, Bioquímica y especialm ente de la Licenciatura en Ciencia y Tecnología de los A lim entos. Asimismo consideram os que el prim er volumen ha d e resultar un m anual de gran utilidad para aquellos alumnos que hayan de cursar com plem entos de formación en Inge­ niería Química previam ente a su acceso a la titulación de Licenciado en Ciencia y Tecnolo­ gía de los Alimentos.

1 1 .1 . D estrucción térm ica de los m icroorganism os 1.2. Esterilización de alim entos envasados 1.3. Esterilización de alim entos sin envasar 1.4. Pasteurización

1.5. Escaldado

CONSERVACION DE ALIMENTOS POR EL CALOR

1.6. Tecnologías avanzadas en la esterilización de alim entos 1.7. Efectos del calor so b re los alim entos

n este c a p ítu lo se a b o rd a el p ro c e s a d o té rm ico

to. A d e m á s, se ha d e c o n s id e ra r la v e lo c id a d con

de

re d u c ir el

qu e se tran sm ite el c a lo r al a lim e n to según el p ro c e ­

E

los a lim e n to s

co m o

m e d io

de

presentes en el

so se g u id o . A s í, el c o n ta c to e n tre eí fo c o ca lie n te y

p ro d u c to o b je to d e tra ta m ie n to y, en ciertos casos,

el p ro d u c to a tra ta r p u e d e ser d ire c to , caso d e un

ta m b ié n la a c tiv id a d e n z im á íic a . El c a le n ta m ie n to

p ro ce so UHT, o in d ire c to , a través d e un in te rca m ­

n ú m e ro

de

m ic ro o rg a n is m o s

d e los a lim e n to s p e rs ig u e , pues, p ro lo n g a r su c o n ­

b ia d o r d e c a la r. Si el p ro d u cto se e s te riliz a e n va sa ­

s e rv a c ió n , Las c o n d ic io n e s d e o p e ra c ió n del p ro c e ­

d o , d ic h a v e lo c id a d d is m in u irá co n s id e ra b le m e n te .

so se fija n d e ta l m o d o q u e se a se g ure un d e te rm i­

En suma, el e stu d io de la c o n s e rv a c ió n d e a lim entos

n a d o g ra d o d e e s te riliz a c ió n , re s p e ta n d o en lo p o s i­

p o r el c a lo r d e b e c o m p re n d e r la in flu e n c ia d e l c a la r

b le la c a lid a d o rig in a l del p ro d u c to .

so b re su c a lid a d , la tran sm isió n d e c a lo r desde el

im p lic a el c o n o c im ie n to d e - la

Esta p rá c tic a

in flu e n c ia d e l c a lo r

fo c o ca lie n te hasta el p ro d u c to y la d e te rm in a c ió n

ta n to s o b re la p o b la c ió n m ic ro b ia n a c o m o s o b re las

d e la c in é tic a d e la d e stru cció n té rm ic o d e los m ic ro ­

p ro p ie d a d e s n u tritiv a s y o rg a n o lé p tic a s d e l a lim e n ­

o rg a n ism o s.

N o m en cla tu ra A B B' B" Cp I) D0 Dr Ea F Fa F., f.

g I Jc ./, k k0 kT

Superficie del alim enta (m !) Tiempo total de esterilización según el método de Ball (s) T iem po efectivo de esterilización según el m étodo de Ball (s) Tiempo de esterilización a la tem peratura TR según el m étodo de Ball (s) Calor específico del alim ento a presión cons­ tante (kJ kg-1 K-1) Tiempo de reducción decimal (s) Tiempo de reducción decimal a la tem peratura de referencia (s) Tiempo de reducción decimal a La tem peratura T (s) Energía de activación (T mol ') Tiem po de m uerte térm ica (s) Tiem po de m uerte térmica a ta tem peratura de referencia (s) Tiempo de m uerte térmica a la temperatura 7’(s) Tiempo de esterilización preciso para comple­ ta r un ciclo logarítmico según d método de Ball (s) D iferencia entre TR y 7y111-1 (°C) D iferencia entre TR y T¡ ("C) Coeficiente de enfriam iento Coeficiente de calefacción Constante cinética de la destrucción térmica de microorganismos (s-1) Factor de frecuencia o coeficiente cinético de la ecuación de A rrhenius (s_l) 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 tratam iento N 0 Número de microorganismos al comienzo del tratam iento n O rden de proceso o exponente de reducción <2m Cociente en tre las velocidades de las reaccio­ nes bioquím icas 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 T em peratura en general (°C) o tem peratura absoluta (IC) Y", T em peratura en el p u n to frío del alim ento (aC)' T- Tem peratura inicial del producto (°C) T- T em peratura inicial de] producto en la fase de enfriam iento (°C) Tn Tem peratura pseudoinicial del producto (HC) T Tem peratura pseudoinicial del producto en la fase de enfriam iento (°C) T r T em peratura de esterilización en ei horno o autoclave (UC) T w T em pertatura del agua de refrigeración (“C) t Tiempo de esterilización (s) U Tiempo de m uerte térmica a la tem peratura TR V Z

0) Volumen del alimento (m 3) P arám etro do resistencia térm ica (°C)

Capítulo ?; Conservación de alimentos por el color

13

GLOSARIO

curva de penetración del calor: Hace referencia a la representación 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.

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

envasado o procesado aséptico: Comprende el con­ junto 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.

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 pro­ ducto tratado, no se puede alcanzar, requeriría un tiempo de procesado infinito.

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

1.1. Destrucción térmica de los microorganismos El tratam iento térm ico 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 almacena­ miento a bajas tem peraturas.

Í . J , /. 77po5 de microorganismos

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

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

operación preciso para alcanzar un determ ina­ do nivel de esterilidad. Obviamente, dicho tiem po es m enor para la acción m icrocida. En realidad, la inhibición de la reproducción de los m icroorganism os es también una acción germ icida, aunque m ás lenta. Si se analiza el ciclo vital de u n microorganismo, representa­ d o en la figura 1.1, se desprende qu e la caren­ cia 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 m ediante la adición de uo conservante. E l efecto se traduce en la reduc­ ción del tiem po de esterilización. Si el aditivo es un desinfectante, dicha reducción será m ucho más acusada. D e una forma general, se puede establecer que el tiempo de esterilización viene dado p o r la siguiente expresión (su deducción se detalla en el apartado 1.1.3):

14

Ingeniería de la Industria Alimentaría lili)

a) Principales formas bacterianas

bj Principales agrupaciones bacterianas

c¡ Bacterias saprófitas

d) Bacterias esporuladas

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

2,303 , k

[1 .1 ] N

donde A^0 es el núm ero de microorganismos al comienzo del tratam iento, N el número de microorganismos transcurrido el tiempo í y k la constante cinética de destrucción de microorga­ nismos, que depende básicam ente de la tempe­ ratura, dosis y tipo de conservante y pH y acti­ vidad de agua del alimento. Por supuesto, el tiempo de tratam iento preci­ so para alcanzar una esterilización dada depen­ de, también, del tipo de microorganismo presen­ te 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 algu­ nas 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 encuen­ tren 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 C lostridium botulinum procedentes de la tierra. Dicha contaminación puede verse incrementada p o r la presencia de

FIGURA 1.2. Morfología b acteriana: a) 1: Goccus, 2: Bocferíum, 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.

Salm onella o de Stafilococos debido a la mani­

pulación del alimento o a su contacto con otro alimento ya contaminado. Las condiciones de almacenamiento tam bién condicionan el tipo de microorganismo susceptible de contaminar e) alimento. A continuación se indican algunas situaciones típicas: * Tem peratura ambiente: bacterias mesófilas, en su mayor parle patógenas, • Refrigeración: microorganismos psicro­ trofos, cuyo crecimiento da lugar a una serie de metaboíitos de carácter alterati­ vo respecto al alimento. * A vacío: microorganismos aerobios como el C lostridium botulinum . • Atmósferas modificadas: bacterias microaerófilas como el Lactobacillus.

Capítulo 1: Conser/ación de alimentos por el color

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9

* A lim entos deshidratados: puede darse la aparición de mohos. El efecto del calor sobre los alim entos se cen tra en la desnaturalización de las proteínas, lo que inhibe las reacciones enzim áticas y la actividad m etabólica de los microorganismos. La resistencia térm ica de los m icroorganism os 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. L as bacterias esporuladas son las form as m ás resisten­ tes a la tem peratura, seguidas de las bac­ terias vegetativas o en fase de crecimien­ to. En un segundo plano se encuentran las levaduras, m ohos y virus, m ucho m enos term orresistentes. — Condiciones de la incubación en e! creci­ m iento y esponüación. La tem peratura favorece la resistencia al calor de las esporas. L a edad del cultivo incide favo­ rablem ente sobre la resistencia térmica de las bacterias vegetativas. E l m edio de cultivo influye, asimismo, sobre Ja term o­ rresistencia de las form as esporuladas. — Características del alimento. L a resisten­ cia térm ica de los m icroorganism os se resiente a pH ácidos (<4,6). L a reducción de la actividad de agua llega a inhibir el crecim iento bacteriano. La composición de) alim ento tiene tam bién su peso sobre la term orresistencia de los m icroorganis­ mos.

donde N representa el núm ero de m icroorga­ nismos vivos, t el tiem po de tratam ien to y k la constante cinética. La integración de esta ecua­ ción entre los límites t = ü; A; = N 0 y t - t; N = N conduce a la siguiente expresión:

l n

^

N

= fa

[1 -3 ]

Se establece así una relación logarítmica entre la tasa de reducción de microorganism os y el tiem po de tratam iento. L a 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 m uestra en la figura 1.3. Si bien esta recta corresponde a un com ­ portam iento ideal, en la práctica durante los prim eros m om entos de la operación puede haber: • •

•

U n aum ento del núm ero de m icroorga­ nismos por efecto del calor (figura 1.3a). U na disminución del núm ero de microorganism ospor m uerte térm ica no com pen­ sada por el crecim iento y desarrollo de los mismos durante la etapa inicial de la operación (figura 1.3b). U na constancia en el núm ero de m icroor­ ganismos, situación en la que se com pen­ san los dos efectos anteriores (figura L3c).

1. 1. 2 . Cinética L a velocidad de la destrucción térm ica de m icroorganism os se ajusta, en general, a una cinética de prim er o rden respecto a la pobla­ ción m icrobiana. Es decir:

dt

= ¡W

[1.2]

Fig u r a 1 .3 . R e la c ió n e n tre la c o n c e n tr a c ió n d e m ic r o o r g a ­ n is m o s y eí tie 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 ciné­ tica, es decir, la pendiente de la recta que rela­ ciona el número de microorganismos supervi­ vientes con el tiempo de tratamiento. E n con­ creto, 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, E a la energía de activación, R la constante universal de los gases y T ía tempera­ tura, 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 tem­ peraturas (T3 > T2 > T ^ . Lógicamente, cuanto mayor sea la temperatura antes se completa el tratamiento para un número final dado de microorganismos viables.

[1.51

42io ~

E l 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 gene­ ral, se ha verificado que las reacciones bioquí­ micas tienen un Qw en torno a 2, esto es: su velocidad se reduce a la mitad cuando se dismi­ nuye la tem peratura ambiente en 10 °C. Esta relación justifica el almacenamiento de produc­ tos a bajas temperaturas, que se fijan atendien­ do, entre otros factores, al valor de Q10.

1.1.3. Tiempo de reducción decimal E l tiempo de reducción decimal (D ) se defi­ ne 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 siguiente expresión:

Fig ura 1.4, Efecto de la temperatura sobre el tiempo d e tratam iento.

El efecto de la tem peratura sobre la veloci­ dad de las reacciones bioquímicas se cuantifica mediante el parámetro Q m, que se define como el cociente entre las velocidades a una tempera­ tura 7\ y a otra 7 p diez grados por debajo de la anterior ( J 2 = T, + 10 °C).

D =

,303

[1.6]

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

t = D l og— N

[l-?]

FIGURA 1 . 5 . V a r ia c ió n d e l tie m p o d e r e d u c c ió n d e c im a l c o n la t e m p e r a tu r a .

L a re p rese n tac ió n deí log (A'-./tV) fre n te a t da lu g ar a u n a re c ta de p e n d ie n te 11D (figura 1,5). A l ser D in v e rsa m e n te p ro p o rc io n al a k, cu a n to m ayor sea la te m p e ra tu ra de operación m e n o r será el valor de D . E n la fig u ra 1.5 se p u e d e ap re cia r que, al ser 7) su p erio r a T2, D x es m e n o r que D ?. L os v a lo re s de D e stá n ta b u la­ dos p a ra los d istin to s m icroorganism os a una te m p e ra tu ra d e re feren c ia: 250 °F < > 121,1 ÜC.

misma información. El D obtenido analítica­ mente (5,06 min) coincide con el valor deter­ minado 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 Ejemplo 1.1. Cálculo del tiempo de reducción decimal. En el procesado térmico de un alimento se ha efectuado el seguimiento experimental del núme­ ro 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 constan­ te cinética del tratam iento 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

C om o q u ie ra q u e la d estru cció n de m ic ro o r­ ganism os está rela cio n a d a con el tiem p o a tr a ­ vés de u n a función logarítm ica, la c o n c e n tra ­ ción m icrobiana final tien d e a cero cu a n d o el tiem po de tra ta m ie n to tien d e a infinito. U n a sencilla tra n sfo rm a c ió n d e la ecuación [1.6] p o n e de m an ifiesto dich a d ependencia. N = A'0 l o 1'"™1

[1.8]

E s decir, en la p rá c tic a no se p u ed e alcan zar un a esterilidad absoluta. Se trata, p o r ta n to , d e red u c ir el n ú m e ro d e m icroorganism os h asta un valor p reestab lecid o . Se asegura así u n a esterili­ dad efectiva o com ercial. La tasa de red u cció n , que varía según la te rm o rresisten c ia d el m ic ro ­ organism o co n sid erad o , se fija a través d el lla ­ m ad o orden de p ro ceso o exponente de red u c­ ción (n), q u e se d e fin e m ed ian te la sig u ien te expresión:

P or ejem plo, la esterilización de conservas, en las que se p u e d e d ar el d esarro llo del Clostridiiim b o tu lin u m , esp o ra p ató g en a de gran te r ­ m o rresisten cia, req u ie re un o rd e n de proceso de 12. E sto significa q ue la p robabilidad de supervivencia del m icroorganism o en cuestión es d e 1 frente a 1012 (N 0 = 1012 N ), lo que, ju n to a las m edidas com plem en tarias al tratam ie n to térm ico , g arantiza la esterilid ad com ercial del p ro d u cto .

Ejem plo 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 m in,determ ine el orden de proceso alcanzado y et número final de esporas viables.

p o r el o rd e n de p ro ceso en ca d a caso. A sí, D tie n e p o r definición u n n u n id ad , m ien tras q u e F se re fie re a un n m ayor. D e cu a lq u ie r form a, D e stá rela cio n a d o con F a través, p re c isa m e n ­ te, d el n. P o r co m b in ació n d e las ecuacio n es [1.1], [1.6] y [1.9], d o n d e rp a sa a d en o m in arse F, se o b tie n e que: F = Dn

[1.10]

S ig u ien d o con el ejem plo del C lostridium b o tu lin u m , el cual p o see un D (¡ = 0,21 m in y un n = 12, su F a esa te m p e ra tu ra será de: 0,21 x 12 = 2,52 m in.

l .1 .6 .

T erm orre sisten cia

L a sen sib ilid ad d e los m icroorganism os a la te m p e ra tu ra se m id e p o r m e d io del p a rá m e tro Z , q u e se d efin e com o el in c rem en to de te m p e ­ ra tu ra p re c iso p a ra red u cir el v alo r d e I ) a la d éc im a p arte . E l p a rá m e tro Z está rela cio n a d o c o n D a tra v é s de la expresión:

Solución a) A partir de las ecuaciones [1.7] y [1.9] se esta­ blece que n = t¡D = 60/5 = 12; esta misma rela­ ción 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 u e rte térm ica (F) se define com o el tiem po necesario p ara re d u c ir I a p o b la ­ ción m icrobiana h asta un valor p reestablecido, qu e se fija m e d ian te el o rd en de proceso a un a te m p e ra tu ra dada. E n realidad, e ste p a rá m e tro es c o n c e p tu a lm e n te an á lo g o al tiem p o de red u c ció n decim al. L a d iferencia viene d ad a

A te n o r de la definición an terio r, según la cu al D T = 10 D f , Z = 1 \ - T r L a r e p re s e n ta ­ ción d el log D fre n te a T (figura i . 6) d a lu g ar a u n a fu n ció n lineal d e p e n d ie n te 1/Z. H a b id a c u e n ta q u e D y F e s tá n re la c io n a ­ das e n tre sí (ecu ació n [1.10]). re su lta e v id e n te q u e F e s ta r á ta m b ié n afe cta d a p o r la te m p e r a ­ tu r a en los m ism os té rm in o s q u e D. Es d ecir, F se re la c io n a con Z m e d ia n te la sig u ien te e c u a ­ ción:

Fp

z

[1-12]

an á lo g a a la p la n te a d a p a ra D (ecuación [1.11]). A sí p ues, p a ra d efin ir F se p recisa co n o cer ta n to

20

In g e n ie r ía d e h In d u stria A lim e n ta r ía (III)

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

Parámetros de

CUADRO 1.2 Ja destrucción térmica de algunos microorganismos

pH

> 4 ,5 FIGURA 1.6. Relación entre la temperatura reducción decimal.

y

el tiempo de

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

t* 0 a a

4-4,5 2,5-4

Especie

^121.1 (min)

B. stearolermófilo 4 ,5 C . fermosocorolífico 3 ,5 C . mgrificans 2 ,5 C . botulinum 0,21 C. sporogenes 1 B. coogufons 0 ,0 5 Levaduras y mohos 5 10-8

n

z pq

^121.1 (min)

_ 5 — 12 5 — 20

9 ,5 10 — 10 10 — 6 ,5

17,5 2,52 5 — 10*

J. / .7 . Relaciones entre parámetros cinéticos

Ejemplo 1.3. Determinación del parámetro Z. Se dispone de los valores de D correspon­ dientes a un microorganismo para distintas tem­ peraturas; a saber: Dm = 35 min; DiQ5 = 25 min; D nú =■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 repre­ sentación semilogarítmica de D (en ordena­ das) 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 ajus­ tando los pares de valores log D-T a una regresión lineal.

E n el cuadro 1.2 se recogen unos valores prom edios de los parám etros más significativos de la destrucción térmica de algunos microor­ ganismos a la tem peratura de referencia. Lúgi-

Con anterioridad ya se han puesto de m ani­ fiesto determinadas relaciones entre distintos parám etros 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 O 10 y Z En realidad, estos dos parám etros 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 tér­ mica 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 redudr la velocidad de la reacción en 1/10.

Z=

10

La igualación de las ecuaciones {1.15} y [1.17] permite expresar la energía de activación en función de Z y de y Tr

n 14] Ea * 2,303 * (7¡ x T2)

!üg

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

= 2,303

Ejemplo 1.5. Relación entre la energía de activa­ ción y la temperatura. Determine la energía de activación del trata­ miento térmico atendiendo a los datos deí ejem­ plo 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) -

La Ea determina la influencia de la tempera­ tura 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 ecua­ ción de Arrhenius [1.4], por:

1Wg^

f*18J

"

77)

t1151

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

383* K2/ (12,9 K) = 2,18 • 105kJ/kg b) Otra posibilidad consiste en calcular los valo­ res 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 gra­ dos Kclvin. La representación de esta rela­ ción, conocida por ley de Arrhenius (ecuación [1.4]), conduce a una recta de pendiente EJR, de donde se obtiene que Ea es igual a 2,17 • 10* kJ/kg. C) Relación entre Eay (210

1° 8Iki\ ÍL==,og^D t'2

[116]

ecuación, que sustituida en la expresión [l.llL se transforma en: 1°g— = ^ r ^

[L173

Es evidente que sí existe una relación entre £ y Z (ecuación [1.18]), dada la analogía con­ ceptual que presentan Z y Q w, 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:

lo g 0 lo =

10

[1.19]

f+ 1 0 Ty

1.1.8. Degradación térmica de los alimentos

E l procesado térm ico d e los alimentos puede dar lugar a su degradación. L a cinética de su alteración es similar a la expuesta para los microorganismos. E n el cuadro 1.3 se reflejan los parámetros cinéticos de algunos factores de calidad de ciertos alimentos. A l igual que los datos recogidos en el cuadro anterior, estos valores son de carácter orientalivo.

C U A D R O 1 .3 Resistencia té rm ica de a lg u n o s factores de calidad de d e te rm in a d o s alimentos Factor

Alim ento

zrc )

Vitamina 81 Clorofila a Clorofila b Antocianina Calolasa Peróxido sa

Espinacas Espinacas Espinacas

25

Zumo de uva Espinacas Judias verdes

51 8 1 ,5

Dm.i lm¡nl 140 12,8 14,5 17,9

2 3 ,1 8 ,3

2 ,3 • 10-7

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 alimen­ tos son más resistentes al tratamiento térmico que los microorganismos. A un así, como los fac­ tores de calidad presentan un Z muy elevado respecto al Z de los microorganismos y enzi­ mas, se prefiere trabajar a altas temperaturas y tiempos cortos. Con ello se preservan las pro­ piedades nutritivas y organolépticas de (os ali­ mentos para un determ inado orden de proceso. Ésta es la esencia de los métodos HTST (“High Tempera ture Sbort Time”) y U H T (“UltraHigh Temperature”). E n la figura 1.7 se ha representado la ecua­ ción [1.12] aplicada tanto a la tennodestrucción de microorganismos (Z) como a la degradación

FIGURA ] . 7 . Selección de la intensidad de helamiento

en los métodos HTST.

térmica de alimentos (Z'). Como 7! es mayor que Z , se h a de buscar una combinación F-T que asegure un determinado orden de proceso para la destrucción de microorganismos respe­ tando la calidad original del producto. Esta con­ dición 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 izquier­ da 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 intensida­ des de tratamiento darían lugar al deterioro tér­ mico 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 preesta­ blecido, para term inar con el enfriamiento súbi­ to del sistema. Este comportamiento ideal no es

el que en la práctica se da en la esterilización de productos envasados, a diferencia d e ciertos procesos HTST y U H T de contacto directo con vapor de agua, en los que sí se cum plen estos requisitos. El procesado térm ico de productos envasa­ dos o appertización se rige por la velocidad con que se transm ite el calor desde el foco caliente al alimento. Para calcular el tiem po de esterili­ zación a una d eterm inada te m p eratu ra se requiere conocer el perfil de tem peraturas en el p u n to crítico o frío del alimento (aquel que ta rd a más en calentarse) a lo largo del proceso. A sí pues, se precisa, en prim er lugar, determ i­ nar experim entalm ente la localización del cita­ do punto frío para, posteriorm ente, establecer su evolución térm ica conforme se desarrolla el proceso. La representación de los pares de valores tiem po-tem peratura en el punto frío se conoce, en el ám bito alimentario, como curva ele penetración del calor.

1.2. I . Transmisión de calor en el proceso L a variable de mayor influencia sobre la velocidad de transm isión del calor en la esterili­ zación de alimentos envasados corresponde al tipo de producto objeto de tratam iento. Básica­ m ente, se distinguen tres posibilidades: 1. Sólidos compactos. Predom ina la trans­ misión de calor por conducción. Su calen­ tam iento, debido a su reducida conducti­ vidad térmica, es muy lento. M uestran una distribución de tem peraturas hetero­ génea como consecuencia del gradiente de tem peraturas (radial) existente entre las paredes del recipiente y el eje axial. El punto frío se sitúa en el centro geom étri­ co del producto. 2. Líquidos. En este caso prevalece el meca­ nismo de transmisión de calor por convec­ ción. El gradiente de temperaturas entre las zonas próximas a las paredes del reci­ piente y el centro del producto origina una

diferencia de densidades, que perm ite ace­ lerar el ñujo de calor. La agitación del pro­ ducto durante su procesado favorece la velocidad de transmisión del calor (con­ vección forzada). En estas condiciones se obtiene una distribución de tem peraturas uniforme. El punto frío, cuya localización requiere una experimentación, se sitúa en el eje axial, por debajo del centro geomé­ trico del producto, en tom o a 1/3 del fondo. 3. Mixtos. Se trata de alimentos sólido/líqui­ do en los que la transmisión de calor tiene lugar tanto por convección como por con­ ducción. Por lo general, inicialm ente prim a la convección. Transcurrido un cier­ to 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 meca­ nismo se puede apreciar en la curva de penetración del calor; supone un punto de inflexión durante la fase de calentam iento. La velocidad media de transmisión del calor está com prendida entre las debidas a la convección y a la conducción. El punto frío, situado en el eje axial, ha de determ i­ narse experimentalm ente. E l flujo de calor tam bién está supeditado a una serie de factores adicionales. Así, es eviden­ te que cuanto m enores sean el tam año y espesor del envase menos resistencia ofrece éste al paso del calor. La agitación agiliza el procesado té r­ mico deí producto. La tem peratura de opera­ ción determ ina el gradiente térm ico, fuerza im pulsora 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. L a geo­ m etría del envase tiene tam bién su importancia. Los envases alargados están contraindicados si la transm isión de calor se desarrolla p o r con­ ducción. E l gradiente térmico axial sería tam ­ bién considerable. No sucede así cuando el m ecanism o predom inante es la convección. Por

último, reseñar que el m aterial del envase con­ diciona, 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 m enor cuanto mayor sea esta conductividad; a estos efectos es preferible por ejemplo u n envase metálico a uno de vidrio. E n la figura 1.8 se ha representado la evolu­ ción de las temperaturas del punto frío del ali­ mento (7]) y del hom o o autoclave (TR) a lo largo del proceso. Lógicamente, la respuesta de la tem­ peratura del punto frío a la tem peratura del vapor utilizado está regida por el tipo d e transmi­ sión de calor reinante durante el proceso. Es decir, dicha respuesta se puede expresar matemá­ ticamente a través del balance entálpico corres­ pondiente. A continuación, se detalla el desarro­ llo analítico para ios dos casos extremos: transmi­ sión de calor por conducción y por convección.

simplificación. Su elevada conductividad térm i­ ca así lo permite. E n suma, sólo se considera la resistencia debida al propio producto, cuya con­ ductividad térmica es, presum iblem ente, muy baja. E l balance entálpico entre el calor tom ado por el producto y el calor transm itido por el vapor de agua se puede expresar mediante la siguiente ecuación: dTf

dTf

m C p —¡ ~ = P L A C r

k

= 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, respec­ tivam ente, de un elem ento de volum en del ali­ mento (V), Tr la tem peratura del vapor de agua y la tem peratura en el punto frío del producto. Reagrupando términos, la anterior ecuación se transform a en la siguiente: dT,

f _ TK - T f PCPL

dt

[1.21 ]

La integración de esta ecuación entre los límites Tj = 7'0; í = 0 y T^~ T p t = t conduce a la siguiente expresión: ln X * ^ I a = _ L _ T r ^Tj p CP i c t {m in. FIGURA 1 ,8 , Perfiles d e te m p e ra tu ra s d e l p u n to frío d e l a lim e n to [TJ y d e 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. E n relación a la pared m etálica del envase se ha efectuado la misma

[1.22 ]

El cociente entre las diferencias de tem pera­ turas se designa por 0 en tanto que la difusidad térmica conductiva (c¡COHd) corresponde a la expresión: k/(pC ). Efectuando las sustitucio­ nes pertinentes se tiene que: Inf? = í ™ - í L

[1.23]

Convección, M anteniendo las simplificacio­ nes realizadas para el caso anterior, el balance

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

m CP

d Tf

dTf = pL A C p ^ = hA(T„ - 7 » [1.24]

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

T r —T /

pC pL

[1.25]

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

ln0 = ■

Unidad de esterilización. Se traía de una combinación tiempo-temperatura, arbitraria­ mente 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 líqui­ dos impone una unidad de 1 min a 60 °C). Se trata, pues, de un tiempo de muerte térmica de 1 min a la tem peratura 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 m uerte térmica necesario a la temperatura de referencia. Factor de letalidad. Si se desea efectuar un tratam iento térmico que equivalga a una uni­ dad de esterilización, pero a otra tem peratura T, el tiempo de muerte térmica requerido vendrá dado, según la ecuación [1.12], p ar la siguiente expresión;

[1.26] t T = F010(X*-TVZ = 10 * - ™

en la que la difusidad térmica convectiva ( 0 ^ ) viene dada por la expresión: hf(pCp). E n conclusión, cualquiera que sea el meca­ nismo 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 tempe­ ratura dada.

[1.27]

Si por el contrario se prefiere someter al ali­ m ento a u n tratamiento a temperatura T duran­ te 1 min (F t = 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 p o r factor de letalidad, y se representa por L r

1.2.2. Cálculo del tiempo de operación

Para conseguir un mismo grado de esterili­ zación de un producto existen numerosas com­ binaciones posibles entre la temperatura y el tiem pode tratamiento. Para establecer el tiem­ po de tratamiento a una tem peratura dada se definen una serie de parámetros, basados en los ya vistos para la cinética de la destrucción tér­ mica de microorganismos. Los más habituales son los siguientes:

L r = Ü = 10(r- Ii,)''z F,

[1.29]

Ejemplo 1.6. Determinación del valor de esteri­ lización 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 esteri­ lización 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

E! m éto d o general se basa precisam ente en esta ecuación. R equiere, p o r tanto, la rep resen ­ tació n de la curva L T fre n te a FT, p ara lo cual se ha de p artir del perfil de tem p eratu ras cu el p u n to frío d el alim ento (figura 1.8). S ustituyen­ do los valores de T en la ecuación [1.29] se o btien e un L Tp ara cada tiem po (FT). L a integración del área debajo de la curva de la figura 1.9, que constituye la resolución gráfi­ ca d e la ecuación [1.32], p erm ite calcular el valor real d e FQ. Si éste es su p erio r al teórico (tab u lad o ), se está sobreesterilizando el p ro ­ ducto: hay que red u cir tiem po y/o tem p eratu ra. Si el Fü experim ental es m enor al teórico se da la situación contraria: se está an te una esterili­ zación deficiente, hay que au m en tar el tiem po de tratam ie n to y/o la tem peratura.

A ) M étodo general o de Bigelow U n a vez rep rese n tad o el perfil de tem p era­ turas-tiem po corresp o n d ien te al punto frío del alim ento procesado, com o p uede ser el caso de la curva en form a de cam pana de la figura 1.8, su v alo r de esteriliza ció n re sp o n d e rá a la siguiente expresión, que es otra form a de des­ cribir la ecuación [1.28]: Fq = L t Ft = 10>'z

[1.30]

Fr (min] C onsiderando que el valor de esterilización es la sum a de las contribuciones de cada m inu­ to de tiem po de tratam ien to , la ecuación ante­ rior 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 p u ed e asim ilar a la siguiente expresión:

F0 = ¡* TL T(T )d F T

[1.32]

FIGURA 1 , 9 . F cictor d e le ta lid a d fre n te a tie m p o d e tr a 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 evolu­ ción 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 microorga­ nismo objeto de inactivación, a saber; D0 = 0,9 min y Z = 10 “C,

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 FT(s)

7’(UC)

LT

1 2 3 4 5 ó 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18

100 105 110 115 120 125 127 128 129 130 140 140 140 140 130 125 115 100

0,0079 0.0251 0,0794 0,2512 0,7943 2,5119 3,9811 5,0119 6,3096 7,9433 7,9433 7,9433 7,9433 7,9433 7,9433 2,5119 0,2512 0,0079

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

Solución a) El primer paso consiste en representar L T frente a FT El área resultante debajo de la curva corresponde, de acuerdo con la ecua­ ción [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 D0por 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

El método en cuestión puede ser útil para ponderar la contribución de las fases de calenta­ m iento y enfriamiento al proceso térmico glo­ bal. También se puede usar para reajustar inten­ sidades de tratamiento. Si bien el método está basado en datos experimentales y, por tanto, sus resultados son irrefutables, presenta el inconve­ niente de que cualquier modificación de las con­ diciones de operación, aspecto sobre el que se abundará en relación al método de Ball, supone em prender una nueva experimentación.

B) M étodos basados en el empleo de indicadores biológicos tiempo-temperatura Son unos métodos indirectos que se susten­ tan en el em pleo de microorganismos, los cua­ les se sitúan en el interior de un capilar u otro dispositivo en la zona fría del alimento y en un núm ero preestablecido. Una vez se completa el tratam iento se extrae el capilar y se procede al recuento de especies supervivientes. Como se p arte de un microorganismo perfectam ente caracterizado en cuanto a su tiempo de reduc­ ción decimal estándar (¿>u) y se dispone de la inform ación precisa para establecer el orden de proceso (n ) alcanzado, resulta sencillo (ecua­ ción [1.10]) determ inar el valor de esterilización conseguido (F0). A unque se han ensayado numerosos micro­ organismos a tai fin, destaca el empleo del baci­ lo stereatermofilo, que presenta un D 0 —4,5 y un Z - 9,5 (cuadro 1.2). Además, este microorga­ nismo 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, p o r com­ paración con los resultados teóricam ente previ­

sibles, sobre las características del sistem a y del alim ento en relación a la velocidad con que se transm ite el calor. E sta inform ación se aplica al microorganism o patógeno o alterativo que se desea destruir. Los métodos basados en este tipo de indica­ dores, si bien están exentos de com plicaciones técnico-m atem áticas, req u ieren u n gran num e­ ro de análisis m icrobiológicos, no muy precisos en general. P erm iten com probar si, para una intensidad de tratam ien to dada, se alcanza o no la esterilidad deseada. E l problem a es que de darse el segundo caso, el m étodo no indica en qué sentido ni en qué m edida se han de modifi­ car las condiciones del tratam iento térm ico para asegurar un cierto factor de letalidad. E sta situación explica el que por el m om ento su em pleo se limite a ensayos de control y no a d eterm inar las condiciones de operación más favorables. A pesar de lo anterior, tn la actuali­ dad hay num erosos laboratorios trabajando en este campo; en principio, estos m étodos ofrecen buenas expectativas.

po preciso p ara com pletar 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>

Tr-T

[1 .3 3 ]

í

donde T0 (tem peratura pseudoim cial) corres­ ponde a la tem peratura resultante de prolongar el tram o recto h asta su intersección con el eje de ordenadas (ordenada en el origen) y T¿(tem ­ p eratu ra inicial) a la tem peratura real del p ro­ ducto al com ienzo de la operación. La diferen­ cia entre la tem peratura del horno y la tem pe­ ratura inicial del producto, que se designa como ¡h, se conoce por déficit inicial de tem peratura.

C) M étodo matemático o de Ball A la vista de las ecuaciones [1.23] y [1.26], la representación sem ilogarítínica de (TR - Tf) frente al tiempo conduce a una recta cuya p e n ­ diente está relacionada con la difusidad térm ica del producto y con las dim ensiones del envase (figura 1.10). D ado que la diferencia TR - 7hdis­ m inuye conforme se caliente el alim ento, resul­ ta preciso invertir la escala scmi-logarítmica. Como quiera que la tem p eratu ra en el punto frío del alimento nunca llegará a adquirir el valor de la tem peratura del h o rn o (su aproxi­ m ación es asintótica), la recta se puede p rolon­ gar hasta el tiem po de tra ta m ie n to deseado. El m étodo de Ball p ara el cálculo del tiem po de esterilización se fundam enta en la ecuación del tram o recto de la curva d e penetración del calor que se rep resen ta en la figura 1.10, E n concreto, la pendiente de este tram o correspon­ de a la inversa de f h, que se define com o el. tiem ­

FIGURA

1 . 1 0 . C u r v a d e p e n e tr a c ió n d e l c a l o r p a r a eí

c á lc u lo d e l tie m p o de p ro c e s a d o según el m é to d o de Ball.

La pendiente del tram o recto de la figura 1.10 responde a la siguiente ecuación: i

i o g £ - i o g ( r * - : r 0)

7T

5

f

,

[U41

determ in a a partir del perfil d e tem p era­ turas durante esta fase.

donde el parám etro g representa la diferencia entre la tem peratura del horno y la tem peratu­ ra 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 tiem po de esterilización busca­ do, corresponde a la mínima diferencia posible entre TR y 7 y es decir, a g. Todos los parám etros indicados hasta el m om ento, 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 q u e 1¡fh corresponde a “ conciA2’303 ¿ 2 ) ° 11 < W (2 ,S 0 3 L ), según el m ecanismo de transm isión del calor transcu­ rra, respectivam ente, por conducción o por convección. El que prevalezca un mecanismo u otro se denota a través del valor de la pen ­ diente, 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 p o r las coordena­ das B y g, que es el que asegura un determ ina­ do grado de esterilización para una tem peratu­ ra del hom o dado, el valor de g se establece a partir de toda una serie de parám etros cinéti­ cos. Así, g depende de: •

U, que en realidad es el tiempo de m uer­ te térm ica 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 enfriam iento. Es el fac­ tor latente de la curva de enfriamiento o coeficiente de enfriam iento. Su valor se

•

j

[1.36] Tic~Tw

donde T oí es la tem p eratu ra pseudoinicial de enfriam iento, que se determ ina prolongando el tram o recto de esta fase hasta s u in tersec­ ción con la o rd en ad a, T¡c es la te m p eratu ra inicial d e en friam ien to , ordenada e n el origen de la curva, y Tw es la tem peratura d el agua de refrigeración, la cual perm ite, a trav és de su circulación p o r el interior del serp en tín alo ja­ do en el horno, forzar el enfriam iento del p ro ­ ducto. P or lo general, especialm ente en los ali­ m entos sólidos, en los que p rev alece la con­ ducción térm ica, existe un p e rio d o de in d u c­ ción hasta que el producto com ienza a en friar­ se. D e no darse esta inercia térm ica, T¡c coin­ cidiría con el valor de la tem p eratu ra utilizada en la definición de g, es decir, la m áxim a te m ­ p e ra tu ra alcanzada en el punto frío del ali­ m ento. Pues bien, todavía hay un leve incre­ m ento de esta tem peratura, que se tiene cu cuenta al in tro d u cir el coeficiente de refrig e­ ración. C onociendo 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 sistem as de calefacción discontinuos sólo el 40% dei tiem po necesario p ara que el horno ad q u iera su tem peratura d e operación (tram o curvado de la gráfica de p en etració n del calor, que se designa por /) contribuye a la esterilización del producto. D e ac u erd o con esta n o rm a se pu ed en distinguir tr e s tipos de tiem po: • • •

B = tiem po de esterilización total. B ' = B - 0,6 1 = tiempo de esterilización efectivo. B " = B -1 = tiem po de esterilización a T R.

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

Vu 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 2 3 4 5 10 20 30 40 50

100 500

0.4 0,041 0,087 0,15 0,226 0,313 0,408 1,53 2,ó3 3,<51 4,44 7,17 9,83 11,5 12,8 13,8 17,ó 26

0,8 0,0474 0,102 0,176 0,267 0,371 0,485 1.8 3,05 4,14 5,08 8,24 11,55 13,6 15,1 16,4 20,8 30,6

1,0

1,4

0,0506 0,109 0,189 0,287 0,4 0,523 ,93 3,26 4,41 5,4 8,78 12,4 14,6 16,3 17,7 22,3 32,9

0.057 0,123 0,215 0,328 0,458

0,6 2,21 3,68 4,94 6,03 9,86 14,11 16,8 18,7 20.3 25.4 37,5

1.9 0,062 0,138 0,241 0,369 0,516 0,676 2,48 4,1 5.48

6.67 10,93 14,97 18,9 21,1 22,8 28,5 42,1

2,0 0,0665 0,145 0,255 0,39 0,545 0,715 2,61 4,31 57 5 6,99 11,47 16,68 19,9 22,3 24.1 30.1 44,4

Fuente; Tomada de Shjmbo, C . R. (1973); Thermobacfcriobgytn k o d p ro cetsm 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 yf 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 tem­ peratura de operación (7^): 123 *C Se pretende conocer la máxima temperatura que soporta el punto frío del alimento y el tiempo de esteriliza­ ción.

Conociendo los valores de fJ U (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.

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 tér­ mica a la temperatura Tn. En consecuencia: U = Fr = *

- 1 0 < = 14 • «

=

Aunque el m étodo 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 plan­ tea. Entre sus simplificaciones destaca el des-

cartc de la fase d e e n fria m ie n to a efectos d e su co n trib u ció n en el tra ta m ie n to térm ico. E s to explica, quizás, e l q u e los resu ltad o s o b te n id o s m ed ian te este m é to d o d en lugar, p o r lo g e n e ­ ral, a u n a so b re e ste riliz a c ió n del p ro d u c to a m odo de m a rg e n de se g u rid a d . A un sin descri­ bir c o rre c ta m e n te el co m p o rta m ie n to del siste­ m a, e ste m é to d o , así com o sus derivados, a d e ­ m ás de o fre ce r g a ra n tía s co n tra sta d as, p re s e n ­ ta la v en taja de q u e su aplicación es v ersátil: ad m ite cam bios en lo s valores de T. y T R, así com o d istin ta s fo rm a s y ta m añ o s de envases, a d iferen cia del m é to d o g en eral, en el que cu a l­ quier m odificación im plica p a rtir de n u ev o desde el principio.

1.2.3. O peraciones previas L a esterilización d e alim entos envasados está p reced id a, al m a rg e n del tipo de envase em p lead o , p o r las o p era cio n e s de lavado (n o siem pre p ro ced e), lle n ad o , evacuación y cierre del m ism o. L a m ás re le v a n te a efectos del p ro ­ cesado térm ico del alim e n to es la de e v a c u a ­ ción, d ado q u e las re sta n te s, aun siendo ta m ­ bién im prescindibles p a ra asegurar u n a b u e n a conservación del p ro d u c to , son prin cip alm en te de o rd en m ecánico. P o r ello, ú nicam ente se va a tra ta r con cierto d etalle la evacuación de! a ire de los envases a n te s de su cierre. E l ca le n ta ­ m iento de un alim e n to envasad o da lugar a: • • • •

la expansión d e su contenido, el au m en to de la p resió n de vap o r d el agua p rese n te, la desorción de gases y aire del alim ento, con su consiguiente expansión, la expansión del aire que pudiera c o n te ­ n e r el envase a n te s de su cierre.

L a presión que se g enera en el in te rio r d el envase se c o n tra rre sta m e d ian te su expansión, ta n to rad ial com o axial, a través del a b o m b a ­ m iento con tro lad o d e sus tapas. N o obstan te, si el envase se llena p o r com pleto, éste se vería

so m e tid o a u n a so b rep resió n excesiva. E ste p o sib le in co n v en ien te se so lu cio n a d e ja n d o un espacio libre en cab eza d e envase, q u e oscila e n tre eí 5 y el 10% de su v o lu m en to tal, según el tip o de recip ien te y de alim en to . D ich o e s p a ­ cio, ad em ás de p e rm itir la ex p an sió n de los gases y d el aire, h ace p o sib le la ag itació n del p ro d u c to en el seno del en v ase d u ra n te su p ro ­ ce sad o térm ico, lo qu e m ejo ra la velo cid ad de tran sm isió n del calor. P o r o tra p arte , se tie n d e a red u c ir la e x p a n ­ sión d el aire “e n v a sa d o ” . P ara ello, se p u ed e actu ar, bien d eso rb ie n d o los gases y el aire ocluidos antes del cierre del envase, so m e tie n ­ do al alim en to a u n escald ad o o a un vacío p re ­ vio, b ien evacuando el aire del espacio de cab e­ za, ta m b ié n antes d el cierre, p o r aplicación de vacío. E sta doble p ráctica p re se n ta un a serie de ven tajas adicionales, ya qu e lim ita: • la posible co rro sió n d el envase, ■ la posible oxidación d el alim en to , • el p o sib le crecim ien to d e m icro o rg an is­ m os aerobios. L a ev acu ació n se p u e d e llev ar a c a b o de d istin ta s fo rm as, seg ú n las c a ra c te rístic a s d el e n v a se y d el tip o de alim en to . A co n tin u ac ió n , se d escrib en los asp ec to s m ás d estac ad o s de ca d a u n a d e las m o d a lid a d e s de ev acu ació n ex isten tes. E n vasado en caliente. Si el p ro d u cto , acuoso, es te rm o rresisten te se p u e d e efectu ar su llen ad o a u n a te m p eratu ra p ró x im a a la de ebullición, con lo que los vap o res d esp ren d id o s desplazan el aire del espacio de cabeza. E ste m o d o d e eva­ cuació n se contabiliza a efectos d e estab lecer eí tie m p o de o p era ció n d u ran te la esterilización. E s decir, con trib u y e a la destrucción térm ica de m icroorganism os. E l m éto d o exige el calen ta­ m ie n to previo del envase y de sus tapas, q u e de lo co n trario reducirían el vacío que se alcanza. Se h a de sincronizar, asim ism o, el tiem po tran s­ cu rrid o en tre el llen ad o y el cierre del rec ip ien ­ te, ya q u e a p artir d e un m o m en to dado co m ien ­ za la p érd id a del vacío conseguido.

Envasado en frío. U na vez llenado el produc­ to en frío, el envase se som ete a un calentam ien­ to m ediante agua caliente o vapor d e agua. El transporte del envase a través del sistema de cale­ facción se efectúa con sus tapas encima, dejando un pequeño espacio para la liberación de los gases y el aire. A veces, el calentam iento del envase, abierto o semiabierto, está precedido de un envasado en caliente. El cierre se realiza inm ediatam ente después de que el envase aban­ done la cámara de calentam iento. Si el producto es sólido (transmisión de calor p o r conducción) se puede disparar el tiem po de evacuación. Evacuación mecánica. Su em pleo se dirige a alim entos sólidos o a productos m uy sensibles a la tem peratura. Si el alim ento es líquido, el lle­ nado se ha de efectuar a vacío. E l dispositivo de cierre incorpora una línea de vacío para eva­ cuar el aíre del espacio de cabeza. Cierre al vapor. Se utiliza con alim entos de baja conductividad térm ica. Se desplazan los gases del espacio de cabeza por inyección de una corriente de vapor sobre la superficie del alim en to envasado. T ra n sc u rrid o un cierto tiem po se procede a cerrar el envase con la tapa, previam ente calentada. E l sistem a no p e r­ mite la desorción de los gases ocluidos en el ali­ m ento, de allí que si se quiere cubrir este extre­ mo se haya de som eter previam ente al produc­ to 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. • C alentam iento hasta la tem p eratu ra de operación. 8 M an ten im ien to de esta te m p e ra tu ra durante el tiem po preestablecido. • Enfriam iento. La prim era etapa consiste en el desplaza­ m iento del aire presente en el autoclave por

m edio del vapor de agua. E sta práctica se justi­ fica p o r tres razones; la presencia de aire: 8 R educiría la velocidad de transm isión del calor desde el exterior hasta el interior del envase. El coeficiente individual de transm isión de calor del aire es bastante m oderado. 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 loca­ lizarse 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 realm ente 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 veloci­ dad de calefacción a través del flujo de vapor de entrada al autoclave. La tem peratura de opera­ ción se m antiene durante el tiem po previsto. El control de esta variable se efectúa a través de la válvula de entrada del vapor. R esulta de la máxima im portancia conocer la evolución de la presión en el interior del envase a lo largo del proceso respecto a la rei­ nante 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 calentam iento: P ¡nt < P ext 8 fase de m antenim iento: P ¡nt - P 8 fase de enfriam iento: P ¡m > P ext

D u ran te la fase de calentam iento el envase se encuentra som etido a u na com presión, cir­ cunstancia que se ha de ten er en cuenta a la hora de su diseño: requiere u na cierta resisten-

cía mecánica a este respecto. Posteriorm ente hay un progresivo aum ento de ia presión inter­ na, que perm ite casi equilibrar el gradiente de presiones. La situación m ás conflictiva a efectos prácticos se produce durante la fase de enfria­ m iento con agua, en la que la presión interna supera a la externa, lo que implica un claro ries­ go de reventam iento del envase. Para equilibrar en lo posible esta diferencia de presiones se actúa sobre las velocidades de calentam iento y enfriam iento. Los equipos incorporan, además, un dispositivo que perm ite presurizar el auto­ clave (n orm alm ente con aire com prim ido) durante la fase de enfriam iento. E sta práctica se conoce por enfriamiento a presión. E n este caso, el control de la presión es independiente del de la tem peratura. La p re­ sión se aum enta actuando sobre la válvula de adm isión del aire com prim ido y se dism inuye m ediante la apertu ra de la válvula d e purga o de otra válvula de alivio al efecto. L a hom oge­ neidad del tratam iento, que se podría ver afec­ tada por la presencia de aire, tal como se ha expuesto con anterioridad, se asegura a través de una buena m ezcla aire-vapor, bien por m edio de la agitación del recipiente, bien con ayuda de ventiladores internos. En suma, un autoclave debe d isp o n e r de los siguientes accesorios: • • • • • • • •

Cámara de esterilización. Línea de adm isión 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.

A dicionalm ente, el autoclave puede necesi­ tar alguno de los siguientes elementos: • Línea de entrada de aire comprimido. s Válvula de alivio (la de purga del aire podría servir tam bién).

* C ontrol de presión, independiente del de tem peratura, * Intercam biador de calor para la recu p e­ ración de la entalpia del condensado y del ag u a de enfriam iento de salida.

1.2.5. Equipos

Las principales diferencias entre los distin­ tos autoclaves disponibles en el m ercado se cen­ tran en su m o d o de operación (continuo o dis­ continuo), e n la incorporación o no d e algún sistema de agitación del envase (rotatorios o estáticos), en su disposición (vertical u h o rizo n ­ tal), 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 determ ina, 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 a u to m a ­ tización 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. L a operación en discontinuo presen ta, sin em bargo, o tra serie de ventajas. Así, el equipo ofrece una gran versatilidad y una m ayor fiabi­ lidad. Sus costes de m antenim iento son, por otra parte, inferiores. La tendencia actual se centra, siem pre que la capacidad de procesado lo perm ita, en el em pleo de autoclaves disconti­ nuos autom atizados. E sta posibilidad adem ás de beneficiarse de las ventajas antes apuntadas, perm ite aten d e r a una mayor variedad d e p ro ­ ductos. E n cuan to al resto de características reseña­ das, destaca la disposición horizontal d el auto­ clave, de más fácil acceso y m antenim iento que la vertical, el predom inio de los equipos estáti­ cos fren te a los rotatorios, quizás por que la agi­ tación con productos sólidos está muy lim itada,

CUADRO 1.5 Tipos de autoclave

Autoclave

Discontinuo O Continuo

Vertical u Horizontal

Estático o Rotatorio

Ait^oGases^de^Com bustión

Convencional Qrbítort

D

V /H H H H H

E R

V /A C V AC V /A V V V /A V /A C V V AC AC A GC

Steriflow

Sterisfeam Lagarde Sin castillos Hydrolock Slerilmotíc Flash 18 H ¡dramático Hydroflow Universal Ekelund

Steriflamme

D D D D D /C C* C

c c c c c c

V H H H V H H V H

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 m enor consumo energético; de hecho, el agua se calienta en gene­ ral por inyección de vapor de agua. El agua caliente, sin embargo, presenta también venta­ jas: facilita el control de la tem peratura 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 , m ientras que su altura puede alcanzar los 2,5 m. Para facilitar la carga y descarga de los envases, éstos se depositan sobre cestas. E n la figura 1.11 se representa un autoclave discontinuo vertical con sus principa­ les accesorios. En no pocas ocasiones se recurre a la esteri­ lización de productos envasados a gran escala

R/E E E E R R E E E E E R

utilizando autoclaves verticales convencionales. P ara ello, se dispone de hasta más d e 100 uni­ dades, 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 embar­ go, la disposición horizontal presenta unos cos­ tes inferiores de m antenim iento y de carga y descarga y ofrece mayor facilidad para dotar al equipo de algún sistema de agitación. La princi­ pal diferencia estriba en el transporte de las ces­ tas durante las operaciones de carga y descarga. E n el primer caso es por grúa, m ientras que en c) segundo se lleva a cabo m ediante vagonetas que circulan sobre raíles. Orbitort. Se trata de un autoclave disconti­ nuo 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 movi­ m iento del ro to r da lugar, merced a la evacua­ ción 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 v e rtic a l c o n v e n c io n a l.

1: v á lv u la

d e s e g u rid a d , 2 : v á lv u la d e p u rg a , 3 : m a n ó m e tro ,

4:

te r­

m ó m e tro , 5 : e n t r a d a d e a ire , y 6 : d is tr ib u id o r d e l v a p o r.

equipo se encuentra autom atizado. La carga y descarga e stá n sincronizadas. E l cierre en ambos lados del cilindro es por accionam iento neumático. Se utiliza con alimentos líquidos, especialm ente si son viscosos. Sterifíow. El auge actual por el que atraviesa este tipo de autoclaves se debe, entre otros fac­ tores, a su versatilidad. Son una versión evolu­

cio n ad a de los equipos de esterilización por inm ersión en agua caliente. E l calentam iento del agua se efectúa, en este caso, m ediante un intercam b iad o r de placas con vapor de agua, y no p o r inyección de vapor, sistema tradicional. E l agua se enfría durante la últim a fase del pro­ ceso de esterilización; basta con hacer circular el agua de refrigeración en lugar del vapor de agua. L a distribución del agua en el seno del autoclave, por rociado, ha supuesto, junto a su em pleo en circuito cerrado, una reducción con­ sid erab le de su consum o. A sí, los equipos actuales presentan unas necesidades en torno a los 0,3 I de agua por kg de producto. En la figu­ ra 1.12 se puede apreciar un esquem a del au to ­ clave en cuestión. Los autoclaves tipo Sterifíow admiten la posibilidad de agitar m ecánicam ente el envase. E llo requ iere encastrar la cesta en el interior de un tam bo r giratorio perforado, de tal form a que el agua caliente pueda acceder a ia superficie de los envases. La tem p eratu ra del agua se controla a la sali­ d a del autoclave, en el circuito de recirculación. L a hom ogeneidad térm ica del agua se ve favo­ recida por la propia recirculacion y por su dis­ tribución forzada por m edio de tabiques al efec­ to. L a velocidad con que se recircula el agua

E n tr a d a d e v a p o r In te r c a m b ía d c r d e c a lo r

P u e rta

“ t X H *---E n tr a d a d e a g u a

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

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d e r e f r ig e r a c ió n , ¡ X b ~ *— S a lid a d e a g u a d e r e fr ig e r a c ió n

¡"""Cxl —► E n tr a d a d e a ir e

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S a lid a d e

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condensado

> 3 —►

c o m p r im id o

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A g u a d e r e p o s ic ió n p a r a a ju s ta r n iv e l

-!X b _

*—

E s c a p e d e a ir e

■¡GURA 1 .1 2 . A u to c la v e p o r r o c ia d o c o n a g u a c a lie n te (S te rifío w ).

está determ inada por su velocidad de paso sobre ia superficie de los envases, lo que a su vez condiciona el valor del coeficiente indivi­ dual de transmisión de calor, es decir, el flujo de calor. Además de la versatilidad, ventaja que se puede considerar característica de los autocla­ ves discontinuos, los sistemas Stcriflow desta­ can 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 em pleo de agua permite prescindir de la purga de vapor. La presión se regula mediante las líneas de admisión y des­ carga de aire. El condensado procedente del intercam bio del vapor se recircula a la caldera de generación de vapor, m ientras que el agua de salida de refrigeración es de directa reutiliza­ ción. Steristeam. Se trata de un tipo de autoclave pensado para esterilizar productos envasados en recipientes de cristal u plásticos tennoestables, materiales ambos susceptibles de reventar por sobrepresión. Para equilibrar la presión entre el interior y el exterior del envase, se uti­ liza en todo momento una mezcla vapor de agua-aíre comprimido, cuya proporción se esta­ blece 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 p arte superior. La corriente gaseosa se dispersa en tre los enva­ ses con ayuda de unos ventiladores centrífugos. Esta práctica resulta imprescindible para asegu­ rar tanto una buena distribución de la corriente como la uniformidad de la mezcla aire-vapor en el seno del autoclave. D e lo contrario, el aire, frío respecto al vapor y más denso, tendería a acumularse en el fondo del recipiente, favore­ ciendo la heterogeneidad del tratam iento tér­ mico. Una vez se completa ci tiempo de esteriliza­ ción, se evacúa el vapor de agua y se procede a enfriar la carga. El enfriam iento en el autoclave Steristeam se efectúa por inyección de agua fría (pulverización), con recircuíación de la misma,

o m ediante aire refrigerado. E n otros casos, el enfriamiento se acomete por inmersión en agua fría. El alimento envasado se distribuye en ces­ tos dentro del autoclave. La presión se controla durante la operación por m edio de una válvula de alivio al efecto, Lagarde. Consiste en un autoclave estático, horizontal y discontinuo, provisto de uno o más ventiladores para aum entar la velocidad de entrada del vapor de agua. E sta variante de autoclave mejora la velocidad de transmisión del calor entre el vapor y el contenido del enva­ se. 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 dis­ continuos, 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 con­ tinuo. La capacidad de tratam iento depende, por tanto, del núm ero de unidades instaladas. Su principal característica es la ausencia de ces­ tas 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 enva­ ses en el interior del recipiente se ve am orti­ guada por la presencia del agua caliente utiliza­ da en la etapa de enfriamiento del anterior ciclo. Una vez se llena y se cierra el autoclave, comienza a alimentarse eí vapor de agua, pri­ m ero como fluido de desplazamiento del agua y, después, como agente de calefacción. Comple­ tado el tiempo de tratam iento dispuesto, se introduce agua y, si es el caso, tam bién aire a presión, a fin de proceder al enfriamiento de los envases* Transcurrido un tiempo, se abre la boca

Vapor

Elapa 2

Etapa 1 Agua

Aire

FIGURA 1 . 1 4 . E s t e r iliz a d o r H y d ro lo c k .

1: c a r g a , 2 : c ie rr e

h id r á u lic o , 3 : s e c c ió n d e e s te r iliz a c ió n c o n v a p o r, 4 : s ec­ c ió n d e r e fr ig e r a c ió n c o n a g u a a p r e s ió n , 5 : s e c c ió n de r e fr ig e r a c ió n c o r a g u a , y ó : d e s c a rg a .

A g u a d e _ _ fp r e f r ig e r a c ió n

Etapa 4 FIGURA 1 . 1 3 . E ta p a s d e 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 ce sta s.

inferior, si tunda p o r 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 sum ergida en el canal, que se encarga de transportarlos, al tiem po que se enfrían, a la zona de escurrido. H ydrolock. L a esterilización del producto envasado tie n e lugar en una cám ara cilindrica dispuesta horizontalm ente. Los envases, que circulan p o r el sistem a m erced a una cadena tran sp o rtadora, se introducen, en la cám ara a través de un a válvula ro ta to ria sum ergida en agua, cierre hidráulico que perm ite m an ten er la presión en el interior de la misma. Los sucesi­ vos pasos del envase en sentido longitudinal descendente a través de la zona sup erio r de la cám ara aseguran la esterilización del producto, el cual se p ree n fría haciéndolo circular por d ebajo del nivel del agua. E n la figura 1.14 puede apreciarse un esquem a del equipo. El enfriam iento del envase se com pleta eo el exte­ rior del esterilizador p o r inm ersión en agua a presión atm osférica. E l dispositivo de rotación de los envases consiste en unas ranuras practicadas bajo los

tran sp o rtad o res, lo q ue les confiere u n giro axial a lo largo de su recorrido. Los eq u ip o s in c o rp o ran la p o sib ilid ad de e m p le a r aire caliente ju n to con el vapor de agua. La m ezcla de fluidos térm ico s se m ejora con ayuda de un ventilador. D estacan p o r el b uen ap ro v ech a­ m iento del espacio, vapor de agua, m ano de o b ra y agua. Sin em bargo, cabe citar como inconv en ien te que el envase se ve som etido a un gran esfu erzo d urante las operaciones de carga y d escarga en su paso a través de la vál­ vula ro tato ria. Sterilmatic. Se trata de un esterilizador co n ­ tinuo ro ta to rio constituido p o r al m enos tres cilindros en serie, en los que se procede al tr a ­ tam iento térm ico del envase y a su en friam ien ­ to, ta n to a p resió n com o a presión atm osférica. C uando la evacuación del aíre se efectúa p or envasado d e l p ro d u cto en frío, se req u iere dos etapas p rev ias de precaíefacción, la p rim era a presión atm osférica y la segunda ya a p resión. E s decir, el sistem a en su conjunto p u ed e cons­ ta r de h asta cinco cilindros, conectados e n tre sí por m edio d e unas válvulas ro tato rias q u e ase­ guran la ausen cia de fugas de v a p o r de ag u a y el m an ten im ien to de la presión adecuada en cada caso. E xisten ciertas variantes de estos esterili­ zadores, en las que se utiliza agua so b rec ale n ta­ da en lugar de vapor de agua. Las latas se sitú an sobre un rotor, qu e en su giro p erm ite la circulación de las mismas. La traslación helicoidal de los envases se fu erza a través de u n o s canales existentes en la p arte inferior de las p ared es internas de las carcasas,

q ue es la zona donde tiene lugar la rotación de la la ta sobre su eje axial. Sólo el 30% del reco­ rrido del envase en un giro com pleto contribu­ ye a la rotación axial del mismo. D urante el resto del recorrido el envase descansa sobre la p ared externa del ro to r sin que se produzca contacto con la carcasa. Este tipo de esterilizadores continúa utili­ zándose profusam ente, sobre todo en el sector conservero. E s simple y consistente y da lugar a un tratam iento térm ico hom ogéneo. 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 imprescin­ dible una inspección previa de los envases; si un envase defectuoso desequilibra el sistema, con el consiguiente atasco, la instalación incorpora un autom atism o de parad a que preserva al m o to r 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 equi­ p o s parte del tam año d e los mismos. Es decir, ofrecen poca versatilidad en cuanto a tamaños de envase. Flash 18. E ste equipo está precedido de un llenado del producto en caliente. Así, el pro­ ducto a granel calentado por inyección de vapor de agua se bom bea a 130 ”C, tem peratura supe­ rio r a la de esterilización, hasta la cámara de lle­ nado, donde reina una presión inferior, lo que se traduce en un “flash” que perm ite su desga­ sificación y la evacuación del aire del envase. U na vez se cierra el envase, éste se conduce a un túnel de calentam iento, en el que se mantie­ n e a 124° C, tem p eratu ra resultante de la des­ com presión en la etapa anterior, hasta alcanzar el grado de esterilización deseado. E l producto envasado y estéril se transporta a un segundo túnel, esta ve 2 de enfriam iento, para posterior­ m ente abandonar el recinto ptesurizado a tra­ vés de una esclusa al efecto, y com pletar la ope­ ración a presión atm osférica p o r rociado con agua. El sistema descrito se aplica a alimentos

que por su destino final requieren un tam año de envase considerable y que de tratarse por otros m edios los tiem pos de esterilización precisos, muy elevados, alterarían su calidad original, Hidrostático o de Carvallo. E n este esterili­ zador, cuyo nom bre alude al principio en que se fundam enta, los envases circulan p o r una cám a­ ra en la que el vapor de agua se confina m edian­ te un cierre hidráulico. Com o se puede apreciar en la figura 1.15, la altura de las columnas de agua a ambos lados de la cám ara (presión hidrostática) determ ina la presión del vapor en su interior, es decir, la tem peratura del trata­ miento. Las columnas cum plen, adem ás, una segunda función: regulan la presión exterior sobre el envase. L a presión externa al envase aum enta progresivam ente según éste avanza hacia la cám ara y viceversa conforme se aleja de la misma hasta alcanzar la presión atm osfé­ rica. La refrigeración del envase se efectúa en línea por medio de una pulverización con agua, seguida de una inm ersión en un baño, tam bién de agua. E l nivel del cierre hidráulico se controla m ediante un flotador, m ientras q ue los niveles de las columnas se regulan por rebose. El agua, que circula p o r las columnas en contracorriente respecto al sentido del envase, abandona el sis­ tem a por encima de los 80 °C. Se reutiliza para otros fines y se recupera su entalpia por inter­ cambio con el agua de alimentación. Sus venta­ jas 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, respecti­ vamente, p o r T de producto tratado. ■ Son polivalentes en cuanto al tipo de envase. A dm iten 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 reventam icnto de los envases, • Da lugar a productos con un tratam iento uniforme.

C ám ara de va p o r Zona de precaienfam iento

A lim enta dor de latas Colum na de refrigeración po r pulverización

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

•

Perm ite un elevado nivel de autom atis­ mo. E l control, además de fácil, es sum a­ m ente eficaz, especialm ente en lo que se refiere a la tem peratura de esterilización. • O frece cierta versatilidad en cuanto al tam año de los envases. • Son robustos y ocupan poca superficie.

Las to rres de esterilización precisan, sin em bargo, una fuerte inversión. La altura de estos equipos determ ina una com ponente de ingeniería civil considerable. O tro inconvenien­ te 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 tran sp o rtad o ra, de tal form a que el envase pase alternativam en­

• •

te de una a otra a lo largo de su circula­ ción. V ibración perm anente de la cadena. M ovim iento de los envases, m erced a unos im anes situados alternativam ente a uno y otro lado de la cadena.

Ciertos equipos adm iten más de una linca de carga y descarga. Otros, como eí Hunister, incluso están provistos de más de una cám ara de esterilización con vapor de agua. El tiem po d e esterilización se establece atendiendo a la velocidad de transporte del producto. En suma, los autoclaves hidrosláticos están indicados p ara grandes capacidades de tratam iento (en to m 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 lác­ teas p ara la producción de derivados en b o te-

lias, como es el caso de los batidos o de la pro­ pia leche esterilizada. H ydroflow. E n este autoclave horizontal continuo los envases se transportan p o r el inte­ rior de los tubos m ediante agua. Consta de eta­ pas de precalentam iento, esterilización, prerrefigeración y refrigeración. Cada sección incor­ pora 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. E m plea tam bién agua como agen­ te esterilizante. L a disposición del equipo es, asimismo, horizontal con transporte de los pro­ ductos en sucesivos pasos a lo largo de ambos sentidos. El calentam iento se efectúa por rocia­ do de agua en la zona presurizada. La refrige­ ración tiene lugar en dos etapas: a presión y a presión atmosférica. Los envases, agrupados en cestillos, se transportan mediante un tornillo sinfín de desplazam iento 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. L a operación comienza con el preca lenta mien­ to 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 atm os­ férica. La esterilización a cerca de 1-700 °C se completa en m enos de 1 minuto, lo que perm i­ te alcanzar una tem peratura de 130 °C en el interior del envase. La últim a etapa consiste en una refrigeración por pulverización con agua fría. En la figura 1.16 se esquem atiza el proceso de esterilización a la llama.

Salida P rec a le n ta d o rd e vepor ) Llama

1

W vV W Mantenimiento --------► Refrigeración

FlCURA 1 . l ó . Esterilizador de llama o Sferiffomme.

Las condiciones del tratam iento se asemejan a un proceso HTST, lo que en principio asegura la calidad del producto procesado. E l equipo, por otra parte, no requiere una excesiva inver­ sión y su funcionamiento es sencillo. Sin embar­ go, la gran diferencia de presiones que se gene­ ra entre el interior y el exterior del envase deter­ mina el empleo de latas de pequeño tamaño, más resistentes, y justifica uu llenado bajo alto vacío. A un 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 equi­ pos de esterilización. E ste proceso comenzó a ensayarse sobre 1960 con champiñones. Se ha utilizado tam bién con guisantes, alubias, zana­ horias, 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 E l auge de la esterilización de alimentos fuera de los envases obedece a los inconvenien­ tes que plantea el tratam iento térm ico de p ro ­ ductos envasados. E l envase supone una resis­ tencia adicional a la transmisión de calor, que se traduce en tiem pos de operación mayores, cuestión que redunda en una perdida de calidad del producto. La esterilización de alimentos

envasados origina, además, un gradiente térm i­ co en tre el centro del producto y su periferia, lo que da lugar a la postre a un producto de carac­ terísticas heterogéneas. E n el caso de los ali­ m entos bifásicos, la fracción líquida estaría som etida a una esterilización muy superior a la de la fracción sólida, con la consiguiente altera­ ción térm ica. La m ejora de la transm isión de calor se limita a introducir o a forzar una agita­ ción del envase. El m aterial del mismo y su espesor, aspectos cruciales a efectos del paso del calor, están determ inados por su resistencia m ecánica a la diferencia de presiones entre el interior y el exterior del recipienle, función a su vez del perfil térm ico de la operación. Es decir, no se puede operar a altas tem peraturas sin modificar la resistencia m ecánica del envase (mayor espesor para un mismo material), lo que reduciría la velocidad de transmisión del calor (tiempos más largos). A n te esta situación, surge la necesidad de p ro ced er a la esterilización del alim ento antes de su envasado. E sta práctica tiene como p rin ­ cipal ventaja la posibilidad de o perar a altas tem p eraturas o, lo que es lo mismo, en tiem ­ pos cortos, circunstancia que proporciona un producto de calidad muy superior. Estas co n ­ diciones de tie m p o -te m p e ra tu ra (m étodos H T ST ), tal como se ha p u esto de m anifiesto en el ap artado 1.1.8, aseguran un o rden de proceso determ inado sin que se active la des­ trucción de n utrientes y o tro s parám etros de calidad. Se consiguen alim entos con una cali­ dad equiparable a los irradiados o refrig era­ dos, con la particularidad de que su período de conservación es superior a seis meses, y ello sin refrigeración alguna. D e lo dicho se d esp ren d e que al no necesitar un transporte frigorífico su área potencial de distribución sea mayor. E l envasado o procesado aséptico, nom bre del conjunto de operaciones que requiere la esterilización de alim entos no envasados, tiene un a ventaja añadida: las condiciones del trata­ m iento térm ico no dependen del tam año del envase. E l tiempo de operación no varía. Esto

perm ite disponer de envases de mayor tam año. El procesado aséptico de alimentos no d a lugar a desequilibrios entre la presión interior y la exterior al envase ni a choques térmicos. La desgasificación a alta tem peratura ev ita el escaldado previo a la appertización que requie­ ren ciertas verduras. Las instalaciones al efecto ofrecen un m ayor grado de autom atización, así como un m enor consum o energético. L a técnica descrita tiene su campo de aplica­ ción en los alimentos líquidos y en suspensión, y más recientem ente en los llamados particula­ dos, productos en los que las fracciones sólidas de la suspensión acuosa son de un cierto tam a­ ño. Como contrapartida a las ventajas expues­ tas, el envasado aséptico requiere una inversión inicial considerable. E sta tecnología en su con­ junto exige: * La esterilización de envases, tanques y conducciones. * La esterilización del producto. « La esterilización d e los equipos d e llena­ do y envasado. * U na atm ósfera de aire estéril. Si el p roducto es heterogéneo la instalación resulta más compleja. D e cualquier form a, la mano de obra es más cualificada en el envasado aséptico q ue en la appertización. El cam po de aplicación de la esterilización de productos a granel incluye el tratam iento de leche, zum os y concentrados de frutas, yogurt, nata, sopas, vino y helados. Tam bién se tratan por esta vía suspensiones más o m enos viscosas de alim en­ tos para bebés, derivados del tomate, frutas y verduras. L a fragilidad d e la fracción sólida de determ inados alim entos 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 p a ra 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 alm acenam iento. 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 pro­ ceso dado, enfriarlo hasta una tem peratu­ ra de llenado aceptable. Los dispositivos de intercam bio de calor al respecto y los problemas asociados a la fluidodinárnica del alim ento se estudiarán en el siguiente epígrafe. Mantenimiento. Es la etapa clave de la esterilización. L a longitud del tubo de mantenimiento, que se establece aten­ diendo a las propiedades fluid o dinámicas del alimento, determ ina el tiempo de resi­ dencia necesario p ara alcanzar el grado de esterilización previsto. Su diseño plan­ tea ciertas consideraciones, a saber: 1. Se dispone con un a cierta inclinación vertical (> 2 % ) respecto al sentido de

2. 3. 4. 5. 6.

7.

flujo p ara facilitar la evacuación de bolsas d e aire y el escurrido du ran te las operaciones de limpieza. Su superficie interna deb e estar m uy lisa, pulim entada. N o se deb e sobrecalentar el producto a lo largo de su recorrido. D eb e ser desm ontable p o r secciones. Se debe preservar de condensados y de contactos con aire frío. Com o to d a la instalación, debe m an­ ten er u n a cierta sobrepresión p ara evitar la desorción de volátiles o la ebullición del producto. La sob rep re­ sión impide, además, la recontam ina­ ción del producto por contacto con el aire am biente del recinto, que a su vez tam bién tiene una ligera sobrepresión respecto ai atmosférico. Incorpora un sistema de m edida y control de la tem peratura.

• Alm acenam iento. La instalación posee un tanque de alm acenam iento del producto ya estéril, a fin de prevenir posibles con­ tingencias en las secciones de llenado y envasado. « Derivación del producto. Si p o r cualquier circunstancia se detecta que el producto

cumple la esterilidad comercial previs­ ta, el sistema cuenta con la posibilidad de desviar el flujo antes de que contam ine las secciones de llenado y envasado. Llenado y envasado aséptico. I,a o b te n ­ ción de un producto estéril en recipientes herm éticam ente cerrados pasa por cum ­ plir una serie de requisitos durante las etapas de llenado y envasado, los cuales son: 110

•

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 d urante el tiem po de producción, incluyendo la del aire am biente cir­ cundante a l a operación. P o r último, conviene resaltar la im portancia que presenta en este tipo de procesos alcanzar un buen control del flujo. El tiempo de esterili­ zación en el tubo de m antenim iento es función, para u na longitud dada del mismo, de la veloci­ dad de paso del alim ento. Por lo general, se recurre al em pleo de bombas dosifícadoras de precisión.

nárnicas y superficiales del alimento, que d eter­ m inan el régim en de flujo y la acum ulación de depósitos sobre las paredes dei intercam bíador, se suelen distinguir tres tipos de alimentos según su consistencia: líquidos, suspensiones de sólidos en líquidos, de mayor o m enor viscosi­ dad, y fluidos con sólidos particulados, en los que el tam año de estas partículas es relativa­ m ente grande. La sensibilidad térm ica del p ro ­ ducto y su resistencia mecánica condicionan, asimism o, la selección del sistema de intercam ­ bio de calor. E n general, han de reunir los siguientes requisitos: •

Capacidad p ara operar po r encima de los 120 °C. • E lev ad a superficie de intercam bio por u n id ad de volumen. • O peración en régimen turbulento con control del flujo. • S istem a de lim pieza que asegure la ausencia de depósitos superficiales. Las instalaciones de intercam bio de calor se clasifican atendiendo al tipo de contacto q u e se establece entre el alim ento y el fluido calefac­ tor. Si el alim ento tiene una consistencia apta para su bom beo, se distinguen dos m odalida­ des, a saber: •

1.3,2. Sistemas de intercambio de calor

U na instalación de intercam bio de calor en un procesado aséptico debería, en teoría, calen­ tar el producto hasta la tem peratura de esterili­ zación de form a súbita, y una vez se alcanza la esterilidad deseada a esa tem peratura en su recorrido a través de la sección de m anteni­ m iento, enfriarlo tam bién súbitam ente hasta la tem p eratura adecuada para el llenado. La ap ro ­ ximación a este caso ideal depende del grado de autom atización y control de la instalación y de las propiedades y com posición del alim ento a tratar. Al m argen de las características fluidodi-

•

C ontacto directo. Se lleva a cabo por inyección o p o r infusión de vapor de agua, según éste se pone en contacto con el producto o viceversa, respectivam ente. C ontacto indirecto. Se agrupan bajo esta denom inación los intercam biadores de placas, de tubos (concéntricos), de carcasa y tubo y de superficie rascada o barrida.

Los sistemas de intercam bio directo están especialm ente indicados cuando se desea un calentam iento extrem adam ente rápido y a alta tem p eratu ra. Son los equipos utilizados en los tratam ien to s U H T (U ltra H igh T em perature). E l enfriam iento se aborda por evaporación súbita (flash) a vacío del agua procedente de la

condensación del vapo r utilizado durante la fase d e calentam iento del alim ento. E sta prácLica p uede dar lugar a la desorción sim ultánea de los com ponentes más volátiles, lo que en algu­ nas ocasiones resulta conveniente (desodorización de la leche). Las consideraciones ingeníen­ les relativas a los intercam biadores d e contacto indirecto ya se han expuesto en el volumen I de esta obra. L a 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 alim entos particu­ lados. Inyección de Vapor de A gua. E n este caso el vapor de agua, de 5-6 kg/cin2, presión suficiente para alim entarlo a la cám ara de esterilización por sobrepresión, se proyecta sobre el producto m ediante un inyector. La condensación del vapor perm ite elevar muy rápidam ente la te m ­ p eratura del alim ento. T ranscurrido el tiem po de residencia necesario para alcanzar Ja esterili­ zación, unos pocos segundos, se pasa el alim en­ to aguado a una cám ara a vacío, donde, adem ás 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 so b re los 0,4 kg/cm2, lo que supone una tem p eratura de saturación del vapor de agua en torno a los 76 aC La inyección de vapor es uno de los m edios de calentam iento m ás rápidos y ofrece un enfriam iento instantáneo. Puede, p o r tanto, ser muy eficaz p ara alim entos term oseri­ sibles. E n tre sus inconvenientes cabe citar: •

La aplicación queda limitada a fluidos no muy viscosos. • R equieren un vapor d e calidad, es decir, hay que p artir d e un agua tratada. • E l aprovecham iento energético es muy deficiente, com o la m itad del de un con­ tacto indirecto. • E l sistem a no es versátil en Jo q u e se refiere al tratam iento de productos dife­ rentes.

Ejemplo 1.9. Regulación del contenido de agua del producto en el tratamiento por inyec­ ción 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 trata­ miento, 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 siguien­ tes casos; — Reducción del contenido de agua (concen­ tración) 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 alim ento aguado se difunde a la cámara de vacío, donde se enfría. La entalpia del vapor separado en la evaporación súbita del condensado se aprovecha p ara precalentar la corriente de entrada al difusor, procedimiento también utilizado en los sistemas de inyección. E l tama­ ño del poro del difusor se establece atendiendo a la reología del producto y al diám etro de gota deseado. Ciertos diseños de difusores son capa­ ces de pulverizar alimentos particulados, aun­ que en principio éste no sea el sistema más apropiado al caso, Sus principales ventajas son: • C alen tam ien to sum am ente rápido y enfriam iento tam bién muy rápido. Pre­ serva, pues, la calidad del producto. • A dm ite productos más viscosos que los tratados p o r inyección.

Producto

Vapor

a+V r

L_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 d e trabajar a temperaturas muy ele­ vadas. Su propia concepción evita puntos de sobrecalentamiento en el producto, así como la aparición d e depósitos, circunstancia que sí se da en equipos de contacto indirecto. Además, son capaces de tratar fluidos relativamente vis­ cosos a diferencia de los sistemas indirectos. Por el contrario, presentan algunos inconve­ nientes, entre los que destacan: la necesidad de disponer d e un vapor de calidad y la escasa recuperación de energía. La inversión requeri­ da al efecto resulta superior a la de las instala­ ciones de contacto indirecto. Inter cam biador de placas. Es e l intercambia­ dor más extendido en la industria alimentaria. A dm 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. Requie­ re 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 tempe­ raturas 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 calentamien­ to heterogéneo y su ensuciamiento. Requiere, pues, una lim pieza frecuente, sin utilizar disolu­ ciones cáusticas, que podrían dañar la s 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. Intercam biadores de tubos (concéntricos) y de carcasa y tubo. Los de tubos son lo s precur­ sores de lo s intercambiadores de carcasa y tubo. Los equipos constan de dos o tres tubos con­ céntricos. E l alimento circula, respectivamente.

p o r el conducto central o por d espacio anular interm edio. Su principal inconveniente reside en su lim itada superficie de intercam bio por unidad de volumen; esto es, se precisan equipos m uy voluminosos. Para solventar esta cuestión, surgen los intercam biadores de carcasa y tubo en sus distintas configuraciones en cuanto a núm ero de pasos de am bos fluidos. Su diseño m ecánico, con pocas juntas de estanqueidad, ofrece la posibilidad de operar con presiones más elevadas, es decir, con mayo­ res velocidades de flujo. Se alcanza, por tanto, un régim en de circulación más turbulento, lo que favorece una transm isión de calor más uni­ forme, una menor form ación de incrustaciones p o r acumulación de depósitos y su aplicación a alim entos más viscosos. Como contrapartida, los intercam biadores de carcasa y tubo ofrecen una difícil valoración de su grado de ensuciam iento con el tiempo. Son muy poco flexibles en cuanto a su capaci­ dad de intercam bio. P or último, constituyen un elem ento crítico de la producción. El deterioro de un sólo tubo supone la parada de la insta­ lación. Los intercam biadores de tubos concéntricos participan de las ventajas enum eradas con ante­ rioridad. especialm ente de las relativas a la fluidodinám ica, toda vez que los flujos no presen­ tan cambios de dirección a lo largo de la opera­ ción. Esta circunstancia perm ite, además, tratar fluidos más viscosos. Su limpieza y m anteni­ m iento es, por otra parte, más sencilla y eficaz. Sin em bargo, su baja superficie d e intercambio p o r unidad de volum en 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 requie­ re n y de su lim itada capacidad de tratamiento, sólo se justifica cuando el alim ento es muy vis­ coso o incluso particulado (adm ite sólidos de h asta de 1 cm). E jem plos al respecto son los purés, los concentrados de zumo de tomate o los helados. A unque norm alm ente se utilizan

como un simple m edio de calentar o enfriar, tam bién se aplican a la pasteurización, a la este­ rilización de platos prccocinados, a la cristaliza­ ción previa a la concentración por congelación y a la evaporación de productos muy viscosos. E l fluido térm ico circula por el espacio anu­ lar externo, en tanto que el alim ento fluye por el conducto central, donde axialm ente se aloja un ro to r provisto de unas rasquetas. Este dispo­ sitivo mejora la transm isión de calor al pro p o r­ cionar una significativa agitación. Por otra parte, el desprendim iento de los com ponentes adheridos a la superficie hacia zonas menos calientes o más frías, según se caliente o enfríe, respectivam ente, reduce el gradiente radial de tem peraturas. Se obtiene, pues, un producto térm icam en te más h o m ogéneo. E l b arrid o superficial efectuado por las rasquetas palia adem ás la formación d e incrustaciones. Los costes de operación asociados a un intercam biador de superficie rascada son eleva­ dos. A los costes habituales se ha de sum ar la partid a relativa al consumo de energía debida al m otor del rotor. El sistem a imposibilita, por otro lado, la recuperación del calor. Su fiabili­ dad es m enor que la del resto de intercanibiadores. A pesar de todo, estos sistemas resultan imprescindibles en m uchas ocasiones. Sistemas de intercambio para alimentos p a r­ ticulados. Los alim entos con sólidos de cierto tam año, pero que contienen tam bién fase líqui­ da, son aquellos que presentan mayores dificul­ tades para su procesado aséptico. Por lo gene­ ral, el sólido circula a m enor velocidad que el líquido. Sin em bargo, como quiera que la tran s­ misión 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 tiem po de residencia tal, que sin duda conduce a la sobreesterilización del líquido, cuando no a su term odegradación. La transm isión 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 resisten­ cia que opone la ínterfase al paso del calor se puede cuantificar conociendo el valor de su coeficiente convectivo, el cual es tanto menor cuanto m ayor es la velocidad relativa entre las dos fases. E ste coeficiente se determ ina a partir de las curvas de penetración del calor en el cen­ tro de un sólido de geom etría y conductividad conocidas. Las simplicaciones vienen por la vis­ cosidad del fluido si éste es no new toniano —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 alim entos se diseñan atendiendo a las consideraciones anteriores y a las caracte­ rísticas del sólido. Si éste es de naturaleza frá­ gil, los cambios térm icos, las fuerzas de cizalla e incluso la turbulencia debida al régimen de flujo pu eden dar lugar a su deterioro. A con­ tinuación, se pasa revista a los sistem as ensa­ yados. Procedimiento de Kafedshiev y Koiev. Se calientan por separado las dos fases del ali­ mento, la sólida a 100 UC y la líquida., una vez se ajusta su pH a 3,5, a 90 °C, Posteriorm ente, se procede a llenar y cerrar el envase, el cual se hace ro ta r m ientras se enfría con lluvia de agua. E ste m étodo se ha aplicado a m elocoto­ nes, peras y m anzanas envasadas en recipientes de gran volumen. No es en sí un sistema de envasado aséptico, toda vez que el enfriam ien­ to transcurre una vez se ha llenado y cerrado el recipiente. Proceso IA T A (Instituto de Agroquímica y Tecnología de A lim entos, Valencia). Consiste en calentar y enfriar la fracción sólida del ali­ mento con el líquido, el cual se m antiene a una tem peratura dada haciéndolo circular en circui­ to 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. P ropuesto por Síork, el tu b o de m antenim iento incorpora una cámara circular con paletas giratorias que retard a 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 (“A septic Processing Vessel”). Es sin duda el sistema más desarrolla­ do de los expuestos. Las fracciones sólida y líquida se tratan por separado. E l líquido se som ete a un ciclo de esterilización convencional, m ientras que el sólido se introduce en una cám ara de doble cono (D C A PV ), tal como la que se representa en la figura 1.19, provista de calefacción directa c indirecta con vapor de agua. La prim era etapa consiste en el precalentam íento deí sólido hasta 90° C, favorecido por la rotación controlada del doble cono. L a este­ rilización 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 cám ara p o r agua fría. La presión en el interior se controla m ediante la entrada de aire com prim ido estéril. U na vez se h a enfriado el contenido en cues-

8

F IG U R A 1 .1 9 . Intercam biadcr de doble cono p ara el proce­ sado aséptico de alimentos particulados: 1 : d is trib u id o r de e n tra da p ara vapor, aíre y líquidos de cocción, 2 : entrada de va p o r directo, 3: termómetro díp o lo , 4: tubo d e produc­ to, 5: d istrib u id o r de salida, ó : solida de producto, 7: línea g ira to ria de evacuación do aire y / o de purga de condensados y de líquidos de cocción, y 8: boca de llenado.

tión, se d etiene la rotación y se introduce el líquido estéril. La cám ara pasará ahora, a actuar como m ezcladora. L a operación culm ina con el trasvase de la mezcla esterilizada a la llenadora. E l sistema Júpiter pu ed e aplicarse a gran parte de los productos vegetales y cárnicos. Calentamiento óhm ico. E sta técnica, recien­ te, abre grandes expectativas al tratam iento H T ST de alim entos particulados. E l producto se bom bea p o r u n dispositivo provisto de elec­ trodos. que inducen el paso de la corriente a trav és del alim ento, gen erán d o se así calor (efecto Joule), tal como se representa en la figura 1.20. E l producto se transfiere posterior­ m ente al sistem a de m antenim iento para, por último, p roceder a su enfriam iento. E l proceso no origina gradientes térm icos e n tre las fases, lo que da lugar a un producto final de alta calidad. FJ sistema tiene serias lim itaciones. Sólo adm ite alim entos bom beables y que sean capa­ ces de conducir la corriente eléctrica. Por otra parte, se ha de te n er en cuenta que las secciones de m antenim iento y enfriam iento son de carác­

ter convencional, y que sus propias limitaciones se extienden al conjunto del sistem a. P o r lo demás, el procesado óhmico proporciona un calentam iento rápido y uniform e de los produc­ tos bifásicos, con un equipo exento de com pli­ caciones mecánicas. Su control y m antenim ien­ to es sencillo y eficaz y el ensuciam iento leve, L a 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 alim entos precocinados. Se utiliza tam bién en la pasteurización de frutas y de productos vege­ tales ácidos, así como en la precalefacción en general de productos bom beables. Los equipos com erciales o peran con co rrien te alterna, lo que evita el em pleo de rectificadores y Ja apari­ ción de fenóm enos electroquímicos incontrola­ bles. Sus potencias oscilan entre 75 y 300 kW y las capacidades de procesado están entre los 750 y los 3.000 kg/h.

Salida de producto í.3 .3 .

E n tra d a d e p ro d u c to FIGURA 1.20. Sistema de ca le n ta m ien to óhmico.

Esterilización de envases

En general, la esterilización de los equipos y elem entos que conform an la instalación de un procesado aséptico depende, en gran medida, de la acidez del producto tratado. Las técnicas utilizadas en la esterilización de productos áci­ dos o acidulados no ofrecen dificultad alguna. No sucede así con los alim entos de baja acidez, que requieren muchas veces la com binación de distintos sistemas de esterilización y cuyo coste es bastante superior. A ntes de pasar a exponer la esterilización de envases, se da cuenta de ios agentes esterilizantes em pleados en el procesa­ do aséptico en su conjunto. Calor. Surge como una prolongación al p ro ­ pio tratam iento térmico, Se distingue entre calor húm edo, agua caliente o vapor saturado, y calor seco, vapor sobrecalentado o aire caliente.

Es más eficaz el em pleo del primero, ya que la resistencia de los microorganismos esporulados al calor seco es mayor. Cuando se aplica a p ar­ tes m etálicas voluminosas, la tem peratura pre­ cisa con calor húm edo es del orden de 1 2 0 °C, m ientras que con calor seco puede estar en tom o a los 200 "C. Productos químicos. A unque su uso plantea controversias, parece que hay una amplia acep­ tación en cuanto a la bondad que ofrece el empleo del peróxido de hidrógeno. O tros aditi­ vos ensayados, principalm ente con envases que contienen alimentos ácidos, son el etanol, óxido de etileno, ácido peracético y otros ácidos orgá­ nicos. E n Estados Unidos se autorizó el em pleo de peróxido de hidrógeno en 1981, pero restrin ­ gido a envases de polielileno. A ctualm ente, la legislación estad o u n id en se ha am pliado su campo de aplicación a otros m ateriales, así como su concentración máxima perm isible una vez se llena con agua el envase estéril, que ha pasado de 0,1 a 0,5 ppm. Como este aditivo no es m uy eficaz a tem peratura am biente, se usa en combinación con calor. E sta sinergia propor­ ciona una esterilización rápida de los equipos o de los envases. Radiación /}, Se viene utilizando desde hace años en la esterilización d e envases de produc­ tos 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 em pleadas al respecto son bastante supe­ riores. L a esterilización d el envase es función, además del m aterial 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 alim entos de baja acidez. Su esterilización por el proceso D ole se lleva a cabo con calor sobrecalentado a 225 °C. E l enfriam iento es por rociado con agua estéril. Envases preform ados de cartón. Los envases de cartón m ulticapa se esterilizan, antes o des­ pués de su preform ado, co n peróxido de hidró­ geno y calor.

Envases preform ados de plástico rígido. Se esterilizan con peróxido de hidrógeno y calor. O tros sistemas, todavía en fase experim ental, em plean luz U V o vapor saturado. Envases de plástico flexible. Se ha impuesto la esterilización por irradiación de rayos X. L a cám ara de llenado para estos envases se puede esterilizar con peróxido de hidrógeno y calor o con vapor saturado. Se tiende a esterilizar el plástico com o etapa final de su fabricación, con peróxido de hidrógeno y calor, antes de la fo r­ m ación de las bolsas.

1.3.4. Esterilización de equipos Los equipos y conducciones pertenecientes al tratam iento térmico del producto se som eten durante 30 m inutos a una tem peratura de 1 2 1 °C (alimentos d e b aja acidez) o de 104 °C (alim en­ tos ácidos). Se entiende que se puede operar con otras condiciones distintas siempre que la esteri­ lización 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 m aquinaria y equipos de las secciones de llenado y envasado se efec­ tú a 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. L a esterilidad del aire y sus conduccio­ nes se p u ed e conseguir por calefacción del mismo o p o r filtración. E n este último caso, en el que se precisa la esterilización previa d el pro­ pio filtro, el control de la esterilidad en el am biente resu lta dificultoso. El recinto opera co n un a ligera sobrepresión resp e cto a la atm osférica, a fin de evitar posibles recontam i­ naciones.

1.4. Pasteurización La pasteurización consiste en u n tratam ien­ to térm ico m oderado, cuyo objetivo es asegurar

trario, alimentos de baja acidez, el proceso se concibe com o un medio de garantizar la esteri­ lidad comercial del producto, es decir, se asegu­ ra la ausencia d e patógenos. Las condiciones en que opera un pasteurizador se establecen atendiendo a la destrucción d e 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 intensi­ dad de tratamiento tal que n o 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 cor­ tos, fundamento de lo s procesos IÍIST.

la conservación de los alim entos respetando al máximo sus características nutritivas y organo­ lépticas. Sacrifica el tiem po de conservación del producto, breve en relación a una esterilización convencional, aun en ambiente refrigerado, en beneficio de su calidad. D esd e el punto de vista técnico-económico, este procedimiento, habida cuenta que las temperaturas de operación no suelen superar los 100 °C, permite el empleo d e agua como agente de calefacción, con las venta­ jas que ello supone.

1.4.1. Fundamento La pasteurización se centra en la inactiva­ ción enzima tica y en la destrucción de los m icroorganismos más sensibles a la temperatu­ ra. A sí pues, el tratam iento es capaz de neutra­ lizar la presencia de bacterias vegetativas, leva­ duras y mohos, sin que su intensidad permita la destrucción de formas esporulada». Su aplica ción queda, por tanto, restringida a aquellos ali­ mentos que no contengan esporas patógenas. La severidad del tratam iento depende, funda­ m entalm ente, del pT-T del producto. Si el ali­ mento es ácido, situación en la que no cabe esperar gérmenes patógenos, la pasteurización incide sobre los microorganism os alterativos y sobre la actividad enzim ática. F.n el caso con­

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 alimen­ to, 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

Discontinua

Baño de agua

Cerveza, zumos de frutos

Leche, zumos de frutas. Huevo líquido y productos viscosos

Recipientes encamisadas. 1. de sup. rascada

Continua

Túnel Estéril Storilmatie Infrarrojos Microondas

Cerveza Batidos Conservas Pan y pastelería Zumos de frutos en bidones depropileno cartón

Leche, deriv. lácteos, Zumos de frutas, huevo liquido, cervezas y vinos.

1. de placas

P, lácteos, mayonesa, ketchup, alímenlos para bebés

1. de tubos concéntricos

A/mentos

A granel

A lim entos envasados. El material del envase condiciona el agente de calefacción. A sá los envases de vidrio siem pre se pasteurizan con agua caliente, m ientras que cuando son m etáli­ cos o de plástico se suelen tratar con mezclas de aire caliente y vapor de agua. E sta norm a obe­ dece a que el vidrio no puede soportar choques térm icos entre su superficie y el foco caliente superiores a los 20 °C, cuestión que no tiene trascendencia en los otros m ateriales 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. E l sistema es dis­ continuo respecto a los envases, que se proce­ san p o r cargas, y continuo en relación al agua, que se recircula a través de un cam biador de calor. Los equipos continuas con agua calicnLe constan de una cinta sinfín que transporta los envases por las zonas de calentam iento y enfria­ miento dispuestas en serie, de tal form a que se pueda som eter al producto a un perfil de tem ­ peraturas preestablecido. El agua de estos túne­ les se dispersa entre los envases por rociado (se conoce como ducha). E l agua se recircula entre la zona de precalef acción, donde se enfría m er­ ced ai calor sensible que cede al producto, y la zona de enfriam iento, donde se calienta debido al calor que tom a del alim ento envasado. Se consigue así un buen aprovecham iento de la energía puesta en juego y un m enor consumo de agua. La sustitución del agua por mezclas vapor de agua-aire redunda en un calentam ien­ to más rápido, es decir, se necesita un túnel de m enor longitud (menos espacio). La tem pera­ tura en las distintas zonas de calefacción se aum enta disminuyendo la proporción de aire en la mezcla. El enfriam iento se lleva a cabo con agua, bien por ducha, bien por inmersión. Alim entos a granel. A lgunos de estos ali­ m entos requieren, antes de la pasteurización, una dcsodorizacíón/desaereación. E sta o pera­

ción se efectúa por nebulización de] producto en u n a cám ara som etida a vacío. E n tre los pasteurizadores 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 ali­ m ento es elevada, la pasteurización se efectúa en un cam biador de superficie rascada. P o r lo general, el tratam iento de un alim en­ to a granel equivale a operar con grandes p ro ­ ducciones, 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 instala­ ción constituida por distintas etapas dispuestas en serie. El alim ento parte del tanque de regu­ lación a la sección de regeneración, en la que se precalienta con el producto ya pasteurízado; luego, se prosigue el calentam iento con el obje­ tivo de alcanzar la tem peratura de pasteuriza­ ción. U na vez alcanzada, su recorrido hasta la sección de regeneración le proporciona el tiem­ po 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 u na 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. E n la figura 1.21 se sintetiza el proceso de pas­ teurización. Las ventajas más significativas de estas instalaciones respecto a las de pasteuriza­ ción de alimeuLos envasados son: •

Pasteurización más hom ogénea (produc­ to de m ayor calidad). • M ecánicam ente m ás sim ples (m enor coste de m antenim iento). • Tam año m enor (ocupan m enos espacio). • Menos m ano 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 cier­ ta facilidad, se recurre por lo general a un intereambiador de tubos concéntricos. Las grandes producciones que se pretenden a lc a fa r en la pasteurización de producios a grane) no justifi­ can la fuerte inversión que supondría un inter­ cambiador 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 pri­ mera comienza a im ponerse lentamente con determinados productos de panadería y paste­ lería. Los microondas presentan un claro condi­ ciónam e 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 calen­ tamiento 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 com o blanqueo, persigue la inhibición de la acti­ vidad cnzimálica residual de ciertas frutas y ver­ duras, que podría dar lugar a la alteración nutri­ tiva u organolética del producto. El escaldado cumple una serie de objetivos secundarios, que varían según qué proceso se plantee con poste­ rioridad para asegurar la conservación del ali­ mento. El tratamiento es moderado, enríe 70 y 100 °C, con agua o con vapor de agua. F.l ali­ mento puede verse afectado, más por la pérdida de componentes solubles en agua que por su termodegradación. Se ha de indicar, por otra parte, que el escaldado constituye uno de los principa­ les focos de contaminación de la industria ali­ mentaría, especialmente en el sector conservero.

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

1.5.1. Fundamento

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

CUADRO 1.8

Comparación entre el og vayel vapor de agua como agentes de escaldado Ventajo*

Aguo

* Instalación** sencilas • y económicas. • Rendimiento energético aceptable. • • Ofrece uno gton versatilidad. Permite operar a distintas temperaturas. ♦ El lavado de la • irtstaloción es simultáneo al proceso de escaldado.

Vapor

* Extracción «ninima de componentes solubles. * Mucho menos contaminante en cuanto a volumen de vertido y concentración de materia orgánica.

persiguen durante el escaldado.

CUADRO 1.7 El escaldado como operación previa a la conservación de alimentos Conservación

Objetivos

Duihldratacinn

Mnntflnimienici del aroma y color Preservación del contenido vitamínico Reducción da la carga microbiana superficial Mejora de la rehidratabilidad

Apperlización

Eliminación de gases ocluidos Uenodo en caliente Eliminación de sabores indeseables

Congelación

Inhibición de la actividad enzirtática Eliminación de gases ocluidos

La elim inación 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 d e cabeza. El escaldado, por Otra parte, da lugar al reblande­ cimiento y contracción del producto, homogencizando su densidad, lo que favorece su llena­ do. Si esta operación se efectúa bajo atmósfera de vapor para expulsar el aire d el envase, el

inconvenientes

Fscotdodcr

Extracción significativa de componentes solubles. Da lugar a vertidas cuantiosos y muy contaminantes. Contraindicarlo paro conservaciones por congelación. El aguo de escaldada puede dañar los tejidos par «¿sioliración.

* los equipas se esterilizan con facilidod. • Instalaciones costosas * Rendimiento energético muy bajo. • Equipes poco versátiles. Están diseñados pora operara una determinado temperatura. • No lava el producto. • Hay qte parar lo producción para proceder a l lavado de la instalación.

El vapor de agua está recomendado para ali­ m entos de gran superficie por unidad de volu­ men, en lo s que e l agua daría lugar a una consi­ derable extracción de componentes solubles.

L a elección, pues, del agente de escaldado más adecuado al caso depende tanto del tamaño y form a del alimento como de su naturaleza y termosensibilidad, especialm ente a nivel super­ ficial, donde pueden darse fenóm enos de dese­ cación.

1,5.2. Equipos En general, el desarrollo de las instalaciones de escaldado tiende a m ejorar el aprovecha­ miento 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 tonela­ das 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 com­ ponentes hidrosolubles, lo que redunda en una m ayor calidad del producto escaldado.

A ) Escaldado p o r inmersión en agua caliente Cilindro rotatorio. El alim ento se transporta a través de un tam bor perforado y coaxial a la cuba, parcialm ente sum ergido en la misma, merced aí movim iento 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 m ediante la velocidad de giro del cilindro m etá­ lico. Las restantes variables del proceso son: la tem peratura del agua, que se regula por inyec­ ción 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 im portante operar con una relación producto/agua deter­ minada. Si esta relación aum enta, se resiente el rendim iento energético. P or el contrario, si la relación disminuye, se favorece la extracción de sustancias hidrosolubles. De tubo. Es el sistem a tradicional. Consiste en bom bear una suspensión del alimento en eí

agua de escaldado a través de un tubo metálico. En este caso, el tiem po de residencia se contro­ la p o r m edio de la velocidad de circulación de la suspensión y de la longitud del tubo. E stas ins­ talaciones, que ofrecen una mayor capacidad de tratam iento y ocupan menos espacio, pueden em plearse como m edio de transporte. El escaldado p o r inm ersión en agua tiene, en las dos m odalidades expuestas, un deficien­ te aprovecham iento energético y una alta tasa contam inante. L a solución m ás 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 to d o el vapor condensa, m e jo ran d o el ap ro v e ch am ien to energético. P o r o tra parte, la nueva disposi­ ción perm ite lim itar la extracción de com po­ nentes hidrosolubles, lo q u e su p o n e un m enor contenido de m ateria orgánica (D Q O ) en el vertido, cuyo caudal pasa a se r m uy inferior: queda restringido a la p u rg a del circuito de re circulación. La recirculación del agua de escaldado p re­ senta, sin em bargo, un inconveniente añadido, cual es, como en to d o circuito de estas caracte­ rísticas, la posible proliferación de flora bacte­ riana termófila. P o r ello, se ha de ten er previs­ to la cloración de las aguas como m edida ger­ micida. Asimismo, conviene reseñar la im por­ tancia que presenta la influencia del p H del agua. La extracción de ácidos orgánicos d uran­ te el escaldado con agua puede originar, si no se tam pona el m edio, su acidulación, ló qu e a su vez favorece la lixiviación de ia clorofila. E n otros casos, se p uede aprovechar esta circuns­ tancia para m o d erar la intensidad del trata­ miento, toda vez q ue la term o destrucción enzimática es tanto m ayor cuanto m enor es el pH del medio. Estos inconvenientes se han solucio­ nado en gran m edida con la aparición de un escaidador-enfriador integrado, que perm ite m ejorar el aprovecham iento energético y redu­ cir el potencial contam inante de estas instala­ ciones. Además, el proceso integrado p ro p o r­ ciona un enfriam iento-escurrido muy rápido,

cuestión crítica si se quiere abordar inm ediata­ m ente 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 am iento con agua a 30 °C y enfriam iento con aire. E l p ro ­ ducto se transporta m ediante una cinta sinfín a través de las secciones, donde el agua se distri­ buye por aspersión y se recoge por la p arte infe­ rior; el aire frío incide perpendicularm ente sobre e] producto en un sentido u otro, según la densidad de éste, de tal forma que el alim ento acaba por alcanzar una tem peratura de unos pocos grados centígrados. El elem ento crucial de la instalación es el intercam biador 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 pro­ cedente 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 preenfriam icnto. El rendimiento entáípico del sistema llega así al 70%. El efluente pro­ ducido es, por otra parte, muy reducido. El con­ sumo de agua baja hasta el metro cubico por cada diez toneladas de producto. U na modificación del proceso integrado des­ crito consiste en prescindir del intercam biador de calor. Así. el agua de salida de la sección de preenfr¿amiento se recircula directam ente y en contracorriente a la unidad de prccalentam iento. 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 dis­ para eí consum o 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 atm ósfera de vapor. E l control del tiem po de residencia se efectúa actuando sobre la velo­ cidad de paso del producto. En cualquier caso, el rendim iento energético es muy bajo ( 7] = 10%). P ara m ejorar este aspecto se han desa­ rrollado distintas soluciones. Se pueden em ­ plear 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. E n estos equipos, el vapor residual de baja presión se recircula de arriba a abajo, m erced a la succión proporcio­ nada p or la entrada del vapor de alta presión (m ayor energía) a través de un sistema Vcnturi. La entrada y salida del producto se efectúa con ayuda de un cierre hidráulico para evitar p érd i­ das de vapor. Escaldado de cierre hidrostático. El agua, en esta ocasión, además de destinarse a cerrar la cám ara de vapor, se hace circular en contraco­ rriente respecto al sentido de flujo del produc­ to, de tal m odo que contribuye a su enfriam ien­ to, lavado y precalefacción. Proceso l.Q .B . Surge como una solución al gradiente térm ico que se establece entre la

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

superficie del producto y su centro, que puede dar lugar, si se quiere asegurar la inactivación enzim ática en las zonas interiores, a la deseca­ ción periférica del alim ento, con La consiguien­ te 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 cám ara adiabática, donde se procede a su m antenim iento en m ulticapa a una determ ina­ da te m p eratu ra . C on este proced im ien to , esquem atizado en la figura 1.23, se consigue: • • • •

un m ás que significativo ahorro energé­ tico, un producto m ás uniform e y de m ayor calidad, un tiem po de operación m ás corto (sobre tres veces m enor), un efluente de m enor caudal y carga con­ taminante.

E l producto se tran sp o rta m ediante una cinta sinfín que atraviesa las láminas que sepa­ ran entre sí las distintas secciones a fin de limi­ tar las perdidas de vapor, E n ocasiones, antes del escaldado del producto se procede a su secado con aire, lo que origina cierta reabsor­ ción de vapor durante la fase térm ica. E sta práctica m ejora la retención de nutrientes y volátiles, redundando en un tratam iento del efluente final más económ ico. El enfriam iento

Homogenoización térmica F ig u ra 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. H asta ahora, los escaldadores descritos se justifican por un m ejo r ren ­ dim iento energético respecto al convencional o d e túnel. El dispositivo analizado en este caso se centra en un tipo de contacto, el in h eren te a la fíuidización de un sólido, q u e p erm 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 alim ento se pone en contacto con una mezcla aire/vapor de agua a 95 °C que circula a través del lecho con u na velocidad de 4-5 m/s. Ea m ez­ cla cumple, pues, una doble función: actúa com o gas fluidizantc y fluido calefactor. Su apli­ cación queda restringida a aquellos sólidos que por su tam año y forma sean susceptibles d e fluidización. Las principales ventajas asociadas a esta técnica son: •

C ontacto fluido/sólido muy b u en o y homogéneo. • Tratam iento uniform e. ° Tiem pos de escaldado breves. * Extracción lim itada de nutrientes y otros com ponentes hidrosolubles. * E fluentes no excesivam ente co n tam i­ nados. E m pleo de vapor sobrecalentado. E s un m edio de reducir el tiem po de escaldado y de evitar prácticam ente efluentes de vertido. Sin em bargo, la ausencia de condensados requiere una gran velocidad de paso (con riesgos de arrastre del producto) y u n a considerable te m ­ peratura de sobrecalcfacción (con riesgos de term odegradación superficial del producto). E stas dos condiciones encarecen notablem ente el em pleo de vapor sobrecalentado. A dem ás, se ha de tener en cuenta que, si bien la fase de escaldado no origina vertido alguno, el enfria­ m iento con agua supondría un efluente final muy contaminado.

Empleo de microondas. Esta técnica, aun siendo prom etedora, plantea una serie de cues­ tiones por resolver, a saber: « No es aplicable a piezas grandes. Su pro­ fundidad de penetración es escasa. • No es aplicable a alim entos con cierto contenido de agua. La evaporación dcí agua supone un enfriam iento que puede dar lugar a un escaldado deficiente. • E n principio, el escaldado no genera ver­ tido alguno. A hora bien, al igual que en el caso de utilizar vapor sobrecalentado, si se enfría el alim ento con agua se pro­ duce el efluente correspondiente, muy contaminado. • Origina, por lo general, cierta desecación superficial. • Su coste es por el m om ento prohibitivo, especialm ente en las industrias de ali­ mentos estacionales.

C) Sistemas de enfriamiento El procedim iento más sencillo consiste en la inmersión del producto en agua. Supone un consumo adicional de agua y un foco de conta­ minación. La aspersión o pulverización de agua es un modo de reducir este consum o, aun cuan­ do la carga contam inante se m antenga práctica­ m ente constante. E l enfriam iento con aire, que es la técnica utilizada para evitar la contam inación, depen­ de básicam ente de su contenido de humedad. A sí, cuanto más seco sea éste, m ayor capaci­ dad de evaporación (o de enfriam iento) ofre­ cerá. Sin em bargo, 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 p rim era alternativa tien e la ventaja de ser un procedim iento más rápido, ya que el enfria­ m iento continúa siendo por evaporación y no por intercam bio de calor sensible, fundam ento de la segunda.

1.6. Tecnologías avanzadas en la esterilización de alimentos Tal como se aprecia en el cuadro 1.9, las téc­ nicas avanzadas en la esterilización de alim en­ tos se pueden clasificar atendiendo a la p resen ­ cia o no de un foco de calor. Algunos procesos térm icos reseñados no se tratan en esta obra. L a calefacción óhmica se ha abordado en este mismo capítulo (apartado 1.3.2) como u n siste­ ma de intercam bio de calor dirigido al trata­ m iento H TST de alimentos particulados. Otros sistemas al respecto son el A PV Júpiter y el R ola-H old.

CUADRO 1.9 Tecnologías a v a n z a d o s en lo esterilización de alimentos Procesos térmicos ■ Colefaeción por microondas y radio frecuencia. • C alefacción óhmica. • Métodos HTST para alimentos particulados. * C ocinado por extrusión.

Procesos a baja temperatura • Aplicación de elevadas presiones hidrostáticas. • Empleo de campos eléctricos pulsantes. • Estéril ¡zac ¡ón por pulsos de luz. • Radiaciones ionizantes. • Mano-termo-sonicacióri.

E n síntesis, se pude concluir que los m éto­ dos d e calefacción eléctrica, ya sea ésta dieléc­ trica u óhmica, dan lugar a un tratam iento tér­ mico más hom ogéneo con un flujo de calor más elevado. E n su contra, cabe citar su coste, que por el m om ento no es competitivo respecto a los procesos térm icos convencionales de esteri­ lización basados en la transm isión de calor por convección-conducción. A co n tinuación, se exponen los principios en los que se fundam en­ tan los distintos procesos a baja tem peratura, a excepción del em pleo de radiaciones ionizan­ tes, m ateria del próxim o capítulo. A plicación de elevadas presiones hidrostáticas. A unque el efecto de la presión so b re los m icroorganism os se conoce desde finales del siglo XIX, h asta 1995 no se desarrolló la tecno-

logia que perm itió instalar las prim eras plantas com erciales de esterilización de zumos de frutas y m erm eladas basadas e n la aplicación de una alta presión hidrostática. E l efecto de la presión sobre un alim ento se traduce en: • •

• • •

una dism inución d e la síntesis del A D N celular, un aum ento de la permeabilidad de la m em brana celular, con pérdida de líqui­ dos, la desnaturalización de proteínas, la destrucción de bacterias vegetativas y, según el caso, de form as esporuladas, la inactivación enzim ática por cambios en la estructura intram olecular.

El proceso no altera, sin em bargo, las m olé­ culas asociadas a los arom as y vitaminas. La presión sí afecta en cam bio a la textura de cier­ tos tejidos. A um enta, asimismo, la digestibilidad de la carne y de los alm idones. La sensibili­ dad de los microorganism os frente a la presión depende de num erosos factores (composición del medio, actividad de agua, tem peratura, etc,). En el cuadro 1.10 se establecen cinco gru­ pos de m icroorganism os 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 volum en. Cuentan, ade­ más, con un dispositivo p ara aum entar la p re­ sión, con un sistem a de despresurización y con sendos controles de presión y tem peratura. El m étodo de operación es p o r cargas, bien del ali­ m ento 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 bom ba de baja presión q u e actúa sobre un sis­ tem a hidráulico para elevar ésta hasta el valor deseado (principio de Pascal). E l dispositivo puede hacer incidir directam ente el pistón de presión sobre el alim ento (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

Pseudomonas Sa/monella Campylobacter

3

Levaduras

Candida Saccharomyces

4

Bacterias Gram positivas

Micrococcus Siaphylococcüs Streptomyces

ó

Esporas bacterianas

Bacittus

Toxinas de bacterias

C/osfrídíum botulinum

ó + ÓQ °C + 40 min.

ó [Destrucción parcial)

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

a tratar Cierre inferior

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 uniform em ente a todo el volumen de la carga, independientem ente de su forma y tam año. A un cuando el tiem po de residencia está en tre 1 y 5 min, la duración de un ciclo (apertura, descarga, lim pieza, carga, prcsurización, m ante­ nim iento y despresurización) asciende a 12-15 min, según el envasado sea en bloque o indivi­ dual, 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 presio­ nes. Em pleo de campos eléctricos pulsantes. E sta tecnología representa una de las alternativas más prom etedoras a los métodos convenciona­ les de pasteurización. La pasteurización fría, sobrenom bre con eí que se conoce a este proce­ so, perm ite asegurar la conservación de ciertos alim entos (leche, huevos líquidos, sopas y zumos y concentrados de fruta) respetando en grado sumo su calidad original. Su aplicación queda limitada a productos bom beables, capa­ ces de conducir la electricidad y exentos de patógenos esporulados. L a operación se puede llevar a cabo en continuo o en discontinuo. E l equipo de generación de pulsos consta de una fuente de alim entación de alto voltaje, desde donde se conduce la corriente eléctrica a un condensador, que actúa como sistema de alm acenam iento eléctrico, elem ento desde el que se regula la frecuencia y tipo de descarga sobre la cám ara de tratam iento. La cámara, cilindrica, está constituida por dos electrodos de carbono, uno central y otro de contorno, entre los que circula coaxialm entc el fluido a tratar. E sta configuración perm ite la transfor­ mación de los pulsos de alto voltaje en pulsos

de cam pos eléctricos, uniform es. El circuito eléctrico perm ite controlar, entre otras varia­ bles eléctricas del proceso, la intensidad del cam po eléctrico (20-80 kWfcm), la duración del pulso (1-10 jtis), la capacitancia (80 nF-9,6 pF) o la frecuencia pulsante. El cam po eléctrico p u l­ sante 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 elec­ trodos, y que se controla regulando la velocidad del agua de refrigeración que circula por un cir­ cuito alojado en el electrodo central. E l cam po eléctrico pulsante induce la ro tu ra irreversible de las m em branas celulares de los microorganism os, la cual es función de sus p ro ­ piedades víscoclásticas. Parece ser que el fen ó ­ m eno com ienza con la dilatación de la superfi­ cie de las m em branas por fluctuaciones sucesi­ vas, seguida del ordenam iento m olecular de la misma, lo que da lugar a la aparición de discon­ tinuidades superficiales y a la expansión de sus poros, que conduce a la ro tu ra mecánica de la célula. El fenóm eno en su conjunto se conoce com o electroporacLÓn. L a em presa “P uré Pulse T echnologies'’ ha desarrollado una planta piloto (proceso “Cool P u ré ”) capaz de procesar en continuo 200 1/h. La instalación incluye los depósitos de alim en­ tación y del producto tratado, así como el inter­ cam biador de calor para el posterior proceso de enfriam iento. Los costes de tratam iento, am or­ tización y m antenim iento incluidos, se estiman equivalentes al consum o de 100 k.T por litro de producto tratado. Esterilización p o r pulsos de lu z ■ En reali­ dad se tra ta de u na variante del proceso an te­ rio rm en te descrito, que goza, en lo que al ali­ m ento se refiere, de las ventajas ya expuestas. A m 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 generació n 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 U V leja­

no (200 nm) hasta el infrarrojo (1.100 nm). La duración de cada pulso de luz es de 200 a 300 jL ís y su frecuencia de 1 a 10 s-1. L a intensidad lum ínica de los pulsos es unas 20.000 veces superior a la de la radiación solar sobre la superficie terrestre. L a 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 m ateriales de envasado, lo que perm ite el tra ta ­ miento de productos envasados sin riesgos de recontam inación. E l efecto de la luz sobre ios microorganismos se desarrolla en la misma línea ya expuesta, pero con m ucha m ás intensi­ dad; es capaz de asegurar la esterilidad com er­ cial de alimentos poco ácidos, envasados o no, incluso si éstos contienen esporas bacterianas. Su cam po poten cial de aplicación es muy amplio: frutas y verduras frescas, carne, pesca­ do, huevos y ciertos líquidos y suspensiones. L a e m p re s a a n te s c ita d a p o s e e u n a p la n ta p ilo to d e 200 1/h ( p r o c e s o “ P u r é B r i g h t ”) y u n a u n id a d ya c o m e rc ia l, d e 8 .0 0 0 1/h d e h u e v o s líq u id o s. L o s c o s te s de o p e r a c ió n se e s tim a n e q u iv a le n te s al c o n s u m o d e 45 J p o r c m 2 d e s u p e rfic ie tr a ta d a , c ifra a c e p ta b le . N o s u c e d e a sí c o n la in v e rs ió n r e q u e r id a , to d a v ía r e la tiv a ­ m e n te e le v a d a p a r a la in d u s tr ia a lim e n ta ria .

M ano-termo-sonicación. E ste método, que se plantea como una alternativa a los trata­ mientos térmicos, es capaz de conseguir un ali­ m ento m enos term odegradado, de m ayor cali­ dad. Se basa en la com binación sim ultánea de calor (<150 CC) y ondas de ultrasonido (<145 /mi) bajo presión (<1.000 kPa), que p o r separa­ do tienen una eficacia contrastada. En este caso, la sinergia que se desarrolla garantiza una esterilidad adecuada, sin forzar el nivel de ope­ ración de ninguna de las tres variables implica­ das, lo que podría perjudicar la calidad final del alim ento, 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 form as esporuladas, e inhibe con facilidad la actividad enzimá­ tica residual, aspecto este que evita el escalda­

do previo que requiere la esterilización térm ica convencional de ciertos alimentos. La propagación de las ondas de ultrasonido a través del líquido a tratar genera, altern ati­ vam ente, zonas de com prensión y de expan­ sión. E n 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 m ieroburbujas de vapor. Los sucesivos ciclos de com presión-expansión originan el aum ento del volum en de las burbujas hasta un d eterm i­ nado tam año crítico, a p artir del cual la en er­ gía 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 p aralela de gran cantidad de energía en forma de calor, y ondas de choque, producto de las colisiones entre las m oléculas del líquido de las burbujas ya rotas. L a cavitación del líquido origina así la ro tu ra m ecánica de las estructuras celulares de los m icroorganism os. ■ La presión cum ple un doble objetivo: por una parte contribuye a la destrucción de m icro­ organismos y, por otra, regula la intensidad de la cavitación en función de la tem peratura de operación. D ado q ue el aum ento de la tem pe­ ratura supone un aum ento de la presión de vapor del líquido, con la consiguiente dism inu­ ción de la energía liberada al am ortiguar el vapor las colisiones m oleculares, un increm ento de la presión com pensará el efecto de la tem pe­ ratura, m anteniendo así la intensidad del fenó­ m eno en el nivel deseado. La letalidad del tratam iento es directam ente proporcional al tiem po y tem peratura estableci­ dos y a la presión y am plitud de las ondas de ultrasonidos. La en erg ía que p ro p o rcio n an dichas ondas, que es función del cuadrado de su am plitud, determ ina la intensidad de la cavita­ ción. E ste proceso, contrastado a escala de laboratorio, plantea serías dificultades técnicoeconómicas para su desarrollo industrial.

1.7. Efectos del color sobre los alimentos E l tratam iento térm ico de los alimentos, al igual que el resto de métodos d e conservación, puede considerarse un “mal m en o r”. P resenta una serie de efectos secundarios que alteran la calidad nutritiva y sensorial deí producto final. A unque las condiciones de operación se esta­ blecen atendiendo a la diferencia existente entre los valores d e D y Z de ios m icroorganis­ mos y los de los parám etros de calidad, de tai form a que estos efectos se den en la m enor medida posible, siempre se producirá una a lte ­ ración del alim ento. L a intensidad de tratam iento determ ina el grado de alteración experim entado por el ali­ m ento. Se com prende, pues, que la esteriliza­ ción del producto envasado lleva consigo una pérdida de calidad superior a la asociada a una pasteurización o a un escaldado. Los métodos H TST y U H T originan tam bién una alteración del alim ento, m o derada en relación a una apperttzación, aunque superior a la de una p as­ teurización.

1.7.1. Esterilización Los principales cambios en el alim ento se centran en la modificación de su textura o vis­ cosidad, según sea este sólido o líquido, en la aparición de sabores u olores extraños o desa­ gradables, en la alteración del color o en su decoloración y en la pérdida de valor nutritivo por la inestabilidad térm ica de alguno de sus constituyentes. O lor y sabor. E n relación a este aspecto, resulta más crítico el alm acenam iento del p ro ­ ducto que su procesado térm ico. La presencia de oxígeno puede dar lugar a la oxidación y descarboxilación de los lípidos, enranciam iento del alim ento, con la consiguiente aparición de com ­ puestos volátiles (aldehidos, cetonas, alcoho­ les...) con olor y sabor. Las reacciones de Maillard son tam bién una fuente de sustancias volá­

tiles a considerar. El calor, p or otra parte, puede provocar la p érd id a de com ponentes volátiles naturales, m odificando así la calidad sensorial del alim ento. Los efectos del tratam iento térm ico, aun siendo de m enor im portancia que el enrancia­ miento, 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. A sí pues, la composición del producto determ ina el tipo de cambio que éste experimenta. Las carnes, por ejemplo, se ven sometidas a reacciones d e p iró ­ lisis, desanim ación, descarboxilación de am ino­ ácidos, degradación d e carbohidratos, etc. En las frutas y verduras prima la pérdida de voláti­ les originales p or degradación térmica, ya sea por re com binación o por volatilización. E n la leche destacan la desnaturalización de las p ro­ teínas del suero y la degradación de los lípidos, que da lugar, entre otros compuestos, a la apa­ rición de lactonas. Color. El color de un alimento som etido a una esterilización depende de la estabilidad de sus pigmentos, naturales- o añadidos. E n el cua­ dro 1.11 se han resum ido las alteraciones cro­ máticas que experim entan ciertos pigmentos durante la esterilización de algunos alimentos envasados. L a decoloración del producto puede deberse a la descom posición térm ica o a la oxi­ dación del pigm ento, así como a su interacción con determ inados com ponentes del m aterial del envase. A dem ás, se h a de considerar que las carnes esterilizadas p ueden ser objeto de em pardam iento o caram elización debido a las reaccio­ nes de Maillarcl. L a extensión de estas reaccio­ nes depende de la composición del alim ento. E n la leche apenas se dan. Los aditivos tam bién pueden jugar un papel relevante en la colora­ ción de los alim entos. Así, el nitrito o e l nitrato sódico, que se utilizan para p aliar e l efecto potencial que pu d iera tener la presencia de Clostridium botulinum , originan que las carnes adquieran u n a tonalidad entre el rojo y el rosa como consecuencia de la formación d e óxido

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

Proceso de transformación

Pigmento final (color)

Alimento

Oxiomloglobínei M ol

Descomposición térmica

Meta miog lobina morrón

Cornes

Mloglobino (púrpura]

Descomposición térmica

Miohemicromógeno (rojo-marrón]

Carnes

Clorofila (verde]

Descomposición térmica

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]

Descomposición térmica

Anlocianinos (oscurecimiento)

Habas, grosellas

Anlodaninas

Interacción con Fe o Sn

Complejos metálicos (púrpura)

Atmentos envasados

Leucoantodaninos (Incoloras]

Interacción con Fe o Sn

Complejo* metálicos fosadas)

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, antioxi­ dante por antonomasia, si bien puede favorecer la coloración de ciertos alimentos, sus produc­ tos de descomposición pueden también condu­ cir a la formación de pigm entos de color marrón. Textura. E l tratamiento térmico de las car­ nes envasadas conduce tanto al endurecimiento de su tejido muscular com o al reblandecimien­ to de su superficie. E l primer efecto obedece z la desnaturalización de la materia proteica por coagulación y pérdida de capacidad de reten­ ción del agua. Se dan una serie d e cambios en la solubilidad, elasticidad y flexibilidad de las pro­

teínas que modifican sus propiedades origina­ les. E l reblandecimiento superficial es una con­ secuencia de la hidrólisis del colágeno, que da lugar a una gelatina soluble, así com o a la dis­ persión de la grasa, líquida a las temperaturas de operación. La materia vegetal, frutas y verduras, expe­ rimenta ante el calor un reblandecimiento. Por una parte tiene lugar la hidrólisis de las sustan­ cias péctidas y la gelatinización de los alm ido­ nes, con. solubilización significativa de carbohi­ dratos. Por otra, el calor destruye o altera las membranas celulares semipermeables y degra­ da las estructuras tntracelulares. Todo ello con­

duce a una pérdida de turgencia y cohesión celular, que se trad u c e en el m encionado reblandecim iento. Valor nutritivo. E l valor nutritivo de un ali­ mento puede verse afectado p o r 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 lava­ do, alm acenam iento, preparación, escaldado, presencia o no de un líquido de gobierno durante el tratam ien to térm ico 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 térm ico al coa­ gularse. Las pérdidas de aminoácidos se deben a la reacción de M aillard y, en menor medida, a su lixiviación por el líquido de gobierno. A sí pues, si no se retira este líquido a efectos de consumo, no hay pérdidas significativas por este concepto. Los am inoácidos más suscepti­ bles 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 trata­ miento favorece su digestibilidad. D e darse la rotura de m em branas celulares, aspecto ya tra ­ tado en relación a la modificación de la textura del alimento, es probable la pérdida de pcctínas, ¡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 favo­ rece a altas tem peraturas. A unque su principal consecuencia se centra en la alteración del olor y sabor del alim ento, la oxidación de las grasas se asocia tam bién a la pérdida de calidad que experim entan 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. A dem ás, el carác­ ter hidrosoluble de ambas puede ocasionar su lixiviación durante el lavado, escaldado o p ro­ cesado ju n to a un líquido de gobierno, especial­ m ente en el caso de la prim era de ellas. Las vitam inas liposolubles son, por lo general, más estables an te el calor que las hidrosolubles, aunque se encuentran supeditadas a la oxida­ ción de las grasas. O tras vitaminas susceptibles de degradarse por acción del calor son la piridoxina, el ácido fólico y la riboflavina, ésta en presencia de luz. Los minerales m uestran, en térm inos gene­ rales, una apreciable estabilidad frente al calor. Su procesado térm ico 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 oligoelem entos procedentes del líquido de cocción, tal como se h a com probado a través de su conteni­ do final en cenizas.

} .7.2. Pasteurización

L a principal ventaja de esta operación reside en que, al llevarse a cabo a tem peraturas m ode­ radas, se respetan en grado sumo las p ropieda­ des y la calidad del producto. Como contrapar­ tida 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 consum o un alim ento esterilizado. L a principal precaución a tom ar en la pas­ teurización consiste en realizar una eficaz desai­ reación del producto. La presencia de aire potencia, por ejemplo, el em pardam iento enzim ático y las pérdidas de caroteno y vitamina C de los zum os de frutas. Las pérdidas de com po­ nentes volátiles debidas a la pasteurización, en todo caso mínimas, pueden ser beneficiosas o no según el producto tratado. Así, si se trata de zum os, la ausencia de estos com ponentes no

perm ite enm ascarar el sabor a “cocido” resul­ tante del procesado. P or el contrario, la pérdida de estos volátiles en la leche origina u n produc­ to de sabor más agradable al desorberse las sus­ tancias responsables de su arom a a establo, a heno.

1.7.3. Escaldado

La intensidad de este tratam iento térm ico es interm edia entre la de una esterilización y la de una pasteurización. Las condiciones se fijan atendiendo a los siguientes criterios, antagóni­ cos entre sí: inactivación de enzimas hasta un nivel dado y m ínimas pérdidas de volátiles y de valor nutritivo, todo ello sin reblandecer dem a­ siado el alimento. Los nutrientes hidrosolubles se pierden por lixiviación en las aguas de escaldado. Las vita­ minas, hidrosolubles o no, pueden asimismo degradarse por acción del c a l o r , y en el caso de las liposolubles se ha de co n tar con la posible oxidación de las grasas. La vitam ina C se tom a como referencia p ara establecer el nivel de p ér­ didas asociado a la operación. Los pigm entos son tam bién capaces de experim entar cambios. C uando se escaldan ali­ mentos vegetales se suele alcalinizar el m edio, con carbonato sódico o cal, para preservar la clorofila, es decir, el color. E l em pardam icnlo enzimático se lim ita por inm ersión del p roduc­ to (patatas, peras, etc.) en una disolución de sal­ m uera al 2% antes de pro ced er a su escaldado. Cuando el escaldado se concibe com o una operación previa a la esterilización del alim en­ to, su reblandecim iento 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 tex­ tura en este caso sea excesiva. Se contrarresta esta posibilidad incorporando al agua de escal­ dado cloruro calcico, que p o r com binación con las pectinas da lugar a com piejos de pectato cal­ cico, que actúan como m edio de cohesión in ter­ no del alimento.

En principio, si la operación está bien plan­ teada, las pérdidas de propiedades organolépti­ cas y de valor nutritivo no han de ser significati­ vas. Para ello, se puede actuar sobre un gran núm ero de variables: superficie por unidad de volumen del alimento, intensidad del tratam ien­ to, sistema de enfriam iento y relación alim en­ to/agua entre otras. El principio en que se basan los métodos HTST, expuestos para el procesado de alimentos a granel, se cumple tam bién para el escaldado. Es decir, esta práctica preserva nota­ blemente las características originales del ali­ mento, 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 constitu­ yentes del alimento muy inferior a la del agua.

Resumen 1. Se plantean Ion parám etros de la destrucción térm ica de m icroorganism os, su significado físico y la inteiTclación existente entre los mismos. La evaluación del tratam ien to térm i­ co se extiende tam bién a los factores de cali­ dad del alim ento a través de sus correspon­ dientes parám etros de term orresistencia. A la vista de los valores resultantes en am bos casos, muy diferentes, se justifica el em pleo, en lo posible, de los tratam ientos térm icos H T ST por contacto directo en tre el agente de calefacción y el p ropio alim ento. 2. Se analiza la transm isión de calo r en la este­ rilización de p ro d u c to s envasados en función de las variables del proceso y los inconve­ nientes que p la n te a en la práctica. Se aboga por el m étodo de Ball, en d e trim e n to del de Bigelow, para el cálculo del tiem po de e steri­ lización, Se d e ta lla n las o p eracio n es previas precisas en cada caso y los equ ip o s de e steri­ lización utilizados en la in d u stria alim en ta­ ria. 3. Se tra ta la esterilización de ios alim entos sin envasar o a granel como una p a rte de su p ro ­ cesado aséptico, que se com pleta con ía des­ cripción de la esterilización de los envases, equipos c instalaciones en general.

4. E l tratam iento térm ico de los alim entos no se reduce a la destrucción de los m icroorganis­ mos presentes en el mismo p o r esterilización convencional. E x iste n o tras m odalidades, com o ía pasteurización, tra ta m ie n to m ás m oderado que asegura la ausencia de b a cte ­ rias de vida vegetativa en el producto, o el escaldado, cuyo objetivo prim ordial se centra en la inactivación enzim ática residual de cier­ tos alim entos p a ra preservar sus cualidades organolépticas. Se citan tam bién algunas tec­ nologías de carácter térm ico, en fase de desa­ rrollo pero m uy p rom etedoras e n el cam po de la esterilización de alim entos. 5. A unque el proceso de esterilización se diseña atendiendo a la naturaleza y cuantía de los m icroorganism os presentes en el alim ento, paralelam ente se ha de evaluar su incidencia sobre el pro d u cto para, si es posible, respetar en grado m áxim o sus propiedades originales.

P ro b lem as p ro p u e sto s 1. Calcule el valor de D a partir de los siguientes pares cíe valores tiem po en m inutos-núm ero de m icroorganism 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 m icroorganism o presenta un Z3ll5 igual a 8 m inutos y que al cabo de 12

m inutos de tratam iento a e sa tem peratura q u e d an todavía 4 ■104 supervivientes, calcule la población inicial. ¿Cuál será el o rd e n de pro ceso alcanzado en 10 y 20 m inutos? 3. E n la esterilización de un a lim en to se han e sta b le c id o dos posibilidades para alcanzar un o rd e n de pro ceso de 12, a sab er: 106 °C d u ra n te 100 min o 118 °C d u ra n te 6 min. C alcu le los valores de / '95 y de F .l5 para el m ism o g rad o de esterilización, así com o el v alo r de D 0. 4. E stablezca el valor de Q m a p artir de los datos facilitados en el problem a anterior. 5. U n alim ento p re sen ta un m icroorganism o espo ru lad o (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 m uy diferen­ tes, estim e la tem peratura a partir de la cual el tratam ien to no supone alteración alguna de la calid ad del producto. 6. Ea curva de penetración del calor d e un ali­ m e n to arroja los siguientes datos: T(: = 45 "C, T .-■=75 °C, f h = 1.5 min y / . = 1,6. El horno se ha pro g ram ad o para operar a 125 °C y el ali­ m en to , cuyo Z es do 10 °C, tiene u n II de 3 min. C alcule el tiem po de esterilización.

2

LA IRRADIACION DE ALIMENTOS

2.1. Tipos de radiación 2.2. Interacciones de la radiación ionizante con la materia 2.3. Concepto de dosis 2.4. Aplicaciones en la industria de alimentos 2.5. Estado actual de la tecnología 2.6. Instalaciones 2.7. Dosim etría 2.8. Calidad de los alimentos irradiados

a radiación electrom agnética tiene diversas a p li­ caciones en el proceso y conservación de los alimentos. En la zona de las altas energías la radiación es ionizante y rodiolizante. Por eso ¡a ra­ d iación (gamma), penetrante, se utiliza en la con­ servación de alimentos por su p o d er de destrucción de ios microorganism os en el seno de los mismos. En 1981 un C om ité m ixto de expertos F A O /O IE A /O M S llegó a la conclusión de que los alim entos irra d ia d o s con una dosis de hasta 10 kG y no tienen ningún riesgo to xico ló g íco y desde

L

198 4 esta técnica está in co rporada al C ó d ig o A li­ m entario Internacional. En este capítulo se estudian las propiedades de las ra d ia cio n e s ionizantes, su in te ra cció n con la materia viva, el concepto de dosis de radiación y las aplicaciones industriales en la conservación de alimentos por destrucción de microorganism os con­ taminantes y parásitos y por interrupción de diver­ sos procesos biológicos. Se describen los irradiadores industriales, su ca p a c id a d de p ro d u cció n , la dosimetría y la calidad de los alim entos irradiados.

N om enclatura

A ctividad (B q o Ci) Coeficiente de ajuste en la ecuación [2.3] D istancia (m) d dosis de irradiación (kG y) D D osis de radiación que se re q u ie re p a ra des­ »10 tru ir el 90% de la población m icrobiana ta s a de radiación (ü y h " 1 o R A D .h -1) E n erg ía de la radiación (M ev) E AE E n erg ía absorbida por la m ateria y gastada en p ro d u cir los efectos estudiados Fp E ficacia del irrad iad o r

A

c

M asa de alim ento irradiada (kg) m M ev M egaeíeetrovoltin N úm ero de m icroorganism os que queda des­ N pués de una irradiación con u n a dosis D N a N úm ero inicial de m icroorganism os presentes P otencia de ia fuente (kW ) P T iem po de exposición (h) t Tasa de radiación teórica m áxim a debida a la T fuente E spesor X C oeficiente de absorción d

GLOSARIO

blindaje: M aterial o conjunto de m ateriales que por absorción de la energía ra d ia n te red u ce n hasta los lím ites d e se ad o s las ra d ia c io n e s io nizan tes producidas en un irrad iad o r industrial. energía de la radiación: E n el caso de la radiación a y ¡i es la energía cinética de que están anim ados los núcleos de H elio (radiación a ) o los electro­ nes (radiación p) que p u e d e n em itir los nucleidos-radiactivos al desintegrarse. E n el caso de la radiación y es la energía electrom agnética em iti­ da en cada desintegración. irradiador industrial: In sta la c ió n d o ta d a con una fuente radiactiva isotópica o con un acelerador

de electrones en la que tiene lu g ar la irradiación de la m ateria con fines industriales. laberinto: Disposición del blindaje en un irradiador in­ dustrial de form a que la radiación no pueda sobre­ pasar 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 sab er que estudia los m ecanism os técnicos y adm inistrativos para prev en ir que las dosis de ra d ia ció n re sa lla n te s de la utilización de irrad iad o res industriales es­ tén d en tro de ios lím ites establecidos, tanto en el caso de las personas profesionalm ente expuestas com o en el público en general.

radiación ionizante: R ad iació n cuya energía es c a ­ paz de originar cam bios químicos e n la m ateria irrad iad a p udiendo llegar incluso a la radiolisis de las m oléculas produciendo radicales libres. radiactividad: P ro p ied ad que presentan algunos nuclcidos al desin teg rarse e sp o n tán e am e n te em i­ tiendo radiación.

ra d io n u d e id o s (n a tu ra le s o artificiales): D e n o m i­ nados tam b ié n isótopos radiactivos, son á to m o s in e s ta b le s que e m ite n ra d ia c io n e s a m e d id a que se d e sin te g ran h asta alcanzar un e sta d o es­ table. vida media: E s el tiem po que tarda unradionucleido en desintegrarse hasta que su radiactividad dismi­ nuye a la m itad del nivel que tenía inicialmente.

radiobiología: E studio de los efectos de las radiacio­ nes ionizantes en los organism os vivos.

2.1. Tipos de radiación La irradiación se utiliza como un m étodo de conservación de los alim entos en que se proce­ de a la destrucción de los microorganismos m e­ diante k energía de las radiaciones ionizantes. Se la conoce tam bién com o esterilización en frío, porque a los niveles de energía que se tra­ baja no hay aum ento de tem peratura. A p arte de destruir los m icroorganism os en alim entos envasados o a granel, altera el sis­ tem a enzím ático que g o b iern a la evolución biológica del alim ento, im pidiendo la germ i­ nación de brotes o tubérculos en el alm acena­ m iento de patatas, cebollas y ajos, o reta rd a n ­ do la m aduración de las frutas y, p o r ejemplo, previene de perdidas im portantes de alim en­ tos elim inando insectos y otras pestes en sem i­ llas, cereales, etc. E l proceso de irradiación no altera física­ m en te la apariencia, fo rm a ni te m p eratu ra y sólo produce cambios químicos equiparables a los de cualquier otro m étodo de conservación de alimentos. L a 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 m edio am ­ biente, incluidos los alim entos, contiene canti­

dades indiciarías d e radiactividad, lo que signi­ fica que esta can tid ad indiciaría (unos 150 a 200 bequerelios) de radiactividad natu ral, p ro­ cedente 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 alim entos son las llamadas radia­ ciones ionizantes porque son capaces d e con­ v ertir átom os y m oléculas en iones. Tam bién pueden producir radicales libres por ro tu ra de los enlaces en tre los átomos. Estas acciones de ionización y radiolisis se deben a la interacción de la radiación con los electrones de la co rteza de los áto m o s. S olam ente son fenóm enos de superficie y no afectan a los núcleos. No to d o s los tipos de radiación io n izan te son apropiados p ara la irradiación de alim e n ­ tos. Es necesario adem ás que i a radiación p e ­ n etre en el alim ento lo suficiente p ara llevar su acción al p u n to deseado. R u th crfo rd (1903) descubrió que la ra d ia ­ ción em itida por los isótopos radiactivos al d es­ integrarse podía ser de tres clases: alfa, b eta y gamma. L a radiación alfa (ct) está form ada p o r n ú ­ cleos de helio, es decir, está constituida p o r una radiación corpuscular, en la que cada corpúscu­ lo está form ado por dos protones y dos n e u tro ­

núcleo, sino que es energía que se em ite como consecuencia de un reajuste energético en el mismo. Las radiaciones a y j3 de los isótopos radiac­ tivos o radionucleidos tienen m uy poco poder de penetración en la m ateria por ser de natura­ leza corpuscular, lo cual motiva q ue la acción ionizante de estas radiaciones sólo tenga signi­ ficación en la superficie de la m ateria irradiada. Sin em bargo la radiación /3 es más penetrante que la a por su m enor tamaño. Los electrones pueden llegar a p e n e tra r unos centím etros en la m ateria si se consigue aum entar su energía cinética. Por el contrario, la radiación electrom agné­ tica y que em iten los radioculeidos es muy pe­ netrante en la m ateria. La penetración depen­ de de la energía de la radiación incidente y de la propia naturaleza del m aterial irradiado, p u ­ diéndose llegar a atravesar cuerpos de densi­ dad alta y muchos centím etros de espesor. Com o se ve en el espectro d e radiación electrom agnética 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 tie n en p ropiedades irrad ian tes iguales a las de los Rayos y Los R ayos X fue­ ron descubiertos p o r Roentgen (1S95) y se pro-

nes. Ello significa que tiene una m asa atómica de 4 unidades y una carga eléctrica de 2 unida­ des positivas. E stos protones y neutrones for­ m aban antes p a rte del núcleo que, al desinte­ grarse, eyecta el ion H e " . La radiación b eta (/J) está constituida por electrones, lo q u e significa que es también de n a tu ra le z a co rp u scu lar, en la que cada c o r­ pú scu lo tie n e u n a m a sa atóm ica de 171.800 ap ro x im a d a m e n te y u n a carga de 1 unidad n eg ativ a. A d ife re n c ia del caso anterior, el electró n em erg en te no existía anteriorm ente en el núcleo sin o que procede de la transfor­ m ación de un n e u tró n e n un pro tó n , que q u e ­ d a d en tro del n ú cleo , y nn elec tró n , que es eyeclado. T.os fotones gam ma (y) son paquetes de o n ­ das electrom agnéticas que se m ueven a la velo­ cidad de la luz. En el espectro de radiación electrom agnética se sitúan en la zona de altas frecuencias y energías. L a radiación y es p o r ta n to de n a tu ra le z a o n d u lato ria, carente de m asa y de carga, sem ejante a la luz ordinaria pero con m enos longitud de onda. La energía del fotón es proporcional a la frecuencia de la o n d a y la rela ció n de proporcionalidad es la co n stante de P lan k (h - 6,62 • 10~27 ergios ■ seg). Esta radiación tam poco existía antes en el

Á

Radiación ionizante

O n ° MA)

•u (Hz)

^ W

I 0 4 103 l t f 10'

j

L

0

j- ^ - u

1 Ultravioleta 10,!

Q ^>

10 ' ÍO 'C O '3 10"4 ÍO 'M O i.

i.

I

I

J

T

L

10“ Radiación cósmica ------------------f.

V is ib le

Royos y

Rayos X

E (Mev) i—

i—‘n—‘t— i---- 1— r—i— i— r~

10 ^ 10 4 10 - 4 10 - 3 10 " ? 10 - ' 0

1 0 ' 102 10 3 104

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

ducen p o r el bom bardeo de electrones anim a­ dos de alta energía cinética sobre un m etal co­ mo el tugsteno, Así pues, los tipos de radiación apropiados para la irradiación de alimentos son: 1, La radiación gam m a, p ro ce d en te 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 lla­ m ados “tubos de Rayos X ”. 3, Los electrones acelerados. C uando se tra ta de irrad iar alim entos de peq u eñ o espesor (máximo de 5 cin) pueden utili­ zarse haces de electrones cuya energía cinética se aum enta en un acelerador de electrones. Esto equivale a increm entar el p equeño p o d er de penetración de la radiación /J, C uando la energía de la radiación electro­ m ag n ética o de los electro n es acelerados es muy alta, la irradiación puede alcanzar al n ú ­ cleo de los átom os, dejando de ser solam ente un fenóm eno superficial en la corteza electró­ nica p ara ser un fenóm eno que afecta al n ú ­ cleo. E n este caso, un p ro tó n o u n n e u tró n puede ser expulsado del núcleo, induciéndose así la form ación de isótopos radiactivos, con lo que po d ría aparecer radiactividad en el ali­ m ento irradiado. E sto ocurre cuando la e n e r­ gía de los R ayos X alcanza 14 M ev (1 eV = 1,602 ■10 12 ergios) y la de los electrones ace­ lerados 20 Mev. E n consecuencia, com o n o r­ m a de seguridad, la energía m áxim a que p e r­ mite el Código A lim entario es de 5 Mev p a ra la irradiación con Rayos X y de 1.0 Mev p ara los e lec tro n e s acelerados. E n el caso de la irrad iació n con isótopos radiactivos, la e n e r­ gía de la radiación que em iten al desintegrarse los isótopos artificiales que se utilizan es siem ­ pre inferior a 5 Mev. L a radiación ultravioleta es ionizante, p ero es muy poco penetrante en la m ateria por razo ­ nes estéricas, y sólo actúa sobre las prim eras mallas moleculares que encuentra en su trayec­

toria, do n d e descarga toda su energía, pudiendo utilizarse com o agente de acción superficial. La radiación cósmica nos llega del U niverso con fotones y de energías superiores a 14 Mev, aun­ que con dosis bajas, y es una de las causas de la radiactividad natural q u e tienen los alim entos al convertir el N itrógeno-14 en Carbono-14 y el H idrógeno-Í en Hidrógcno-3 (Tritio).

2.2 . Interacciones de la radiación ionizante con la materia L as rad iacio n es ionizantes son capaces de originar una am plia serie de cambios quím icos en la m a te ria irrad iad a. R efiriéndose sólo al agua, que constituye p o r sí sola el 80% de la m a teria celular, y por ta n to es p arte d e los ali­ m entos, es de gran im portancia su ionización y su radiolisis, q ue d an lugar a iones y rad ica­ les lib res, q ue a su vez p u ed en ser causa de m últiples reacciones en tre sí o con el sustrato, cuyo e s tu d io fo rm a p a rte d e la d en o m in ad a quím ica bajo irradiación, que es u na disciplina com pleja. E n el caso d el agua p u ra los m ecanism os son los siguientes: H 20

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

A q u í hace su aparición el radical hidroxilo (el p u n to indica el electrón desapareado) el hidrogenión y los electrones secundarios, análo­ gos a la radiación J3:

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

OH

A q u í h ace su aparición el radical hidrógeno naciente, d e gran p o d er reductor, y el ion hidroxilo. A dem ás: H j O - ^ - K H j O)* -> H + O H

E! asterisco indica excitación disociativa, o sea, electrones de valencia excitados que pue­ den acabar produciendo disociación del enlace: OH» + O H * - > H , 0 2

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

A qu í aparece e l agua oxigenada d e fuerte poder oxidante: h

2o 2 + o h - - >

h zq

+ho2-

A quí se forma el radical hidroperoxilo, H 0 2* de naturaleza oxidante m ás enérgica que el agua oxigenada. Los radicales y moléculas formadas en la irra­ diación del agua son muy reactivos, aunque su vida es muy corta. En el caso d e la irradiación de alimentos, los radicales libres y moléculas forma­ das por la acción de la radiación sobre el agua tienen tiempo suficiente para combinarse con los otros com ponentes de los alim entos mediante reacciones de oxidación, adición y reducción, ini­ ciando una carrera de reacciones competitivas y dando lugar a cambios profundos en los com­ puestos existentes y a la aparición d e nuevos compuestos por recombinación de radicales. El cuadro se completa si se tiene en cuenta que la radiación en cierta m edida actúa tam­ bién directamente sobre los nutrientes de los alimentos ionizándolos y rompiendo las m olé­ culas, dando lugar a radicales que se pueden combinar en forma distinta a la original. Prote­ ínas, carbohidratos, lípidos, vitaminas, enzimas, etc., experimentan cambios significativos por efecto de la radiación ionizante, aunque no ha­ ya 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

siendo u un coeficiente de absorción que de­ pende de la frecuencia d e la radiación y de la naturaleza de la materia irradiada, siendo en la mayoría de los casos directamente proporcio­ nal 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 E Q- E = A E 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 com o dosis de irradiación:

Dosis =

m

[2-2]

D esd e 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 ra­ diante por kilo. Anteriormente se utilizaba el R A D (Radiation Absorbed D ose) que equiva­ lía a 100 ergios absorbidos por gramo, luego

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

2.4. Aplicaciones en la industria detrim entos 1 Gy = kg

= 103g

100 R A D

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 se­ gundo:

(3 Anteriorm ente se utilizaba e l Curio (C i). que e quivate a:

La radiación ionizante es potencialrnente le­ tal tanto para los microorganismos contami nantes de los alimentos como para el resto de los seres vivos. La dosis requerida para la ac­ ción letal depende de la complejidad del orga­ nismo expuesto a la radiación: cuanto más complejo es, más sensible se muestra a ta irra­ diación. En la figura 2 3 se expone una compa­ ración 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 irradia­ ción se utiliza además para inhibir la germina­ ción de brotes y para evitar pérdidas mediante la desinsectación.

2 .4 .1. Destrucción tic microorganismos 3 ,7 -1 0 10j ^ J

y corresponde a la radiactivdiad de 1 g de radio puro. Existe una relación entre la actividad de la fuente radiactiva y la dosis que recibe un cuer­ po que se expone a la radiación a una determi­ nada 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] d2

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

Cuando la radiación ionizante es absorbida en un material biológico, actúa directamente ionizando las moléculas del ácido dexosi(ribo­ nucleico (A D N ) y del ácido ribonucleico del □údeo celular, dando lugar a cambios que con­ ducen a la muerte de la célula. Ta radiación tie­ ne así un efecto diretío de destrucción de los microorganismos. Éste es el efecto que predo­ mina 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 im­ portante 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

10'

i — 1— r 10? 10*

ÍCT

105

10a

Kí

Dosis [RAD) FtGUEA 2 .3 . C o m p a ra ció n de las dosis letales p a ra distintos organism os [1 G y = i 0 0 RAD).

tativa, cuyo citoplasm a contiene alrededor de un 80% de agua. A dicionalm ente, se p u ed en considerar los daños a la m em brana celular y el deterioro de las actividades enzim áticas y metabólicas, pero el punto más sensible de las células ante la irra­ diación ionizante es el A D N . U na dosis de 0,1 kG y dañaría el 2,8% del A D N en células bac­ terianas, m ientras 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 ionizan­ te tenga un efecto letal so b re los microorganis­ m os sin causar apenas cam bios en la composi­ ción química de los alim entos. Al igual que para la destrucción térmica de los microorganismos, se pu ed e definir una mag­ nitud, 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 mi­ crobiana al 10% de la original. Si A/,-, es el núme­ ro inicial de microorganismos presentes y N el núm ero que queda después de una irradiación con una dosis D, la relación entre ellos es de or­ den logarítmico según la ecuación

El valor de D 10 se p u ed e determ inar gráfica­ m ente com o se indica en la figura 2.4. Las lí­ neas de destrucción no son siempre rectas, en ocasiones aparece una zona curva en la zona de dosis más bajas antes de em p ezarla recta de pendiente: -1 Ao Esta zona curva se excluye p ara el cálculo de D 10 La dosis de radiación que se requiere para un determ in ad o p ro ceso de conservación de alim entos depende de la especie de m icroorga­ nism os presentes en d alim ento y de los fines con que se realiza el tratam iento. Respecto a los fines, los expertos identifican tres tipos de tratam iento: a) Radapertización. Irrad iació n con dosis de radiación io n izan te suficientes p ara inactivar esporas y reducir el núm ero de los m icroorganism os (exceptuando los virus) viables en el alimento hasta un ni­ vel no detectable. Equivale a una esteri-

Dosis (kGy) FlGSJRA 2 .4 . Efecto de la irradiación sobre Sa/mone//a typhimuríum en c o m e de buey.

lízación com ercial del producto. Las do­ sis que se requieren son m uy elevadas, en tre 25 y 50 kGy, p o rq u e las bacterias más resistentes a la radiación son las es­ pecies Hormadoras de esporas, por ej,, el clostñdium botulinwn. P ara lograr 12 re­ ducciones decimales en un cultivo de C. botulinurn hacen falta cerca de 50 kGy. Como la dosis perm itida actualm ente es de 10 kGy la radapertización no es toda­ vía un proceso industrial. b) Radicidaúón. Irradiación con dosis sufi­ cientes para reducir el núm ero de bacte­ rias patógenas no esporuladas específicas viables en el alim ento, p o r ejem plo las salm oncllas, hasta un nivel no detectable. Las dosis que se req u ieren oscilan entre 2 y 8 kGy. c) Raditr 17,ación. Irradiación con dosis sufi­ cientes para causar una destrucción sus­ tancial de m icroorganism os contam inan­ tes específicos de form a que se m antenga la calidad del alimento. Las dosis varían entre 0,4 y 10 kGy. L a te m p eratu ra aum enta la capacidad microbicida de la irradiación. Los procesos com­ binados de calor e irradiación son más efica­

ces. P or el contrario, la irradiación sobre ali­ m entos congelados exige dosis superiores para conseguir el nivel de reducción m icrobiana re­ querido. C uan to se ha dicho an terio rm en te pu ed e aplicarse a la destrucción de todos los m icroor­ ganism os, sean bacterias, levaduras, m ohos o virus. Sin em bargo la sensibilidad ante la rad ia­ ción ionizante varía según sea una d a se u otra, y dentro de una clase, cada especie presenta un ¿ )10 diferente. A sí, las levaduras y ios m ohos exigen en general dosis de radiación m enores q ue las bacterias p ara 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 kG y su­ pone tan sólo dos reducciones decimales en la ecuación logarítmica de destrucción, o sea una reducción del 99% del total de virus presentes. E sto significa que en los alim entos 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 p ro ceso com binado irradiación-calefacción suave p ara asegurar la ausencia d e los virus viables.

2 .4 .2 . Interrupción de procesos biológicos

La radiación ionizante interfiere fundam en­ talm ente con las funciones m ctabólicas de los tejidos vivos, al incidir sobre enzimas, horm o­ nas, vitaminas, etc. En el cuadro 2.1 se inserta la utilización de la radiación para inhibir la germ i­ nación de brotes en ios tubérculos y bulbos de p atatas, cebollas y ajos d u ran te su alm acena­ miento, 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 tratam ientos las dosis necesarias son bastante más reducidas que p ara la destrucción de los microorganismos. La radiación tiene efectos letales a dosis re­ lativam ente bajas sobre huevos, larvas, crisáli­ das e insectos adultos que infectan las cosechas

que se alm acenan en los g ran e ro s y que son causa de pérd id as im p o rta n te s de alim entos. Las dosis depen d en de la especie, del estado m ctam óríico y de la edad. La irradiación es tam bién un m étodo que perm ite inactivai: a) algunos parásitos que pue­ den vivir en el cuerpo de los anim ales y se pue­ den transm itir al hom bre enquistados en los ali­ mentos, por ejem plo, la triquina del cerdo y las tenias de los cerdos y el buey, b) el protozoo toxoplasma gondii, productor de la toxoplasm osis, 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 tam bién estar presente en las verduras.

2 .5 . Estado actual de la tecn ología No existe ningún otro proceso tecnológico de conservación de alim entos que haya sido más controvertido, ni se haya som etido a estu­ dios tan exhaustivos, ni se h ay a cuestionado tanto su seguridad. Sin em bargo, tras la eviden­ cia de los ensayos q u e se h a n ido realizando, los m ás prestigiosos organism os de la Salud han ido au to rizan d o su uso y reconocen esta tecnología com o un m étodo eficaz y seguro pa­ ra conservar los alim entos. Se puede asegurar que la irradiación de alim entos va p au latin a­ m ente ganando más y más adeptos e n todo el m undo a pesar de la controversia q u e ha sufri­ do en los últimos años. Los prim eros estudios se inician en 1954 en Estados U nidos en un program a de investiga­ ción donde se busca la posibilidad de la utiliza­ ción de los isótopos radiactivos para esterilizar y conservar alim entos. En 1958, cuando se reú ­ ne en G inebra la “11 C onferencia Internacional sobre la U tilización de la E nergía A tóm ica con fines p acífico s”, los re p re se n ta n te s rusos so r­ prenden al m undo com unicando que e n su país se ha autorizado ya el consum o de p atata s irra­ diadas. E n el m undo occidental, el p rim e r uso co­ m ercial de la irradiación de alim entos tuvo lu­

gar en S tuttgart (A lem ania) en 1957, donde un com erciante de especias com enzó a irradiar sus productos a fin de asegurar su calidad higiéni­ ca. La operación de la instalación no duró mu­ cho, fue clausurada dos años más tard e al igual que algunas otras p la n tas de irradiación con Cobalto-60 que habían com enzado a funcionar por aquel entonces. L a razón de estas clausuras fue la alerta de la P D A de E stados U n id o s (Food and D rug A d m in istratio n ) contra la irrad iació n de ali­ m entos en 1958, basándose en que cuando se induce un conjunto de cam bios quím icos tan complejos, en un producto de composición asi­ mismo muy compleja, la recom binación de ra­ dicales y m oléculas g en erales podría originar com puestos cancerígenos en los alim entos, que sería necesario identificar y d em o strar su au­ sencia. Con las técnicas dei análisis químico de la época era imposible. L a alerta de la F D A supuso para esta tecno­ logía un fre n a z o de más de veinte años, y una alarm a que, no por infundada, dejó m enos hue­ lla. M uchos países, en tre los que se encuentra E spaña, que habían au to rizad o esta técnica y com enzado experiencias a nivel de investiga­ ción, dieron carpetazo a este proyecto. P ero no todos los científicos estab a n de acuerdo con la FD A y prim eram ente de forma aislada y posteriorm ente en reuniones interna­ cionales se lúe llegando a la conclusión que es­ ta tecnología ofrecía unas enorm es ventajas y cjue no p o d ía ser d esech ad a p o r unos experi­ m entos a los que, por o tra p arte, no concedían rigor científico. L a prim era reunión internacional para estu­ diar de nuevo este tem a tuvo lugar en '1961 en la ciudad de Bruselas, convocada p o r tres organis­ mos de la O N U, el O rganismo para la Agricul­ tura y la Alimentación (FA O ), la Organización M undial de la Salud (OMS) y el O rganism o In­ ternacional de Energía A tóm ica (O IE A ). E n esta reunión a la q u e asistieron re p re ­ sentantes de 28 países, se decidió form ar un co­ mité de trabajo con los m ás prestigiosos exper­ tos en el tem a p a ra e stu d ia r a fondo la

inocuidad de la irradiación de los alimentos. Nació así el Com ité de Expertos en Irradiación de A lim entos (JE C F I) que coordinó ios resul­ tados de la investigación internacional en este tema, que se fue aprovechando de los grandes avances en la Química Analítica. En 1970, el JE C F I, en colaboración con la O C D E . planea un proyecto de evaluación de alimentos irradiados, con estudios que se pro­ longaron a lo largo de diez años, al final de los cuales se pudo dem o strar que en ningún ali­ m ento irradiado de los estudiados se habían encontrado residuos tóxicos o carcinogenéticos. Como colofón a este trabajo, el JECFI se reúne en G inebra en octubre de 1980 donde, basándose en la evaluación de los estudios rea­ lizados hace público un com unicado en el que concluye textualm ente que “L a irradiación de cualquier alim ento 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 A li­ mentario en admitir la irradiación de alimentos como una tecnología segura y efectiva, pero fi­ nalmente, basándose en el consenso interna­ cional y en Jas conclusiones de la JECFI, publi­ ca unas normas generales para la práctica de esta tecnología que están recogidas en el “Codex Alimentanus 1984”. En 1986 la F D A se desdice por ñn de sus observaciones anteriores y legaliza en Estados U nidos la irradiación de alimentos, principal­ m ente frutas, vegetales, carne de cerdo para control de triquina, pollos y huevos para con­ trol de salmonelosis. La U E todavía busca nuevas pruebas con un Comité E u ro p e o 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 miem­ bros que “autoricen y no obstruyan )a libre cir­ culación de alimentos legalmente irradiados y

correctamente etiquetados”. En dicha normati­ va 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 lo s distintos alimentos.

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

En 40 países, las autoridades de salud y se­ guridad han aprobado colectivamente la irra­ diación de más de 40 alimentos diferentes, tan­ to 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, Méxi­ co, 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 comercia­ lizan con el nombre genérico de alimentos ioni­ zados y en Holanda con el de tram radkidos. Existen más de 150 instalaciones de irradiación de alimentos con fines industriales en eL mundo.

2.6. Instalaciones E n el caso de la irradiación de alimentos, como en cualquier instalación industrial, es re­ quisito esencial que el proceso sea viable eco­ nóm icam ente, perm itiendo la com petí tividad 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 aparato s pueden desconec­ tarse y conectarse a la re d eléctrica según se considere oportuno, y cu ando se desconectan dejan de ser radiactivos, lo cual representa una ventaja operativa. Hoy día sólo hay dos fuen tes de irradiación que cum plen el requisito de perm itir una pro­ d ucción económ ica: los isó to p o s radiactivos artificiales y los aparato s generadores de elec­ trones acelerados. Sin em barg o , ya se ha m en­ cionado que éstos tie n en una penetración li­ m itada, Los aparato s de R ayos X que podrían obviar esta lim itación tie n en el inconveniente de que son muy caros, p o rq u e la conversión de la electricidad en Rayos X es un proceso de es­ caso re n d im ien to , al m e n o s en los m odelos que se han p retendido u tilizar hasta ahora pa­ ra irradiar alim entos, qu e son una adaptación de los trad icio n alm en tc em pleados en la ra ­ diografía m édica. P or ello, se están diseñando y p ro b a n d o n u evos tip o s de generadores de Rayos X p ara ver si se consigue que sean ca­ paces de sum inistrar la en erg ía que se requie­ re en un tratam ien to industrial a precios acep­ tables.

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 (Cs137). Los isótopos radiactivos se caracterizan por su vida m edia y la energía de los fotones gamma que emiten. Se conoce por vida media el tiempo que tarda la radiactividad de un isó­ topo en reducirse a la m itad. E l Co-60 tiene una vida media de 5,27 años. D ecae en el Níquel-60, isótopo estable, y en ca­ da desintegración emite 2 fotones gamma, uno de 1,17 Mev y otro de 1,33 Mev, y radiación b e­ ta (0,31 Mev). El Co-60 se obtiene exponiendo cilindros delgados del isótopo natural estable

Co-59, que es un m etal ab undante en la n a tu ra ­ le za , al b o m b ard eo de n eu tro n e s (activación n eutrónica) en un reactor nuclear especialm en­ te diseñado para la producción de isótopos r a ­ diactivos. U na vez activado el cobalto, que si­ g u e en form a m etálica insoluble, se m ete en cáp su la s de. acero in oxidable q ue se cierran h erm éticam en te p or soldadura. Se las conoce c o n el no m b re de agujas d e co b alto y las d i­ m ensiones estándar de la aguja son 45 mm de largo y 12,5 mm de diám etro. E sta form a lim ita la autoabsorción de la radiación gamma p o r el m a teria l de la propia fuente al 5% . La ra d ia ­ ción beta queda detenida. E l Cs-137 tiene una vida m edia de trein ta años. D ecae en el B ario-137, isótopo estable y en cada desintegración em ite un fotón gam ma de 0,66 M ev y radiación beta. El Cs-137 es un p rodu cto de la fisión nuclear, p o r lo que su o b ­ tención está ligada al reproceso de los com bus­ tibles nucleares gastados, que es una operación m uy laboriosa. El Cs-137 se puede separar tle la m ezcla de productos de fisión en form a de CICs m uy soluble. E sta sal tam bién se encapsir­ la, com o en el caso del Co-60 p ero por su so lu ­ bilidad y facilidad de dispersión se exige u na encapsulación doble o triple y el espesor resu l­ ta n te da lugar a una autoabsorción de la rad ia­ ción gam m a del 30%. Esto, unido a la m enor energía de la radiación que em ite, ha llevado a q ue la mayoría de las instalaciones de irrad ia­ ción de alimentos utilicen fuentes d e Co-60, a p esar de la m ayor vida m edia del C's-137. L a form a de las fuentes radiactivas se ha-resumido en la figura 2.6. En el caso de la fuente lam inar las agujas de Co-60 se sujetan al bastidor por un m ecanism o que p erm ite el recam bia, Las agujas pueden estar más o m enos separadas se­ gún se requiera m ayor o m enor intensidad de radiación. Pueden llegar a juntarse form ando a uiodo de lám ina continua. C ada aguja tiene una radiactividad de 5.000 Ci. E n la fuente ci­ lindrica para irradiación de granos, el grano se hace descender por la zona an ular a la veloci­ d ad adecuada para recibir la dosis requerida. L as agujas se acoplan una sobre otra.

cables de elevación

agujas de

___ b a s tid c

FIGURA 2 .6 . Forma d e las Fuentes ra dia ctiva s: a) fuente la­ m inar, b¡ fuente c ilin d ric a para irra d ia c ió n d e g ra n o s o productos granulados.

En la figura 2.7 se presenta el diseño concep­ tual de una p lanta de irradiación o irradiado!'. La tasa de radiación necesaria en la cámara de irradiación para destruir microorganismos, p a ­ rásitos, etc, en los alimentos es alta, luego para impedir la exposición del personal de operación debe disponerse de un recinto blindado. G ene­ ralm ente se utiliza el horm igón (densidad 2,50,3) como blindaje radiobiológico. La utilización del hormigón tiene la ventaja de proveer solidez al conjunto. P ara 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 U E , 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 restric­ ción 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 radionuclcido, la radiación se produce continuam ente, por lo que es necesario tener otro recinto blin­ dado donde guardar la fuente cuando se haga necesaria la entrada del personal para labores de m antenim iento. E n la mayoría de irradiado­ res se construye un pozo profundo, que se co­ noce como “piscina", donde se sum erge la fuente radiactiva. E l blindaje a la radiación lo proporciona el agua (densidad 1), y dado que el esp esar necesario es aproxim adam ente in­ versam ente proporcional a la densidad, la pis­ cina deberá tener suficiente profundidad p ara que queden varios m etros sobre la fuente su­ mergida. Tam bién se puede construir un siste­ m a en seco de profundidad igual a la altura de la fuen te utilizando p a ra el aislam iento u n a com puerta corred era de plom o (densidad 12). Los alim entos en tran 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 con­ trol, 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 tra n sp o rte p u ed e ser una cinta sinfín o un m onocarril con platafor­ mas o sistemas de cam bio de dirección. Los ac­ cesos auxiliares, m irillas, tubos de ventilación y cableado que atraviesan el horm igón tienen un perfil en escalera p a ra evitar que la radiación encuentre caminos sin blindaje. La rad iación electro m ag n ética se propaga en línea recta. Con el laberinto la radiación en­ cu en tra el blindaje adecuado en cualquier di­ rección. Las o p eraciones en el in te rio r del recinto blindado se dirigen por control rem oto. D esde una consola e x terio r se hace su b ir o bajar la fu en te, se accionan los m ecanism os de tran s­ p o rte y se regula su velocidad. El sistem a de control se diseña co n un a serie de red u n d a n ­ cias que im piden el acceso del personal al inte­ rio r del recinto blindado si la fuente radiactiva 110 está sumergida. Todo el equipam iento des­ crito está contenido en una nave, a la que se accede por esclusas para m antener operativo el sistema de ventilación en cascada de depresio­ nes. E n 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 isotópi­ cas está regulada p o r las leyes de la desintegra­ ción radiactiva y no es susceptible de variación

Fuente radiactiva

It 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 dis­ tancia del producto a la fuente se fija en el di­ seño y sería muy com plicado v ariarla, p o r lo que la única variable que queda p ara controlar la dosis es la velocidad del m ecanism o ele arras­ tre de los contenedores. La figura 2.9 representa un m odelo de irra­ diador industrial de Co-60 que trab aja en o p e­ ración discontinua. L a planta está dividida en el centro por una valla longitudinal que no p er­ mite el paso ni de alim entos ni de personas de uno a otro lado. E n la zona de carg a los ali­ mentos se colocan en los contenedores con la ayuda de un carro con grúa elevadora, ya que la altura de cada contenedor es d e 5 m etros y tienen una cabida de dos toneladas d e carga. Cuando están cargados, el o p erad o r responsa­ ble acciona un dispositivo unido a un o rd en a­ dor donde introduce una clave, q ue sólo el co­ noce, con la señal para que se ponga en m archa el tren de arrastre en q ue van colgados los con­ tenedores q ue van lentam ente desplazándose hacía la cám ara de irradiación. L a p u e rta se abre autom áticam ente y los co n ten ed o res van penetrando en el laberinto. La estru ctu ra es de horm igón arm ado con paredes de dos m etros de ancho. C uando han llegado ya los contenedores al borde de la piscina y las puertas están h erm éti­ cam ente cerrad as, m ed ian te co n tro l rem o to , desde la consola situada fuera de la cám ara, se eleva la fuente y los contenedores van despla­ zándose lentam ente a su alrededor a un ritmo controlado con precisión para que absorban la cantidad de radiación precisa. O p erad o res ca­ pacitados controlan y vigilan este tratam ien to dando a la fuente la orden de inm ersión en la piscina cuando la operación está term in ad a. Los co n ten ed o res con los alim en to s tra ta d o s salen a la zona de descarga. L a o p era ció n es p or tandas. M ientras una tanda de co ntenedo­ res está en irradiación, otra tan d a se está car­ gando y o tra descargando. L os ir rad iad ores están clasificados com o instalaciones radiactivas y sujetos a la au to ri­ zación de los organism os reg u lad o res corres-

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

pondientes en cada país, que en España es el Consejo de Seguridad Nuclear. Estos organis­ mos son los que imponen las medidas de segu­ ridad y protección radiológica para im pedir la irradiación accidental del personal de la planta 0 la liberación de radiactividad al medio am­ biente, y se encargan de realizar inspecciones tanto periódicas como por sorpresa para ase­ gurarse de que las plantas funcionan de acuer­ do 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 trata­ miento (cuadro 2.1). Las fuentes de los ir radia­ dores comerciales tienen radiactividades entre uno y varios millones de curios. E l Co-60 emite en cada desintegración dos fotones, uno de 1,17 M ev de energía y otro de 1,33 Mev. En to­ tal 2,5 Mev por desintegración. U na fuente de 1 millón de curios (3,5 • 10 16 Bq) emitiría:

10s Ci .3 ,7 .1 o 10- ^ . 2 , 5 — sCi d = 9 ,2 5 ' 10 16 Mev s

=

lo que significa una potencia de 14,82 kW.

Teniendo en cuenta que un Gy = 6,24 - 10 {2 M ev/kg, la tasa de radiación teórica máxima debida a la fuente, expresada en Gy/b sería: ,T, 1

9 ,2 5 .lO,ÉMev/s „ ^ , n3 s ------------—--------- j . 6 1 0 — 6 ,2 4 .1 0 12 Mev h = 5,33 10 7 % = 5,33 • 10“' kGy h

E sta 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 alim ento 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 com o los mecanismos y contenedores del sistema de transporte, aparatos d e 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 pau­ latinamente. 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 2.1 Dosis necesarias en distintas aplicaciones de ta irradiación de alimentos

I.

2.

Propósito

Dosis (kGy)

En dosis reducidas (hasta 1 kGy) a¡ Para inhibir la germinación N Eliminar insectos <=} Retrasar procesos de maduración

0,05-0,15 0,15-0,5

En dosis medias (de 1 a 10 kG y] a ] Prolongar el tiempo de conservación b j Eliminar microorganismos patógenos 5a/morie//o, C am p yio b a de r ListerÍQ Vibrio cj

d}

3.

[nactivar parásitos Toxoplasma, Tenia, Jrichinelta M ejorar propiedades tecnológicas

0,5-1,0

Productos

(patatas, cebollas, .ajos) (cereales, harinas, frutos secos] (frutas, verduras)

1,5-3,0 2,0-9,0

(fresas, setas, pan molde) (especias, tisanas) (carnes, huevos y ovoproductos) (aves, leche y lácteos) (pescados y mariscos)

1,0-3,0

(carnes crudas y verdura) (carnes crudas] (reducir tiempo de cocinado de verduras, aumentar la cantidad de zum o en uvas, etc.)

2,0-7,0

En dosis elevadas [> 10 kGy). Esta dosis se esa sólo con fines especiales, la Comisión FA O /O M S del C ó d ig o Alimentario no ha respaldado aún las aplicaciones de dosis elevadas con carácter general. &I Esterilizar dietas especiales para hospitales. Esterilizar envases.

es necesario re p o n e r esta p é rd id a m ediante una sustitución escalonada de las agujas. É stas su e­ len ten erse en el irra d ia d o r d u ra n te un tiem po equivalente a 3 vidas m ed ias, o sea, unos quince años, y después se retira n y envían al p roductor para que las reactive, ya q u e tienen una canti­ dad g ran d e d e C o-59 su sc e p tib le de activarse neutrónicam en te, siendo sustituidas en la fuente del irra d ia d o r p o r agujas “frescas". L a sustitución escalo n a d a p erm ite m a n ten er la capacidad de irrad ia ció n d e n tro de un m ar­ gen de v ariació n ace p ta b le , y en to d o caso, la variación p osible se c o rrig e a ctu a n d o so b re la velocidad del m ecan ism o d e tra n sp o rte de los alim entos a fin de que la dosis sea la adecuada. El principal su m in istrad o r d e C o-60 es C anadá, de] que p ro c e d e n m ás d e l 80% de las agujas que se in stalan en los irra d ia d o re s y a él reto r­ nan p ara su reactivación. C u a n d o alguna razón aconseja no re a c tiv a rla s, las ag u jas p a san a co n sid erarse com o un re s id u o rad ia c tiv a y el su m in istrad o r se hace carg o de ellas tam bién.

E l tr a n s p o rte se h ac e e n c o n te n e d o re s ci­ lin d rico s d e plo m o de 30 cni d e e sp e so r (d e n ­ sid ad 1 2 ), d ise ñ a d o s seg ú n esp ecificacio n es in ­ te rn a c io n a le s y su je to s a rig u ro so s c o n tro le s q u e a se g u ra n su h e rm e tic id a d , a u n en el caso d el a c cid e n te m ás severo. M ás de 25.000 a g u ­ jas de p lo m o se h a n e x p e d id o así e n los ú lti­ m o s tr e in ta añ o s d e n tro de la s re g u la c io n e s in te rn a c io n a le s p a ra el tr a n s p o rte de las s u s ­ ta n c ia s rad iactiv as. L a O M S y la F A O c o n sid e ra n q u e, au n q u e la m ay o ría de las p lantas d e irrad ia ció n de a li­ m en to s fu n cio n an en un lugar fijo, sin em bargo hay casos e n los qu e resu lta ú til un irra d ia d o r m óvil. P o r ejem p lo , los a lim e n to s de te m p o ra ­ da p u e d e n estar d isponibles p a ra el tra ta m ie n ­ to e n una región d ete rm in a d a sólo d u ra n te un tiem p o lim itado. E n esos casos, p u e d e ser p r e ­ fe rib le lle v a r el irra d ia d o r h a s ta el p ro d u c to qu e el p ro d u c to r h asta La p lan ta. A d em ás, p u e ­ de h a b e r casos en los que un irra d ia d o r móvil sirva p a ra m e jo ra r la eficacia d e la irrad iació n .

C o n c ie rto s m arisco s, p o r e je m p lo , la ir r a d ia ­ ció n d e b e llev arse a cab o ta n p ro n to c o m o sea p o sib le d e sp u é s d e la c a p tu ra . L o s g ra n o s de los c e re a le s se d e sin se c ta n c o lo c a n d o nn ir ra ­ d ia d o r p o rtá til p o r el q u e se h a c e flu ir el g ran o se g ú n va e n tra n d o en el silo. E n la fig u ra 2.10 se m u e s tra el c a m in o re c o rrid o p o r el p ro d u c to en la cá m a ra de irra d ia c ió n .

L o s c a m b io s d e d ire c c ió n p e rm ite n h o m o g e n e iz a r la dosis. L os lad o s A -B y C -D se e x ­ p o n e n p o r ig u al a la fu e n te rad iactiv a.

2 ,6 .2 . Aceleradores de electrones

L o s a c e le ra d o re s de e le c tro n e s so n m á q u i­ n a s q u e s e c o n e c ta n a la c o rrie n te e lé c tric a . U n e s q u e m a d e la in sta la c ió n se m u e s tra e n la fig u ­ r a 2 . 1 1 y b á sic a m e n te c o n sta de:

Blindaje

1. U n a fu e n te d e e le c tro n e s, q u e p u e d e s e r u n a re siste n c ia e lé c tric a en la q u e e l c a ­ lo r a p o rta la e n e rg ía p a ra ro m p e r la lig a ­ d u ra d e los e le c tro n e s o u n a c á m a ra d e u n gas d o n d e u n a rc o e lé c tric o p ro v o c a la lib e ra c ió n d e los m ism o s (c a ñ ó n d e e le c tro n e s ). 2. U n g e n e ra d o r d e a lto v o ltaje q u e p r o d u ­ ce la a c e le ra c ió n d e los e le c tro n e s e n u n tu b o d e v acío a cu y o s e x tre m o s se a p lic a

Fuente ra d ia c tiv a

C á m a ra de irra d ia c ió n

Contenedora F ig u r a 2.1 0, Itin e ra rio del p ro d u cto en la c á m a ra de ¡rro d ia c ió n .

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 ^ I %5ct

^ I— ~Alimento Cinta transportadora Movimiento perpendicular al abanico de electrones

FíGURa 2.1 1. Esquema de un a ce le ra d o r de electrones.

la diferencia d e p o te n c ial que c ie a el ge­ n e ra d o r, a u m e n ta n d o p ro g re siv a m e n te su v elo c id a d y c o n s e c u e n te m e n te su energía cinética. A m a y o r voltaje aplica­ do m ayor velocidad final. 3. U n electroim án que c rea fuerzas p erp e n ­ diculares (cam po m ag n ético ) a la d irec­ ción del m o v im ie n to d e los elec tro n es. L as fuerzas resu ltan te s ex p a n d en el haz de electrones, que es un c h o rro con sólo uno o dos cen tím etro s' de d iá m e tro , en un abanico de m ás longitud. 4. U n a cam p a n a tro n co p ira m id aL m uy es­ trecha (uno o dos cen tím etro s) por cuya v en tan a sale el haz de e lec tro n es expan­ dido d irectam en te so b re el pro d u cto . 5. U n a cin ta tra n s p o rta d o ra del p ro d u cto que se m ueve en dirección p erp en d icu lar al lado largo de la base d e .la cam p an a. E l haz de e lec tro n es se c a ra c teriz a p o r los siguientes p a rá m e tro s: in te n sid a d , e n e rg ía y potencia. L a in ten sid ad es e l n ú m e ro de e le c tro n e s p or se g u n d o q u e in cid en e n e l p ro d u c to . La unidad de m edida es el a m p e rio y en esta ope­ ración lo u su a l es tr a b a ja r c o n m iliam p erio s (m A). L a in tensidad del haz d e term in a la tasa de radiación. L a en erg ía se re fie re a la e n e rg ía cin ética con q u e in cid e el e le c tró n . L a u n id a d es el electron-voltio (ev). L a en e rg ía d el h a z d ete r­ m ina la p en e tra c ió n en ei p ro d u c to y p o r tanto la dosis. La potencia re su lta de m ultiplicar La intensi­ dad p o r la energía. P o r ejem plo, un h az de 10 Mev y .5 m A significa 50 Kw (10 ■10s x 5 ■10-3) de potencia. M ultiplicado p o r el tiem p o de ex­ posición daría la en erg ía teó rica a b so rb id a por el producto. • L a p en etració n en la m ay o ría de lo s alim en­ tos, con densidades q u e no se alejan d e 1 g/cm3, es aprox im adam ente d e 0,5 em p o r M ev. Cóm o el lím ite de energía p a ra la irra d ia ció n d e ali­ m entos es 10 M ev hay u n a lim itación en el es­ pesor del p ro d u cto q u e p o d em o s p o n e r en la

cinta tran sp o rtad o ra, que no p o d rá so b rep asar los 5 cm si el tratam ien to se b asa en irrad ia r só­ lo p o r un lado. Si se irrad ia consecutivam ente p o r un lado y luego p o r el o p u esto el espesor p uede llegar a 1 0 cm. L o s a c e le ra d o re s d e e le c tro n e s tie n e n la ven taja so b re las fu e n te s con isó to p o s ra d ia c ­ tivos de q u e cuando se d esco n ectan de la re d eléc trica d e ja n de e m itir ra d iació n . T am b ién la e ficacia es m ayor, h a s ta un 55% fre n te al 35% de las fu en tes de Co-60. Sin em b arg o , el p recio de la en erg ía eléc trica suele re su lta r en un coste m ás alto. H ay varios diseños de acelerad o res de elec­ tro n es a p arte del descrito, com o son los acele­ rad o re s lin eales y el R h o d o tró n . A u n q u e ac­ tu a lm e n te el n ú m e ro de esto s a p a ra to s tra b a ja n d o en la co n servación de alim entos a escala ind u strial no llega a la d ecen a, p u e d e n ten er gran fu tu ro , p o rq u e al n o utilizar fuente con isó to p o s radiactivos artificiales la opinión pública los sep ara de la p rob lem ática nuclear.

2.6.3. Capacidad de producción

In te re sa co n o cer la c a p a c id a d de p ro d u c ­ ción de un irrad ia d o r e n función de los p a rá ­ m etro s que se han ido describiendo a lo largo d e este c a p ítu lo . P ara su cálcu lo se u tiliza la ecuación

.m i. 3.600

i

[2.5]

Fp

do n d e P es Ja potencia de la fuente, m es la m a ­ sa de alim en to irradiado, t es el tiem po de e x ­ posición en h, D es la dosis de tratam ien to en K G y y Fp es la eficacia d el irradiador. L a p o ten cia de u n a fu e n te d e C o-60 es de 14,82 kW /M Ci. L a de un a celerad o r de e lectro ­ nes se calcula corno en el a p a rta d o 2 .6 .2 . Los valores de Fp oscilan en tre 0,25 y 0,35 p a ­ ra los irradiadores con fuentes isotópicas y entre 0,30 y 0,55 p ara los equipados con aceleradores

de electrones. L a diferencia se justifica porque las fuentes isotópicas emiten radiación en todas direcciones, m ientras que el haz de electrones se enfoca directam ente sobre el producto,

2.7. Dosimetría E l co ntrol y la m edida de la dosis de radia­ ción absorbida p o r un alim ento es im portante p ara a se g u ra r la calid ad de é ste y el cum pli­ m iento de las regulaciones legislativas. A l in­ d u strial q u e irra d ia ios a lim en to s se le exige que disponga de co n tro les qu e aseg u ren que los alim en to s no h a n recib id o m ás radiación que la autorizada. Los d o sím e tro s de c o n tro l son pequeños dispositivos que se colocan a diversas profundi­ dades d e n tro del alim ento, o bien entre las ca­ jas, si se trata de alim entos em paquetados. Los dosím etros pueden ser de 3 tipos. Ninguno de ellos vale para todos los casos. Su elección de­ pende de los tipos de radiación, producto irra­ diado y diseño del irradiador,

2 .7 .2 . Dosímetros sólidos E sto s son los m ás usados. Se p re p a ra n en form a de varillas flexibles o de fina película que p u e d e c o rta rse de la fo rm a m ás conveniente. Existen finas películas de m etacrilato de polimetilm etacrilato (PM M A), triacetato de celulosa y alan in a (esta últim a tam b ién existe disponible en form a de varilla). E n estas sustancias la ra ­ diación in d u ce la form ación de radicales libres estables qu e p u e d en ser cuantificados p o r E s­ pectroscopia d e R esonancia M agnética. Se p re p a ra n tam bién películas de m ateriales radiocróm icos (se llama así a las sustancias que cam bian d esd e incoloras h asta coloraciones cu­ ya in ten sid ad depende de la dosis de radiación a b so rb id a ). S u stan cias q uím icas d e e s te tipo son las q u e im p re g n an tam b ién las e tiq u e ta s “ eligarn” , q u e con un e rro r del 5% indican la dosis recib id a, y tienen la v en taja d e que se p e ­ gan sobre el en v ase del alim ento y p erm iten al co nsum idor co n tro la r esta dosis, ya q u e el cam ­ bio de co lo r es fácilm ente visible.

2.7.3. Dosímetros calorimétricos 2.7. I. Dosímetros líquidos

E ste tipo se usa fu n d a m e n ta lm e n te para irra d ia d o re s isotópicos, ya q u e p o r su m ayor tam año no resultan adecu ad o s para acelerado­ res de electrones. C onsisten en líquidos, sella­ dos en am pollas de vidrio, a los que la rad ia­ ción in d u ce cam bios en su estru c tu ra química que resu ltan fácilm ente detectables. EJ m ás usado es el dosím etro de Fríekc, ba­ sado en que la radiación transform a el hierro de las form as ferrosas (F e2+) en form as férricas (Fe3+). P osteriorm ente se m ide p o r espectrofotom etría a una X 305 nm el increm ento de la con­ centración de F e3+, 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 tip o son los de di­ cro m ato de p la ta , cerio y etan o l-m o n o clo ro benceno.

Son c a lo rím etro s de agua o grafito q u e con­ tien en sustancias químicas cuya te m p e ra tu ra se eleva sen sib lem en te con la radiación. L a dosis de rad iació n absorbida p u ed e calcularse m ulti­ plicando su calor específico p o r el increm ento de te m p e ra tu ra .

2.8. Calidad de los alimentos irradiados El ta m añ o del A D N y su com plejidad le h a ­ cen esp ecialm en te sensible a la rad iació n y, por otro lado, co n tien e los d ato s g en ético s que le hacen esencial p ara la vida, Por ello, la irradia­ ción de alim entos es un proceso selectivo que tiene u n e fecto letal para los co n tam in an tes sin ten er un im p a c to significativo en el p ro d u cto , ni en su v alo r nutrícíonal, ni en su apariencia, form a o te m p eratu ra .

L os a lim en to s s o m e tid o s al p r o c e so de irra­ diación so n e q u iv a le n te s, d esd e el p u n to de vis­ ta n utritivo, a lo s so m e tid o s a o tros procesos de c o n serv a ció n p ara alca n za r lo s m ism o s objeti­ v os. La e steriliza ció n p o r e l calor causa perdi­ das de n u tr ie n te s a m e n u d o m a y o r e s que la irradiación. P or o tro la d o , la irrad iación es el ú n ico p r o c e so q u e p e r m it e la e ste riliz a c ió n de algunos p ro d u c to s , p o r e je m p lo las tisanas. E n e l caso d e los m a c r o n u tr ie n te s , sólo los a lim e n to s m u y g r a s o s p u e d e n r e s u l t a r p o co a d e c u a d o s p a r a este p ro c e s o d e co n se rv ac ió n . L a p ro d u c c ió n d e r a d ic a le s lib re s p u e d e c o la ­ b o r a r a la ra n c id e z o x id a tív a de lo s líp id o s. P r o te ín a s y c a r b o h i d r a t o s p e r m a n e c e n p rá c ti­ c a m e n te e s ta b le s a d o sis d e 10 kG y. E n e l caso d e los m ic r o n u tr ie n te s , a sí com o la s e n s ib ilid a d al c a lo r d e las v ita m in a s es v a ­ ria b le , ta m b ié n lo es su s e n s ib ilid a d a la ra d ia ­ ció n , y d e p e n d e d e l ti p o d e a lim e n to , d e la v ita ­ m in a e n c u e s tió n y d e la d o sis. E n g e n e ra l las v ita m in a s D , K y vi fu m in a s d e l c o m p le jo B c o ­ m o la rib o fla v in a s o n e s ta b le s y la s A , E y B j (tia m in a ) son m á s láb ile s. L a s e n s ib ilid a d d e la s ca ra cterística s orga­ n o lé p tic a s es ta m b ié n im p o r ta n te . C o lo res, a ro m a s y sab ores p u e d e n ser a fecta d o s. A sí, la irra d ia c ió n n o es a co n se ja b le co n la s carnes ro­ ja s p o r q u e las b la n q u e a , m ien tra s se usa cre­ c ie n te m e n te con carn es blancas c o m o el p ollo y el c e rd o . C on la irra d ia c ió n o cu rre co m o con cualquier otro m é to d o d e co n serv a ció n , que va m e jo r c o n u n os a lim e n to s q u e con otros. C u a n d o lo s a li m e n t o s se i r r a d ia n en v a sa ­ d o s d e b e n te n e r s e e n c u e n ta lo s e f e c t o s d e la r a d ia c ió n e n lo s m a t e r i a l e s e m p le a d o s en e l e n v a se q u e , p o r un la d o , p u e d e n dar lu g a r a p r o d u c t o s r a d i o lí ti c o s c o n ta m in a n t e 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 i s te n c i a , h a c e rs e q u e b ra d iz o s y e x p e r i m e n t a r c a m b io s d e co lo r o d e tr a n s p a re n c ia . P o r ú ltim o , c o n v ie n e re c o r d a r q u e la ra d ia ­ ció n in a c tiv a los m ic ro o rg a n is m o s , p e r o no e li­ m in a las to x in a s q u e é s to s p u e d a n h a b e r p ro ­ d u c id o a n te s d e l tr a ta m ie n to , p o r lo q ue es de g ra n im p o rta n c ia la h ig ie n e e n los m a n e jo s p re ­

v io s a fin d e alargar al m á x im o e l p e r ío d o d e laten cia .

Resumen 1. L a co n serv ació n de alim en to s p o r irra d ia ­ ción es una técnica em ergente. Junto con los tratam ientos térm icos es la única que condu­ ce a la destrucción de los m icroorganism os contam inantes de los alim entos. La irra d ia ­ ción no sube la tem p eratu ra de los alim en­ tos, p o r lo que pueden seguir m anteniendo la categoría de frescos. 2. L a rad iac ió n io n izan te in te ra c cio n a con la m ateria. E n el caso de los seres vivos radioliza slls com ponentes, e n tre ellos el agua, p ro ­ duciendo radicales libres que pueden recorríbinarse, tiene un efecto d ire c to so b re el A D N del núcleo celular y radio liza las m o lé­ culas responsables del m etabolism o celular. E stas acciones son causa d e la destrucción de los m icroorganism os q u e so n m o nocelu­ lares sin afectar apenas a tos alim entos. La irrad iació n n o au m e n ta la rad iactiv id ad de los alim entos. 3. Los tipos d e radiación utilizados en la co n ­ serv ació n de alim en to s so n la rad ia c ió n 7 (gam m a) p rocedente de la desintegración de los rad io n u cleid o s, q u e es m uy p e n e tra n te en la m ate ria , y los ele c tro n e s acelerad o s, que alcanzan sólo u n a p enetración de ó cm. 4. E l Co-60 es el isótopo radiactivo más g en e­ raliza d o en los irra d ia d o re s de alim entos. T ie n e u n a rad iactiv id ad específica de 1,3 • 10 13 B q g-1, u n a vida m edia d e 5,3'años y una energía de em isión y de 2,5 Mev. 5. L a in te n sid a d cíe la em isión d e en e rg ía es m ay o r cu an to m ay o r es el n ú m e ro d e á to ­ mos q u e se desintegran p or unidad de tiem ­ p o (radiactividad de la fuente). Los irrad ia­ dores de Co-60 suelen ten e r radiactividades entre 3,6 ■ 1016 y 1,08 ■10 !7 Bcp La radiación 7 del Co-60 atraviesa grandes espesores de alim entos, dependiendo de su densidad y se pueden irradiar alim entos a granel en g ran ­ des contenedores. 6 . E n los irradiadores isotópicos los alim entos se hacen pasar m ediante un sistema transpor-

ta d o r (c in ta s sinfín, m o n o carriles en el techo, etc.) a u n a d istan cia m ínim a de la fu e n te r a ­ diactiva. E l tiem p o d e exposición p a ra recib ir la dosis prescrita se regola v a ria n d o la v eloci­ dad d el sistem a tran sp o rtad o r. 7. L o s a c e le ra d o re s d e e le c tro n e s se c o n s tr u ­ yen con en erg ías cinéticas e n el haz d e h asta 10 M ev, q u e es el lím ite p e rm itid o . C o n ello sólo p u e d e n p e n e tr a r 5 cm en el a lim e n to , p o r lo q u e se su e le e m p le a r p a ra p ro d u c to s e n v a sa d o s e n cajas d e ese esp eso r. 8 . L as d osis m áxim as p erm itid as a los a lim e n ­ to s en el c ó d ig o a lim e n ta rio in te rn a c io n a l son de 10 kGy. C o n este lim ite la irra d ia c ió n p u e d e ap lic a rse a in h ib ir la g erm in a ció n de b ro tes e n el alm a c e n a m ie n to d e p a ta ta s, c e ­ b ollas y ajos, a re tra s a r p ro c eso s d e m a d u ra ­ ció n d e fru ta s, a e lim in a r m ic ro o rg a n ism o s p a tó g e n o s en esp ecias, tisan as, c arn e s, ovop ro d u c to s , lácte o s, p escad o s y m arisco s, y a in a ctiv ar p a rá sito s.

9. E n la c o n se rv a ció n p o r irra d ia c ió n los c o m ­ p o n e n te s d e los alim e n to s se a lte ra n m en o s q u e c o n ios tra ta m ie n to s té rm ic o s a ig u al n i­ v el d e e ste riliz a c ió n . C o n d o sis d e 10 k G y los c a m b io s q u ím ic o s no son sig n ific a tiv o s, no se a lte ra n la fo rm a ni la te m p e ra tu ra , no se a fe c ta n las p ro te ín a s ni los c a rb o h id ra to s, ni se in d u ce la fo rm a c ió n d e p ro d u c to s tó x i­ cos. N o se d e b e n irra d ia r los a lim e n to s m uy g raso s p o rq u e la irra d ia c ió n g e n e ra o x íg en o p o r rad io lisis d el a g u a y hay p é rd id a de cali­ d a d p o r o x id ació n , y lo m ism o p a sa con. al­ g u n o s colores. 10. E n el. m u n d o se ir ra d ia n m ás d e un m illó n de to n e la d a s d e a lim e n to s al a ñ o , c o n u n to t a l d e 40 p a ís e s u tiliz a n d o e s ta o p e r a ­ ció n , e n tr e e llo s E s ta d o s U n id o s , F ra n c ia , B é lg ic a , C a n a d á , D in a m a r c a , J a p ó n , H o ­ la n d a , N o ru e g a , S u d á fric a y R u sia . E x iste n m ás d e 150 ir ra d ia d o re s in d u s tria le s d e a li­ m e n to s en el m u n d o .

3 3.1. Aplicaciones del frío 3.2. Producción de frío m ecánico 3.3. Frío criogénico 3.4. C ongelación 3.5. C álcu lo de )a carga de refrigeración 3.6. Tiem po de congelación 3.7. Descongelación 3.Í1. Métodos e instalaciones de congelación

CONSERVACIÓN DE ALIMENTOS POR EL FRÍO. CONGELACIÓN

l frío in hib e el crecim iento de ios microorganis­ mos tanto po r la dism inución de las velocida­ des de reacción d e l m etabolism o com o por lo dism inución de la a ctivid a d de agua resultante de la co n g e la c ió n . C om o en la m ayoría de las operaciones de con­ servación de los alimentos, los logros en la congela­ ción se han conseguido p o r la ap lica ción combina­ da de diversos saberes. En el caso de la congelación, la te rm o d in á m ica , la q u ím ica física, los fenómenos de transporte de calor y materia, la cristalografía y la ingeniería m ecánica se unen a la m icro bio log ía y al estudio d e la com posición y es­ tructura de los alim entos p a ra de finir tratamientos, donde el papel p rin cip a l lo juega la conservación de la textura o rig in a l del alim ento en el producto descongelado. Para e llo, el o b je tivo técnico suele

E

ser siempre la consecución de una ve lo c id a d de congelación suficientemente ráp ida . Desde su in icio com o o p era ción industrial y des­ de lo im plantación de la cadena del frío la con ge la­ ción ha ido incorpo ran do nuevos conceptos y técni­ cas novedosas en el diseño de los aparatos. H oy hay toda una Industria de bienes de equipo al servi­ cio de la congelación y la producción de alimentos congelados se ha m ultiplicado por un factor de 100 en los últimos 15 años. En este c a p ítu lo se d e sa rro lla n los p rin c ip io s que rigen la co n ge lación tan to po r frío m ecá nico com o crio g é n ico , se in tro du ce al cálculo del tiem ­ p o de co n g e la ció n , se e xp lica la casuística de la de scon ge lació n y se c la s ific a n y de ta lla n los mé­ todos de c o n g e la c ió n y los distintos m odelos de a p a ra to s.

N om enclatura

A

Superficie d e contacto p a ra el in tercam b io de calor (m 2) Cp C alor específico d e t alim en to (kJ kgp1 X " ') CP c C alor específico del alim en to congelado (kJ

9c

kg-1-c-1)

E tí K

E nergía de las m oléculas (k.J) E n talp ia (k J kg-1) C oeficiente de tran sm isió n de c a lo r en tre la superficie del alim en to y el foco frío (kcai n r 2

h“l ÜC-'1) k

C onductividad térm ica d e l alim en to congelado (kca! n r 1 h _1 r’C~l) K C o n stan te d e B oltzm an C onductividad del m a te ria l de em b alaje k’ L E sp eso r dei alim ento (m ) F lujo m ásico del re frig e ra n te (kg s_1) m M ■ M asa de alim ento a c o n g ela r (kg) P C oeficiente de form a 0 C alor rem o v id o en la c o n g ela ció n del alim ento

?

(kJ) C alor transm itido p o r u n id ad de tie m p o (kJ s_1 o kW )

R T C lc tc

hh

u V X

6 P

K

E nergía que devuelve el refrig eran te com o c a lo re n el co n d e n sa d o r (kJ s _1 o kW ) E nergía a elim inar del alim en to para co n g elar­ lo (kJ s -1 0 kW ) E nergía que in tro d u ce el com presor (kJ s _I o kW ) C oeficiente de form a T e m p eratu ra ab so lu ta (K ) T em p eratu ra am b ien te (“C) Punto d e congelación (ÜC) T e m p eratu ra def foco calien te (°C) T e m p eratu ra del foco frío o te m p e ra tu ra final de congelación (°C) T em p era tu ra inicial del alim ento (UC) C oeficiente global de tran sm isió n de c alo r (kJ n r 2 s- 1 X - 1) V elocidad de congelación (°C niin-1) E sp eso r del em balaje (m ) T iem po efectivo d e congelación D ensidad del alim ento (kg n r 3) C alor la te n te de cristalización (kcai k g -1)

G LOSARIO

carga de refrigeración: Se denom ina así tanto p ara la refrigeración (capítulo 4) como p ara la conge­ lación y representa las necesidades energéticas de la m áquina frigorífica para o b ten e r el alim en­ to congelado en un determ in ad o tiem po,

punto de congelación: T em peratura a la cual em pie­ za a congelarse el agua del alimento. D ebido a la p resencia de solutos es siem pre inferior a 0 °C.

centro térmico; Punto d el alim ento que m ás tard a en enfriarse.

temperatura final de congelación: E s la tem p eratu ra del p u n to crítico d el alim en to cuando se in te ­ rru m p e la operación de congelación. Como m í­ nim o d e b e ser de -1 8 °C. A ía tem p eratu ra de -1 8 °C p rá c tic a m e n te to d a el agua coagulable del alim ento ha pasado al estado de hielo, P o r razones de seguridad en el alm acenam iento esta tem p eratu ra final suele ser más baja de -1 8 “C.

convección forzada: M ecanism o de desplazam iento del aire po r aporte de energía m ediante una m á­ quina. convección natura): M ecanism o de desplazam iento de aire debido a las diferencias de densidad p ro­ vocadas por diferencia de tem peraturas entre las distintas zonas. evaporador: Es la p arte de la m áq u in a frigorífica d o n d e el refrigerante líquido tom a calor y pasa a v ap o r (hierve).

3 .1 . Aplicaciones del frío E l e m p le o de las b a ja s te m p e r a tu r a s p a r a re f re s c a r o r e ta r d a r e l d e te r io r o d e los a lim e n ­ to s v ie n e d e an tig u o . C o n o c id o es el u so en si­ glos p a s a d o s de lo s n eve ro s, o p o z o s p ro f u n d o s q u e s e e x c a v a b a n e n z o n a s m o n ta ñ o s a s c o m o la A lp u ja r r a ( G r a n a d a ) y la S ie r ra d e G u a d a ­ r r a m a (M a d rid ), q u e se lle n a b a n d e n iev e e n el in v ie rn o y a c tu a b a n d e n e v e ra d u ra n te el e stío , o d e la s fresq u e ra s d o m é s tic a s, q u e e ra n a la c e ­ n a s c o n u n a c ara e x te r n a d e rejilla o rie n ta d a al n o r t e . S in e m b a r g o la a p lic a c ió n te c n o ló g ic a d el frío a lo s a lim e n to s e x ig e d is p o n e r de u n f o ­ co f r ío d e te m p e r a tu r a c o n s ta n te y re p r o d u c i­ d le f á c ilm e n te . E l a lim e n to es e n e s te caso el

punto crítico: También se llama así al centro térmico.

tiempo de congelación: Tiem po que m edia entre el inicio de la operación de congelación de un ali­ m ento y el m om ento en que su punto crítico al­ canza la te m p e ra tu ra final de congelación (-18 °C). T am bién se define com o el tiem po req u eri­ do p ara que se forme una determ inada cantidad de hielo.

fo c o c a l i e n t e y su e n f r ia m ie n to te n d r á lu g a r p o r la c e sió n d e c a lo r q u e o rig in a el g ra d ie n te d e te m p e r a tu r a s e n tr e a m b o s focos. E n el c o n ta c to , la te m p e r a t u r a in ic ia l d e l a lim e n to ir á d is m in u y e n d o a lo la rg o d e la o p e ­ ra c ió n h a s ta a lc a n z a r el v a lo r d e s e a d o , q u e se rá m a y o r e n c u a lq u ie r c a so q u e la t e m p e r a t u r a c o n s ta n te , tp d e l fo c o frío p a r a q u e e x is ta u n g r a d ie n te té rm ic o . E l f r ío se a p lic a a los a lim e n to s en d o s m o ­ d a lid a d e s , la re frig e r a c ió n y la c o n g e la c ió n . E n la r e f r ig e r a c ió n el a lim e n to d e b e m a n te n e r s e e n tr e - 1 ° y 8 °C. E n la c o n g e la c ió n , la te m p e r a ­ tu r a d e l a lim e n to d e b e d e s c e n d e r b a s ta -1 8 °C . E s ta te m p e r a t u r a e s tá a c e p ta d a in te rn a c io n a lm e n te p o r la s sig u ie n te s ra z o n e s:

D e sd e el p u n to d e v ista m icro b io ló g ico , el c recim iento d e los m icro o rg a n ism o s p a tó g e n o s se in h ib e a - 4 °C y el c recim ie n to de los a lte ra ­ tivos se in h ib e a - 1 0 °C. D esde el p u n to de vista de las alteraciones por reacción quím ica, a -1 8 °C se anula la velocidad de las reacciones posibles en los alim entos, com o las de M aillard (pardeo quím ico). P o r últim o, si se sigue b ajan d o la tem p eratu ra , a -7 2 °C se an u ­ lan las velocidades de las reacciones cnzim áticas. T eó ricam ente, -7 2 °C sería la te m p e ra tu ra de congelación ideal d e los alim entos, p e ro es tec­ nológicam ente inasequible a precios aceptables, difícil de m a n te n e r en las e ta p a s de distribución del alim en to (ca d e n a del frío ) y sólo n ecesaria c u ando se esp e ra n reaccio n es enzim átícas resi­ duales. P o r todo ello se ha elegido -1 8 UC com o tem p eratu ra d e congelación d e los alim entos. C u an d o son posibles rea c c io n e s cn zim áticas re sid u ale s se d e stru y e n las en zim as p o r e scal­ d ado a n te s d e la c o n g e la c ió n y, si n o p u d iera h acerse, el alim en to no se ría a p ro p ia d o p a ra su co nservación p o r co n gelació n . Si la tem p eratu ra de congelación es de -18 °C, p a ra llevar a cab o la o peració n se d e b e rá dispo­ n er de un foco frío a te m p e ra tu ra inferior. L a generación del foco frío tie n e lugar en las in sta ­ laciones frigoríficas que, seg ú n los m éto d o s que u tilizan p a ra la cesión y e lim in a c ió n de calor, p u eden ser de frío m ecánico o criogénicas.

3.2. Producción de frío mecánico L a p ro d u c c ió n de frío m e cá n ic o se basa en la utilización d e Quid os re frig e ra n te s, qu e son fluidos c o n d en sab les cuyo p u n to d e eb u llició n a la presión d e u n a a tm ó sfera está p o r deb ajo de 0 °C y, en el caso p a rtic u la r de la c o n g ela ­ ción de alim en to s, p o r d e b a jo de -1 8 °C. E n lo qu e sigue el flu id o re frig e ra n te se d e n o m in a rá sim p lem en te re frig e ra n te . L o s p rin c ip a le s e le m e n to s d e q u e c o n sta una in stalació n o sistem a d e p ro d u c c ió n de frío m e c á n ic o se in d ican en la fig u ra 3.1.. S o n el e v a p o ra d o r ( 1 ), el c o m p re so r ( 2 ), el c o n d e n sa ­

d o r (3) y la válvula d e ex p an sió n (4). E n el e v a­ p o ra d o r ( 1 ) e n tra el re frig e ra n te en e stad o lí­ q u id o y a b aja p resió n y se e v a p o ra a te m p e ra ­ tu ra y p re s ió n c o n sta n te s, to m a n d o el c alo r la te n te d e v ap o riz a ció n d el c u e rp o q u e se d e ­ se a enfriar. E l re frig era n te en e sta d o de v ap o r p asa a u n co m p re so r ( 2 ) m o v id o p o r un m o to r (5) d o n d e se c o m p rim e h a sta u n a p resió n m ás alta, su ficien te p a ra que su p u n to de ebullición au m e n te d e fo rm a q u e sea p o sib le su c o n d e n ­ sació n en el c o n d e n sa d o r (3). E l re frig e ra n te n u e v a m e n te en e sta d o líquido y a p resió n alta se dirige d e sd e el c o n d e n sa d o r a una válvula d e ex p an sió n q u e re g u la el flujo y re d u c e la p r e ­ sión del re frig e ra n te , e n tra n d o éste e n el e v a ­ p o ra d o r de n uevo p a ra re p e tir el ciclo. C ondensador: el refrigerante cede ca lo r

Evaporador: el refrigerante tom a ca lo r FIGURA 3 d . D ia g ra m a de funcio n am ien to de una instala­ ción de frío m ecánico.

E n la p ro d u c c ió n d e frío m ecá n ico el refri­ g e ra n te re c o rre rá co n tin u a m e n te e ste circu ito c errad o . M ie n tra s el sistem a fu n cio n e h a b rá un p u n to frío e sta b le y p e rm a n e n te . Si el sistem a se p a ra b a sta p o n e rlo en fu n c io n a m ie n to p a ra re p ro d u c ir el p u n to frío. E n la in stalació n hay u n a zo n a de baja p r e ­ sión y o tra d e alta presió n . E l e le m e n to p rin ci­ p a l del siste m a es el e v a p o ra d o r (o se rp e n tín de re frig eració n ) q u e es el e le m e n to d o n d e tie ­ n e lugar la ab so rció n de calo r q e q u e q u erem o s e lim in a r d e l a lim e n to p a ra c o n g e la rlo . E s ta

energía qe¡ juntam ente con la energía q w que introduce el compresor, la devuelve el refrige­ rante en forma de calor qci en el condensador.
t3 -1]

Con este sistema se consigue tomar calor a baja temperatura y cederlo a una temperatura superior. E sto 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 im portante la recupera­ ción del calor q c 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 llevar­ lo a la práctica han evolucionado. El ciclo de producción de frío mecánico se puede seguir en detalle con ayuda del diagra­ ma cntálpico. Conviene recordar que en el caso de Huidos en m o v im ie n t o , la entalpia represen­ ta la energía total del fluido y las variaciones de entalpia constituyen una medida de la canti­ dad de calor que se ha puesto en juego.

3.2.

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 fa­ se 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 d e vapor y cualquier nuevo aporte de energía sirve para recalentar (aumentar la tem ­ peratura) del vapor.

í, El diagrama entálpico

En los fluidos condensables la representa­ ción más utilizada para definir su estado es el diagrama entálpico que relaciona su contenido energético con la presión y recoge el estado fí­ sico 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 es­ tado líquido. Si se le aporta energía (calor) a presión constante se calienta, aum entando su entalpia, hasta que llega al punto “b ” en cuyo m om ento em pieza a hervir, encontrándose el sistema en una situación en que de estar en es­ tado 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 aum entando la cantidad

xi

Entalpia, H (kj kg'1]

FIGURA 3.2, Diagrama entálpico de un fluido condensa­

ble: 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 ebu­ llición, 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 refrige­ rante 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 im pacto ambienta].

1 atm, su temperatura será de -33,3 °C (punto de ebullición del NH 3 a esa presión). A partir de estas condiciones podemos estudiar el ciclo de refrigeración en las distintas etapas del sis­ tema de producción de frío.

A ) E va po m d o r

Los refrigerantes más usados han sido el amoníaco y los compuestos dorofluocarbonados (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 existen­ te 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 com puestos más prometedo­ res están los HFCS, donde el hidrógeno sustitu­ ye 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 ejem­ plo el N H 3, en estado líquido y a la presión de

En la figura 3.3 se utiliza el diagrama entál­ pico del amoníaco. Se supone que en el m o­ mento de entrar el amoníaco en el evaporador está en forma líquida a la temperatura de ebu­ llición. 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 ca­ liente (sea el alimento directamente o un fluido intermedio) se va produciendo un paso de ener­ gía (calor) desde esc medio al N H V que lo utili­ zará como calor latente e irá cambiando de fase basta evaporarse totalmente y llegar al punto B, sin que haya variado la presión ni la temperatu­ ra. Así pues, en el evaporador se tiene un foco frío permanente de -33,3 °C. La entalpia del NH 3 aumenta hasta 1/,. En el evaporador el refrigerante circula por el interior de serpentines, placas huecas, circui­ tos impresos o tubos de aletas construidos con

CUADRO 3.1 Algunas característicos de los refrigerantes más usados

Refrigerante

Punto de ebullición a 1 aim (°C]

Color latente fkj kg~' a kcal kg_l

Punto de congelación rq

T crítica (°C)

Fórmula

Amoniaco

-3 3 ,3

1.328 317

-7 8

138

Freón 12

-2 9 ,8

163 39

-1 5 8

112

CCIj Fj

Freón 22

-4 0 ,8

221 53

-1 6 0

96

CHClFj

H FC 134a

-2 6

200 48

-1 01

111

CF.CHjF

B ) C om presor

NHj vapor Entalpia, H2

N H j líquido Entalpia, H0

T,

= -33 °c

Q

B 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 se­ gún la ecuación general: q = U A ( te - t f)

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 sufi­ cientem ente alta com o para que su temperatura de ebullición-condensación sea bastante supe­ rior a la del agua corriente. Por ejem plo, a 15 atm, la temperatura de condensación es 39 °C. Esta compresión no se realiza sin el consiguien­ te aumento de entalpia, ya que debido a los ro 1 zam ientos y fricciones con las paredes y partes m óviles del compresor el N H 3 recibe calor, au­ m entando su entalpia a H v Se alcanza el punto C q ue corresponde al refrigerante comprimido y en estado de vapor recalentado (figura 3.4). E l com presor realiza un trabajo sobre el re­ frigerante que se puede calcular a partir del au­ m ento de entalpia l l y - / / , y conociendo el flu­ jo m ásico m del refrigerante, por la ecuación q w = m ( H 3 - H 2)

[3.3]

[3.2]

donde q es la cantidad de calor transmitida por unidad de tiem po, U el coeficien te global de transmisión de calor, A la superficie de contac­ to , f . la tem peratura del fo co caliente y tj. la temperatura del foco frío.

C) C ondensador Si en las condiciones de C el refrigerante se p o n e en contacto a presión constante con otro fluido mas frío, perderá calor, se eníriará y dis-

P, = 15 atm

Tj > 39 °C N H j vapor Entalpia, H3

"F * P2 - 1 atm Tj = -33 °C N H , vapor Entalpia, Hj

Figura 3 .4 . La etapa de com p_esión en el diagrama entálpico.

se el NHj por debajo de 39 °C, que es suficien­ te para que a 15 atm condense y vuelva al esta­ do 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 NHj líquido Entalpia, H, D P¿ = 15 atm T. = 18 °C

I

12 °C

16°ct

NHi vapor Entalpia,

H3

c

Q,

P, 1 5 otan r' > 39 °c

FIGURA 3.5. La etapa do condensación en el diagrama entálpico.

minuirá su entalpia alcanzando la curva de sa­ turación (figura 3.5). Si esta pérdida de calor es suficiente, c] NH 3 comenzará a condensar e in­ cluso pasará todo a fase líquida cuando se al­ cancen las condiciones del punto D. Esto se puede conseguir, por ejemplo, pa­ sando el NTH , p o r un serpentín enfriado con agua o aire a temperatura ambiente, enfriándo­

La válvula de expansión permite el flujo del refrigerante líquido desde la zona de alta pre­ sión a la de baja y lo regula. La expansión CS iscntálpica (figura 3.6). A l expansionarse el lí­ quido 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 pro­ pio líquido en evaporarse parcialmente. En el caso del amoníaco se enfría a -33,3 °C alcan­ zando 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 obtie­ ne una mezcla de liquido y vapor cuyas propor­ ciones quedan bien definidas por las distancias entre el punto A y las dos ramas de la curva de

Pt «« 1 5 ahn TJ = 18 cC N K líquido Entalpia, H,

Kl Pi = 1 atm

T, » -33 CC N H j líquido + vapor Entalpia, H, = H4

FIGURA 3.ó. La etapa de expansión en el diagrama entálpico.

c a m p a n a y d e a c u e rd o c o n la le y d e la p a la n c a . E n c o n se c u e n c ia , e x c e p to e n la p u e s ta e n m a r ­ cha d el sis te m a , e l ciclo d e p ro d u c c ió n de frío m e c á n ic o c o rr e s p o n d e al lim ita d o p o r los p u n ­ to s A B C D . T e n ie n d o e n c u e n ta e s to s lím ite s, el flu jo d e c a lo r e n e l e v a p o r a d o r s e rá qe = m (H 2 - H ,)

a) El flujo másico de refrigerante. b) L a potencia consum ida por d com presor. c) E l coeficiente de funcionam iento.

[3.5]

sie n d o , c o m o se h a in d ic a d o a n te r io r m e n te , m el flu jo m á s ic o y H la e n ta lp ia . L as, d im e n s io n e s d e q so n de p o te n c ia , y se p u e d e n a c e p ta r c o m o la m e d id a d e la p o te n c ia e n fr ia d o ra d e la m á q u in a . A la d if e re n c ia d e e n ta lp ia s d el r e f rig e r a n te e n tr e la s a lid a y la e n tr a d a del e v a p o r a d o r (H 2 se le llam a e fe c to d e re frig e ra c ió n o c a r­ ga de re frig e ra c ió n . C a rg a de frío o c a rg a d e r e ­ frig e ra c ió n q es la c a n tid a d to ta l d e c a lo r q u e el r e f r ig e r a n te tie n e q u e r e 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 r a d o r p a r a c o n s e g u ir u n e fe c to d e s e a d o . E l flu jo n e c e s a r io d e re f r ig e ­ r a n te v e n d r á d a d o p o r

P o r ú ltim o h a y un c o e fic ie n te d e f u n c io n a ­ m ie n to de la m á q u in a q u e se m id e p o r la r e l a ­ ció n C F -

La carga d e refrigeración es de 25 to n elad as de frío (1 tonelada de frío = 80.000 kcal). Supuesto que la u n id ad opera en condiciones saturadas y q ue el re n d im ie n to d el co m p reso r es d e l 85% , calcúlese:

W H 3-1 I2

o s e a c a lo r re m o v id o e n el e v a p o r a d o r en r e l a ­ ció n c o n el tr a b a jo d el c o m p re so r.

E jem p lo 3.1. U so del diagram a del ciclo de com ­ presión en condiciones de saturación. Un alm acén se m a n tie n e a 3 °C usando un sistem a de refrigeración por com presión con un freón R-12. Las tem peratu ras de evaporación y condensación son, respectivam ente, -5 y 40 “C.

Solución R e p resen ta ció n d el ciclo de co m p re sió n en un dia g ra m a p resión-entalpia. E l p rim e r paso consiste en trazar dos isóbaras (p aralelas al ejede abeisas) que pasen por las te m p e ra tu ra s de ev ap o ració n (-5 °C) y condensación (40 °C). La in tersec ció n de am bas lincas con el eje d e o rd e ­ nadas p e rm ite estab lecer las presiones d e ope­ ración co rresp o n d ien tes a estas dos etap a s: en este caso 260 y 950 k P a, re sp e c tiv a m e n te . La salida del c o n d e n sad o r se identifica p o r la in­ tersección d e la línea deb id a a esta fase (isó b a­ ra su p erio r) con la curva del líquido satu rad o . D e sd e e ste p u n to se traza una p e rp e n d ic u la r (etap a de expansión) al eje de abeisas h a sta la línea de ev ap o ració n (isóbara in ferio r). L a in­ te rse c ció n e stab lece la e n tra d a al ev ap o rad o r, que cu este caso está constituida por u n a m ez­ cla liq u id o -v a p o r. C om o q u iera que la e x p a n ­ sión es iso e n tá lp ica , la en talp ia a la sa lid a del ex pan sor es igual a la de la en trad a at e v a p o ra ­ d o r (H j). Su valor se determ in a p ro lo n g a n d o la línea de expansión hasta el eje d e abeisas. Para c e rra r el ciclo basta con trazar el tram o d e com ­ p resió n , q u e p arte de ia salida d el e v a p o ra d o r (EL), intersección e n tre la línea de evaporación y la curva d e vapor saturado, p a ra llegar, a tra ­ vés de la cu rv a de c o m p resió n is o e n tró p ic a , hasta la lin c a de condensación (//-), ya e n la zo­ na de v a p o r so brecalentado. A p a r tir del d iag ram a se o b tie n e n los si­ guientes valores de entalpias en kd/kg: H l = 238, H 1 = 350 y = 375. Se entiende, asim ism o, que estos v a lo re s se pueden o btener con m a y o r p re­ cisión a p a rtir de la tabla que recoge las p ropie­ dades del v ap o r y líquido saturados del R -1 2 (H í y H ,) y de la gráfica o tabla del vapor so b reca­ len tad o d el R-12 (Hj¡.

a) E l flujo másico de refrig eran te (m ) se puede

o b ten er a p a rtir de la siguiente expresión: m = q /(H 2 - 71j)

donde q rep resen ta la carga de frío o de refri­ geración, cantidad to ta l de calor que el refri­ g eran te elim ina p o r unidad de tiempo en ei evaporador, y H 2 - H x la variación de ental­ pia e n tre la salida y la e n trad a del evapora­ dor po r unidad de m asa de refrigerante, tam ­ b ié n conocida por' efecto refrigerante. Sustituyendo,

la de evaporación, hasta su corte con la isoterm a de 5 "C. D esde este p u n to se asciende p o r la isoe n tró p ic a que lo c o n tien e h asta in tc rse c ta r la isóbara superior, la de condensación. Se llega así ai p u n to 3 (entrada del condensador o salida del co m p reso r). E l p u n to 1 co rresp o n d e a la inter­ sección e n tre la isó b ara de con d en sació n y la p e rp en d icu lar al eje de abeisas que pasa p o r la isoterm a de 25 “C del líquido saturado. A p a rtir del ciclo rep resen tad o se tiene que; // , = 225, H 2 = 355 y = 380 kJ/kg. A plicando las m ism as expresiones que en el caso anterior, M = 0,775 kg/s;

c¡w = 22,8 kW;

C.F. = 5,2

m = [(80.000 k ca l/T ) ■(4,187 kJ/kcal) ■ ■(25 77día)]/[(24 h/dia) - (3.600 s/h) ■ ■(350 - 238) kJ/kg] = 0,865 kg/s b) La po ten cia consu m id a p o r el com presor vie­ ne dada po r la siguiente expresión: CIM= m '( ^ - ¡ _ = [0,685 kg/s ■ ■(375 - 350) kJ/kg]/0 ,8 5 =■■'25,4 kW cj E l coeficiente de fu n cio n a m ie n to se define como: C.F. = (H 2 - /-/L) / ( / / 3 - H 2)

A sí pues, su stitu y e n d o las entalpias p o r sus respectivos valores se obtiene que dicho coeficiente asciende a 4,48.

E je m p lo 3.2. U so del ciclo del diagram a en la zona de vapor sobrecalentado. R ep etir el problem a an terio r suponiendo que el v ap o r ab andona el ev ap o rad o r sobrecalentado en 10 °C y el líquido el co ndensador subenfriado en 15 QC.

Solución El vap o r sobrecalentado aban d o n a el evapo­ rad o r a -5 + 10 °C, es decir, a 5 °C. E l líquido su­ benfriado, p o r su p arte , d eja el condensador a 40 -1 5 °C, esto es, a 25 °C. H 2 corresponde al punto q u e se obtiene p rolo n g an d o la isó b a ra inferior,

E je m p lo 3.3. Interrelación e n tre parám etros del ciclo d e compresión. U n a m áquina frigorífica que desarrolla 10 to­ n eladas de frío y en la que el finido refrigerante ab andona el evaporador y el condensador como vapor y líquido saturados, respectivam ente, p re ­ senta las siguientes características: — P o te n c ia consum ida p o r el com presor: 8,05 kW. — R endim iento del com presor: 0,85. — C alo r específico del vapor so b recalen ta­ do: 0,667 k.T/(kg ■('C). — T e m p e ra tu ra del v ap o r so b recalen tad o : 36 "C. — C a lo r laten te de co n d en sació n a 30 °C: 136 kJ/kg. Calcúlese: a) L a carga de refrigeración. b) E l coeficiente de funcionam iento. 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 com presión. g) E l increm en to de te m p e ra tu ra del agua de refrigeración em pleada en la conden­ sación del vapor sobrecalentado supuesto q u e su consum o es de 1 kg/s.

S o lu ció n a) C arg a de refrig eració n : q = [(80.000 k ca lÍTf ) - (4,187 k J/k c a l) • (10 7 y d ía)]/[(2 4 h /d ía ) ■(3.600 s/h )] = 38,8 k l/s

C o n sid é re se u n siste m a de re frig e ra c ió n q u e e lim in a 300 k J/s de c a lo r y o p e ra según un ciclo id e a l d e v a p o r con el re f rig e r a n te R -1 3 4 a. T e ­ n ie n d o en c u e n ta q u e el r e f r ig e r a n te e n tr a ai c o m p re so r com o v a p o r sa tu ra d o a 140 k P a y se co m p rim e h a sta 800 k P a , calcular:

b ) D e la c o m b in a c ió n d e Las sig u ie n te s e x p re s io ­ nes:

a) C a n tid a d d e re frig e ra n te liq u id o a la sali­ d a d e la válvula d e ex p an sió n . b ) C o e fic ie n te d e o p e ra c ió n d el ciclo. c) C o n su m o de e n e rg ía del co m p reso r.

q „ ■ tj = m - (H , - H 2)

se o b tie n e que: 7 /(7 ,, ■V) = [ H ,~ - H C = C.F. = = 38,8/ (8,05 ■0,85) = 5,67 c) L a en ta lp ia a la e n tra d a del c o n d e n s a d o r v ie ­ ne d ad a p o r la su m a d e la e n ta lp ia a la e n tr a ­ da del e v a p o ra d o r, el calor se n sib le d el v ap o r s o b re c a le n ta d o y el calo r la te n te d e c o n d e n ­ sación d el v a p o r sa tu ra d o y c o m p rim id o . A sí, H , = H^ + \cp - ( T - T 0) + A] = = //, + [0,667 k J/(k g °C) ■(36 - 30) °C] + + 136 k.T/kg = H, + 140

D a to s T ablas d el re frig e ra n te 134a sa tu ra d o y re c a ­ le n ta d o .

S o lu c ió n E n p rim e r lu g a r se calc u lan las p ro p ie d a d e s te rm o d in á m ic a s d e in te ré s en ios p u n to s c a ra c te ­ rístic o s del ciclo: 1.

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) -

Salida d e l ev ap o ra d o r = e n tra d a al com presor. A la salida del e v a p o ra d o r se tien e un v a ­ p o r sa tu ra d o y se c o a 1.40 k P a, co n lo cu al la e n ta lp ia y e n tro p ía se rá n las c o rre s p o n d ie n ­ tes a un v a p o r s a tu r a d o y seco. E n la tabla, del v a p o r s a tu ra d o , no hay v alo res p a ra 140 k P a, p o r lo cual h a y q u e in te rp o la r e n tr e los v alo res m ás c e rc a n o s a 140 kPa:

- 1 4 0 /( 1 + 1/5,67) = 119 k J/k g e)

m = q!(H.? - T ij) = 38,8 / I I 9 = 0,326 kg/s

P (k P a )

F ("C )

/7 ,,s(k J/k g )

A,,s(k J/k g K)

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

132,99 144,83

-2 0 -1 8

235,31 236,53

0,9332 0,9315

g)

m -

(//3

- f / j ) = m a ■cp *AT e in te rp o la n d o p a ra 140 kPa:

0,326 kg/s ■1.40 k J/k g = = 1 kg/s ■4,187 k J/(k g ■°C ) ■& T nC A T = 10,9 °C

Tj - -1 8 ,8 °C; ! i \ - 236,03 kJ/kg; S , = 0,9322 k J/k g K. 2.

E je m p lo 3.4. U so d el ciclo d e las ta b la s t e r ­ m o d in á m ic a s del e sta d o sa tu ra d o y re c a le n ta d o .

S a lid a d e l c o m p r e s o r = e n tr a d a al c o n d e n ­ sador. C o m o en un ciclo id eal la c o m p re sió n se s u p o n e iso en tró p ica:

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 40

264,15 273,66

0,9066 0,9374

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 ante­ rior: x 4 = (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

c interpolando , para S, = 0,9322, se obtiene una 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 satura­ do a su temperatura de ebullición. Por ello, la entalpia será la correspondiente de satura­ ción para el líquido, que so obtiene por inter­ polación en la tabla del vapor saturado para una presión de 800 kPa: H 3 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; H a = H 2 = 93,4:1. kJ/kg A partir del dato del caudal de calor de refrigeración, q F = 300 kJ/s, se puede deter­ minar el caudal másico de refrigerante: qE = m {H x - 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 líqui­ do, (1 - x4), y vapor, x4. de la mezcla.

El coeficiente de funcionamiento se cal­ cula 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 E l frío criogénico se produce por e l contac­ to directo del producto a congelar con un líqui­ do cuya tem peratura de ebullición es m uy baja. El efecto refrigerante lo proporciona e l líquido criogénico com o con secu en cia d el cam b io de fase al tomar el calor latente de vaporización a muy baja tem peratura y pasar a gas, que por su baja tem peratura p u ed e absorber tam bién una cantidad relativam en te sign ificativa de calor sensible hasta alcanzar la conducción de salida que lo manda a la atm ósfera. Los refrigerantes criogénicos p u eden ser en principio tod os los líquidos refrigerantes, pero los utilizados so n el nitrógeno y el d ióxid o de carbono líquidos, en particular el nitrógeno lí­ quido. L os gases N 2 y C O , resultantes n o se re­ cuperan. Las propiedades d e am bos refrigeran­ tes criogénicos se dan en el cuadro 3.2.

CUADRO 3 .2 Principales propiedades criogénicas del nitrógeno y del dióxido de carbono

CO, Propiedodes criogénicas

Liquido Punto de ebullición a la \presión de 1 afm Calor latente de vaporiz ación o sublimación Calor específico del gas

-1 9 5 ,8 ’ C 6 9 ,4 kcai kg'1 0,251 kcd (kg "CJ ■

—7 8 ,5 “C 8 3 ,3 kcai kg*1 0 ,19 1 kcai (kg aq - '

Sólido -7 8 ,5 *C 1 4 7,6 kcai kg"'

‘ El C 0 2 en Forma de nieve carbónica se utiliza en algunos casos.

3.4. Congelación La congelación es una operación de conser­ vación de alimentos en que se inhibe el creci­ miento 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 esta­ do líquido y aum enta la concentración de los solutos. La conservación por congelación se basa en la acción conjunta de la baja tempera­ tura y la reducción de la actividad de agua. En la congelación comercial, a -18 °C de temperatura, lo que ha congelado fundamen­ talmente en el alimento es una gran parle del agua que contiene. También congelan algunas grasas pero en mucha menos proporción. Además, el agua po­ ne en juego un calor específico y un calor la­ tente de congelación considerablemente más altos que los otros componentes del alimento. Por estas razones los estudios sobre la forma­ ción de cristales en el alimento y los cálculos caloríficos suelen hacerse refiriéndose al agua.

3 .4 .1. Form ación de cristales

En estado de líquido puro, las moléculas de agua están an im ad as de libre movimiento con una energía E C= - K T

c 2

P-7]

donde K es la constante de Boltzman y T la temperatura absoluta. A medida que disminu­ ye 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, li­ berando el calor latente de congelación a la temperatura constante de 0 °C. El fenómeno de cristalización tiene dos fa­ ses: nucleación y crecimiento de lo s a íslales. 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 veloci­ dad de formación de núcleos en función de la temperatura en el caso de agua pura. Una vez que varias moléculas se han reunido para cons­ tituir un núcleo, el resto de las moléculas se de­ posita sobre él preferentemente y lo hace cre­ cer. 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 dis­ minución muy lenta de la temperatura se pue­ de llegar a temperaturas muy por debajo del punto de congelación sin que se produzca la cristalización. El fenómeno se conoce como so­ breenfriamiento. En los alimentos el agua no está como liqui­ do puro, sino como solvente de distintas solu­ ciones 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 ud e cció n y crecimienlci de cristales.

cha a o tra o incluso de u n a pieza a o tra. E n ge­ n e ra l los alim entos e m p ie z a n a congelar entre -0,8 °C y -2,8 °G S i estudiam os la co n g e la ció n a nivel celular, la co n cen tració n de las diso lu cio n es es siem pre m ay o r en el citoplasm a q u e en los líquidos extracelulares, p o r lo que el p u n to de congelación será m ás alto en éstos. Si se va dism inuyendo le n ta m e n te la te m p e ra tu ra se alcanzará el p u n ­ to d e congelación d e los líq u id o s en tre las célu­ las y a p arecerá u n o o u n o s pocos núcleos en los intersticios en tre células. D e a c u e rd o co n la fig u ra 3.7, si seguim os b a jan d o la te m p e ra tu ra le n ta m e n te los cristales c re c e rá n p re f e re n te m e n te so b re los núcleos fo rm ad o s d ism in u y en d o e l c o n te n id o de agua líq u id a de la disolución c x trac e lu lar y, para re ­ cu p e ra r eí equilibrio o sm ó tico , p a sa rá agua del citoplasm a al ex terio r de la célula, lo cual servi­ rá p a r a au m en tar el ta m a ñ o de los pocos crista­ les existentes. Por o tro la d o la co n cen tració n en el c ito p lasm a h a b rá a u m e n ta d o y el p u n to d e congelación será cad a vez m ás b ajo, alejándose la posibilidad de fo rm a c ió n de n ú cleo s de cris­ talizació n en el c ito p lasm a. La congelación se sig u e d e sa rro lla n d o a sí h a s ta lle g a r a los -1 8 °C. L a secuencia se h a re p re se n ta d o en la figu­ ra 3.8. A l final se h a fo rm a d o u n m ono cristal

m uy g ra n d e en lo q u e fue u n p e q u e ñ o espacio e x trac c lu lar a co sta del agua cito p lasm ática, y las células a p a re c e n a su a lre d e d o r escurridas. L as avistas del cristal p u e d e n d a ñ a r o ro m p e r las m e m b ra n a s y p u e d e d e rra m a rs e p a rte d e l c o n te n id o cito p la sm á tic o . A d em ás, c u a n d o se pro ced e a la d esco n g elació n , hay u n a h istéresis d e las m e m b ra n a s q u e las im p id e a b so rb e r el líquido p e rd id o p a ra re c u p e ra r su a n tig u a te x ­ tu ra. Si la v elo cid ad de congelación es ráp id a, lo cual significa com o m ín im o co n seg u ir una b a ja ­ d a de te m p e ra tu ra d e 5 °C p o r m in u to en el c e n tro del alim ento, se e n tra ráp id a m e n te en la z o n a de v e lo c id a d de n u clea ció n a lia , y a n te s d e que p u e d a n crecer los n ú cleo s e n el líq u id o c x tra c e lu la r se alcanza el p u n to de co n g ela ció n e n el cito p lasm a, con velo cid ad de n u clea ció n g ra n d e , c o n lo q u e a p a re c e n m illo n e s de n ú ­ cleos que se re p a rte n e n el agua d a n d o lugar a m icrocristales in ofensivos e n to d o e l conjunto. L a situación se h a re p re se n ta d o tam b ién en la figura 3.8, Las células n o han sido dañ ad as, el ag u a en fo rm a de m icro cristales de hielo p e r ­ m an ec e d o n d e an te s e s ta b a en fo rm a líq u id a, com o si h u b ie ra sido in m o v ilizad a y, al d e sco n ­ gelarse, la te x tu ra d el a lim e n to p e rm a n ec e in a l­ tera d a.

□ □ □ □

□ □ □ □

CONGE ACIÓN RAPIDA

C O N G F I A C IO N LENTA 0

¡<

< O

Z

z 'Q u 3LU O

Desciende más de 5 " C /m ir

O

O ■1

z

o(J

in

CO N G E LA D O S

ULTRACONGELADOS

FIGURA 3 .3 . Efectos de la velo cid a d d e c o n g e la c ió n en la textura.

P a ra algunos alim entos la congelación ráp id a o u ltracongelación es la única q u e p u ed e u tili­ zarse p a ra g arantizar q u e la te x tu ra no e x p e ri­ m e n ta daños significativos y p a ra m uchos su p o ­ ne u n a m ejo ra n o ta b le d e la calid ad . E x iste n o tros alim entos q u e tien en una estru c tu ra q u e se afecta poco por la velocidad d e congelación y no se justifica el in crem en to de coste asociado a la congelación rápida. F in alm e n te, hay p ro d u c ­ tos que p o r su tam año o su configuración geo­ m étrica no perm iten la ultracongelación. C ongelación rá p id a o congelación le n ta son p ro c e so s d o n d e el fa c to r c o n tro la n te es la

tra n sm isió n de calo r e n tre el ce n tro té rm ico del a lim e n to y el foco frío. A -1 8 UC no co n g ela to­ d a el ag u a c o n te n id a en el alim en to y sólo en a q u e llo s casos en q u e el p o rc en taje de cristali­ z a c ió n es m u y a lto p u e d e e n tr a r en ju e g o la tra n sfe re n c ia de m asa, d eb id o a tas dificultades de m o v im ie n to de las m o lécu las de agua hacia ios cristales, al e sta r los solutos m uy c o n c e n tra ­ dos al final de la o p eració n . E n g en eral los so lu to s n o cristalizan con el h ielo p o rq u e las te m p e ra tu ra s de sus eu téc tico s e stá n p o r d eb ajo de -1 8 °C, p e ro hay casos en q u e sí cristalizan. O tra s veces, m o lécu las de so ­

FIGURA 3 . 9 , Z o n a s en ;a c u rv a d e c o n g e la c ió n .

lu t o s q u e d a n o c l u i d a s e n lo s c r i s ta l e s . E n la m a y o r ía d e lo s a li m e n t o s , a l r e d e d o r d e l 2 0 % d e l a g u a q u e c o n ti e n e n p e r m a n e c e e n fo r m a lí­

b le d e l a lim e n to (7 4 % e n e l v a c u n o , 8 2 % e n e l

q u id a p o r d e b a jo d e - 1 8 °C .

p e s c a d o , e tc .) . S e g ú n s e a la v e lo c id a d d e la tr a n s m is ió n d e c a lo r las c u rv a s te n d r á n d is tin ta p e n d ie n te (f i­

3 .4 .2 . C urvas d e co n g e la ció n

g u r a 3 .Í 0 ) . A lg u n o s a u t o 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 li­ m ita n u n a z o n a (fig u ra 3 ,1 1 ) q u e ll a m a n c rític a .

S e c o n o c e c o m o c e n t r o té r m i c o d e l a li m e n ­ t o el p u n to d e l m is m o q u e c o n g e la m á s ta r d e . S i se h a c e u n a r e p r e s e n t a c i ó n g r á f ic a d e la te m p e r a t u r a d e l c e n t r o té r m i c o e n f u n c i ó n d e l ti e m p o d u r a n t e la c o n g e l a c i ó n s e o b t i e n e n c u r v a s c a r a c te r ís tic a s d e c a d a a lim e n to q u e se

E n e s a z o n a es d o n d e s e f o r m a t o d o el h ie lo q u e v a a c r is ta liz a r e n la o p e r a c ió n , c u a lq u ie r a q u e s e a la p e n d i e n t e d e la c u r v a d e c o n g e l a ­ c ió n . E l p u n t o d o n d e la c u rv a c o r t a a ía z o n a c rític a m a r c a el tie m p o q u e h a n t a r d a d o e n f o r ­ m a r s e to d o s los c ris ta le s p o s ib le s , g r a n d e s e n la c u r v a I y m ic ro c r is ta le s e n la III.

ll a 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 r a 3 .9 ). L a p r i ­ m e r a es la z o n a d e p r e c o n g c l a 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 t e m p e r a t u r a f i n a l d e a l­ m a c e n a m ie n t o . E n la p r i m e r a z o n a A B se e li­ m in a el c a lo r s e n s ib le d e l a li m e n t o y g e n e r a l ­ m e n t e e x is te u n s o b r e e n f r i a m i e n t o S a n te s d e 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 i e n z a n a f o r m a r s e lo s c ris ta le s . S e g ú n v a d e s c e n d i e n d o la t e m p e r a t u ­ r a v a .c o n g e l a n d o e l a g u a c o n g e l a b l e d e l a li­ m e n to . A s í, p o r e je m p lo , a - 1 0 °C h a b r í a c ris ­ ta liz a d o u n 7 5 % , a - 1 2 °C u n 8 5 % , a -1.6 ° C u n 9 2 % 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 ta f o r m a d e c o n g e la c ió n . A l lle g a r a C h a c o n g e la d o p r á c t ic a m e n te t o d a el a g u a c o n g e la -

FiGUKA 3 .1 0 . C urvas de c o n g e la ció n : (I) v e lo c id a d lenta, (II) v e lo c id a d inferm ed ía, ¡III) v e lo c id a d rá p id a .

•

•

T a m b ié n d e b e ría c o n sid e ra rse el tr a n s ­ p o rte y el frío dom éstico co m o eslabones de la c ad e n a . L a c a d e n a d el frío d eb e asegurar q u e la te m p e ra tu ra del alim en to co n g e la d o no sube p o r encim a d e -1 8 °C. Si e sto o cu ­ rre se p u e d e d añ ar la tex tu ra del a lim e n ­ to p o r recristalizació n .

3.4.4. Recrisfalización 0 F IG U R A

3.4.3 .

3 .1 1 . Zona critica.

La cadena de! frío

L a c a d e n a del frío es u n a e x p re s ió n que co m p ren d e la se c u e n c ia d e in sta la c io n e s, v e­ hículos y ap arato s desd e la producción d el ali­ m ento congelado h a sta el consum idor. E s ta ca­ d e n a se e sta b le c e en fu n c ió n d e q u e el p ro d u c to co n g ela d o d eb e m a n te n e r un a te m ­ p e ra tu ra < - 1 8 °C a lo largo de to d o c] proceso de distribución com ercial. L o s p rin c ip a le s e s la b o n e s d e la c a d e n a son; •

•

•

• •

•

L a instalación frigorífica p ro d u c to ra del a lim e n to c o n g e la d o a un a te m p e ra tu ra de 18 °C. El alm acén frigorífico hasta la expedición del p ro d u cto con g ela d o , qu e se efectú a a te m p eratu ras e n tre -25 y -3 0 °C. L o s vehículos frigorífico s p a ra el tra n s ­ p o rte a los d epósitos de d istrib u ció n . E l tra n sp o rte se efectú a a -2 5 °C. L o s d e p ó s ito s de d is trib u c ió n (te m p . -2 0 °C ). L os v eh ícu lo s d is trib u id o re s a los c e n ­ tro s de v e n ta . E l tr a n s p o r te se h a c e a -2 0 ÜC L os cen tro s d e venta. Las vitrinas tien en q u e a s e g u ra r te m p e ra tu ra s e n tr e -1 8 y -2 0 °C.

E l agua cristaliza en el sistem a hex ag o n al y los cristales e stá n sujetos a una evolución con el tie m p o en su fo rm a y tam añ o g e n e ra lm en te en rela ció n c o n su energía libre superficial. E n la n a tu r a le z a to d o s los sistem as e v o lu c io n a n con d ism in u ció n d e en erg ía libre. H a y v a rio s tip o s d e r e c r is ta liz a c ió n s u s ­ c e p tib le de d a rse en los alim entos. L a m ás im ­ p o rta n te es la recristalización em ig ra to ria , que tien e la g a r c u a n d o hay oscilaciones en l a te m ­ p e ra tu ra d e co n g ela ció n a lo largo de la c a d e n a del frío.

A ) R ecristalización em igratoria Si p o r u n a e n tra d a de calo r en alg ú n e sla ­ bón de la c a d e n a d el frío, o en tre e slab o n e s, su ­ be la te m p e ra tu ra del congelado, u n a p a rte del h ie lo v o lv erá al e stad o líquido, según ia curva de c o n g e la ció n c o rresp o n d ie n te . E l ta m a ñ o d e ios c rista le s es lig e ra m e n te d ife re n te a u n q u e to d o s se a n m ic ro c ris ta le s y c u a n d o se r e c u ­ p e re n los - 1 8 °C , el ag u a fu n d id a v o lv e rá a congelar, p e ro lo hace d ep o sitá n d o se p re f e re n ­ te m e n te en los m icro cristales m ás g ra n d e s f a ­ v o re c ie n d o u n a re c o m p o sic ió n m a sa -v o lu m e n te n d e n te a la d ism inución de en erg ía lib re su ­ p erficial. Si la ro tu ra de la cad en a del frío se r e ­ pite se p u e d e lle g a r a una situación de m onoc rista le s g ra n d e s p o r d e sa p a ric ió n d e lo s m icro cristales m ás peq u eñ o s, con p é rd id a d e la tex tu ra. La secu en cia se ha re p re se n ta d o en la fig u ra 3,'12.

□

□

□

□

□

□ □

□

>h > h > h F. > F, > F,

-1 2 °C

- 1 8 0C

- 1 8 °C

FIGURA 3.1 3. Secuencia de recrista liza ció n ¡sam ásica.

□ -1 8 °C

” T 2 “C

C u a n d o e ste m o v im ie n to o cu rre e n tr e los in te rstic io s c e lu la re s el c a m b io p u e d e d a ñ a r o c a sio n a lm e n te un a m e m b ra n a celular.

FIGURA 3 .1 2 . Secuencia d e re crista liza ció n em igratoria.

C) R ecrista I l z í i ción p o r p resió n

B ) R ecristalización tsornáisica Se d a cu an d o un c rista l tien e u n a form a en q u e p resen ta una re la c ió n superficie-m asa muy g ran d e y se establece un fe n ó m e n o natural que tien d e a dism inuirla, co n serv a n d o la m asa ini­ cial. E n la figura 3.13 se h a rep re se n ta d o la se­ cuencia con d ism in u ció n de e n erg ía libre (F). L as m oléculas d e ag u a s e d ifu n d en dentro dei m ism o cristal y éste p a sa a un a fo rm a con relie­ ves m enos p ro n u n ciad o s.

Si se aplica un a fuerza a u n co n ju n to d e cris­ tales, el cristal cuyo p lan o b asal está p e rp e n d i­ cu lar a la d ire cc ió n de la fu e rza tiende a cre c er a expensas d e los otros. E n la fig u ra 3,14 la fu e rz a F ila ría c re c e r al cristal 1 a co sta de las m o lécu las de los cristales 2y3. E ste tip o de recristalizació n se p u e d e ev itar no a m o n to n a n d o los p ro d u c to s c o n g e la d o s unos en c im a de o tro s p a ra su alm acen am ien to sino d isp o n ié n d o lo s en b an d e ja s, vasares o b a s­ tid o res.

FIGURA 3 .1 4 . CrecírnientQ de cristales por presión.

D ) R ecristalización p o r c o n ta d o O cu rre cu an d o se form a u n a g lo m e ra d o de cristales q u e tie n e n en tre ellos p u n to s o su p e r­ ficies de c o n ta c to . T am b ién en e ste caso b u s­ cando la d ism in u c ió n de e n e rg ía libre, las s u ­ perficies lib res se van fusionando p a ra te rm in ar en un cristal único y m ás re d o n d e a d o , p u d íen do incluso q u e d a r huecos en el cristal único r e ­ sultante. L os m icro c rista le s se c o n v ertiría n así en un m o n o cristal p elig ro so . E ste tip o de re c rista li­ zación se d a en algunos alim e n to s sin q u e se p u e d a evitar, si bien su v e lo cid ad es m u y p e ­ q ueña.

E ) Variaciones de volum en C u a n d o el a g u a p u ra c o n g ela hay un a u ­ m ento de volum en del 9% , sin e m b arg o en los a lu n em o s co n g ela d o s el a u m e n to d e volum en no es n o ta b le d eb id o a q u e hay u n a co m p en sa­ ción p o r los sig u ien tes factores: a) N o co n g e la to d a el agua p re s e n te en el alim en to . b) L os tejid o s p u ed en te n e r un cierto c o n te ­ nido en aire q u e ejerce un efecto de col­ chón . c) T o d as las su stan cias se c o n tra e n con el fr ío , la s g ra sa s, lo s te jid o s , in c lu so el h ie lo q u e se fo rm a in icialm en te se c o n ­ tr a e a m e d id a que d esc ien d e la te m p e ­ ra tu ra . El c o n te n id o de agua, aire, g ra s a , tejid o s, etc. es d is tin to d e un a lim en to a o tro , p o r lo que la d ilatació n es m uy variable.

3.5. Cálculo de la carga de refrigeración Sea u n a m a s a d e a lim e n to q u e se q u ie re congelar en u n tiem p o dado. La carg a de frío o carga de re frig eració n será la can tid a d de calor

q u e hay qu e re m o v e r del alim en to p o r u n id ad d e tie m p o p a ra conseguirlo. E n lo qu e sigue M es la m asa d el alim ento, M a la m asa d el ag u a qu e c o n tie n e , M s la m asa d e l re s to seco , Cp el c a lo r esp ecífico del a li­ m e n to y Xc el c alo r late n te de co n g elació n del a g u a (o de fusión d el hielo). D e a c u e rd o c o n la cu rv a de congelación ca­ ra c te rístic a del alim en to , la o p erac ió n se p u e d e d iv id ir en tre s p a rte s a efectos de cálculo. 17 E n fria m ie n to del alim en to d esd e la te m ­ p e r a tu r a a m b ie n te ta a la te m p e ra tu ra d e c o n ­ g ela c ió n - í . T ra m o A B e n la c u rv a de c o n g e la ­ c ió n . E n el c ó m p u to caló rico n o es n e c e sario te n e r en c u e n ta el so b reen friam ie n to . La c a n ti­ d a d d e calo r Q a re m o v e r será <2, - M C p [ía - ( - g j = M C p (ta +• te)

[3.8]

E l c a lo r esp e c ífic o d el a lim e n to se p u e d e e n c o n tr a r en m a n u a le s especializados o d e te r ­ m in a rlo en el la b o ra to rio . E n p rim e ra a p ro x i­ m a c ió n se p u e d e u sa r el del a g u a, d ad o el alto c o n te n id o d e é sta e n los alim entos. 2.° F o rm ació n de los cristales de hielo, q u e e m p ie z a a la te m p e ra tu ra - í y se co m p leta a lo la rg o d el tra m o B C e n la zona crítica. C o m o en e l caso d e la co n g e la c ió n los c a lo re s la te n te s v a ría n m uy p o co c o n la te m p e ra tu ra , p o d em o s s u p o n e r a efecto s de cálculo q u e todo el hielo se fo rm a e n B a la te m p e ra tu ra -í.. La c a n tid a d d e c alo r Q 2 a re m o v e r será 0

2

- M n ( % ) c -T

[3.9]

s ie n d o (% ) el p o rc e n ta je d el a g u a to ta l q u e c o n g e la h asta -1 8 °C y A, el c a lo r la te n te a la te m p e ra tu ra de congelació n . 37 E n fria m ie n to del alim en to desde la te m ­ p e r a tu r a de c o n g e la c ió n - t c h a s ta -1 8 °C, s u ­ p u e s ta ésta la te m p e ra tu ra de alm acen am ien to . E l c a lo r e sp e c ífic o d el a lim e n to c o n g e la d o , C p c, q u e se p u e d e b u scar e n m an u ales e sp e c ia ­ lizados, varía m u y poco co n la te m p e ra tu ra . E n e l caso de que n o se h a lla ra m se p u d ie ra d e te r ­ m in a r e x p e rim e n ta lm e n te se reco m ie n d a utilí-

zar el del hielo, 0,5 kcal/kg °C, por las mismas razones expuestas para el cálculo de £), Tanto en uno com o en otro caso, la extrapolación sig­ nifica ponerse en el caso peor. La cantidad de calor Q-. a quitar será

a pérdidas de efectivid ad n o deseadas, por ejem plo, entradas de calor incontroladas. El valor Ql 9

a = M C pc\-tc - (-18)] = M C p ¿ 18 - Íe) (3.10] La suma del calor removido en las tres eta­ pas será

Q = Q X+ Qz + Qs

(3.11]

y refiriéndolo al tiempo 9 de operación se ten­ drá 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 rem o­ ver puede ser mayor que el calculado debido

representa la potencia de frío de la máquina, como se ha señalado en el apartado 3.2.3. En algunos catálogos y manuales esta po­ tencia 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 equi­ vale a 80.000 kcal. En el cuadro 3.3 se incluyen los valores de las propiedades frigoríficas de diversos alimen­ tos que pueden ayudar en los cálculos d e la carga de refrigeración.

C U A D R O 3 .3 Propiedades frigoríficas de algunos alimentos Calor especifico

Producto

Pollo Pavo Carne buey (magro 60% ) M erluza Salmón Bonito Gambas Espinacas Guisantes Coles de Bruselas Brocoli Zanahorias Patatas nuevas

Contenido en aguo [% en peso)

Punto de congelación ÍP-c. X ]

Por encima dei p.c. kJ |kg X ) - '

Par debajo del p.c. t í (kg "C )-'

74 64 49 78 64 70 83 93 74 85 90 88 78

-2 ,8 -2 ,8 -1 ,7 -2 ,2 -2 ,2 -2 ,2 -2 ,2 -0 ,3 -0 ,6 -0 ,8 -0 ,6 -1 ,4 -0 .6

3 ,5 3 3 ,2 8 2 ,9 0 3 ,6 3 3 ,2 8 3 ,4 3 3 ,7 5 4 ,0 0 3 ,5 3 3 ,8 0 3 ,9 3 3 ,8 8 3 ,6 3

1,77 1,65 1,46 1,82 1,65 1,72 1,89 2,01 1,77 1,91 1,97 1,95 1,82

fuente: Dtiíos lomados de C. P Mollel, 1993.

Color loti de fusii tí M 248 214 16 4 261 214 235 278 312 248 285 302 295 261

3.6. Tiempo de congelación En muchos alimentos la congelación rápida es un objetivo tecnológico para asegurar la ca­ lidad. 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 for­ mas del producto, la temperatura inicial y la fi­ nal, la temperatura del foco frío, el coeficiente superficial de transmisión de calor del produc­ to al medio refrigerante y la conductividad del producto. Si se quiere afinar se requiere asimis­ mo la variación de las propiedades físicas del producto en función de la temperatura: calor específico, calor latente, conductividad, densi­ dad, 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 fac­ tores 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 cal­ cular el tiempo efectivo de congelación, que es el tiempo necesario para que la temperatura del centro térmico (punto crítico) del alimento des­ cienda hasta la temperatura final de congela­ ción. La ecuación es como signe:

_

LP KP t f— t t

ü r

\ [3.12]

“

J

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 ali­ mento. Si éste tiene forma cilindrica o esférica se utiliza el diámetro. P y R son unos coeficien­ tes de forma que corresponden a:

p -K 2

— 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 utilizadon de este modelo se da por sentado que la temperatura final del alimento congelado al­ canza 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 n d e a fin d e su p e ra r su s lim itacio n es y que, e v id e n te m e n te , son e x p re s io n e s m ás co m p le­ jas, com o es el caso de las reseñ ad as p o r Sing y D erm is (1993). E n el caso de que el a lim e n to esté envasado la ecuación de P la n c k -E n d e to m a la form a:

o)

[3.13]

/$ * l \

/ t * |i

\u T

Q,

Q2

Q ’

Q

d o n d e x y k ' son, re sp ectiv a m e n te , el espesor y la co n d u ctiv id ad del m a te ria l del envase. O b s e rv a n d o la e c u a c ió n de P la n c k -E n d e , resalta la in fluencia de tr e s facto res e n el tiem ­ po activo de con g elació n y, p o r tan to , en la ca­ pacidad de conseguir u n a con g elació n rápida. E sto s tres factores son: a) El salto térm ico (í_ —í^) e n tre alim ento y foco frío. C u an to m ás b a ja sea la te m p e­ ratu ra del foco frío, m ás p e q u e ñ o será 6. b) El co eficien te de tran sm isió n d e calor h en tre el alim en to y el foco frío. C u an to inás g ran d e sea h m ás p eq u eñ o será 9. c) El ta m a ñ o L del alim e n to . C u a n to m ás p eq u eñ o sea L m á s p e q u e ñ o se rá 6. E sto s tre s facto res so n variab les tecn o ló g i­ cas d e los p ro ceso s de co n g e la ció n d e los ali­ m entos y se p u e d e n tr a ta r de m o d ificar favora­ b lem ente al d iseñ ar u n siste m a de congelación, de fo rm a que la v e lo c id a d de congelación re ­ sulte la m ás a p ro p ia d a p a ra la b u e n a calidad del p ro d u cto congelado. A m odo de ejem plo se p u e d e n h acer algu­ nas re fle x io n e s en el s u p u e s to d e la co n g ela­ ción de un b o n ito en u n c o n g e la d o r de placa (figura 3.15). E l líquido re frig e ra n te circula p o r el in te rio r de la placa h u e c a rem o v ie n d o el calor.del b o n ito h a sta congelarlo . E l p escad o d es­ cansa sobre la superficie d e la placa. L a super­ ficie de co n tac to es p e q u e ñ a , el calor tien e que transm itirse d esd e una d ista n c ia x g ra n d e y hay bolsas de aire e n tre la p la c a y el pescado. La velocidad de congelación se rá m uy len ta.

-33 aC

- 3 3 °C

Refrigerante

bl FIGURA 3 .1 5 . C o n g e la c ió n sobre placas: a) p rod u cto ente­ ro sobre la placa, b] p roducto en rajas p re s io n a d o sobre ia placa.

L a situ ació n p u e d e cam biar si se co n g ela el b o n ito p artié n d o lo en rajas p re v ia m e n te y p re ­ sio n an d o las rajas so b re la placa. Se h a b rá h e ­ cho m ás p e q u e ñ a la d i s t a n c i a x , ha a u m e n ta d o la su p e rfic ie d e c o n ta c to d el p e sc a d o c o n la p laca y han d e sap a re c id o las bolsas de a íre de conductiv id ad b a ja al a p reta r las rajas so b re la placa. La velo cid ad d e congelación h ab rá a u m e n ­ tad o n o ta b le m e n te , p o rq u e se ha a u m e n ta d o el co eficiente de tran sm isió n de calo r e n tre la su­ p erficie del alim en to y el foco frío, h , y p o rq u e se h a d ism in u id o el e sp eso r d el a lim e n to , L, con la c o rre sp o n d ie n te dism inución de 9 en la ecuación de P lan ck -E n d e . E l c o n c e p to m ás utilizado de v elh cid ad de congelación v ien e ex p re sa d o en la ecu ació n

V = * !^ f6

[3.14]

d o n d e tj significa la te m p e ra tu ra inicial del ali­ m en to , ¡y la te m p e ra tu ra final de co n g ela ció n y 0 el tiem p o q u e se ta rd a en que el c e n tro té rm i­ co de a lim en to pase d e la p rim era a la seg u n d a. Se su ele e x p re s a r e n g rad o s p o r m in u to (ÜC m in-1). R e la c io n a n d o esta velo cid ad con la ra-

pidez o lentitud de la operación podría en prin­ cipio anotarse que valores de la velocidad su­ periores a 5 °C min-1 suponen una congelación rápida, valores inferiores a 1 °C min-1 una con­ gelación lenta y entre ambos valores se dan si­ tuaciones intermedias, siendo todas aprovecha­ bles 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 expre­ san en centímetros por hora (cm Ir1).

Peso específico del vacuno congelado: p 1000 kg m-3. Ecuación de Planck para un alimento en for­ ma de placa:

Solución a) Variación de entalpia o carga de congelación

(Ac) y calores específicos del producto des­ congelado (C+) y congelado (Cp )

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:

Jc = C -M 1 0 -(-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)-*

a) La variación de entalpia música del vacu­

no durante la congelación.

Xc - (3,42-11) + (035 0,74-335)♦

b) El tiempo de duración de la congelación. c) ¿Cuál debe ser la potencia frigorífica mí­

nima del congelador para tratar 1 1 de va­ cuno, de modo que la velocidad de conge­ lación no se vea limitada por dicha potencia frigorífica? d) ¿Qué capacidad de producción por día tendrá la instalación?

+(1,95 • 17) = 306 Id kg'1 b) t = {(1.000 306 - 10¡*)/[(-1 - (-25)]] • {[0,1 / (2 • 30)) + [0,12/ (8 • 135)]} =31.702s

r = 8£ h c) q = (m- Xc)it = (1.000 - 306,8^31.702=

- 9,68 kW 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,

d) m = (1 1 ■24 h día_1)/S,8 h = 2,7 ídiV1

3.7. Descongelación El proceso de descongelación no es exacta­ mente 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 ve­ ces 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 ic o y a m e d id a q u e se v a h a c ie n d o m ás gruesa la velocidad de transm isió n d e calor a u ­ m en ta. P o r el co n trario , en la d escongelación la capa de hielo se v a fun d ien d o desde el exterior h acia d en tro , y a m e d id a q u e va crecien d o el g rosor de la capa de agua la v elo cid ad d e tran s­ m isión de calor se reduce. P o r ello, a igualdad de salto térm ico la descongelación es m ás lenta. E n la figura 3.16 se h a re p re s e n ta d o la v a ­ riación de la te m p eratu ra del c e n tro térm ico en un proceso típico de descongelación c o n ap o rte de c alo r desde un foco calien te convencional. E n una prim era fase sube la te m p e ra tu ra hasta, un valor cercano al p u n to de c o n g ela ció n en un tiem p o re la tiv a m e n te c o rto d e b id o a que la transferencia de calo r se hace a trav és de la e n ­ te ra cap a co n g ela d a. A l fu n d irse e l hielo la transm isión de calor se ralen tiza, y el alim ento se m an tien e d u ran te un tiem p o p ro lo n g ad o en esa te m p eratu ra próxim a al p.c., h a s ta que fi­ n alm en te alcanza la te m p e ra tu ra am biente. E n la fase B C, con te m p e ra tu ra s e n tre -5 y -3 UC pueden aparecer efectos de d eg ra d a c io ­ nes m icrobiana o quím ica, ta n to en la descon­ gelación dom éstica com o en la in d u strial. T am ­ bién, en el caso d e que la co ng elació n h ubiera sido lenta o se hubiese dado lu g a r a recristali­ zación con ro tu ra celular, e n esta fase aparece un exudado fo rm ad o de líq u id o s celulares, que co n tien e n u trien tes y agua n o re a b so rb id a en la

d escongelación p o r la h istéresis y p é rd id a de p e rm e a b ilid a d de las m e m b ra n a s celu lares aunque no se h ayan ro to . E n la descongelación a escala in d u strial los p roductos congelados n o se llevan a desconge­ lación c o m p leta en aquellas ocasio n es en que sólo se p ersig u e p re p a ra rlo s p a ra o p eracio n es com erciales subsiguientes. E n to n ces se hace un atem p e ra d o , que es u n a d escongelación hasta que el p ro d u cto se ab lan d a y se p u e d e co rta r o tro cear con los equipos apropiados, lo cual se p u e d e h a c e r au n q u e todavía haya h ielo en el congelado, p o r ejem plo en un pu n to A', E n la descongelación no se p u ed en utilizar focos ca lie n te s con te m p e ra tu ra s m uy altas pues, au n q u e se fav o re c e ría el sa lto térm ico , los alim entos p o d rían precocinarse. E ste inconveniente existe tam b ién en el em ­ pleo de los m icroondas para estos fines, p o rq u e el hielo es p rácticam en te tra n sp a re n te a la r a ­ diación electrom agnética de b aja frecuencia, y si se fu n d e es p o r la acción d el c a lo r q u e gene­ ran las m icroondas e n el m aterial n o congela­ do, que se tra n sm ite al hielo. E l m a te ria l no congelado p uede sobrecalentarse y p a ra evitar­ lo la d e sc o n g elació n con m ic ro o n d a s se h ace con descargas in term iten tes en la b a n d a de fre­ cuencia m ás baja del ap arato . C u alqu ier sistem a d e descongelación d e b e ­ rá e v ita r so b re c a le n ta m ie n to s, p rc c o c in a d o y d eshidratación. R esp ecto a la velocidad de des­ co n g ela ció n d e b e a te n d e rse a la c a lid a d d el p ro d u cto congelado. C uando es u n ultracongela d o co n v ie n e u n a d e sc o n g elació n rá p id a y cuan d o es u n congelado norm al u n a desco n g e­ lación m ás len ta, q u e p erm ita u n a cierta ab so r­ ción d el agua citoplasm ática p e rd id a p a ra re s­ ta u ra r parcialm en te la textura,

3.8. Métodos e instalaciones de congelación a FIGURA 3 .1 6 , V ariación de la tem peratura en la desconge­ la ció n : ¡: Curva de co ng e la ció n , II: curva d e desconge­ lación.

L as instalaciones de producción de frío m e ­ cánico se fu ero n desarro llan d o en p arale lo con el despegue in dustrial de la p rim e ra m itad d el

siglo XIX. Hacia 1860 comienza a comerciali­ zarse la congelación como un método de con­ servación de alimentos y en 1890 existió un co­ m ercio 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 comer­ ciales de congelación rápida, primero con frío m ecánico en lechos fluidizados e inm ediata­ mente con frío criogénico. Las instalaciones de congelación de alimen­ tos se clasifican o agrupan según el método de contacto del alimento con el foco frío: 1. M étodos de contacto del producto (en­ vasado o sin e n v a s a r) con la superficie del evaporador de 1.a m á q u i n a frigorífi­ ca. La superficie actúa de foco frío. El r e f r i g e r a n t e circula por el interior de placas huecas, circuitos impresos o ser­ pentines que constituyen ci evaporador de la máquina frigorífica, sobre los cua­ les se colocan los alimentos y la transmi­ sión del calor se hace a través de las pa­ redes de la placa, circuitos o tubos. Se conocen también como métodos de con­ tacto indirecto. 2 Métodos de contacto directo del produc­ to (envasado o sin envasar) con aire que se ha enfriado previamente por contacto con el evaporador de una máquina frigo­ rífica. El aire actúa de foco frío y se recircula a través del evaporador. 3. M étodos de inm ersión. Éstos pueden ser en m ezclas frigoríficas (enfriadas por frío m ecánico) o en gases licuados (frío criogénico), que actúan de foco frío y entran en contacto directo con el producto. Las mezclas frigoríficas líqui­ das se mantienen fría s por recirculación a través del evaporador de una máquina frigorífica.

En el cuadro 3.4 se expone una clasificación general de los m étodos 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 Con tocto con superficie Frió

Contacto directo con oiré frío

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 M étodo d e túnel M étodo de cinta sinfín Métodos de lechos Fluidizados Inmersión

En gases licuodos En mezclas frigoríficas

Conviene recordar que la transmisión de ca­ lor desde el alimento hasta llegar a temperatu­ ras de congelación tiene lugar generalm ente mediante la ecuación general [3.2], En esta si­ tuación, para llegar a un producto ultracongelado 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 m enos dos de .los tres factores del segundo term ino de la ecuación [3.2j deben ser especialmente favorables, bien e l coeficiente global de transmisión d e calor (U ) y la superficie específica (A), bien U y el salto térmico (tc - rj, o bien A y (tc — t¡). U n objetivo tecnológico de la ingeniería alimenta­

ria en este te m a es c o n ce b ir sistem as c o n estas características. S o lam en te c o n d u cen a p ro d u cto s u ltraco agelados los m é to d o s d e co n g elació n con lechos fluidizados, c o n g ases licu ad o s (líquidos criogé­ nicos) o alg u n a v a ria n te d e los m é to d o s de cin­ ta sinfín en casos especiales.

3.8.

J . M éto dos d e contacto con superficie fría

A ) C ongeladores de placas Se b asa e n e l s iste m a d e sc rito d e n tr o del ap artad o 3.6 y que se ilu stra en la fig u ra 3.15. El m ás utilizado es el d e d o s placas a presión. Las placas van alo ja d a s en un arm ario y el Hui­ do re frig e ra n te fluye en p a ra le lo y p o r el inte­ rior d e ías placas. E l c o n ju n to de placas consti­ tuye e l e v a p o ra d o r d e la m á q u in a frigorífica. L a s p laca s se p re s io n a n so b re el p ro d u cto para m e jo ra r el c o n ta c to m e d ia n te un tornillo accionado m e c á n ic a m e n te o un ém b o lo . Unos espaciadores aju stab lcs lim itan la p resió n al va­

lo r re q u e rid o seg ú n el p ro d u c to . E n la figura 3.17 se da u n e sq u em a del ap a ra to . E l co n g e la d o r de placas de la figura tra b a ja ­ ría e n fo rm a d isco n tinu a. L a carg a y descarga del p ro d u c to se hace p o r unas p u e rta s q u e tie ­ ne e l arm ario en su p a rte d e lan tera. L a co n g e­ la c ió n es le n ta y p u e d e ta r d a r h o ra s , d e p e n ­ d ie n d o del e sp e so r y n a tu ra le z a del p ro d u c to . L a s p la c a s p u e d e n d isp o n e rse e n s e n tid o h o ­ riz o n ta l o v ertical. E sto s c o n g e la d o re s se e m ­ p le a n u su a lm en te p a ra p ro d u c to s e n v asad o s e n cajas rectan g u lares.

B ) C ongelador d e escarcha S e utilizan p a ra la congelación d e alim en to s líq u id o s, p o r e je m p lo en la p re p a ra c ió n d e h e­ la d o s. G e n e ra lm e n te el p ro d u c to se c o n g e la h a s ta q u e a d q u ie re u n a c o n siste n c ia p a sto sa p e ro q u e aú n p e rm ite un tra n sp o rte p o r b o m ­ beo. E n el caso d e los helados el p ro d u c to p as­ to so se m ezcla con aire d u ran te el tra n sp o rte y se llev a a u n a c á m a ra frigorífica d e alm acen a-

FIGURA3.17. C o n g e la d o r de placas: 1: m áquina Frigorífica, 2: conducciones del flu id o refrigerante, 3: p lacas huecas, 4 : p aq u e te ; de p ro d u cto , 5 : m ecanism o de presión, ó: espaciadores, 7: c a rcasa provista de aislam iento c a lo rífic o .

miento o a un congelador de túnel donde se llega a la congelación necesaria para su endu­ recimiento. En la figura 3.18 se representa un esquema de un evaporador de escarcha. La congelación tiene lugar en contacto con la superficie inter­ na del cilindro exterior hueco por el que circu­ la el refrigerante, constituyendo el evaporador de la máquina frigorífica. El congelado va au­ mentando 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 re­ voluciones 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 circu­ la continuamente en contacto sobre una placa hueca fija por cuyo interior circula un refrige­ rante 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 FRTGOSCANDIA, 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 conven­ cional 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 congela­ ción 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 sis­ temas de cinta sinfín y los lechos fluidizados. Todas estas instalaciones trabajan generalmen­ te en forma continua.

A ) Cámaras de congelación El representante genuino de convección na­ tural son las cámaras de congelación, que con­ sisten en un recinto construido y equipado para evitar la entrada de calor del exterior. Las pa­ redes 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.

se r u n a lám in a c o n tin u a d e m a te ria l fácilm en te d esco n tam in ab lc, c o m o los e sm a lta d o s, e l a c e ­ ro in o x id a b le o a lg u n o s p lá s tic o s ríg id o s. E l su elo d eb e ta m b ién s e r aisla d o y la p u e rta tie ­ n e q u e te n e r cierre h e rm é tic o (fig u ra 3.19). E n el in te rio r de la c á m a ra d e b e ir el ev ap o ra d o r de un a m áq u in a frigorífica (M F ). L a c o n ­ vección n atu ral d e l aire e sta b lec e u n a c o rrien te tra n sp o rta n d o el calo r del a lim e n to al evaporador, com o se señ ala en la figura 3.1.9 m e d ia n te flechas. E l m é to d o de c o n g e la c ió n en c á m a ra s d e convección n a tu ra l es el m ás an tig u o en la co n ­ g elación in d u strial y ya se u tilizab a e n 1860. E l v alo r de V en la co n vecció n n a tu ra l es m uy b a ­ jo y tam b ién lo es el salto té rm ic o q u e p u e d e o fre c e r e ste tip o d e in s ta la c io n e s, q u e su e le n o p e ra r a te m p e ra tu ra s e n tre - 2 0 y -3 0 "C. E n c o n se c u e n c ia , la v e lo c id a d d e c o n g e la c ió n es len ta y se favorece la form ació n de m o n o crista­ les, con ia consiguiente p e rd id a d e calid ad del p ro d u cto . A sí y to d o , to d av ía se usan en la ac ­ tu a lid a d p a ra c a n a le s d e v a c u n o , a u n q u e los tiem p o s de congelación son m u y largos, d el o r­ d en cíe 1 - 2 días. Si se instala u n sistem a de circ u la ció n de a i­ re en el in terio r de la cám a ra, corno p u e d e ser

u n v e n tila d o r c o n v e n ie n te m e n te d irig id o , el e fe c to d e c o n v ec c ió n fo rz a d a d ism in u y e el tie m p o d e c o n g elació n , p a sa n d o la v e lo c id a d d e le n ta a in term ed ia. S e p u e d e con clu ir q u e las c ám a ras d e c o n ­ g e lac ió n no son b u e n o s c o n g e la d o re s p o r su b a ja velocidad d e co n g elació n p e ro so n útiles co m o c ám a ras frig o ríficas p a ra a lm a c e n a r los p ro d u c to s p re v ia m e n te cong elad o s p o r técnicas m o d e rn a s, ya q u e su te m p e ra tu ra d e tra b a jo está e n tre -2 0 y -3 0 °C.

B ) T úneles de congelación L os tú n eles de congelación co m ien zan a in s­ talarse en la in d u stria a lim en taria a lre d e d o r de 1950, c u a n d o e m p ez ó a Lomar c u e rp o el c o n ­ ce p to de la c ad en a del frío. R e sp o n d e n a lo s d ise ñ o s b ásico s re p r e s e n ­ ta d o s e n la fig u ra 3.20 o c o m b in a c io n e s d e los m ism os. E l a ire in c id e so b re los a lim e n to s a te m p e ra tu ra s p o r d e b a jo d e -3 0 ÜC y v e lo c i­ d a d e s d e h a sta 600 m p o r m in u to y se g ú n un siste m a d e o p e ra c ió n e n c o m e n te s c ru za d as. A e sta v e lo c id a d del a ire d ism in u y e la c a p a o p e líc u la de co n v ecció n , co n lo q u e a u m e n ta el

Figura 3 .1 9 . 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.

coeficien te superficial de transmisión de ca­ lor, U. Varios evaporadores y ventiladores ubica­ dos a lo largo del túnel mantienen las condicio­ nes de operación en cualquier sector del mismo (figura 3.21). Trabajan en operación continua. Los carri­ llos entran por un extrem o del túnel portando el producto y salen po r el o tro extrem o con el producto congelado y a la tem p eratu ra de al­ macenam iento. 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. Cuan­ do 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 to d a la ca­ dena 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, repi­ tiéndose la operación durante Lodo e l proceso. Conviene que la carga de las bandejas no deje huecos qu e sean cam inos p re fe re n te s p a ra 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 d e l alim en to , tie n e u n a m a y o r capa­ cidad de hu m id ificarse. E l aire cede e s ta agua en el e v a p o ra d o r al e n fria rse n u e v a m e n te y se va fo rm a n d o u n a capa de n iev e o de escarcha sobre la su p e rfic ie deí e v a p o ra d o r q u e dism i­ nuye e l c o e fic ie n te su p erfic ia l de transm isión de calor, re s ta n d o p o te n c ia frigorífica a la ins­ talación. P a ra evitarlo, los m o d e rn o s tú n eles de congelación e s tá n d o ta d o s d e u n sistem a que d esp ren d e la capa d e n iev e c u a n d o es n ecesa­ rio p o r p ro y ecció n d el aire seco a 30 °C sobre la su p e rfic ie del e v a p o ra d o r. L a n iev e cae al suelo dc.1 re c e p tá c u lo , de d o n d e se re tira . Esta o peración se llam a d esescarch e. T am bién se ha u sado el ro ciad o d e un a n tic o n g e lan te so b re los e v a p o ra d o re s, q u e es reco g id o so b re u n a b an ­ deja q u e se v a c ía a u to m á tic a m e n te p e ro este p ro c e d im ie n to p u e d e in tro d u c ir o lores y sabo­ re s en los p ro d u c to s sin en v asar. E l sistem a es m uy flexib le y se p u ed e utili­ zar p a ra c o n g ela r una am p lia g am a d e alim en­ tos d e o rig en v eg eta l o an im a l, en v a sa d o s en p eq u e ñ o s p a q u e te s o en g ra n d e s cajas de car­ tón y ta m b ié n sin envasar, e n te ro s o en form a tro cead a o re b a n a d a . Inclu so se p u e d e n conge­ lar canales de v acuno, y e n to n c e s se sustituyen los ca rrillo s p o r u n m o n o rra íi en el tech o del que se suspenden ganchos.

L a ca p acid ad de p ro d u cc ió n de estas in sta ­ la c io n e s es v aria b le , p u d ie n d o lle g a r a v arias to n e la d a s d e p ro d u c to /h o ra . E n la e c u a c ió n [3.2] el v alo r de O es m ay o r q u e e n las cám a ras y e l salto térm ico tam b ién p e ro la v elo cid ad d e c o n g e la c ió n d e p e n d e m u c h o de la su p e rfic ie específica. A títu lo d e ejem p lo p a ra p ro d u c to s co m o filetes d e carn e o p escad o so b re b andejas el tie m p o de co n g e la ció n es de 2 h o ra s, p a ra can ales d e v acu n o p u e d e alca n zar 2 días o m ás, y p a r a g u is a n te s a g ra n e l (co n aire a 500 m /m ín ) se re d u ce a 20 min. L a v elo cid ad de p a ­ so d e los ca rrillo s es re g u la b le , d e p e n d ie n d o d e l tiem p o de congelación del p ro d u cto ,

C) T úneles de congelación de cinta sinfín Son un a m o d alid ad de los túneles de co n g e­ la c ió n d e sc rito s a n te r io r m e n te en los q u e en vez de u tilizarse carrillos se utilizan cintas sin­ fín de rejillas m etálicas. A fio de e v ita r u n a ex ­ cesiv a lo n g itu d d e los tú n eles se utilizan d ise­ ño s qu e p e rm ite n qu e la instalación ten g a u n a o cu p a c ió n su perficial p e q u eñ a en la p la n ta de fab ricació n . Los m o d elo s m ás utilizados son los de b a n d a s su p e rp u e sta s y los c o n g ela d o res en esp iral.

Figura 3 .2 1. Túnel de congelador (cortesía de FRIGOSCAND1A)

FIGURA 3 .2 2 . Túneles d e co ng e la ció n de cinta sinfín. I: Sección lo n g itu d in a l. II: Sección transversal.

D ) T úneles de congelación de bandas superpuestas E n la figura 3.22 se p resen ta n las secciones lo n g itu d in al y tran sv ersal de u n tú n el de c o n g e ­ lación d e este tipo. E l aire a tem p eratu ras inferiores a -3 0 °C y gran velocidad incide en corrientes cruzadas so ­ bre la b an d a superior y consigue fo rm ar una p ri­ m era cap a de congelación que p ro te g e al p ro ­ ducto d e la d e sh id rata c ió n en las b a n d a s inferiores, donde el aire llega a tem p eratu ra s su ­ periores y con m ás capacidad de deshidratación por ende. C onviene record ar que la producción de canales preferentes para el paso del aire p u e ­ d e ag u d iza rse en esto s m o d elo s d o n d e el aire atraviesa m enos capas que en el caso de los ca­ rrillos con bandejas múltiples. P ara evitarlo co n ­ viene distribuir la carga de form a h o m o g én ea y cubriendo el m áxim o porcentaje de rejilla de las cintas. T am bién p u ed e ayudar un flujo parcial de aire lateral com o en el diseño de la figura 3.23. L a velocidad de las ban d as p u ed e regularse d e fo rm a independiente. G e n eralm en te la b a n ­ d a in ferio r se m ueve m ás len tam en te que las dos su p erio res, acum ulando u n a m ay o r can tid ad de p ro d u cto , una vez que éste se ha co n fo rm ad o y e n d u re c id o en las o tras b an d as. E s to p e rm ite m ay o r p roducción h o raria co n m ejo r calidad del p roducto. A l fin a l del re c o rrid o de las b a n d a s se s u e ­ le n c o lo c a r d is p o sitiv o s p a ra a m o r tig u a r la

c a íd a lib re d el p ro d u c to de un a b a n d a a la in ­ fe r io r y así ev itar q u e el p ro d u c to p u e d a d a ­ ñ a rs e . L o d ich o p a ra la velo cid ad de c o n g ela ció n e n tú n e le s con carrillos sirve tam b ién p a ra los de b an d a s su p e rp u e stas y d e p e n d e m u c h o del ta m a ñ o y esp eso r d el p ro d u c to a co n g ela r y d e la v elo cid ad del aire, que dism inuye la c a p a d e c o n v ecció n au m e n ta n d o el c o eficien te su p e rfi­ c ia l d e tra n sm isió n d e calo r. B u sc a n d o e ste e fe c to e n algunos d iseños se h a c o n d u c id o el a ire p o r to b e ra s qu e lanzan el aire so b re el ali­ m e n to d ire c ta m en te desde en cim a y d e b ajo la b a n d a , lo cual dism inuye el tiem p o de c o n g e la ­ c ió n p e ro in tro d u c e u n a cie rta c o m p lic a c ió n m ecán ica.

Figu ra 3 .2 3 . Túnel de c o n g e la ció n de cinta sinfín con flujo lateral de aire.

E ) Túnel de congelación de cinta sinfín en espiral Se tra ta d e un m o d elo de tú n e l de congela­ ción d e c in ta sinfín q u e tien e m en o s o cu p ació n en p la n ta q u e cu a lq u ie r o tro tú n e l d e co n g ela­ ción de igual capacidad. E l h ech o d ife re n c ia l es q u e la c in ta se apila e n ro llá n d o se sobre sí m ism a e n e s p ira l com o se m u e stra e n el e sq u e m a d e la fig u ra 3.24. E n los p rim e ro s m o d elo s el c u e rp o c e n tr a l, c ilin ­ drico, n e c e s ita b a guías y ra íle s c o m o so p o rte d e las e sp ira s, p e ro a c tu a lm e n te el s o p o rte ha sido su s titu id o p o r el em p le o de c in ta a u to a p ilable. E l c u e rp o central tien e d o s c o m p o n en te s: el sistem a de ac c io n a m ie n to y tra c c ió n y el c o n ­ ju n to d e esp iras fo rm ad o p o r la cinta sinfín autoapilable. E i sistem a tra c to r es circu la r y e stá situ ad o en la base del cu erp o cen tral. E stá fo rm a d o p o r una cad en a q u e se desliza so b re u n so p o rte de b o las de acero, accionada por ü iia iu e d a d e n ta ­ da aco p lad a a un m o to r d e baja ten sió n . La cinta es de m alla de ace ro in o x id a b le y lleva b aran d illas en sus do s lados. Ed a n ch o ele

la c in ta y la a ltu ra de las b a ran d illa s p e rm ite congelar cu a lq u ie r tipo de p ro d u cto y co n d icio ­ n a la cap acid ad m áxim a de producción. E n cad a m o m e n to , un a sección de la cin ta llega a la base del c u e rp o central, y su b e te m ­ p o ra lm e n te a la c a d en a del sistem a tra c to r que la em p u ja y la eleva de fo rm a qu e se va ju n ta n ­ do a la espira su p e rio r p o r contacto d el b o rd e de sus b a ra n d illa s con la b a se de la s u p e r io r d o n d e hay un p e q u e ñ o resalte. El e m p u je del sistem a tra c to r a la cin ta qu e va e n tra n d o p ro ­ duce el m o v im ien to circu lar del cuerpo c en tral de fo rm a co m p ac ta, sin que las espiras q u e van a sc e n d ie n d o se m u e v a n un as resp ecto a o tra s b a sta q u e lleg a a la p a r te su p e rio r y la cin ta a b a n d o n a el c u e rp o c e n tra l p o rta n d o el p ro ­ d u c to co n g e la d o . F in a lm e n te la cin ta re to rn a hacía la e n tra d a c e rra n d o el lazo. L as b aran d illas la te ra le s y la m alla d e la b a ­ se de la c in ta se c o n stru y e n de fo rm a q u e se aju stan al traz a d o d el re co rrid o sin p e rd e r c o n ­ tinuidad, c u rv án d o se p a ra fo rm a r el espiral. A l aco p la rse la cin ta con la esp ira s u p e rio r se d elim ita u n a zona de congelación, de sección rectan g u lar, c e rra d a y lib re de atascos, q u e sólo

F ig u r a 3 .2 4 . Esquema de túnel de c o n g e la c ió n de cinta sinfín en espira l: 1 : cin ta con b a ra n d illa , 2: cuerpo ce ntra l (espi­

ras), 3 : sistema tractor, 4 : e va p o ra d o r, 5 : ve n tila d o r, ó: b astid o r d ire cto r del a ire , 7 : tensor d e la cin ta , 8: desescarche neum ático a u to m á tico , 9 : e n tra da del producto, 1 0: prod u cto co n g e la d o .

deja pasar el aire frío a través de rejillas y ba­ randillas. E l aire circula en contracorriente respecto al m ovim iento ascendente del cuerpo central y en corrientes cruzadas respecto al movimiento circular de la espira, consiguiéndose una turbu­ lencia que aum enta U, dism inuyendo el tiem po de congelación resp ecto a o tro s equipos de congelación. E sto acelera tam bién la formación de u n a prim era capa de congelación al entrar el alim ento que lo protege de la deshidratación, con lo que las pérdidas de hum edad son míni­ mas. Se construyen de diversos tam años y ca­ pacidades. En el cuadro 3.5 se incluyen carac­ terísticas de un m odelo de gran capacidad de producción patentado por FR IO O S CA N D IA . Los túneles de congelación en espiral, como el q u e se m uestra en la figura 3.25, son muy versátiles respecto a los productos a congelar, pudiendo utilizarse para alim entos muy diver­ sos, de los que son ejemplos verduras, frutas, filetes de pescadn, gam bas, chipirones, ham ­ burguesas, albóndigas fritas, pollo (filetes, pe­ chugas muslos, frescos o cocinados), pan y bo­ llería sin hornear comidas preparadas, de todo

tipo, alim entos envasados a vacío y ag u a en bolsas de plástico. A títu lo com parativo, se pueden congelar ham burguesas en 12-15 min.

CUADRO 3.5

.

Características de un túnel de congelación de cinta sinfín en espiral Anchura de la cinta Superficie útil por espira Altura de la barandilla Velocidad de la cinto: — alta — baja Número máximo de espiras: — de 80 mm — de 220 mm Altura máxima Ocupación en planta Capacidad de producción máxima

1.000 mm 15,5 m5 80-220 mm 3,5-30 m min-1 2,0-20 m min-1 40 25 7,7 m <7A m1 8 th - '

Fuente; Datos de PRIGOSCANDIA: Girccompact M I 06.

C) Túnel de congelación de lecho fluidizado Es un m éto d o de contacto con aire en que éste entra p o r la cara inferior de la cinta sinfín

F ig u ra 3 . 2 5 . M o d e lo a v a n z a d o d e túnel de congelación de cinta sinfín en e spiral (cortesía de FR IG O SC A N D IA ).

con suficiente velocidad p ara suspender los ali­ m entos y hacerlos flo tar form ando un lecho íluidizado e n tre 10 y 20 cm de espesor que avanza en la dirección de la cinta. Los lechos fluidízados se caracterizan por su gran tu rb u len cia, que p erm ite o b te n er coefi­ cientes superficiales de tran sm isió n de calor muy elevados, lo cual se traduce en una veloci­ dad de congelación mayor. A dem ás, se pone en juego toda la superficie del alim ento, puesto que éste se separa del conjunto y flota indivi­ dualmente en el aire, que le hace subir, bajar y tropezar continuam ente con ¡os elem entos ve­ cinos. Por eso se h a bautizado a esta técnica co­ mo IQ F (Individual Q uick Freezíng) y es el procedimiento más rápido de congelar después de los congeladores criogénicos. L a velocidad de congelación es muy rápida {U y A elevados) y d ep en d e del tipo de pro­ ducto. Para congelar guisantes bastan 3 min.

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La velocidad del aire tiene que ser suficien­ te para m an ten er el alimento en suspensión y depende de la densidad de éste, el tam año y la forma. Suele estar alrededor de los 300-400 m min-1. D e las características del sistema se d e ­ duce que se debe utilizar con alimentos de p e ­ queño tam añ o o troceados, com o guisantes, maíz, coles de Bruselas, judías verdes, fresas, granos de arroz cocidos, gam bas y com ponen­ tes para las m enestras, etc. E n la figura 3.26 se incluye un esquema de un túnel de congelación de lecho íluidizado que responde básicam ente a un modelo avan­ zado de F R IG O S C A N D IA . Se construyen con capacidades entre 3.000 y 12.000 kg h-1. La cinta está dividida en dos zonas. El ali­ m ento pasa de la prim era a la segunda zona ca­ yendo lib rem en te p ara im pedir el apelm aza­ m iento de los productos húm edos o pegajosos. P ara im pedir este posible apelm azam iento en

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FtGURA 3.26. Esquema de un túne! de congelación de lecho íluidizado (basado en e! FLOFREZEM IQF Freezer de FR1GOSCANDIA). 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 ai­ re era independiente en las dos zonas de con­ gelación. En el modelo del esquema la circula­ ción es interactiva. El caudal de aire de la zona de congelación inicial se dirige hacia la zona fi­ nal más fría, creando una turbulencia que ace­ lera la transferencia de calor y asegura una rá­ pida 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 superfi­ cie 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 neumá­ tico automático. Toda la operación está infor­ matizada en un panel desde donde se seleccio­ nan 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 car­ bónico ( 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 co­ mo 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 dis­ tribución industrial está asegurada a precios ra­ zonables, por lo que son aceptables para un método de congelación por contacto directo. El contacto puede ser por rociado del gas li­ cuado 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 congela­ ción criogénico de N , líquido. El nitrógeno lí­ quido procedente de un tanque de almacena­ miento o de una batería de botellas se rocía sobre el producto, que entra en el túnel trans­ portado por una cinta de malla. En el contacto con el producto hierve a -196 °C tomando el ca­ lor latente necesario del alimento que se conge­ la a una gran velocidad, y convirtiéndose en ni­ trógeno gas a -196 °C, que constituye un foco frío excelente para seguir robando calor al ali­ mento 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 res­ to 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 en­ trada, donde sube su temperatura a costa de disminuir la del alimento, que se enfría y es así, preenfriado, como pasa a la zona de congela­ ción. El N2 gas a temperaturas ya más cercanas a las del medio ambiente se vehicula a la at­ mósfera ya que no se recupera. La recirculación del N2 gas se hace median­ te un ventilador que lo proyecta encima del ali­ mento 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 res­ bala 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 con­ gelación pero, a pesar de ello, en el contacto con el nitrógeno líquido puede experimentar un choque térmico, capaz de producir tensio­ nes internas derivadas de contracciones o ex­ pansiones rápidas y desiguales en los alimentos con distribución zonal muy heterogénea, pudíendo llegarse a cuartear. A ntes de su salida el producto recorre una última zona donde se equilibra en parte la di­ ferencia 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: recircula­ ción 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 en­ trada. 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 méto­ dos que produce ultracongelados. Esto se de­ be a que el cambio de estado del nitrógeno lí­ quido a gas produce una turbulencia que disminuye considerablemente la película o ca­ pa de convección y los valores de U alcanzan un valor excepcional, y además el salto térmi­ co 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 espe­ cial cuando la relación superficie-volumen es grande. Por ejemplo, se pueden congelar ham­ burguesas en 3 min. La capacidad de humidificarse del nitróge­ no líquido es menor que la del aire. Las perdi­ das de peso del producto por deshidratación son menores que en los sistemas de contacto directo con aire frío. Algunos autores las seña­ lan 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 pa­ ra instalaciones de frío mecánico y criogénico de la misma capacidad (3.000 kg Ir1) en fun­ ción de la ocupación o factor de carga anual. A partir del 20% de ocupación los costes son fa­ vorables al frío mecánico. Es obvio que la com­ paración 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. Prim ero se obtie­ ne una congelación rápida de la superficie pa­ sando el producto transportado por una cinta sinfín a través de un depósito de nitrógeno lí­ quido de nivel constante, formándose una cor­ teza de unos milím etros que conform a el pro­ ducto y lo protege, y se sigue después la operación por m étodos de frío mecánico hasta la congelación total. El nitrógeno gas que se origina se evacúa al exterior. La calidad aum enta, pues en nitróge­ no líquido no hay deshidratación y la corteza congelada form ada m itigaría una hipotética deshidratación en Ja operación posterior. U n sistema de inm ersión directa parecido al anterior utiliza freón con buen resultado desde el p u n to de vista de ía velocidad de congela­ ción. A dem ás el freón se recupera en un 97%, por lo que el coste es menor. Sin em bargo, el freón no goza de la falta de sabor y olor del ni­ trógeno o del anhídrido carbónico y puede co­ m unicárselo a los alim entos, por lo que sólo se recom ienda para productos envasados, E l an h ídrido carbónico licuado tiene un punto de ebullición de -7 8 °C a la presión at­ mosférica, más alto que el del nitrógeno líqui­ do, y esta circunstancia le hace preferible cuan­ do el alim ento es lábil al choque térm ico. C uando 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 preenfriam iento y la nieve carbónica que cae sobre el producto lo congela sublim ándose. En estos congelado­ res la zona de congelación debe ser algo más larga porque la nieve carbónica no cambia de estado tan deprisa como el N2 líquido. E n la su­ blimación se pone en juego el 85% de la capa­ cidad congelante total del C 0 7 licuado. El an­ h ídrido carbónico gaseoso tam poco se recupera y es conducido a la chim enea para su liberación a la atm ósfera. Los túneles de congelación criogénicos pue­ den congelar tanto productos a granel como envasados y pueden acoplarse a otros congela­ dores como etapa previa. Se utilizan para con­ gelar gambas, langostinos, mariscos en general,

fresas, fram buesas, pasteles, panes, h a m b u r­ guesas, taquitos de pescado, verduras y otros productos.

B) Túneles de congelación p o r inmersión en mezclas frigoríficas Con el nom bre de mezclas frigoríficas se co­ nocen líquidos como la salmuera (23% de cloru­ ro sódico en agua), propilenglicol, disolución de sacarosa (60% en agua), que tienen un p u n to de congelación por debajo de 0 °C, la salm uera -21 ÜC, el propilenglicol -45 °C y la disolución de sa­ carosa -15 °C, y que pueden servir de vehículo de transporte del calor del producto al evapora­ do: de una m áquina frigorífica. El m étodo supe­ ra al de placas p o r el contacto íntimo en tre el producto y la mezcla frigorífica, que favorece la transmisión de calor, y porque mantiene la cali­ dad en alimentos sensibles a la oxidación y a la deshidratación. Salvo el empleo fie la salmuera para congelar pescado y la sacarosa para conge­ lar 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 sistem a respecto a los alim entos sensibles a la congelación con aire frío. Se construyen m odelos variados p e ro fu n ­ d am en ta lm e n te consisten en una cinta sinfín que tran sp o rta el alim ento en contracorriente con la mezcla frigorífica en un depósito longi­ tudinal, como se m uestra en la figura 3.29.

Figura 3.29. Esquema de un túnel de congelación por in­ mersión en salmuera: I : artesa cerrada con aberturas de en­ trada y salida, 2: evaporador, 3: salmuera, 4: cinta sinfín, 5: bomba.

Resumen 1. La congelación es u n a operación de conser­ vación de los alim entos que se basa en redu­ cir su te m p eratu ra p o r debajo de -1 8 “C. A esta te m p eratu ra se inhibe el crecimiento de los m icroorganism os ta n to pató g en o s como alterativos y se anula la velocidad, de las reac­ ciones de pardeo quím ico (M aillard). La ve­ locidad de las reacciones enzim átícas se redu­ ce p e ro n o se a n u la , sie n d o éste el caso tam bién de los procesos oxidativos. 2. In ternacionalm ente se ha fijado en -18 °C la te m p e ra tu ra m áx im a de la cad en a del frío. E sta es una expresión que com prende la se­ cuencia de instalaciones, vehículos y apara­ tos, desde la producción del alim ento conge­ lado hasta las vitrinas de los centros de venta. La cadena del frío d eb e asegurar que la tem­ p eratu ra d e l alim ento no sube por encima de -1.8 °C, pues p o d ría d añ a rse su textura por recristalización. 3. La congelación in d u stria l supone la capaci­ dad de disponer de u n foco frío de tem pera­ tura in ferio r a -18 °C fácil de o b te n er y reproducible. Esto se ha conseguido con el frío m ecánico, que se b asa en los ciclos termodinámicos de refrigeración, y con el frío criogé­ nico, que se basa en la utilización de gases li­ cuados. 4. En la producción de frío m ecánico el refrige­ ra n te re c o rre rá c o n tin u a m ente un circuito cerrado. M ientras el sistem a funcione habrá un foco frío estable y perm anente. Si el siste­ m a se p ara basta p o n erlo en m archa para re­ p ro d u cir el foco frío . E n la producción de frío criogénico el efecto refrigerante lo pro­ porciona u n líquido con tem p eratu ra de ebu­ llición muy baja (el Ni, hierve a -195,8 °C, el C O , a -78,5 °C) que en el contacto con los alim entos cam bia al estado de gas. 5. Ln principio, sólo el agua presente en el ali­ m ento congela a te m p eratu ra de -18 °C. To­ dos los conocim ientos químico-físicos y cris­ talográficos de la co ngelación d e l agua son aplicables. L a velocidad de congelación con­ diciona la form ación de m icrocristaics en el conjunto del tejido alim entario o macrocristales en los intersticios celulares. En este se­ gundo caso pelig ra la in te g rid ad celular y

cuando el alim ento se descongele no recupe­ rará la tex tu ra original. 6. C uanto más rápida es ía congelación m ás se asegura la form ación de m icrocristaics y m e­ nor es la pérdida de hum edad. L a velocidad de transm isión de calor en tre el foco frío y el alim ento 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 p ara la congelación de alim entos 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 o v er del alimento p o r u n i­ dad de tiem po y que nos d ará la potencia n e­ cesaria de ía m áquina frigorífica y, en segun­ do lugar el tiem po de congelación. La prim era se determ ina a p artir de la cantidad h o raria de alim ento a congelar y de alguna de sus características com o co n ten id o en agua, p orcentaje de agua qu e congela, punto de congelación, calores específicos y calor la­ ten te d el cam bio de estad o . El tiem po de congelación se puede calcular por la ecuación de P lanck-E ndc, que da resultados satisfacto­ rios tanto para productos a granel com o para envasados. 8. Los ap a rato s p ara la congelación ev o lu cio ­ nan al ritm o de las n uevas tecnologías y los nuevos m ateriales y su e len tener un elevado grado de tecnificación inform ática. Se p u e ­ den clasificar en tres grandes grupos en re la ­ ción con e! tipo de co n tacto entre el alim en­ to y el foco frío. A sí, h a y con g elad o res de contacto d irecto del alim ento con la su p erfi­ cie fría del e vapor ad o r de la m áquina frigo­ rífica, congeladores de contacto d irecto con aire frío qu e hace de flu id o in term ed iario en el tran sp o rte de calor d el alim ento al ev ap o ­ rado!' y congeladores de inm ersión. Los p ri­ m eros son los congeladores de placas, de es­ carcha y de tú n el de congelación superficial, los segundos son los túneles de congelación, de cin ta sinfín, bien en bandas su p erp u estas o en esp ira l, y de lechos íluidizados, y los terceros co rresp o n d en a túneles de con g ela­ ción criogénicos o a tú n e les que utilizan finí-

dos distintos a! aire p ara tra n sp o rta r el c a ­ lor, tales com o la salm uera, soluciones de s a ­ carosa o el p ro p ile n g lico l E n algunos casos d e alim entos p rep arad o s se em plean com bi­ n acio n es de dos tún eles de congelación en serie, el p rim ero para h acer un conform ado superficial y el segundo p ara congelar to d a la m asa. 9. H ay que e n ten d e r la descongelación como la fase final del proceso congelador. En condi­ ciones equiparables el tiem po requerido en la descongelación es m ayor que en la congela­ ción, porque el calor específico del agua que se va form ando en la fusión del hielo es do ­ ble que el del hielo y su conductividad es la cu arta p arte. La descongelación p uede acele­ rarse utilizando un foco caliente de tem p era­ tu ra alta, siem pre que no im porte, o incluso q ue se busque, el cocinado del alim ento. T am bién se p u ed e n utilizar los m icroondas en su frecuencia m ás baja y por impulsos in ­ term itentes. En general, cuando la congela­ ción ha sido rápida conviene una descongela­ ción rápida y cuando ha sido lenta conviene u na descongelación lenta. E n la industria transform adora se descongela en algunos ca­ sos sólo hasta -3 “C (alem perardo),

Problemas propuestos 1, D eterm in e el coeficiente de funcionam iento de un ciclo de refrigeración por com presión que em plea am oníaco en condiciones de sa ­ turación. L a tem p eratu ra de evaporación es de -1 0 UC y la de condensación 20 °C. 2. U n a cám ara de refrig eració n de alim entos precisa 10 toneladas de frío, p a ra 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:

ción) y 30 °C (condensación) un au m en to de 5 "C en el evap o rad o r en relación a la p o te n ­ cia de refrigeración, el coeficiente de funcio­ n a m ien to , el consum o de p o te n cia p o r el co m p re so r y el ca lo r elim inado d u ra n te la condensación. 4. Se dispone de una unid ad de frío que precisa ex tra er 140 k J para q ue tenga lugar la co n ­ densación de 1 kg de fluido refrigerante. La p o te n c ia consum ida p o r el com presor, que tien e 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 refrig eració n b asad o en el freó n R-12 op era con un evaporador a -2 0 °C y un co n d en sad o r a 40 °C. Las necesidades frigoríficas ascienden a 15 toneladas de frío. Calcúlese: a) El caudal másico de refrigerante, b) La potencia consum ida por el com presor, el cual presenta un rendim iento del 80% . c) El co eficien te de fu n cio n am ien to o e fi­ ciencia. Si se m odifica el sistem a introduciendo en el ciclo una segunda expansión a 400 kP a e n ­ tre la salida del conden sad o r y la expansión p revia al evaporador, establezca:

a) El coeficiente de funcionam iento. h) El flujo másico de refrigerante. c) El flujo de calor retirado po r el condensa­ dor.

d) Los caudales músicos de refrigerante para los dos com presores de este nuevo ciclo. e) ¿Q ué sistema (el convencional o el m o d i­ ficado) es m ás conveniente aten d ien d o a la potencia consum ida en cada caso, s u ­ puesto que todos los com presores tienen el m ism o rendim iento?

3. E stablezca cóm o afecta a un sistem a de refri­ geración con R-12 que opera a -1 0 (evapora-

6. Repita los ejemplos 3.1 y 3.2 utilizando am onia­ co 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 congela­ dor a 15 °C y saliendo a -25 °C. Las temperatu­ ras de operación del refrigerante durante la evaporación y condensación son, respectiva­ mente, -30 °C y 40
ambas etapas trabajan en condiciones de satu­ ración, que el sistema de refrigeración se com­ porta adiabáticamente, que el producto alcan­ za el equilibrio térmico con la sal muera y que el rendimiento del compresor es del 90%; a) D ibujar el ciclo de refrigeración sobre el gráfico P-H y un diagrama de bloques con las distintas corrientes y etapas del siste­ ma, así como las condiciones (P,T,H) a la entrada y salida de cada operación. b) Calcular la potencia de refrigeración. c) Determ inar el flujo másico de refrigeran­ te, el coeficiente de funcionam iento y la potencia consumida por el compresor, d) Si quisiéramos reducir en 2/3 la fracción de refrigerante vapor que entra en el eva­ porador m ediante una segunda expan­ sión, ¿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? D atos

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%.

— Calor latente de congelación del agua: A. = 80 kcal/kg. — Calor específico del agua: C p+ = 1 kcal/(kg°C). — Calor específico del hielo: Cp" = 0,5 kcal/(kg °C). 8. Se pretende congelar 600 kg/li de carne de va­ cuno, cuya temperatura es de -18 °C, por in­ mersión en una sal muera a —21 °C. Ksta tempieratura se alcanza m ediante 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

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 e frig e rac ió n 4.2. Atmósferas protectoras

R EFR IG ER A C IÓ N Y ATM ÓSFERAS PRO TECTO R A S

l alm acenam iento da los productos frescos has­

E

ta su consumo si éste es rá p id o o hasta su paso a la etapa de conservación puede hacerse me­ d ia n te re frig e ra c ió n en cá m a ra s frig o rífic a s con temperaturas entre -1 y 8 °C, cuya técnica general se ha descrito en el ca p ítu lo 3, Los productos vege­ tales se han venido alm acenando para retrasar su m aduración en cám aras con atmósfera controlada

donde se mantiene un bajo nivel de oxígen o y etileno. Los conocim ientos obtenidos en esta técnica se han transvasado a un moderno m étodo de conser­ vación in d iv id u a liz a d a por envasado en atmósferas protectoras que retrasan el deterioro m icrobiológico y m etabólico de los alimentos. Finalmente, la refri­ geración com binada con el envasado en atmósfe­ ras protectoras conduce a los mejores resultados.

N om enclatura Energía necesaria p ara condensar '1 g de agua = 2,55 kj g-1 Cp Calor específico del producto (kJ kg-1 °C '!) c p«h Calor específico m edio del aire húmedo (k.T n r 3 X M) Calor desprendido en la cám ara de refrigera­ C, ción (kJ t"1 día-1) M Masa del alim ento (kg) M, Contenido de producto de la cámara de refri­ geración (l.) Qi Cantidad de calor a rem over en la cámara fri­ gorífica (k j día-1) Calor de respiración y maduración (kJ día-1) 2, 0, Necesidades energéticas por renovación (kJ día-1) o■— .'s»: Necesidades energéticas por enfriamiento cleí aire (kJ d í a 1) ¡23 Necesidades energéticas por variación de la humedad absoluta del aire (kJ día"1) 2 4 Pérdidas por transm isión de calor/día a través del suelo (k j día-1) Cf

21 24 25 Qr S' S" h h A t‘ . Al" U‘ U" V 7 ir 5

Pérdidas por transmisión de calor/día en p are­ des y techo (k.T día-1) Pérdidas totales por transmisión de calor (kJ día-1) Pérdidas de calor operacionales (kJ día-1) Necesidades energéticas totales de una cámara de refrigeración (kJ día-1) Superficie de paredes y techo (rrv2) Superficie del suelo (m2) Tem peratura inicial ( X ) Tem peratura final (°C) D iferencia de tem peraturas exterior-inLerior (°C) D iferencia de tem peraturas interior-suelo (°C) Coeficiente global de transmisión de calor para paredes y techo (kJ h-1 m-2 “C"1) Coeficiente global de transmisión de calor para el suelo (kJ h-1 n r 2 °C-1) Volumen de aire renovado (m3día-i) Masa de agua a eliminar por volumen de aire (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 dem anda punta de re­ frigeración p o r fusión del hielo acumulado.

atmósfera controlada (MAS): A tm ósfera cuya com ­ posición es regulada dentro de ciertos límites du­ rante la operación del alm acenam iento y m adu­ ración de productos vegetales en cámaras frigoríficas.

alimentos refrigerados: A lim entos frescos perecede­ ros conservados a tem peraturas entre -1 y 8 °C.

atmósfera modificada (MAP): Gas o mezcla de ga­ ses, generalm ente teniendo una cierta cantidad

de oxígeno, que sustituye al aire en el envasado hermético de un alimento fresco. atmósfera protectora: Mezcla de gases o condicio­ nes de vacío que constituyen mejores oportuni­ dades que el aire para el m antenim iento de la calidad de los alimentos frescos envasados.

4 .1 .

Refrigeración

L os a lim e n to s c o n g e la d o s (c a p ítu lo 3) se co n serv an y m a n ip u la n a la te m p e ra tu ra m íni­ m a estab lecid a in te rn acio n alm en te , de - 1 8 °C, p a ra la cad en a del frío. E n lincas g en erales to ­ d a in sta la c ió n d e c o n se rv a c ió n d e a lim e n to s p o r c o n g e la c ió n d e b e in c lu ir un s is te m a de co n g elación p ro p ia m e n te dicho, que d e b e lle ­ v ar el a lim e n to a -1 8 GC lo m ás rá p id a m e n te p o sib le, y un sistem a d e a lm a c e n a m ie n to d el p ro d u cto congelado q u e lo m a n ten g a a la te m ­ p e ra tu ra d e referen cia de fo rm a co n stan te. E s ­ te alm ac en a m ie n to p u ed e p ro lo n g arse d u ra n te m eses, p o r lo q u e hay q u e d isp o n er d e cám aras frigoríficas adecuadas. Sin em b arg o existen p ro d u cto s que sólo a d ­ m iten te m p e ra tu ra s de en friam ien to p o r enci­ m a del p u n to de congelación, com o es el caso d e las fru ta s, alg u n as h o rta liz a s, la le ch e , el q u eso , alg u n o s e m b u tid o s, efe. E l em p leo del frío, au n q u e sea con esta lim itación, constituye u n m edio im p o rta n te d e co n serv ació n de este tip o de alim e n to s p o r unos días o sem anas. Se define así la refrigeración com o una o p e ­ ración q u e se aplica a los alim entos p ereced ero s p ara prolongar el tiem po q u e perm an ecen higié­ n icam en te seguros y o rg an o lép ticam en te acep­ tables m ediante su conservación a tem p eratu ras su p erio res a -1 °C e inferiores a 8 GC. L os ali­ m entos así conservados se llam an refrigerados. Los alim e n to s refrig erad o s se han en friad o h a sta u n a te m p e ra tu ra ó p tim a y p e rm a n e c e n

cámaras frigoríficas: Recintos térm icamente ais­ lados en cuyo interior se mantiene una tem pe­ ratura entre -20 “C y -30 °C en el caso de con­ gelación y entre -1 y 8 °C en el caso de la refrigeración.

a lm a c e n a d o s a esa te m p e ra tu ra sin q u e n in g ú n p u n to del alim e n to haya lleg ad o a co n g elació n e n n in g ú n m o m en to . L a co n serv ació n se h a c e ta m b ié n en cám aras frigoríficas q ue en este ca­ so m a n tie n e n la te m p e ra tu ra del p ro d u cto e n ­ tr e -1 y 8 °C. T am bién p a ra los alim en to s r e fri­ g e ra d o s e x iste u na c a d e n a d el frío d e s d e la p ro d u c c ió n h a s ta el co n su m id o r co n un a te m ­ p e r a tu ra de referen cia cercan a aO “C (alm acén frig o rífic o , tr a n s p o r te , d e p ó sito s de d is trib u ­ c ió n , c e n tro s de v en ta, v itrin as y n ev e ras d o ­ m ésticas). T a m b ié n so n cám aras refrig erad as las salas d e e la b o r a c ió n m a n te n id a s a 12 °C d o n d e se p ro c e d e al desp iezad o , tro ce ad o y file te a d o de aves, v a c u n o y porcino y a la salm o rizació n y e n v a sa d o . E n g en eral, las o p era cio n e s en que. in te r v e n g a n m a n ip u la d o re s de a lim e n to s d e ­ b e n se r rea liza d as en cám aras refrigeradas. L a ac ció n co n se rv a d o ra del frío en las c á ­ m a ra s frig o rífic as se p u e d e p o te n c ia r con la su stitu c ió n d e l aíre de la cá m a ra por gases p r o ­ te c to re s co m o el n itró g en o o el an h íd rid o c a r ­ b ó n ic o , con lo que se p ro lo n g a aún más el p e ­ río d o d e conservación, m a n ten ien d o la calidad.

4 .1 .1 . Efectos del descenso de temperaturas

L o s efe cto s son los siguientes: a)

E v ita r el cre cim ien to de los m ic ro o rg a ­ n ism o s te rin ó filo s y de m u ch o s m esófi-

los. E n tre estos últim os se en cu en tran los patógenos más caracterísitcos (géne­ ros salm ón ella, s taphilococits aureus, escherichia culi) en los alim entos. b ) A largar el período de íatencia d e los m i­ croorganism os p sicrótrofos (género pseudom onas fla v o b a cteriu m ), q u e son los principales causantes de alteración en los alim entos refrigerados (flora banal). La m ayoría de los m ohos y levaduras son psicrótrofos asimismo. c) D ism inuir logarítm icam ente la velocidad de las reacciones bioquím icas (tiansfor-, m aciones enzim áticas, respiración de los alim entos frescos). d) Disminuir logarítm icam ente la velocidad de las reacciones quím icas que pueden tener lugar en los alim entos (oxidación de lípidos, desnatu ralizació n de pro Ler­ nas, degradación de pigm entos). T o d o e llo conduce a m a n te n e r la sa lu b ri­ dad, las cu alid ad es o rg an o lé p tic as, e l p o d er nutritivo, la te x tu ra y la ap a rien c ia de los ali­ m entos, dando una b u e n a im agen de p roduc­ tos frescos y n atu ra les, p o r lo que la conser­ vación p o r refrigeración es una operación en auge. Sin em bargo, la refrigeración no destruye ios m icroorganism os, cuya clasificación en función de la te m p eratu ra se da en el cuadro 4.1, ni anula las velocidades de reacción bio­ químicas y quím icas, por lo que los alim entos refrig erados no se conservan in d e fin id am e n ­ te y tienen una vida útil rela tiv a m en te co rta (días o sem anas), si bien su p e rio r a la que al­ canzarían alm acen án d o lo s a la te m p e ra tu ra am biente. D esde el p unto de vista sanitario es im p o rta n te aseg u rarse de que los signos de d e te rio ro o alte ra c ió n del p ro d u c to p u e d a n ser percibidos por el consum idor antes de que ningún organism o p a tó g e n o alcance niveles de 10ú m icroorganism os o anidados form adores de colonias ( u fe ) p o r gram o, siendo conve­ n iente m antener la te m p eratu ra cercana a los 0 °C.

CUADRO 4.1 Clasificación de los microorganismos en función de sus temperaturas óptimas Termófilos Mesófilos1 Psicrótrofos2 Psicrófilos3

4 5 /5 5 °C 10 /45 °C 2 5 /3 5 °C (puede descender a 5 °C] - 5 /+ 1 5 °C

1 Enfre ellos se encuentran los patógenos im p ortu n es en los alim entos. A lgu no s de ellos pueden actuar com o psicrótro fos entre

3 y 7 °C.

2 Principales alterativos. N o patógenos. J Alterativos. N o patógenos.

4.1.2. Factores que determinan la vida útil de los alimentos refrigerados

Para el diseño de una instalación de conser­ vación por refrig eració n conviene identificar los factores que pueden condicionar ía calidad y la vida útil del producto, A continuación se reseñan los más im portantes: 1. El tipo de alim ento de q u e se trate. 2. El alm acenam iento previo a la refrigera­ ción. 3. Que el alim ento sea fresco o procesado. 4. Que sea sólido o líquido. 5. La hum edad relativa de la atm ósfera del alm acenam iento en refrigeración. Se pasa a glosar cada uno de los apartados anteriores. 1. Respecto al tipo de alim ento conviene se­ ñalar que cada alim ento tiene un a tem peratura de refrigeración óptim a. G en eralizan d o , se pueden contem plar dos grandes grupos: — Tejidos animales, huevos y leche req u ie­ ren tem peraturas bajas e n tre -1 y 1 °C — Verduras y frutas tienen un intervalo de variabilidad más amplio, q u e puede ir de -1 a 5 °C. E n el cuadro 4.2 se incluyen algunos valores óptim os de tem p eratu ra. E stos valores se de­ ben conservar en todas las etapas de la cadena

de refrigeración, incluida la doméstica, con una variación m áxim a de ±1 °C. A lgunas fru ta s y v erduras procedentes de regiones tro p ic ale s su fren alteracio n es si se refrigeran a las tem peraturas habituales de su grupo. E l frío las “dañ a” p o r alteración metabólica y e s tru c tu ra l, com o es el caso de ios plátanos, cuya piel se po n e negra y se pudren interiorm ente cuando se alm acenan a tem pe­ raturas inferiores a los 12 °C. Finalm ente, si se quiere tener un producto refrigerado de calidad hay que p artir de una m ateria prima d e calidad. L a refrigeración no se plantea p ara introducir m ejoras en la cali­ dad, sólo trata de conservarla. 2. L a operació n de refrigeración debería realizarse inm ediatam ente tras el sacrificio de los animales, la pesca, la recolección o el proce­ sado de los alimentos. El transporte lejano y el alm acenam iento a te m p eratu ra am biente au­ mentan la probabilidad de deterioro químico y enzim ático y d e contam inación m icrobiana,

tanto más cu an to mayor es el retraso en proce­ der a la refrigeración. 3, R especto a los alimentos frescos verduras y frutas, hay q ue ten er en cuenta su actividad m etabólica después de ía recolección. La refri­ geración ralentiza la respiración aerobia, pero no la elim ina, p o r lo que hay q ue ten er en cuenta la generación de CO , y el calor d e las reacciones de oxidación de los carbohidratos y ácidos orgánicos. E l calor generado en la respi­ ración debe ten erse en cuenta en los cálculos de refrigeración. Cuando las verduras y frutas han sido pro­ cesadas o fo rm an p arte de alim entos prepara­ dos la actividad respiratoria ha desaparecido. 4, En el caso de alimentos sólidos o líquidos envasados el alm acenam iento refrig erad o se hace en cám aras frigoríficas. E n ei caso de lí­ quidos a g ran el la refrigeración se hace p or cam biadores d e calor, siendo necesario en oca­ siones la utilización do un acum ulador d e frío (agua helada).

CUADRO 4.2 Datos pora los cálculos frigoríficos de alimentos refrigerados

Producto

Aves Frescas Carne buey (magra) Carne cerdo fresca Jamón fresco Queso en maduración Pescados frescos Pescados ahumados Leche pasteurízada Huevos frescos Espinacas Guisantes Coles de Bruselas Alubias verdes Patatas nuevas Tomatas Manzanas Naranjas Fresas

Punto de congelación p.c. r e )

-2 ,7 -1 ,7 -2 ,0 -1 ,7 -2 ,2 -2 ,2 -0 ,6 -2 ,2 -0 ,3 -0 ,0 -0 ,8 -0 ,7 -0 ,0 -0 ,5 -1 ,5 -0 ,8 -0 ,8

Calor especifico por encimo del p.c. (kl kg“ T "C-')

Temperatura de almacena­ miento ro

3,40 2,90 2,13 2,50 2,09 3,40 2,92 3,76

0 -5 /+ 1 -1 /+ 1 0 /-I - 1 /- 2 +0,ó/+2 + 4/+ 1 0 +0,ó 0 0 0 0 + 4 /+ 7 + 10/+13 + 7/+ 1 0 - 1 /- 3 0/+ 9 -0,5

4,00 3,53 3,80 3,80 3,63 3,97 3,59 3,7ó 3,84

Humedad relativo IV

85-90 90-95 85-90 85-90 65-70 90-95 50-00 — —

90-95 90-95 90-95 90-95 90 85-90 90 85-90 90-95

Tiempo de almacenomiento

co2 Calor de respiración desprendida |kj hg"1 día’ 1) (mg kg_1 día-1)

1 semana 5-10 días 3-7 días 7-12 días 0,75 5-1 0 días ó-8 meses 7 días 1 año 10-14 días 1-3 semanas 3-5 semanas 7-10 días 2-4 semans 4-7 días 1-6 meses 3-12 semanas 5-7 días

1 1,07 9,61 Ó,Ó8 1 1,57 3,00 7,18 1,88 1,67 5,43

to o 84 48-120 384

5. L a hum edad relativa en las cámaras tiene líquidos en arm arios o túneles, regulando la in­ yección del gas licuado de form a que no se lle­ tam bién valores óptim os para cada alim ento y debe m a n ten erse entre m árgenes m uy estre ­ gue a la tem peratura de congelación en el ali­ chos d u rante to d o el p erío d o de alm acena­ m ento. miento. Si la hum edad relativa es alta se pue­ La segunda fase es el almacenamiento frigo­ den producir condensaciones en las superficies rífico de los alimentos refrigerados. Se entiende com o tal su permanencia en cámaras frigoríficas frías de los alim entos con Jo que puede aum en­ en las condiciones de tem peratura, humedad re­ tar el crecim iento de los m icroorganism os en los productos no envasados. Por el contrario, si lativa, circulación de aire y, eventualm ente, com posición de la mezcla gases-am biente más baja la hum ed ad relativa, el alim ento pierde adecuada para el m antenim iento durante el m a­ agua p ara resta b le ce r el equilibrio, deshidra­ yor tiempo posible de las características de los tándose y perdiendo peso y calidad. alimentos en el momento de ser introducidos en E n el cuadro 4.2 se adjuntan datos relativos las mismas. Para esta segunda fase se utiliza el a los factores que determ inan ía calidad y la vi­ m étodo de cám ara frigorífica con aire en movi­ da útil de los alim entos refrigerados. Se han ex­ m iento a una tem peratura de 0 °C. tractado de M allet (1993) y G arcía-Vaquero y C uando no se requiere u na velocidad rápida Ayuga (1993). de refrigeración am bas fases pueden realizarse en una cám ara frigorífica. E n lo que sigue se dan las pautas p ara el cálculo de la carga de 4.1.3. Cálculos frigoríficos en la refrigeración frío total en este caso. Como en el casó de la congelación hay una carga de frío asociada a la operación, que tiene Enfriam iento del producto dos fases. La prim era es la disminución de la tem peratura del alim ento hasta su valor ópti­ E n la refrigeración sólo interviene el calor mo de refrigeración. La segunda es el traslado sensible del alimento, que se pone en juego al inm ediato del producto a una cám ara frigorífi­ descen d er su te m p eratu ra h asta el valor de ca donde se va a alm acenar refrigerado. La prim era fase puede realizarse m ediante conservación en el interior de la cám ara. La cantidad de calor a rem over será: alguno de los m étodos descritos para la con­ gelación, Con este fin se utilizan m étodos de contacto directo en túneles de refrigeración de Q\ ~ M Cp [q - q j [4.1] corrientes cruzadas con aire a 0 °C, para garan­ tizar que el producto no va a alcanzar en nin­ siendo M la masa del alim ento, Cp el calor es­ gún caso el p unto de congelación. Tam bién se pecífico del producto, q ía tem peratura inicial utilizan m étodos de inm ersión em pleando co­ o de entrada del producto y q la tem peratura mo refrigerante agua fría a 0 "C o cercana a ü final (tem peratura interior de la cámara). c0 y mezclas de hielo y agua, así como mez­ Como se ha indicado anteriorm ente es con­ clando el producto con hielo picado como es el veniente m an ten er la tem p eratu ra interior de caso del pescado. Cuando se requiere una velo­ la cám ara cercana a los 0 °C, por lo que por r e ­ cidad de refrigeración ráp id a el m éto d o más gla general q - 0 °C, salvo en casos especiales adecuado es el de túnel. de daño por frío. T am bién se p u ed e o b te n e r una refrig era­ L a velocidad de enfriam iento depende del ción rápida utilizando los m étodos de inm er­ tipo producto. Los alimentos perecederos con­ sión en gases licuados p o r rociado de los ali­ m entos con nitrógeno o an hídrido carbónico viene enfriarlos rápidam ente p ara disminuir el

riesgo de alteración, p o r lo que será necesario una m ayor p otencia del equipo de frío que en el caso de alim entos que p erm iten un e n fria ­ m iento más lento. Si los alim entos están en v a­ sados o colocados en cajas u otros recipientes h ay q u e te n e r tam bién en cu en ta su e n fria ­ m iento. S egún algunos au to res esto au m en ta Q t e n tre un 5 y un 10% . L a e ta p a de e n fria ­ m ie n to de p ro d u cto es la q u e co n su m e m ás energía en el proceso total.

Calor de respiración y m aduración C om o se ha indicado, algunos productos al­ m a ce n ad o s en refrig eració n co n tin ú a n d e s­ p ren d ie n d o calor por su actividad m etabólica (fru tas, v erd u ras, queso s). E l cálculo en este caso se establece en función del contenido en toneladas de producto de la cám ara de refrige­ ración (M () y el calor desprendido p o r tonelada y día (Cr). A efectos de simplificar los cálculos se co n sidera que la actividad re sp ira to ria del alim ento se m antiene constante. A sí se llega a:

&_

h \CPah

[4 5 ]

sie n d o V el v o lu m en de aire ren o v ad o , q la te m p e ra tu ra del aire de entrada, q la te m p era­ tu ra in te rio r de la cám ara y Cpah el calor esp e­ cífico m edio del aire húm edo referido a m 3. Las n ecesid ad es energéticas p o r v aria ció n de la h u m ed ad absoluta del aire serán: Q > C cYs

[4 -4]

d o n d e C'c es la energía necesaria p ara co n d en ­ sar un g de agua y V es la m asa de agua a eli­ m in a r p o r volum en de aire renovado. Las necesidades energéticas por renovación serán: 0 3 = o ; + Q"

[4.5]

E l agua de condensación fo rm ará escarcha en los ev ap o rad o res, por lo que h ab rá q ue in s­ talar un sistem a p ara su eliminación.

A p ara to s auxiliares Q 2- M £ r

[4.2]

Renovación del aire de la cámara E n las reacciones de respiración y m a d u ra­ ción se p roduce C 0 2 y se desprenden algunos otros gases volátiles y asimism o los productos en refrigeración pueden desprender arom as ca­ racterísticos, p o r lo que es necesario la ren o v a­ ción de la atm ó sfera de la cá m a ra p erió d ica­ m en te. L a frecuencia de las ren o v a cio n e s es variable según el alim ento de que se trate. El aire entra en la cám ara a la te m p eratu ra y hum edad relativa exterior y hay q u e llevarlo a la te m p eratu ra y hum edad relativ a que rige en el in te rio r de la cám ara, p ara lo cual hay que enfriarlo y variar su contenido e n agua, g e­ n e ra lm e n te dism inuyéndolo. Las necesid ad es en erg éticas p o r enfriam iento del aire se p u e ­ den calcular a partir de la ecuación:

E n el interior de la cám ara funcionan ap a ra­ tos cuyo desprendim iento de calor tiene que ser tenido en cuenta en el balance total de necesida­ des energéticas. Tales son los ventiladores de la convección forzada del aire entre los ev ap o ra­ dores y los sistem as de iluminación y control. Si se conocen las potencias y tiempo de funciona­ m iento de estos equipos se puede hacer el cálcu­ lo de calor disipado, que tiene que ser elim inado de la cám ara. Las necesidades por este concepto son m uy bajas respecto al total de necesidades energéticas y algunos autores estim an 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 n u n ­ ca es del 100% , p o r lo que h ay 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 transmi­ sión de calor, en la que los coeficientes de trans­ misión y la diferencia de temperaturas serán dis­ tintos para paredes y techo y para el suelo Q¡ = 2 4 (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 transmi­ sión de calor para el suelo, 5" la superficie del suelo y At" la diferencia de temperaturas inte­ rior-suelo. Las necesidades energéticas totales por este concepto serán:

Q<=Q¡+Q'a

(4.8]

Se refiere a la apertura d e puertas para la entrada y salida de producto, circulación de personas, arreglo de averías, etc. Las pérdidas deben minimizarse con la construcción de es­ clusas y la Instalación de cortinas automáticas de aire frío alabrir las puertas. Se valoran en un máximo de un 25% de las pérdidas por transmisión de calor: [4.9]

Necesidades energéticas totales de una cámara de refrigeración Qt = Q\ + Q2 + 0 3 + 0 4 + Q5

Ejemplo 4.1. Cálculo de las necesidades frigorí­ ficas 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 lle­ nado de 7 días. — Condiciones de conservación de las man­ zanas: T - 2 ° C y H k = 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.

Pérdidas operacioncdes

G;
El máximo valor de necesidades frigoríficas corresponde a la etapa de llenado de la cámara que corresponde al enfriamiento del producto. Q x puede ser el 80% de Q T: Una vez enfriado el producto, Q r disminuye en Q v pero el cálcu­ lo 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 lle­ nado. En los cálculos hay que tener en cuenta las posibles variaciones estacionales de la tem­ peratura y humedad del aire exterior.

[4.10]

— 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 Cálculos previos;

Volupien de la cámara: 20 x 10 x 7 = 1.400 m3. 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.

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 co­ rrespondiente a 2 °C, a saber: 500 kcal kg-1.

OCTUBRE (semana de recepción): — El aislamiento en las condiciones más desfa­ vorables (ju lio ) arroja unas pérdidas de 10 kcal ( i t í 2 ■h)_1, En octubre las pérdidas (fun­ ción del AT) ascenderán a:

1.400 m3aire 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:

(10)(22-2)/(32-2) = 6,66 kcal/(m2 ■h) Pérdidas por aislamiento: Q l = [6,66 kcal (m2h)-1] (820 m:) (24 b día-1) = 131.069 kcal día-1. — Necesidades de enfriamiento desde 22 a 2 “C: E nfriam iento: Q 2 = [1,1 (10% em balaje.)]

(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 = 200 1. 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 vie­ ne 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/PMwkgv (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 9 m3 kAS1 Aunque la densidad del aire es la inversa de su volumen específico, es más sencillo pres­ cindir del cálculo de VR. Así, directamente: p = (P ■PM)I(R ■T) = 1,288 kg. nr3; pT- (1,288) (273/275) = 1,279 kg nr3

(1.400 m3aire día-1) (0,307 kcal (m3- “C)'1) (2 2 -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. Q a = (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: (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 tf 84,7/(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 r a s

E n el caso más desfavoable (julio) se preci­ san 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.

R efrigeración de líquidos L a re frig e ra c ió n d e líq u id o s se hace con agua fría a 0 °C circ u lan d o en u n in te rcam b ia­ dor d e ca lo r q u e p u e d e se r ex terio r o estar su ­ m ergido en el in te rio r del d ep ó sito iso term o de alm acen am ien to . L a c a rg a de refrig eració n se calcula com o en el caso de refrigeración de só ­ lidos (E [4.11]) y p a ra el b alan c e en ergético fi­ nal h a b r á q u e te n e r en cu e n ta las pérdidas por tran sm isión de ca lo r del depósito. E n algunos casos es n ec esario e s ta r p re p a ­ rado p a ra d isp o n er de la carga d e refrigeración

en u n plazo m uy co rto , co m o o cu rre en las in­ d u strias lácteas, d o n d e es n ecesario en friar to­ d a la lecb e qu e llega en el p e río d o d e recep ció n (3-4 h o ra s ). E sto p u e d e h a c e rse d isp o n ie n d o de m á q u in as frigoríficas d e p o te n cia su p e rio r a las q u e h a b ría qu e in stala r si la refrig eració n se r e p a rtie r a a lo largo de la jo rn a d a (18-20 h o ­ ras/día). T am bién es p o sib le utilizar u n acu m u ­ la d o r de frío p ara el m o m e n to de la recepción, en el q ue se ha ido g u a rd a n d o el frío qu e p ro ­ d u c e n eq u ip o s que fu n c io n a n de fo rm a co n ti­ n u a a p o te n c ia más baja. E n la fig u ra 4.1 se r e p r e s e n ta u n a in s ta la ­ c ió n p a r a re frig e ra c ió n d e líq u id o s a g ra n e l c o n u n s is te m a de a c u m u la c ió n f rig o rífic a . Se tra ta d e un d e p ó s ito d e ag u a en e l q u e e s­ tá s u m e rg id o el e v a p o r a d o r d e la m á q u in a frig o rífic a , d o n d e d u r a n te e l fu n c io n a m ie n to a lo la rg o de la jo r n a d a se p r o d u c ir á n b lo ­ q u e s de h ie lo q ue p e r m a n e c e r á n m e zc lad o s co n a g u a líq u id a de re frig e ra c ió n a 0 °C, q u e r e c ib e e l n o m b re d e a g u a h e la d a . E sto s b lo ­ q u e s c o n s titu y e n la r e s e r v a f rig o rífic a q u e c e d e r á el c a lo r la te n te a c u m u la d o a n te u n a d e m a n d a p u n ta y c u a n to m a y o r s e a la p r o ­ p o rc ió n d e l h ie lo m a y o r se rá la d is p o n ib ili­ d a d d e frío . D a d a la im p o sib ilid a d d e q u e en u n in te r ­ c a m b ia d o r de c a lo r el fo co c a lie n te alc a n c e la te m p e r a tu r a del fo co frío , el a g u a h e la d a n o p o d ría a c tu a r d e r e f rig e r a n te se c u n d a rio si se n e c e s ita ra r e frig e ra r el a lim e n to líq u id o a 0 °C.

FlGL'RA 4.1 . R efrigeración de líq uidos a granel. 1: máquina frigo rífica , 2: evaporador de la m áquina frig o rífica , 3: depó­ sito acu m ulado r de frío, 4: c a m biador de placas, 5: entrada del producto líquido, 6: solida del producto líq u id o refrige­ rado, 7: depósito isotermo de alm acenam iento.

4.2. Atmósferas protectoras La tecnología de la conservación de alim en­ tos con gases protectores consiste en sustituir el aire que rodea al producto p o r un gas o una mezcla de gases que ofrecen m ejores condicio­ nes para el m antenim iento de la calidad quím i­ ca, m icrobiológica y estructural del alim ento. Tam bién puede eliminarse el aire haciendo el vacío en la cám ara o en el envase que m antiene el alim ento. Nace así la conservación en atm ósferas pro­ tectoras, bace unos treinta años, que tiene dos vertientes de aplicación im portantes: la conser­ vación de alim entos a granel en cámaras acon­ dicionadas y la conservación individual de los alim entos envasados. E ste últim o m étodo está encontrando num erosas aplicaciones.

4.2. ?. Tipos de atmósferas protectoras

La definición an terio r conduce a cuatro ti­ pos de técnicas basadas en la utilización de p ro tec to res: envasado a vacío, en vasado en atmósferas modificadas, almacenamiento en at­ m ósferas co n tro lad as y alm acen am ien to en atm ósferas hipo bóricas. E l envasado a vacío consiste en la elim ina­ ción 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 in­ terior del recipiente es inferior a la atmosférica. Con ello se consigue fundam entalm ente evitar que haya oxígeno en contacto con el alimento, porque el oxígeno es uno de los principales fa­ vorecedores de la alteración. Con el oxígeno crecen las bacterias aerobias, que en el caso de la refrigeración son fundam entalm ente las alte­ rantes, y asociados a la presencia de oxígeno es­ tán los problem as de oxidación de las grasas y tam bién diversas alteraciones enzim áticas, así como el ataque de parásitos e insectos. Existen sin em bargo determ inados produc­ tos en que es necesario m antener concentracio­ nes de oxígeno, p o r ejem plo en el caso de la

co n serv ació n o envasado de fru ta y verdura, q u e , una vez envasadas continúan teniendo un m e tab o lism o y necesitan oxígeno p ara evitar q u e m ad u ren rápidam ente y se pudran. T am ­ b ié n es necesario el oxígeno para m antener el c o lo r de las carnes rojas, que se deb e al pig­ m e n to mioglobina, que en presencia de oxíge­ n o e stá en form a de oxim ioglobina que tiene n n color rojo brillante, que es ci que quiere el consum idor. C uando la presión de oxígeno dis­ m in u y e, la oxim ioglobina pasa a la m etam iog lobin a que tiene un color pardo m arrón, que e s reversible, y cuando aum enta la presión de 0 2 vuelve el color rojo. Sin em bargo, al estar d e n tro de un envase, el consumidor, que no sa­ b e d e la reversibilidad, no lo coge, ya que la m e tam io g lo b in a tam bién se form a cuando la ca rn e envejece y el consum idor asocia ese co­ lo r m arró n con carne pasada. Por último, tam ­ b ié n es necesario utilizar atm ósferas con una cie rta proporción de oxígeno en el caso de la conservación de productos en que pueda haber m icroorganism os patógenos anaerobios como e l Costridium. Botulinum . Por estas razones se h a n im plem entado los o tro s tres tipos de a t­ m ósferas protectoras. E l envasado en atm ósferas m odificadas (M A P ) es una técnica en que se sustituye el ai­ r e d e l recipiente por un gas o u na mezcla de gases conteniendo cierta cantidad de oxígeno. Ibas modificaciones en la com posición de la a t­ m ó sfera del envase que se puedan producir d u ­ r a n te el alm acenam iento debido al m etabolis­ m o del alim ento o de los microorganismos que crezcan en el no se corrigen, por eilo la concen­ trac ió n de C 0 2 aum enta durante el tiem po has­ ta su consumición. Tam bién se pueden alm ace­ n a r los productos a g ranel en atm ósferas m odificadas (MAS). E l alm acenam iento en atmósfera controlada se hace de form a que se pueda corregir la com ­ posición de los gases m anteniéndola continua­ m e n te en tre unos valores prefijados. E sto se h ace en cámaras. E l alm acenam iento en atmósferas hipobáricas es un tipo de alm acenam iento en cámaras

controladas en que se mantiene no sólo la com­ posición de la atmósfera sino también la hume­ dad 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}

Producios Al oiré

Buey Cerdo Carne picada Despojos (hígado) Pescados Pizzas

4 4 4 4 4 4

4 4 2 2 4 ó

Bajo atmósfera protectora 10-12 8-9

4 ó 8-10 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 en­ vasado en atmósferas modificadas porque las transformaciones que puedan darse en la mi­ crobio ta del alimento son iguales que las que ocurren cuando estamos envasando con con­ centraciones 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 car­ bono y ellos mismos van creando una atmósfe­ ra 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 alimen­ to, reduciendo el tamaño del envase al dismi­ nuir el volumen del gas libre. También a que el envasado se hace generalmente a tempera­ turas superiores a la de refrigeración e inclu­ so superiores a la temperatura ambiente nor­ mal, debido al calor de fricción de las máquinas envasadoras, y al recuperar la tem­ peratura de almacenamiento disminuye el vo­ lumen del gas con el consiguiente colapso parcial. En el estudio del envasado en atmós­ feras 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. Se­ gún su concentración en la mezcla los gases se clasifican en gases componentes o gases traza. Se utilizan como gases componentes el nitróge­ no, el oxígeno y el dióxido de carbono, y como gases traza el monóxido de carbono y el monóxido de nitrógeno. Los tres primeros son com­ ponentes 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 alte­ raciones que puede producir este gas descritas anteriormente. El nitrógeno es incoloro, inodo­ ro, insípido, químicamente inerte y práctica­ mente 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, inodo­ ro 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 utili­ zado. Es incoloro, inodoro y de sabor ácido. Es soluble en agua y grasas, originando un ligero sabor ácido, aum entando su solubilidad a bajas tem p eratu ras. Es bacterostático, aunque no con to d o s los m icroorganism os, y fungicida, con acción m ayor 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 dism inución en el pH del alimento. Los m icroorganism os crecen peor en los pH extremos, por lo que al aum entar la acidez se impide su crecim iento. Tam bién in­ fluye el posible paso del ácido carbónico a bi­ carbonato, que es capaz de producir daños en la m em brana celular de los microorganismos. E n cualquier caso la acción inhibidora del CO,2 es mayor que la del N, aunque las razones no sean totalm ente conocidas. E l m onóxido de carbono (CO ) inhibe el crecim iento de algunos microorganismos pató­ genos y estabiliza los pigm entos, por ejemplo, en el caso de la m ioglobina da lugar a carboxim ioglobina que tam bién tie n e un color rojo atractivo. Es altam ente tóxico por lo que su concen tración está lim itada y hay países que tien en prohibido su aplicación a la conserva­ ción de alimentos. E l m onóxido de dinitrógeno u óxido nitroso (N z0 ) previene oxidaciones y suprime la activi­ dad enzim ática evitando alteraciones por esta causa. P ara com prender en to d a su extensión la conservación con atm ósferas modificadas con­ viene explicar los efectos de los gases de la at­ m ósfera m odificada en térm inos de su acción m icrobiológica. C uando se tiene un alim ento conserv ado en refrigeración y aerobiosis (at­ m ó sfera de aire) crece fundam en talm en te la flora aerobia psicrótrofa G ram negativa, que crece a las tem peraturas propias de la refrige­

ración, p o r ejem plo las pseudom onas. E stas condiciones no son buenas para el desarrollo de los microorganismos anaerobios o m icroaerófilos, com o son los lactobacilos. P o r consi­ guiente la flora m ayoritaria serán las pseudom onas y éstas serían las responsables de la alteración final del alimento. Si este mismo ali­ m ento se envasa en atmósfera modificada con CO ,, anaerobia o microaerófila, se produce un cam bio drástico en la flora mayoritaria ya que las pseudom onas no crecen tan rápidam ente en concentraciones bajas de 0 2 y en cambio crece­ rían los lactobacilos, que además necesitan más tiem po p ara llegar al um bral d e alteración. Am bos pseudom onas y lactobacilos son m icro­ organism os alterativos no patógenos. Si se representa la curva de desarrollo en un diagram a de unidades form adoras de colonias frente al tiem po se obtiene la típica curva de la figura 4.2 con la fase de latcncia en que el m i­ croorganism o se acostum bra al nuevo m edio, la fase exponencial de crecimiento, la fase p la­ na de estabilidad y la fase de decrecim iento o declive. Se llam a um bral de alteración d e u n alim ento al tiem po transcurrido cuando se p e r­ ciben los signos de alteración (olor repugnante, limo superficial) debidos a los diversos m etabolitos (trim etilam in a, am oníaco, sulfuro de

FIGURA 4 .2 . Curvo d e desarrollo d e un microorganismo

en un cultivo. I Fase de latericia. II Fase de crecimiento, III Fase de estabilidad. IV Fase de declive.

c a rb o n o , e s te re s d e á c id o s grasos d e cad en a c o rta ) re su lta n te s d e la m e tab o liza ció n de los n u trie n tes p o r los m ic ro o rg an ism o s. E l um bral de alte ra c ió n su ele c o in c id ir con cargas en tre 10e y 107 ufe cm -2. E n la figura 4.3 se r e p re s e n ta el crecim iento de la m icro b io ta de un a lim e n to d u ra n te su al­ m acen am ien to y el re tra s o dei u m b ral de alte­ rac ió n al u tiliz a r a tm ó s fe ra s m o d ific ad a s, así com o el in c re m e n to del tie m p o d e latericia.

12

-

10u 3 Ó“ U) ■2 4 2

-

O0

3

ó

9

12

15

18 21 24

27

Tiempo de alm acena 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 G ólvez, D y col. para filetes de salmón [J. Agrie. Food Chem iilry 4ó, 1 143-1 149, 1 998],

T iem po de a lm a c e n a m ie n to (días)

FIGURA 4 ,3 . C recim iento d e la m icro bio ta en almacena­ miento en refrigeración. A, en ae robiosis; B, en atmósfera 20% C 0 2 - 80% aire; C, en atm ósfera 4 0 % C O , - 60% aire; P, umbrales de alteración. Fuente: López G álvez, 0. y col. p a ra filetes de atún {A g rie . Food C hem isfry 43, 4 8 3 - 4 9 0 , 1 9 9 5 ).

Se p u e d e su p o n e r u n a situ ació n en que un alim ento esté c o n ta m in a d o con dos géneros de m icroorganism os a lte ra tiv o s R ¡ y R 2 en que el p rim ero crece en aero b io sis y el seg u n d o es inicroaeróíilo. L a situación se h a p lasm ad o en la figura 4.4. El g én ero R l s u p e ra el u m b ral de al­ teració n (107 u fe cm -2) en a e ro b io sis y en at­ m ósfera de C O , n o lo alca n za n u n ca, m ientras que e l R , no lo alcanza n u n c a en aerobiosis y sí lo alcanza en a tm ó sfera d e C O , p e ro llega a él más ta rd e que el R 1 en aero b io sis. N o se está im pidiendo q u e crezcan m icroorganism os, pero se e s tá n cam b ian d o lo s g é n e ro s que crecen al m odificar las condiciones d e la atm ósfera. Esto

p ro d u c iría u n re tra s o en alca n za r la carga de 107 ufe cm -2, y un alarg am ien to de la láse de 1atcneia. La refrig eració n n o d estru y e los m ic ro o rg a­ nism os y con las atm ó sferas m odificadas no se está ap lican d o ta m p o co u n tra ta m ie n to fu erte de d e s tru c c ió n , sin o q ue se e stá p e rm itie n d o q u e c re z c a n u n o s m ic ro o rg a n ism o s e n d e tr i­ m e n to de otros, de form a q ue la sustitución sea fa v o ra b le a a la rg a r la co n serv ació n . E n estas condiciones u na situación q u e p o d ría p la n te a r­ se es la de un alim ento en refrig eració n con pFT m ay o r de 4,5, cuya c o rresp o n d ien te ac id ez p e r ­ m ite el d esarro llo de m icroorganism os p a tó g e ­ nos en coexistencia con los alterativ o s R L y R T E n au sen cia de 0 2 (atm ó sferas de C 0 2 o N 2) se fav o rece el crecim ien to d e los a n a e ro b io s, de form a qu e u n g én ero p a tó g e n o an a ero b io , R v p u e d e alca n za r u n a carg a in fectiv a sin h a b e r p o r ello a lte ra d o el a lim e n to o rg a n o lé p tic a ­ m e n te y n i R l ni R 2 h an p ro v o cad o a ú n los sín­ tom as del um bral de alterac ió n , tal com o se re ­ p re se n ta en la fig u ra 4.5, y p o d ría in g erirse un alim en to tóxico. C onviene in d icar q ue la carga in fec tiv a de un m ic ro o rg a n ism o p a tó g e n o se

corresponde con valores altos de ufe cm-2, p o r­ que el estómago destruye gran parte de los mi­ croorganismos, el intestino tam bién y son los que quedan los posibles productores de una in­ fección. Puede así ocurrir que si la carga alcan­ zada por R 3 es alta convierte al alimento en tó ­ xico aunque no esté alterado. En el caso de los patógenos susceptibles de esporular puede ocurrir también que si alcanza una carga elevada la form a vegetativa de los m icroorganismos se agoten los nutrientes y procedan a esporular liberando una toxina que sea tóxica para el hombre. Este es el caso del C lostridium B o tulinum que libera una toxina exógena. cuya dosis letal es 10"7 g, sin que apa­ rezcan síntomas de alteración. Por estas razones es peligroso utilizar el va­ cío, o atmósferas modificadas con ausencia to ­ tal de O z cuando puede haber presencia de pa­ tógenos anaero bio s y por ello se utilizan atmósferas con cierta concentración de O r Si esto no conviniera a las características del ali­ mento o de la operación, hay que tener un gran rigor en el m antenim iento de la refrigeración durante to d o el alm acenam iento siempre po r debajo de una tem peratu ra determ inada, dis­ tinta para cada microorganismo, habiendo de­

m ostrado que a valores inferiores a esa te m p e ­ r a tu r a el microorganismo no crece. P a r a el Clostridium Botulinum este valor es 3,3 °C. El envasado en atmósferas modificadas está relacionado generalm ente con el crecim iento microbiano. Sin embargo hay casos en que se persiguen otros fines, como puede ser evitar el enranciam iento de productos grasos en v asán­ dolos en atmósferas de N,. Como ejemplo p u e­ de ponerse el cacahuete, que tiene una activi­ dad d e agua tan baja que no p re o c u p a -el crecimiento microbiano, pero por su gran con­ tenido en grasa se llega a enranciar en presen­ cia de 0 2, por lo que se conservará enlatado en atm ó sfera de N 2, sin ser necesario re frig e ra ­ ción. Con productos frescos o con actividades de agua suficientes para que crezcan los m icro­ organismos, la conservación en atmósferas m o ­ dificadas se hace en refrigeración. Así la carne, fruta, verdura y productos com o pastelería y bollería. Hay mucha variedad de alimentos y cada producto exige un estudio de la atmósfera que necesita, como se deriva del exa m e n del cuadro 4.4 tom ado de Gilbranel Salazar (A li­ m entación, E quipos y Tecnología, 4, 137-140, 1986).

C U A D R O 4 .4 M e z c la d e gases con n itró g e n o c orno ga s d e b a s e Producto

%o2

%co2

C arne ro¡a Pescado b lan co

5 0,0

15-25 40,0 20,0 30,0 25,0 2,0 10,0

Pescado azul (graso) Pescado pigm enta do Aves Vegetales verdes

Tiempo de almacenamiento (días) FlGUSA 4 .5 . C re c im ie n to d e m ic ro o rg a n is m o s en re frig e ra ­ c ió n : M e , m ic ra b io ta en atm ósfera a n a e ro b ia ; C, c a rg a in fe ctiva d e b id a al c re c im ie n to del p a tó g e n o R3; P, um­ b ra l de a lte ra c ió n d e b id o al c re c im ie n to d e i a lte ra tiv o R?.

— —

5,0 —

>ó,0

C oliflo r, etc. C ham piñones

7 ,0 7 ,0

Frutos cítricos Fresas

25,0 2,5 4,0 1,5-2,5 2,0

Tomates M a n za n a s Peras Q uesos frescos

—

—

10,0 15,0 4,0 0,1 10

20

% Gas fraza

_ --f,Ü C O —

1,0 c o —

5 ,0 N 20

1,0 c o — — — —

20 N 2G

Fuen/e: Tomado de Gibrcne? Solo zar (198Ó): Alimentación, Equipos y Tecnología 4, 137-140.

C onviene reco rd ar que la buena práctica a seguir es envasar productos de buena calidad, id ealm en te sin contam inación, o con ésta al principio del período de latencia.

B) Tipos de envases Se utilizan tres tipos de envases construidos de m ateriales plásticos, adem ás de latas m etáli­ cas p a ra casos especiales. A continuación se describen los de plástico y se representan en la figura 4.6.

a) Envase tipo alm o hada

c)

N Fnvnsf! tipo ba ndeja

Envase tip o sobre o saco

FIGURA 4.6. Diversos tipos de envases de plástico utilizados.

Envases tipo alm ohada o con cabezal, que tienen un sellado de solapa o de rebaba longi­ tudinalm ente en la base y dos transversales a ambos lados. Envases tipo sobre o saco, con un sellado de reb ab a por cuatro lados o p o r tres dependiendo de que se doble por un lado. E n ­ vases tipo bandeja o barqueta, que tienen una bandeja inferior rígida term oform ada y se cie­ rra con una lám ina flexible. Las funciones del envase son fundam ental­ m ente contener, p ro teg er e identificar el p ro ­

ducto. P ara contener se utilizan plásticos que tengan buenas características de resistencia co­ mo 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 pro teg er o preservar se buscan plásticos que sean barrera para el 0 2, como el policster, el cloruro de polivinilideno o el poliacrilonitrilo. Para identificar el contenido y estim ular el deseo de com pra se em plean plásticos transpa­ rentes, como la poliam ida o el cloruro de polivinilídeno, e imprim ibles, como el mismo clo­ ruro de polivinilideno o el p o lip ro p ilen o , y adem ás antiem p añ ab les en cierta m edida, ya que tratándose de productos frescos su hum e­ dad puede producir condensaciones. Los m ate­ riales em pleados deben ser adem ás inocuos, es­ ta b le s,'re la tiv a m e n te reciclables, perm itidos por la lesgilación y fáciles de trab a jar en las máquinas p ara la soldadura, el term oform ado y el sellado. Como es im posible reunir en un sólo polím ero to d as estas p ro p ied ad es se utilizan plásticos obtenidos por lam inación o coex tru ­ sión de varios polím eros. En el cuadro 4.5 se especifican las ventajas e inconvenientes de los tres tipos de envases des­ critos y los productos p ara que se usan. El vo­ lumen de la mezcla de gases que constituyen la atm ósfera m odificada debe ser como mínim o igual al volum en neto del alim ento. Se suele llamar espacio de cabeza a la diferencia entre el volumen del alim ento y el volumen del enva­ se. El vacío p uede hacer colapsar los envases y esto se notaría especialm ente con el envase ti­ po bandeja.

C) Introducción de la m ezcla de gases en el envase H ay cuatro m étodos de crear la atm ósfera modificada; barrido gaseoso o purga con gas, va­ cío compensado, modificadores de atmósfera y a partir del metabolismo del producto envasado. E n el barrido gaseoso o purga con gas se in­ troduce el gas o la mezcla de gases deseados en

CUADRO 4.5 Ventajas e inconvenientes de ¡os diversos tipos de envases Ventaje

Productos

Inconvenientes

Trpo almohada o con cabezo/ Máquinas relativamente si mpías 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.

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.

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").

No recomendado para productos en polvo. Difícil llenado de multicomponenfes.

Tipo saquilo o sobre

Buena contención de productos en polvo fino, Generalmente los más populares paro la vento de pequeñas cantidades de productos de este tipo. La rigidez del paquete es superior a la del envase almohada.

Sólo adecuado para envases planos. Se excluyen los productos voluminosos. Relación VP/TE pobre..

Productos en polvo o copo "instantáneos': leche, sopas, postres, puré de patata, etc.

Llenado y sellado del paquete por el mismo lugar.

Salchichas y embutidos en lonchos.

El llenado de multicomoonentes usualmenle tío es posible.

Máquinas simples. Velocidades elevados de producción.

Tipo bandeja o barqueta

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.

Maquinarlo y costes de envasado elevados. Velocidades bajos de producción.

Carne y pescados crudos. Platos preparados. Frutas.

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.

FIGURA 4 .7 . Envasado por barrido gaseoso en una máquina í.f.s. horizontal automática concepto L'AIR LIQUIDE: 1: ali­ mento, 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 terio r del envase m ediante un flujo conti­ nuo de gas que arrastra el aire que contenía el envase hasta conseguir la atm ósfera deseada. Las m áquinas pueden se r d e flujo horizontal (figura 4.7) o vertical. Esas m áquinas perm iten altas velocidades de producción (1.20 envases por m inuto) y sólo pueden em picarse con en­ vases flexibles tipo alm ohada, 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 m étodo de vacío com pensado se hace prim ero una evacuación to tal de la atmósfera inicial del aire y después se rom pe el vacío me­ diante la introducción del gas o mezcla de ga­ ses deseados. A l hacerse la operación dentro de una cám ara de vacío se pierde menos gas que con el m étodo de barrido. E ste sistem a es el más id ó n eo para envasar productos no unifor­ mes o muy grandes, por ejem plo jam ones coci­ dos estilo Sajonia. Se usa con envases tipo bar­ queta o tipo sobre o saco, tanto flexibles como rígidos. Las máquinas se llam an envasadoras de cam pana o envasadoras “ch am b erí’ (cám ara) (figuras 4.8 y 4.9). O tra form a de in tro d u c ir la atm ósfera es utilizar productos capaces d e absorber o gene­ rar gases, que se colocan en el interior del en­ vase y u na vez cerrado éste van modificando activam ente la com posición del espacio de ca­ beza d el envase. Se denom inan modificadores de atm ósferas y los más usados son absorben­ tes de 0 7, generadores de etanol, absorbentes

de C 0 2 y absorbentes de hum edad. Se presen­ tan en s aquí tos de m aterial perm eable a los ga­ ses que generan o absorben. Los absorbedores de O , son p roductos quím icos de n atu raleza oxidable. El más usado es polvo de hierro, que en presencia de h um edad utiliza el O., que hay en el interior del envase p ara oxidarse, consi­ guiendo niveles de 0 2 m uy bajos (< 0,01% ) que no se consiguen con el envasado p o r barri­ do o por vacío com pensado. Los generadores de etanol contienen alcohol m icroencapsulado con dióxido de cinc en cápsulas de dióxido de silicona, con contenidos entre 1 y 3 g por saquito. Con la hum edad del alimento las cápsulas li­ beran etanol en el espacio de cabeza que es efectivo para inhibir el crecimiento de mohos y bacterias com o estafilococos, salmone.Ua y escherichia coli. Los m odificadores descritos se em plean am pliam ente en Japón en la conserva­ ción de productos de la pesca. C om o ab so r­ bedores de CO z y hum edad se pueden utilizar hidróxido calcico y cloruro cálcico respectiva­ mente. La cuarta form a d e modificar la atm ósfera en el espacio de cabeza del envase es a partir del metabolismo del producto envasado. Se em­ plea con frutas y verduras en países en que tar­ da en llegar la fruta im portada y el precio que se paga por ellas es alto y perm ite un envasado en atm ósfera m odificada, com o es el caso de Inglaterra. Las frutas y verduras después de co­ sechadas siguen te n ien d o un m etabolism o y respiran tom ando 0 2 y desprendiendo C 0 2.

CapítuJo 4 : Refrigeración y atmósferas protectoras

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FIGURA 4 ,8 , Envasado p o r v a c io com p en sado . Secuencia d e o p e ra c ió n en una envasadora de ca m p a n a sem iautom átíca: 1: co lo ca ció n def alim ento envasado, 2 : cie rre de cam p an a. E vacu ación del aire por va cío , 3: rotura del v a c ío p o r in tro ­ ducción de la atmósfera deseada, 4 : actuación de la m an díb ula sellad ora, 5: com unicación con el exterior, ó : a p e r­ tura de la c á m a ra .

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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 4.1 0. Modificación de la atmósfera a partir del metabolismo del producto envasado.

El alimento se envasa en un plástico semi­ permeable 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 perm eabilidad 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 anae­ robio se produciría etileno, con lo que el vege­ tal madura más rápidamente y se estropea. In­ teresa 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 O z que entra en el envase sea el necesario para mantener una respiración ralentizada del vegetal retrasando la madura­ ción y consiguiendo además una concentración elevada de C 0 2 que impide el crecimiento mi­ crobiano. Conviene recordar finalmente que las at­ mósferas modificadas se suelen utilizar para alargar la vida de los alimentos en almacena­ miento por refrigeración, y que las tempera­ turas de trabajo son las convenientes para es­ te fin, según se ha tabulado en el cuadro 4.2. Asimismo, las atmósferas modificadas no me­ joran la calidad original del alimento envasa­ do, sólo tratan de conservar esa calidad du­ rante más tiem po. 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 alimento: * M icrobiana • Química * Snzimátka • Biológica • Física - Mantiene calidad de! ali­ mento sin necesidad de: • Tratamiento fuerte • Aditivos • Pesticidas - Aumenta la vida útil: • M ayor radio de distribu­ ción * Más tíompo en el mer­ cado • M ejora ¡a presentación del alimento

- Puede promover el creci­ miento de bacterias pató­ genas - El dióxido de carbono es soluble en agua y grasa: • Cambios en e! sabor y aroma * Colapso del envase - Necesita un espacio de cabeza grande - Genera cambios en el co­ lar de lo 5 carnes rojas - Genera un valar añadido: • Equipamiento • Films de envasado - Problemas de intoxicación por mal uso de modifica­ dores

4 .2 .4 . Almacenamiento en atmósferas controladas

Se hace en cá m aras frigoríficas con p ro d u c­ tos a granel co n tro lan d o la a tm ó sfera para que su com posición se m an ten g a d e n tro de lím ites p refija d o s. C o n las atm ó sferas co n tro la d a s se tr a ta de re g u la r el proceso de m ad u ració n para q u e el p ro d u c to p u e d a ir salien d o al m ercado p a u la tin a m e n te y de acuerdo con la capacidad d e ab s o rc ió n d e d ic h o m e rc a d o . U n a s veces conviene re tra s a r la m ad u ració n y o tras acele­ ra rla . A lgunos fru to s tienen un p ro ceso de m a ­ d u ra ció n m u y rá p id o tra s ser cosechados. O tro s siguen un p ro ceso a la m ism a velocidad qu e si se m a n tu v ie ra n en el árb o l (figura 4.12). Los prim eros se llam an frutos clim atéricos (pe­ ras, alb arico q u es, m elo co to n es, ciruelas, m a n ­ zanas, p látan o s) y los segundos no clim atéricos (cítricos, cerezas). E n el p ro c e s o d e m a d u ra c ió n lo s fru to s re sp ira n to m a n d o 0 2 del aire y d esp re n d ien d o C 0 2 y p e q u e ñ a s ca n tid a d e s de etile n o que es-

i

1

4

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8

12

16

20

días d e m a dura ció n FIGURA 4 .1 2 . Variaciones de la intensided respiratoria du­ rante la m a dura ció n: i: Frutos clim atéricos. II: Frutas na climatéricos.

tim u lan la m a d u ra c ió n , y tam b ién p ie rd e n h u ­ m ed ad . P ara r e ta rd a r la m aduración de los fruLos se dism inuye la concen tració n de 0 2 y se a u m e n ta la de C O , seg ú n prop o rcio n es ad ecu ad as a cada p ro d u c to . P a r a acelerarla se a u m e n ta la c o n ­ cen tració n de 0 .2 y se introduce etilen o (h asta 10% ) m ezclado con N 2 para evitar la in flam ab i­ lidad del p rim ero . En cualquier caso se m a n tie ­ ne u na h u m e d a d alta en las cám aras (90-98% ) para ev itar la p érd id a d e hum edad de ios frutos. E l co n tro l d e las cám aras es au to m á tic o y E l a tm ó sfera se p u ed e rccircu lar a través d e la v a­ d o res o ab so rb e d o re s 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 cap tara, o después de su cosechado se dispone de pocas técnicas de conservación porque se necesita mantener las caracterís­ ticas del producto fresco y la mayoría de las técnicas no lo hacen. Sólo, en principio, po­ drían usarse tres, la radiación ionizante, la aplicación del frío, que se denomina refrige­ ración y la utilización de atmósferas protec­ toras alrededor del alimento.

2.

3.

4.

5.

ó.

L a refrigeración es la m ás conocida y acep­ ta d a socialm ente, p ero da al producto una v ida útil y una vida com ercial bastante cor­ ta, m áxim o 2 sem anas d ependiendo de las características del p ro d u cto , de su composi­ ción química y de la flora m icrobiana inicial (m icrobiota) de ese p ro d u cto . A sí pues, se b uscan tratam ie n to s coadyuvantes de esta refrigeración, in te n ta n d o au m e n ta re ! incre­ m e n to de la vida ú til q u e se produce con tratam ientos añadidos, q u e condujeron a la entronización de las atm ósferas protectoras, La conservación en atm ósferas protectoras consiste en controlar las reacciones quími­ cas, enzimáticas y m icrobianas que pueden suceder en un alim ento m inim izando o evi­ ta n d o las principales alteraciones que p u e ­ den ocurrir durante su alm acenam iento. Se hace m ediante la elim inación de la atm ósfe­ ra de aire que ro d ea al producto, haciendo el vacío, o m ediante su sustitución por otra constituida por un gas o por una mezcla de gases adecuados p a ra cada p ro d u cto . E sto prolonga la vida útil del alim ento fresco por un tiem po m ayor que la refrigeración. L a refrigeración prolo n g a el tiem po que los alim entos pereced ero s perm anecen higiéni­ cam en te seguros y o rg an o lép ticam en te aceptables m ediante su conservación a tem ­ p eraturas en tre -í. C'C y 8 °C. Los alimentos refrigerados se lian enfriad o sin que en nin­ guna zona del alim ento se haya alcanzado el punto de congelación. T am bién p a ra los alim e n to s refrigerados existe una cadena del frío, que en este caso tiene una tem p eratu ra de referencia de 0 CC y d ebe m antenerse en todas las instalacio­ nes y vehículos de la cadena, incluyendo las vitrinas de los centros de venta al consumi­ dor. La hum edad relativa en la atm ósfera de la cám ara de refrigeración juega un papel im­ portante en la calidad del alim ento refrige­ ra d o cuando este no e s tá envasado. Cada

7.

8.

9.

10.

11.

alim ento tiene un valor óptim o de hum edad relativ a en la cám ara y se d eb en te n e r en cuenta los datos climatológicos. En el cálculo de las necesidades energéticas de u n a cám ara de refrig eració n hay que considerar ei calor de respiración y m ad u ra­ ción y la renovación del aire, que se en ra re­ ce con los productos del m etabolism o de los productos refrigerados vegetales o con los olores típicos de cada producto. El envasado a vacío consiste en la elim ina­ ción del aire en el recipiente que contiene el alim ento. Las paredes del envase se colapsan so b re e) alim ento y la presión en el inte­ rior es inferior a la atm osférica. C on ello se consigue dism inuir la concentración de oxí­ geno qu e es un factor de deterioro. El env asad o en atm ó sferas m odificadas (M A P) sustituye el aíre del envase p o r un gas o un a mezcla de gases. Se utilizan nitró­ geno, dióxido de carbono, m onóxido de car­ bono y óxido nitroso. L a concentración va­ ría según los casos, y tam bién puede llevar p arte de oxígeno, d ependiendo de los ali­ m entos y de la flora microbiana, Para crear la atm ósfera p ro tecto ra se utili­ zan m áquinas de purga con gas o de vacío com pensado, o se colocan en el in terio r del envase p ro d u cto s quím icos m odificadores de atm ósferas. En ciertos casos los gases del m etabolism o del p ro d u cto crean después de sellado el envase la atm ósfera conveniente en relación con la p erm eabilidad selectiva del film del envase. El alm acenam iento en atm ósferas controla­ das se refiere al cuso de cámaras frigoríficas con productos a granel e n las que se contro­ la la com posición de la atm ósfera para que se m antenga d en tro de unos límites prefija­ dos p a ra la conservación del p ro d u cto d u ­ rante un tiem po determ inado. E n este caso se com binan la refrigeración y el control de la atm ósfera en el recinto interior de la cá­ mara.

5 5.1. Psicrometría 5.2. Actividad de agua 5.3. Secado con aire caliente 5.4. Secado por contacto con una superficie caliente 5.5. Equipos de secado convencionales

CONSERVACIÓN DE ALIMENTOS POR R ED U CCIÓ N DE SU A CTIVID AD DE A GU A . SECADO

l o b je tiv o de las o p e ra c io n e s que conducen a

e n e rg é tic o es in te rm e d io entre los d e b id o s a los

la d e sh id ra ta cíó n de los alim e n ta s consiste en

pro cedim ientos m ecánicos y los correspondientes a

E

re d u cir su c o n te n id o de o g u a hasta un v a lo r tal

que in h ib a to d a a c tiv id a d m ic ro b ia n a o e n zim á tica . Estas técnicas perm iten, pues, p ro lo n g a r la v id a útil

los procesos térm icos, y p o r la e v a p o ra c ió n , sin du­ d a la más costosa al respecto.

de los alim entos, lo q ue supone en el caso d e cien

El secado del a lim e n to , p re c o n c e n tra d o o no, se ultim a m e d ia n te un proceso té rm ica , el cual se justi­

tos p rod uctos a liv ia r su c a rá c te r e sta cio n a !. En ge­

fic a p o r o fre ce r una m a yo r selectividad respecto al

ne ral, la d e s h id ra ta cíó n d e un a lim e n to lle va consi­ g o , ade m ás, una n o ta b le re d u c c ió n de su peso y

ag u a e lim in a d a . La o p e ra c ió n presenta, pues, c o ­

volum en, ve ntaja n ad a d e s d e ñ a b le a efectos de a l­

e n e rg é tic o . Eí s e c a d o té rm ic o es m uy v e rs á til en

m a c é n a le y tra n sp o rte . Los p rin c ip a le s p ro b le m a s

cuanto a p o s ib ilid a d e s de a p lic a c ió n se refiere, to ­

a s o cia d o s a este tipo d e o p e ra c io n e s de conserva­

d a vez q ue su ca m p o d e a ctu a ció n co m prende des­

ción son la a lte ra ció n del va lo r n u tritivo y d e las ca ­ racterísticas o rg a n o lé p tic a s d e l alim ento, a si como

de alim entos m a y o riía rla m e n te sólidas hasta a lim e n ­ tos líq u id o s , p a sa n d o p o r p a p illa s y suspensiones

el co n sig u ie n te consum o e n e rg é tico . Si el alim e n to es fun d a m e n ta lm e n te líq u id o , éste

en general. Las técnicas de sa rro lla d a s al efecto son, según

m o p rin c ip o I in c o n v e n ie n te , un e le v a d o consum o

puede ser o b je to de una co n c e n tra c ió n p re v ia al se­

el caso, el secado con a ire o p o r co n ta cto con una

c a d o fin a l. Las o p e ra c io n e s d e p re c o n c e n tra c íó n más exte n d id a s son la e v a p o ra c ió n , c e n trifu g a ció n ,

p la ca ca lie n te , la d e s h id ra ta c íó n p o r c o n g e la c ió n y subsiguiente sub lim a ció n [lio filiz a c ió n ) y la con ce n ­

filtra c ió n , u ítra filtra d ó n , osmosis inversa, escurrido p o r g ra v e d a d y prensa d o . La d e s h id ra ta c íó n poten­

tración p o r c o n g e la c ió n . Si el alim ento es de natu­

cial del a lim e n to se encuentra re s trin g id a a su frac­ ción d e agu a libre. Por otra p a rte , se ha d e tener presente la b a ja selectivid a d d e estas o p eraciones

se

d e p re c o n c e n tra c íó n , que c o m p o rta la lix iv ia c ió n p a rc ia l del sustrato seca d e l a lim e n to , e xce p ció n he­ cha de la osmosis inversa, sum am ente selectiva res­ p e cto al a g u a . Desde el punto de vista del consum o

ra le za líq u id a , la e lim in a ció n de a g u o puede [levar­ a

cabo

ta m b ié n

por

c o n c e n tra c ió n

por

e v a p o ra c ió n , bien com o p ro ce so d e preconcentrac ió n , bien co m o o p e ra c ió n Final de secado. Antes de p a s a r a e x p o n e r las p rin cip a le s c a ra c ­ terísticas de los distintos procesos térm icos de seca­ d o de alim entos, se d a cuenta d e dos aspectos re la ­ c io n a d o s con los mismos, a saber: la p sicrom etría

e n e rg é tico , éstos son p o r [o g e n e ra l m o d e ra d o s , ya.

d e las m ezclas v a p o r de a g u a -a ire , ag e n te de seca­

que el agu a que se lib e ra del a lim e n to no se en­ cuentra lig a d a aí mism o p o r fu e rza s de co n s id e ra ­ ció n . La e xce p ció n vie n e d a d o , en este c a s o tam­

d o por a n to n o m a sia , y la a c tiv id a d de a g u a , p ro ­ p ie d a d intrínseca del alim ento q ue in fo rm a sobre el

b ié n ,

por

la

osm osis

in v e rs a ,

cuyo

co n su m o

N

A A'

g ra d o d e fija c ió n deí a g u a y, p a r ende, so b re su a p titu d h a cia el secado.

o m en cla tu ra

Á re n (m 2) Á re n p o r u n id a d d e m asa d e sólid o se c o (m 2 k - 1) aw A c tiv id a d d e ag u a C E U C o n s u m o e n e rg é tic o u n ita rio (k J k g '1) cH C a lo r h ú m e d o o e s p e c ífic o d e la m e zc la ai.re/vapor d e a g u a (k J k g a-1 K -1) cpa C a lo r esp ec ífico a p re sió n c o n s ta n te d e i aire seco (k J kg-1 K~E) c/)(7l C a lo r específico a p re sió n c o n s ta n te d e l aíre seco a la salid a (k J kg-1 K-1)

cPc0 C a lo r esp ecífico a p re s ió n c o n s ta n te del aire seco a la e n tra d a (k J k g -1 K-3) cyv C a lo r esp ec ífico a p re sió n c o n s ta n te del v a p o r d e ag u a (k J kg-1 K -1) D ifu sív id a d efectiv a in te rn a (m 2/ s _)) D D iá m e tr o m e d io d e g o ta (|im ) D q P a r á m e tr o e s tru c tu ra l d et a lim e n to re la c io n a ­ d o c o n su d ifu sív id ad (n i2 s"f) E n e rg ía d e ac tiv ació n (k J m o l-1) E b E n e rg ía d e en lac e d el ag u a (kJ m o l-1) f C o e fic ie n te d efin id o p o r la e c u a c ió n [5.63J

G f ía HoX Ha. Hw h hr K k ka kp k kc L la lp Ms Mw m ma m

m. t m2 mw N O F pa p vv

Pto pw R Rc

Velocidad másica del aire (kg m 2 s'1) Entalpia del aire seco (kJ kg-1) Entalpia del aire seco a la salida (kJ kg'1) Entalpia del aire seco a la entrada {kJ kg-1) Entalpia del vapor de agua saturado (kJ kg-1) Coeficiente individual de transmisión de calor (W nr2 K-1) Coeficiente superficial de radiación (W m"2 K_l) Constante de equilibrio Conductividad térmica (W ■m 1 • K”1) Conductividad térmica del alimento (W m"1 K’1) Conductividad térmica de la pared (W n r 1K_1) Coeficiente global de transferencia de materia (kg s"1o tu s-1) Coeficiente de transferencia de materia de difusión externa (kg s_1 o m s_l) Perímetro del disco de un atomizador centrifu­ go o espesor de pieza (m) Espesor de la película de alimento (m) Espesor de pared (ni) Peso molecular del aire seco Peso molecular del vapor de agua Pendiente de una recta o caudal másico (kg/s-1) Peso de aire seco (kg) o flujo másico de aire seco (kg s_1) Flujo másico de producto (kg s"'); referido al perímetro del disco de un atomizador centrífu­ go (kg n r1 s-1) Flujo másico de producto a la entrada (kg s_1) Flujo másico de producto a la salida (kg s_1) Peso de vapor de agua (kg) Velocidad de giro del disco de un atomizador centrífugo (rpm) Cantidad de calor (kcal o kJ) Presión total de la mezcla aire/vapor de agua (atm) Presión parcial del aíre seco en la mezcla aire/vapor (atm) 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) Presión de vapor del agua superficial de un ali­ mento (atm) Presión parcial del vapor de agua en la mezcla aire/vapor (atm) Constante universal de los gases (Id kg-1 K_1) Velocidad de secado (kg de agua kg-1 alimento seco s'1)

r T T T! Ta, Ta. Thh Tb¡ Ta T0 Tpl T2 T

Tv T_ T, í t

Radio del disco de un atomizador centrífugo (m) Temperatura (°C o K) Tempemtura del aire seco (°C) Temperatura del aire seco a la salida (°C) Temperatura del aire seco a la entrada (°C) Temperatura del aire húmedo (”C) Temperatura de bulbo húmedo (°C) Temperatura de bulbo seco (°C) Temperatura de referencia (°C) Temperatura de la pared o del producto (°C) Temperatura del producto a la entrada (°C) Temperatura del producto a la salida (°C) Punto de rocío o temperatura de saturación de la mezcla aire vapor de agua o temperatura relativa a una superficie (°C) Temperatura de ebullición (”C) Temperatura de saturación adiabática de la mezcla aire/vapor de agua (°C) Temperatura de saturación del vapor de agua (DC) Tiempo total de secado 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 frac­ ción 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 ali­ mento (kg de agua/kg de alimente seco) W. Contenido critico de agua de un alimento (kg de 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/

w x x,v

v apor de agua (kg de v a p o r de agua/kg de aire seco) C antidad de agua del alim ento (kg), que puede estar referid a o no a su ex tracto seco Fracción m olar del aire seco en ia mezcla aíre/vapor de agua Fracción m olar del v ap o r de agua en la mezcla aire/vapor de agua

AP U X P P r

C aída de presión {Fá) R endim iento térm ico (% ) C alor latente de evaporación (kJ kg-1) Viscosidad (kg m-1 mi i r 1) D ensidad (kg n r 3) Tensión superficial (kg m in -2)

GLOSARIO

actividad de agua: Es la ca n tid a d de agua disponible p ara la actividad m icrobiana, bioquím ica o enzim ática. La reducción del co n ten id o 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 co­ rno 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 m ism a tem peratura. consumo energético unitario: Se define como la energía consum ida por unidad de masa de agua elim inada. Se pone de m anifiesto la necesidad de aprovechar en lo posible la entalpia de salida del fluido calefactor. U n 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 alim ento con aire de una humedad relativa y u n a te m p eratu ra dadas acaba po r al­ canzarse un equilibrio e n 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 in ad a cantidad de agua, que se define como e l contenido de hum e­ dad en equilibrio, m ientras que el aire am biente

queda, por su p arte, con u n a h u m ed ad d eterm i­ nada, la denom inada hum edad relativa en equili­ brio. L a diferencia en tre ia hum edad inicial del p ro d u cto y so contenido de hum edad en equili­ b rio se conoce p o r 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 alim ento. proceso adiabático de secado: E l secado de alim en­ tos con aire se p u ed e c o n s id e ra r un pro ceso ad iab ático , au n q u e en realid ad este co m p o rta­ m ien to se circunscribe ai p erío d o de velocidad de secado constante. E l aire cede calor sensible al alim ento recuperándolo como calor laten te a través de la incorporación, como vapor, del agua elim inada, D u ra n te este proceso, la tem peratura de bulbo seco del aire dism inuye, perm anecien­ do constantes su entalpia y tem p eratu ra de b u l­ b o húmedo. rendimiento térmico: Se define com o la relación e n ­ tre la cantidad de energía teórica necesaria para elim inar el agua y la cantidad de energía consu­ m ida 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 co­ rrie n te no se sature en hum edad, qu e se evita au ­ m en tan d o su tem peratura.

m edo, que define una n ueva te m p eratu ra , la

5.1. Psicrom etría La psicrom etría, en su sentido más amplio, se encarga de ia determ inación de las propie­ dades term odinám icas de las mezclas entre ga­ ses y vapores. Su aplicación más frecuente se centra en el sistema aire-vapor de agua. L a in­ dustria alim entaria no es una excepción. Así, el com portam iento de estas mezclas bajo distintas condiciones determ ina, entre otras cuestiones, el diseño de los secaderos de alimentos y de los equipos para su alm acenam iento frigorífico. Se com ienza con la exposición de las principales p ropiedades de cada uno de los com ponentes de la m ezcla para, p o steriorm ente, proseguir con el análisis y características del conjunto aire-vapor de agua.

5 . ] .2. Propiedades del vapor de agua a) Calor específico. L a variación del calor específico del vapor de agua (saturado o so b re­ calentado) con la tem peratura puede conside­ ra rse nula en el intervalo -71/124 ÜC. Se suele to m a r el valor de 1,88 kJ/(kg K). b) Entalpia. La entalpia de un vapor satura­ d o es la sum a de dos contribuciones: el calor sensible necesario para llevar el agua desde la tem p eratu ra de referencia a la tem peratura de saturación de! vapor y el calor latente de vapori­ zación (2t ), función de esta última tem peratura.

H w = cPw( T „ - T f¡) + XT

5. /. 1. Propiedades del aire seco a) Calor específico. E l calor específico del aire seco a 1 atm de presión varía, en ei inter­ valo de tem peraturas -40/60 °C, entre 0.997 y 1,022 kd/(kg K). P ara cálculos rápidos se suele ad o p tar un valor prom edio de 1,005 kJ/(kg K). b) Entalpia. D ado el carácter relativo de es­ ta p ropiedad 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 prem isa, la entalpia del aíre seco viene da­ da por la siguiente expresión: H a = cPJ T bs~ T Q) ^ l , m 5 T bs

cual se tratará más adelante en relación con las propiedad es de las mezclas aire-vapor de agua.

[5.1]

donde H representa la entalpia en cuestión, en kJ/kg, T bs su tem peratura de bulbo seco (se ex­ plicará seguidam ente) y TQ la tem peratura de referencia, ambas en °C. c) Temperatura del aire. Tam bién llam ada de bulbo seco (7) = T ), nom bre que tom a del sistem a de m edida em pleado. Se trata de la tem peratura m edida por un sensor al efecto sin m odificar (en el caso de un term óm etro con­ vencional dicho sensor sería su bulbo). Se em­ plea el térm ino seco en contraposición al h ú ­

[5.2]

5 .1 .3 . Propiedades de las mezclas aire-vapor de agua

Las mezclas aíre-v ap o r de agua p resentan u n com portam iento asimilable al de los gases p e rfe c to s, siem pre que el sistem a no supere u n a presión to tal de 3 atm . P o r o tra p arte , cum plen la ley de G ib b s-D aito n , a saber: la presión total de la mezcla (P) es igual a la suma d e Jas presiones parciales del aire seco (p ) y d el vapor de agua (p w)a) Humedad. Para definir el estado de un aire húm edo se requiere conocer su contenido en va­ p o r de agua. Se introduce así el concepto de h u ­ m edad, que puede adquirir distintos valores se­ gún la designación que se adopte en cada caso. ■ — La hum edad absoluta o específica (W) es el peso del vapor d e agua (m w) presente en la mezcla p o r unidad de peso de aire seco (m ). Se expresa en kg de agua p or kg de aire seco. W =

[5.3] ma

A plicando la ley de los gases perfec­ tos a los dos com ponentes de la mezcla considerada, P„VM„ RT

[5.4]

=

— La hum edad relativa (Wjj) se expresa co­ mo la relación p o rcen tu al entre la p re ­ sión parcial del v ap o r de agua en el aire húm edo y la presión de vapor del agua a la tem peratura de dicho aire. ■x 100

[5.5]

[5.10]

RT donde M w y M a representan, respectiva­ m ente, los pesos m oleculares d el vapor de agua y de! aire seco. L a com binación de las ecuaciones [5.3], [5.4] y [5.5] con­ duce a las siguientes expresiones:

Mwpw _________ M wP, KPc W =

[5.6]

M J P - p w)

M w x ÍV

Mw $

[5.7]

siendo y x las fracciones m olares del vapor de agua y del aire seco, respectiva­ m ente. La hum edad de saturación (14^) corres­ p o nde al m áxim o co n ten id o posible de vapor de agua en la m ezcla p a ra una tem peratura dada. E n estas condiciones se dice que el aire se encuentra saturado, siendo la presión p arcial del v ap o r 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]: Wr=

M.

Pv» K ( P ~ P VJ

M.

x

M.a xü

[5i81 L J

La hum edad absoluta porcentual (W ) es el cociente entre la hum edad absoluta de la mezcla a una tem p eratu ra dada y la de saturación a esa m ism a tem peratura.

1L =

P

W

Ws

p

(R -A™) LTtLL x 1 0 0 „ „ (P -p J

X 100 = ^ 4

P

[5.9]

El valor de W p es m enor que el de WR, excepto p ara el 0 y 100% de h u m e­ dad, que coinciden. Para estab lecer el contenido de vapor de agua de un aire respecto al que ten d ría en estado sa tu ra­ do a la misma tem peratura se suele em ­ plear la WR. b) E l punto de rocío o temperatura de satu­ ración (T.) es la tem peratura a la cual se satura la mezcla aíre-vapor de agua conforme se en­ fría 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 du­ rante el enfriam iento) con la presión de vapor del agua (que h a ido dism inuyendo al d escen­ der la tem peratura). Si se fuerza el enfriam ien­ to por debajo de dicho punto, como la presión de v ap o r del agua co n tin ú a reduciéndose, la igualdad se m antiene a expensas de la conden­ sación de p arte del vapor (m enor presión p a r­ cial del vapor de agua en el aire). c) E l calor húm edo o específico (cH) se defi­ ne com o la cantidad de calor necesaria p a ra elevar la tem peratura de la mezcla, referida a la unidad de m asa de aire seco, en un g rado Kelvin. cH se puede expresar, pues, en función de los calores específicos de los dos com ponen­ tes de la mezcla,

c« =

cp .,

+ c ^ lV = l , 005+1,88

[5.11]

donde c.H está en k J/(k g a; K), cp y cp en kJ/(kg K ) y W en kg de agua/kgas. d) E l volumen húm edo o específico (V H) d e ­ nota el volumen que ocupa la mezcla aire-vapor

de agua, referido a la unidad de m asa de aire seco, a una atm ósfera de presión y a una tem pe­ ratura dada. Su cálculo se efectúa com o la suma de las contribuciones de los volúmenes específi­ cos de los dos constituyentes de la mezcla. Así, aplicando la ecuación de los gases perfectos, ^ ,.= 2 2 ,4

22 4

E vaporación

Tbs'W

7b

Aíre húmedo

Tb. vy

A gua

L,

1 (Tb l+ 273) 29 273

Aislam iento

[5.12]

JL (Tfa + 273) w Vw - 22,4 273 18 V H = Vas. + V» =

A ire seco

f 1

[5.13]

FIGURA 5 .1 . C á m a ra para la determ inación de la tempe­ ra tu ra de saturación a d ia b á tic a .

W'

+ 273) 29 -~ + l&

f) L a temperatura de bulbo húm edo (T hh) se determ ina m ed ian te un term óm etro cuyo bul­ [5.14] bo está recu b ierto por un trapo p erm a n en te­ siendo 29 y '18 los pesos m oleculares del aire m ente saturado con agua, A l circular el aire inseco y del vapor de agua, respectivam ente. satu rad o a trav és del term ó m etro húm edo e) Temperatura de saturación adiabática tiende a ganar hum edad, con lo que la tem p e­ (T w). Supóngase una cám ara adiabática como ra tu ra m ed id a dism inuye. Esta situación se la que se m uestra en la figura 5.1, donde se po­ com pensa p o r la cesión de calor sensible por ne en contacto una c o r r i e n t e de aire que entra p arte del aire. Se alcanza el estado estacionario a Tbs ( Tbs = 7 'J con una gran cantidad de agua cuando el calo r sensible cedido por el aire es a T w. U n a vez alcanzado el equilibrio, la co­ igual al que to m a como latente. L a tem peratu­ rriente de aire abandona la cám ara a una tem ­ ra correspondiente a este equilibrio es la deno­ p eratura T w (tem peratura de saturación adia­ m inada tem peratura de bulbo húmedo. D icho bática), como resultado de que la p érdida de equilibrio se puede representar tam bién como calor sensible p o r p arte del aire húm edo se el punto en el que la velocidad de transm isión com pensa con la ganancia de calor latente pro­ de calor desde el aire a la sonda se iguala a la cedente de la vaporización parcial del agua. Se velocidad con que se transfiere el vapor desde trata, pues, de un proceso isocntálpico, repre­ la sonda h a s ta el aire. Surge así la siguiente sentado por la siguiente ecuación. ecuación: cu (Tbs

Tw) ~ X jw (Wj

W)

[5.15]

donde XT es el calor latente a la tem peratura de saturación adiabática. U n a simple transform ación de la ecuación anterior perm ite establecer una relación lineal entre la hum edad y tem p eratu ra del aire du­ rante su enfriam iento adiabático, conocida co­ mo línea de enfriamiento adiabático. (W s- W) = j i L (T a - T j Á,J"

[5.16]

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, respectivam ente, los coeficientes individuales de transm isión de calor a través del aire y do transferencia de m ateria referido en este caso al vapor de agua.

Se ha d em ostrado experim entalm ente que las mezclas aire-vapor de agua presentan unos valores de T w y Tbh muy próxim os entre sí, pu­ d iéndose utilizar in d istin ta m en te. No sucede así con otros sistem as gas-vapor, donde las di­ ferencias pueden ser m ás que apreciables.

5.1.4. Diagrama psicroméifico

A la vista de lo expuesto, queda patente que las pro p iedades de las m ezclas aire-vapor de agua están interrelacionadas entre sí, pudiéndo­ se determ inar aplicando la expresión matemáti­ ca al efecto. Sin em bargo, p ara determ inar las distintas propiedades se suele recurrir al empleo del diagrama psicrom étrico a la presión baromé­ trica correspondiente (figura 5.2). A partir del conocim iento de dos de las propiedades de la mezcla, el diagrama perm ite, merced a la interrelación existente, la determ inación casi inme­ diata del resto de propiedades psicrométricas. Las coordenadas del diagram a son tem pera­ tura, ya sea seca, húm eda o de saturación (abeisa) y la hum edad absoluta o específica (ordena­ da), La familia de curvas de tipo exponencial representa la variación de la hum edad 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 po ­ drán 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). A m bas tem p eratu ras se leen en abeisas. L a de bulbo húm edo se determ ina prolongando la linca de enfriam iento adiabáti­ co que pasa por el punto considerado hasta al­ canzar la hum edad de saturación, m ientras que el punto de rocío surge de enfriar la mezcla a hum edad específica constante hasta saturación. Existen dos familias de rectas que cruzan el diagrama. Las de m ayor pendiente correspon­ den al volumen especifico del aire seco, en tan ­ to que las otras representan procesos adiabáti­ cos de en friam ien to o calentam iento. La prolongación de estas líneas hacia la izquierda, habida cuenta que estos procesos son isoentálpieos, conduce a una escala de entalpias.

Ejemplo 5.1. Manejo del diagrama psicromé­ trico. Se tiene l i l i aire c u y as te m p e r a tu ra s de b u lb o seco y h ú m e d o son, re sp e c tiv a m e n te , 60 y 35 “C . D e te rm in e , con a y u d a del d ia g ra m a p sic ro m é lrico, su h u m e d a d a b s o lu ta , h u m e d a d relativ a, e n ­ talpia, v o lu m en esp ecífico y p u n to d e rocío.

Solución L a in te rse c c ió n d e la lín e a d e e n f ria m ie n to ad ia b á tic o q u e p a sa p o r 35 °C ( T bh) con la p e r-

Llnea de enfriamiento

Temperatura seca/húm eda Figura 5.2. Diagrama psicrométrico simplificado.

una perpendicular al eje de abeisas. El va­ lor determinado es de 29 °C.

pendicnlar al eje de abolsas que parte de 60 °C (Th'í) determina las coordenadas del aire proble­ ma en el diagrama psícrométrico. a) H um edad absoluta. Desde estas coorde­ nadas se traza una paralela al eje de abeisas hasta alcanzar la ordenada de la dere­ cha, 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) H um edad relativa. El punto correspon­ diente a las coordenadas del aire está contenido en la curva de humedad relati­ va del 20%. c) Entalpia. La prolongación de la línea de enfriamiento adiabático que pasa por 35 °C hasta la escala de entalpias permite es­ tablecer el valor de la misma en práctica­ mente 30 kJ/kg de aire seco. d) Volumen específico. Hay que interpolar entre las dos rectas de volúmenes especí­ ficos adyacentes al punto de identifica­ ción del aire problema, esto es, entre 0,95 y 1 ,110 m3/kg de aire seco. El valor resul­ tante es de 0,98 que, como se aprecia en el diagrama, está más próximo al volu­ men especifico unidad. e) Punto de rocío o tem peratura de satu­ ración. .Desde las coordenadas del aire problema se traza una paralela al eje de abeisas hasta alcanzar la curva correspon­ diente a las condiciones de saturación - 100%), La lectura se puede reali­ zar “in situ” o trazando desde ese punto

5 . 1.5. Procesos psicroméiricos

E l d iag ram a p sicro m étrico , adem ás d e p e r­ m itir la caracterizació n de u n aire h ú m e d o , fa­ c ilita el seg u im ien to de los cam bios q u e se p ro ­ d u c e n en d e te rm in a d o s procesos. E l análisis d e la ev o lu ció n de las condiciones de) aire a lo lar­ g o de la o p era ció n con stitu y e una h e rra m ie n ta b á s ic a p a r a el d ise ñ o d e e q u ip o s en los q u e a q u é l ju e g a u n p ap e l relev an te, tai es el caso d e su a c o n d ic io n a m ie n to , c a le n ta m ie n to , se ca d o , e n fria m ie n to p o r v ap o rizació n , hum idificación y deshum idificación. E n relació n a los a lim e n ­ to s, las o p era cio n e s d o n d e el aire tie n e u n a m a­ y o r p articip a ció n son ei secad o convectivo y el a lm a c e n a m ie n to frigorífico. a) C alentam iento o enfriam iento de aire (figu­ r a 5.3). El pro ceso tran scu rre en condiciones de h u m e d a d a b s o lu ta c o n stan te. P o r ello, la d e s­ crip ció n de dicho proceso a través d el d iag ram a p sic ro m étric o v en d rá dada p o r u na línea p a ra le ­ la al eje de abeisas que u na las co o rd e n ad as del a ire d e p artid a con las del aire final, cuyo sen ti­ d o se rá de izq u ierd a a derecha, si h ay a p o rte de calor, o viceversa p a ra el enfriam iento. E l cálcu­ lo del caudal calorífico n ecesario p a ra p asar el

X / X

X

0

,| <

1

,

\* /

\B V

T e m pe ratu ra s e s a /h ú m e d a FIGURA 5 .3 . C alentam iento 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 re­ alizará a partir de la siguiente ecuación:

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 Q= t519] en un punto determinado por la regla de la pa­ donde m a es el caudal másico de aire y H n y HA lanca. Lógicamente, el aire problema estará las entalpias de] aíre a la salida y entrada del tanto más cerca de uno de los puntos cuanto proceso, las cuales se pueden obtener a partir mayor sea la contribución del aire de partida del propio diagrama prolongando las respecti­ representado por ese punto. vas lincas de enfriamiento adiabático hasta al­ c) Secada de sólidos con aire (figura 5.5). Se trata de un proceso de saturación adiabático en canzar la escala en cuestión. b) Mezclas de aire (figura 5.4). E n algunas el que el aire ccdc calor sensible al sólido recu­ ocasiones es preciso mezclar dos corrientes de perándolo como calor latente a través del vapor de agua captado. Como se aprecia en la figura aire de propiedades diferentes. En tal caso, el 5.5, la tem peratura del aire (Th¡) disminuye, diagrama psicrométrico perm ite establecer las permaneciendo constantes su entalpia y tempe­ características del aire resultante. El procedi­ ratura de bulbo húmedo. miento es sencillo: una vez identificados en el

FIGURA 5 .5 . Proceso odiabático de secado.

E je m p lo 5.2, A plicación del diagram a psicrornétrico al secado de alim entos con aire. Se procede a secar un alim ento 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 W R = 30% y se precalienta hasta reducir su hum edad relativa al 1% , entra al secadero con un caudal d e 800 m3/h. El alim ento se obtiene con una hu­ m ed ad final del 157o (b.h.), m ientras que el aire d e salida p rese n ta u n a h um edad relativ a del 607o. D eterm ine: a) La tem p eratu ra del aire a la entrada y sa­ lida del secadero. b) La hum edad absoluta del aíre a la en tra­ da y salida del secadero. cj E l volum en h ú m ed o del aire de entrad a al secadero; com pruebe su valor analítica­ m ente. d) El flujo músico de aire a la entrada del se­ cadero. e) El caudal volum étrico de aire a la salida del secadero. f ) La ganancia entúlpica del aire debida a su calefacción. g) L a capacidad de tratam iento del secade­ ro.

Solución L os c o n te n id o s d e h u m e d ad del alim ento en kg referidos a la u n id a d de m asa de su fra c­ ción seca (kg) son: wq ~ 0,7/0,3 = 2,33 para la e n tra d a y vu, = 0,15/0,85 = 0,1765 p ara la sali­ da. E l aire de p a rtid a , q n e se identifica en el d ia g ra m a p o r su te m p e r a tu ra de b u lb o seco (30 °C) y p o r su h u m e d a d rela tiv a (3 0 % ), se calien ta a h um edad ab so lu ta co n stan te (p ara­ lela al eje de abeisas) h asta alca n za r una hu ­ m e d ad relativ a del 17o . D esde este p u n to se si­ gue la línea de e n fria m ie n to ad iabático que lo co rttieu e h a s ta q u e su h u m e d a d re la tiv a sea del 60% . a) A te n d ie n d o al d ia g ra m a p sícro m étrico , las tem peraturas del aire a la entrada (T aJ) y sa­ lida (7’nl) del secad ero son, respectivam ente, 44 y 107 °C.

b) Las hum ed ad es absolutas del aire a la e n tra ­ da (W?) y salida (W t) del secadero son, res­ p ectivam ente, 0,008 y 0,035 kgv/kg . c) El volum en húm edo o específico del aire de en trad a es, gráficam ente, de 1,092 m3/k g aí Su c o m p ro b a ció n an alítica exige aplicar la si­ guiente expresión (ecuación 5.14): V V = (7 ^ /(2 7 3 ,1 5 K - l atm) l ' ■(273,15 + T& °C) K ■[(1/A4 k g j m o l - k g j + + W 2/M w kgv/(m ol-kgT *kgas)] V m = [(22,4 m 7m ol-kg¡iJ/(2 7 3 ;15 K ■1 atm )] • (273,15 + 107 ° C )K ■ ■[(1/28,84 k g Jm o I-k g H) + + 0,008/18 kgv/(moI-kgv - k g J J = =1,094 m :’/kgas d) El flujo músico de aire seco a la en tra d a del secadero viene dad o p o r el cociente e n tre su caudal volum étrico (800 in7h) y su volum en específico (1,092 m-Vkg ). Su valor asciende a 732,6 k g as/h. Com o en realidad se pide el flu­ jo músico de aire, a esta cifra hay que su m a r­ le la contribución del vapor de agua q ne lleva consigo; se req u iere la operación siguiente: = 732,6 (1 + W 2) = 732,6 (1 4- 0,008) = = 738,5 kg /h e) E n p rim e r lugar, hay que establecer el volu­ m en específico del aire a la salida del secader ° (V ^j): 0,946 m3/kgas. A continuación basta con m ultiplicar este d ato p o r el flujo m úsico d e aire seco, 732,6 kg /h, determ inado en el ap artad o anterior. El caudal volum étrico pe­ dido resu lta ser de 693,04 m 3/h. f) E l aire tie n e una ganancia entálpica deb id a a su p rec a le n ta m ie n to , o p eració n p re v ia a su em pleo en el secadero, que se calcula com o la d iferen cia de entalpias entre el aire d e sali­ da y de en trad a en esta etapa: 135 - 50 - 85 k.í/kgas. g) Se p arte de un balance de agua a lre d e d o r del sistem a, es decir, la cantidad de ag u a q u e p ierde e l alim en to es igual a la ca n tid a d de vapor d e agua que tom a el aire: (W , - W 2) k g /k g as ■(m a) k g ,/h = (w, - w 2) 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 d el 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 pro­ ceso en el diagrama psicromctrico se ajustará a una función escalón , d el tipo de la que se muestra en la figura 5.6.

Ejemplo S.3. Secado de alimentos con recalefacción 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 en­ trada, 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. Supo­ niendo 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 calen­ tar el aire de entrada para efectuar el se­ cado en una sola etapa, es decir, sin reca­ lefacción entre bandejas?

Solución Una vez identificado el aire de entrada al se­ cadero, se toma la línea de enfriamiento adiabá­ tico hasta alcanzar la función de la humedad re­ lativa 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 abcisas, que se interrumpe cuando se alcanza la ci­ tada temperatura A partir de aquí se repi­ ten sucesivamente estos pasos hasta que el aire abandona la cuarta bandeja. a) A partir del trazado efectuado en el diagra­ ma 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 ban­ dejas: 1.a bandeja: T bh = 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; W l = 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 efec­ tuada 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 j s . Agua eliminada del alimento en forma de vapor: 0,031. - 0,005 - 0,026 kgv/kgas. C audal 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 pre­ ciso calentar el aire de partida hasta una cier­ ta tem peratura (105 °C), la cual está definida por la intersección entre la línea de calenta­ miento del aire de entrada y la línea de en­ friamiento adiabático que contiene las coor­ denadas del aire de salida.

E n o tras ocasiones se recircu la p a rte del ai­ re d e salida d el se ca d ero a fin d e ap ro v e ch ar la e n ta lp ia d e esta c o rrie n te , la cual se m ezcla con a ire am b ien te an tes d e p a s a r el co n ju n to al p rc c a le n ta d o r. E n la fig u ra 5.7 se p o n e de m a n i­ fiesto cóm o la m ezcla tie n e u na h u m ed ad s u p e ­ r io r a la q u e te n d r ía el a ire e n au sen c ia d e rec irc u la ció n , lo q u e su p o n e u n m en o r p o te n ­ cial d e d esecació n , p rin cip al in co n v en ien te d el sistem a. L a iden tificació n d e los p u n to s es la si­ g u ie n te: B y B ' c o rre sp o n d e n a la e n tra d a del se c a d e ro e n a m b o s caso s (p ro c e so n o rm a l y co n recircu lació n , resp e ctiv am e n te), C y C a lu ­ d e n a la salida d el se ca d ero , y A y A" a la e n tr a ­ da d e l p rec ale n tad o r.

E jem plo 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 tem peratura de bulbo húmedo de 50 °C. El 75% de esta corrien­ te se mezcla con aire am biente, el cual se en ­ cuentra 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 exte­ rior.

FIGURA 5.7. C om p ara ción entre un proceso convencional de secado y un proceso con recirculación parcial del aire de salida.

a) Determine gráficamente las tem peraturas del aire a la entrada y salida del precalen­ tador. Si se suprime la recirculación, supues­ to que la tem peratura del aire a la entra­ da del secadero es la misma que en el ca­ so anterior y que su tem peratura de salida es 10 °C superior a la de bulbo húmedo, establezca a partir del diagram a psícrométrico cuál de los dos sistemas d e seca­ do, con y sin recirculación, es el que: b) Consume m enos calor p o r kilogram o de agua evaporada en el secadero. c) Presenta m ayor potencial de secado por kilogramo de aire seco.

Solución Con los datos de partida se pueden localizar en el diagrama psicrométrico los puntos corres­ pondientes al aire de entrada (A ) y al aire de sa­ lida (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 es­ pecíficas respectivas son: WA = 0,0042 kgp'lcg^ y Wc = ü,082 kg/kg^. a) El aire de entrada al precalentador (A '), re­ sultante 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 si­ túa en la intersección entre la línea de hum e­ dad específica de A ' y la línea de entalpia (o de enfriamiento adiabático) de C . Las tem­ peraturas de bulbo seco determ inadas gráfi­ camente son: T/V = 50 °C y TB. = 100,2 °C. WA, = WB, tom a un valor de 0,06255 kgv/kg8¡¡ y H a. y H fr son iguales a 214 y 275 kJ/kgas, res­ pectivamente. El aire de entrada al secadero sin recircu­ lación (5) se identifica en la línea de hum e­ dad 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 enfriam iento adiabático (o de entalpia) de B en un punto tal que su tem peratura de bulbo seco ( T c) sea igual a la de bulbo húm edo 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 kilogram o 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 )!(W c - 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 ca­ sos. En contrapartida, este secadero consume un 15,6% más de energía (3.625/3.136 1,156).

5 .2 . Actividad de a g u a E l p rincipal fac to r q ue co n d icio n a el grad o de alterac ió n d e u n a lim e n to es su co n te n id o de agua. D ich a alterac ió n p u e d e se r d eb id a a la p re se n c ia de m ic ro o rg an ism o s, p ro c e so r e la ti­ v am en te ráp id o , o m erced a las rea ccio n es b io ­ quím icas y en zim áticas q ue tien en lu g ar d u ra n ­ te su alm acen am ien to , c o n sid erab lem e n te m ás lentas. L a e stab ilid ad de u n a lim e n to n o está aseg u rad a , sin e m b a rg o , p a ra un d e te rm in a d o co n ten id o m ínim o de agua. E x iste n n u m e ro so s ejem plos al resp ecto . A sí, el café es su scep tib le de a lte ra rse cu an d o su co n ten id o en agua so b re b ase seca su p era el 3 % , m ien tras q u e el to m a te

se muestra estable para un contenido de agua del 30% La variable que realmente determina la vi­ da útil de un alimento, conocida por actividad de agua, es la cantidad de agua disponible para la actividad microbiana, bioquímica o enzimática. La reducción del contenido de agua del ali­ mento, que implica una disminución paralela de su actividad de agua, justifica el desarrollo y empleo de procesos de deshidratación tales co­ mo el secado, la evaporación, la liofilización o la concentración por congelación. La actividad de agua (au) se define mediante la siguiente ex­ presión: —P viva aw------Pvw

[5.20]

donde p vwa representa la presión de vapor del agua en el alimento y p vw 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 es­ tructura 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 pre­ sión 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 equili­ brio se conoce por humedad libre o en exceso, a no confundir con el término agua libre, cuyo

significado se expone en el siguiente subapartado. De la igualdad entre y p w en el equili­ brio 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

[5.21]

100

5.2.2. Isotermas de sorción Si se representan distintos valores de la hu­ medad relativa en equilibrio del aire frente al correspondiente contenido de humedad en equilibrio del producto a una temperatura da­ da, 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 es­ tructura y composición. El análisis de la figura 5.8, donde se repre­ senta 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 pro­ ceso d e hum idificación del alim ento (adsor­ ción) o mediante el proceso contrario, de seca­ do (desorción). Se conform a así un ciclo de histéresis, característico de cada alim ento. En la figura se diferencian, asimismo, tres tramos, que se corresponden con o tro s tantos estados del agua. Tramo A. En esta zona el agua se encuentra fuertem ente ligada al alim ento por fuerzas de Van d er Waals. cuando no form ando parte de la propia estructura m olecular del producto. El agua puede estar asociada a, en tre otros gru­ pos, los hidróxidos de los polisacáridos, así co­ mo a los carbonilo y am ínico de las proteínas. La totalidad del agua unida a estos puntos se conoce como agua m unocapa (capa monomolecular de agua). Se trata de un agua con una entalpia de vaporización m uy superior a la del agua pura, sum am en te e stab le y difícilm ente congelable o d esh id ra ta b le. Se habla en este caso, tam bién, de agua rígida. Tramo B. C orresponde esta fase al agua re­ ten id a en diversas capas (agua m uíticapa), la cual ejerce como disolvente de solutos de bajo peso molecular. Las fuerzas de unión a la es­ tru ctu ra del alim ento o sustrato seco son bas­ ta n te menos intensas que en el caso anterior. P resen ta una entalpia de vaporización todavía superior a la del agua pura. Constituye un me­ dio d o n d e en ciertos alim entos pueden tener lugar algunas reacciones bioquím icas. Se dice que el agua en esta zona se encuentra en esta­ do pseu d o-líquida. Tramo C. El agua en este tram o está reteni­ da p o r capilaridad o en las células del alimento. Su grado de fijación al alim ento es en todo ca­ so débil, de ahí el térm ino agua libre, Sus ca­ racterísticas están muy próxim as a las del agua pura. Se deshidrata o congela con facilidad. Es el m edio donde se desarrolla el crecim iento mi­ crobiano, así com o donde se dan las reacciones enzimáticas y bioquím icas. P o r ello, a veces, re­ cibe el nom bre de agua biológica. Parece claro, p o r tanto, que si el alim ento presenta una a d en tro del intervalo del tra m o C, existirán

grandes posibilidades de que experim ente al­ guna alteración. E l co n o cim ien to de las isoterm as de so r­ ción de los alim en to s es fu n d a m e n ta l p ara plan tear su conservación. A sí, si se tra ta del secado de un alim ento con aire de u na h u m e­ dad dada, su contenido de hum ed ad en equi­ librio es el co n te n id o de h u m ed ad m ínim o que se puede alcanzar para u na d eterm in ad a tem peratu ra. Si la operación es un alm acena­ m iento frig o rífico d el alim en to , h a b rá que buscar a través d el estudio de su iso term a de sorción unas condiciones para el aire am b ien ­ te tales que aseguren una actividad d e 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 seguim iento de las variaciones de peso del alim ento, m anom etricos, donde la variabie a m edir 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 d e isoterm as d e s o r c ió n

U na vez se determ inan experim entalm ente las isoterm as de sorción, el siguiente paso con­ siste en ajustar los datos a un m odelo teórico (empírico en la m ayoría de los casos) que des­ criba el com portam iento del sistem a bajo dis­ tintas condiciones. En el cuadro 5.1 se recopi­ lan los diferentes modelos al uso, así como sus particularid ad es e intervalos de validez. Los parám etro s reseñ ad o s son: aw, actividad de agua; W, contenido de hum edad en el equili­ brio (base seca); W v hum edad absoluta en la monocapa, W Q hum edad absoluta para una aw = 0,5, ¿?(1) y Í3(2), constantes determ inadas es­ tadísticam ente; CG, constante de G A B , y K y C sendas constantes propias del modelo conside­ rado.

C U A D R O 5.1 M odelos d e isotermas d e sorc/ón

Modelo

Observación

Ecuación

W = W| _ C W t¡_

Langmmr (191 8]

1 + CVVfi

in—— = B(2J 8/1J

Bradley (1936)

Bruna uer-Emmett-Teller. BET (1938]

Teoría de ¡a polarización

S 0 ,7

M ono capa de agua

> 0 ,4 5

aw

1 (1- a j w

IV¡C

W,C

Oswin (1946]

r sBfl W = B(2]! -SüA-

Curvas sigmoides

—

Smilh (1947]

W - [6(2)-8(1 ]] in (1 -AJ

Biopolímeros y alimentos en general

> 0 ,3

M ulticapa de agua

0 ,1 -0 ,8

Proteínas y alimentos en general

—

|1 - k a w ) [ l t (C g - 1 k o w ]

Multicapa de agu a

¿ 0 ,9 4

311] - + 6(2]

Alimentos con azúcares

< 0,5

6 (2 ) 1

Halsay (1948)

W'BIHJ 1 ■aiv, = exp

Henderson (1952]

Guggenhemr-Anderson-De Boer. GAB (I9ÓÓ) Kuhn (1972]

________ W]

W =

iff a.

Iglesíos-Chirífe (1978)

ln [W + (VV5 + W y 0'3] - 6(1) + 6(2)

Iglesias-Chmfe (1981)

W=6(1) L f ^ - | + 6|2)

5 .2 .4 .

Efecto de la temperatura sobre la a w

E n general, la cantidad de agua adsorbida por el alimento disminuye conforme aum enta la tem peratura. Dicho de otro modo, si se de­ sea que el alimento m antenga un determinado contenido de agua en equilibrio a una nueva tem peratura, superior a la anterior, aum entará su actividad de agua. E n suma, un incremento de tem peratura tiende a desplazar la isoterma de referencia hacia abajo. El efecto de la tem­

peratura sobre las isotermas de sorción se ajus­ ta a una ecuación análoga a la de ClausiusClayperon: d (la g,v) d (1 I T )

^

.Mk R

[ 5 .2 2 ]

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).

D icha energía se puede expresar como la dife­ rencia entre el calor de absorción del agua y su calor laten te de vaporización. Si se integra la ecuación [5.22] p ara un nivel de hum edad d a ­ do, resulta una nueva expresión:

siendo rq y a2 las actividades del agua a T j T2, respectivam ente. La representación del in a w frente a 1!T d e ­ term ina un a recta de p e n d ie n te - E b/R . A sí pues, a partir de los datos experim entales de las diferentes isoterm as de sorción de distintos alim entos se pueden establecer las correspon­ dientes energías de enlace. E l conocim iento de las energías de enlace de los alim entos, la m a­ yoría de las cuales se e n c u e n tra n tabuladas, perm ite predecir o extrapolar las isoterm as de soi d o n a otras tem peraturas.

5.2.5. Efecto de la a sobre los alimentos Como norm a general se pued e 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 m ayor parte de las bacterias. H abítualm ente se juega con el efecto sínérgíco que su pone ia conjun­ ción de factores tales como n PH- tem p eratu ­ ra, concentración de 0 2 o C 0 2 y adición de conservantes en general. E sto perm ite que no sea necesario reducir en exceso la a , lo que re ­ dunda en una conservación del alim ento sin perdidas significativas de su valor nutritivo ni de sus características organolépticas. En ciertos alim entos las enzim as n o se d e ­ sactivan d u ran te su p rocesado térm ico. P o r ello, las reacciones enzim áticas pued en ten er lugar incluso cuando la aw es reducida. E n estas condiciones, no obstante, este tipo de reaccio­ nes se encuentran desfavorecidas por la lim ita­

da m ovilidad de los sustratos p otencialm ente reactivos, que dificulta su acceso a los centros activos de la enzima. Las reacciones bioquím icas que se producen a valores de a bajos son el pard eam ien to de M aillard y la oxidación de lípidos. A estos ni­ veles de aw, al igual que en el caso anterior, se limitan los movim ientos de las sustancias sus­ ceptibles de reaccionar, red u cién d o se así el pardeam iento. Si ia a w aum enta, se pasa por un máximo en el pardeam iento, cuya explicación radica en que, p o r una parte, el agua de reac­ ción llega a disolver los sustratos sujetos a una posible alteración y, por otra, se acum ula, res­ tringiendo la extensión de ia p ro p ia reacción principal (ley de acción de masas). La oxidación de lípidos a bajos valores de la aw transcurre m erced a la actuación de los radi­ cales libres. Si aum enta la a , los secuestrantes (coloides y quelatos) de los cationes metálicos responsables de la catálisis de la oxidación se solubilizan, reducién d o se ésta. S u p erad o un cierto nivel de los catalizadores se hidratan, llegando a precipitar como hidróxidos si cl pH del m edio lo perm ite, lo que supone un a pérdi­ da-de actividad. Si el contenido de agua libre sigue au m en tan d o , el alim en to se expande, p rese n tan d o los lípidos un m ayor riesgo a la oxidación. Las alteraciones de Ja textura en un alim en­ to se pueden dar, más que en el secado convec­ tivo, durante el alm acenam iento de productos liofiíizados. U na baja actividad de agua puede tam bién ayudar a desorber las sustancias volá­ tiles responsables del aroma. E ste extrem o re ­ sulta especialm ente relevante durante el alm a­ cenam iento conjunto de diferentes alim entos. É stos d eb en ser com patibles en tre sí, de tal m odo que no se produzcan intercam b io s de aromas. La selección se basa en el conocim ien­ to de las respectivas isoterm as de sorción, así como en la determ inación de la aw por debajo de la cual com ienzan a resentirse las p ropieda­ des arom áticas de cada uno de los productos. En la actualidad, uno de los cam pos de investi­ gación de m ayor auge en la industria alim enta­

ria es aquel que se ocupa de establecer la in­ fluencia de la aw sobre las propiedades del ali­ m ento; se tra ta de relacionar las posibles alte­ raciones de alim entos de características parejas en función de su composición, procesado y al­ m acenam iento.

5.3. Secado con aire caliente Cuando un alim ento se pone en contacto con aire de una tem peratura y hum edad dadas, este último proporciona el calor latente necesa­ rio para que el agua del producto pase a vapor. F,1 vapor de agua abandona el alimento por di­ fusión, a través de la película de aire en reposo que rodea a la superficie del prpducto, hasta al­ canzar la corriente de aire en movimiento, que se encarga de arrastrarlo. La velocidad de eli­ minación de agua está supeditada tanto por la transferencia de m ateria (vapor de agua) entre el alimento y el aire, como por la transmisión de calor, de signo contrario. La transferencia de m ateria tiene lugar merced al gradiente existen­ te entre la presión de vapor del agua del ali­ m ento y la presión parcial del vapor de agua en el aíre, fuerza impulsora de este movimiento. La representación de la hum edad del pro­ ducto frente al tiem po de secado es el punto de p artida para establecer la evolución de ía velo­ cidad de secado a lo largo de la operación. En la figura 5.9 se m uestran las variaciones típicas de la hum edad de un alimento y de su veloci­ dad de secado fre n te al tiem po. U n a tercera gráfica inform a sobre cómo varía la velocidad de secado conform e se reduce la hum edad del sólido. Com o pued e apreciarse, se distinguen tres periodos para la velocidad de secado según ésta aum ente (tram o A -B ), perm anezca cons­ tante (tram o B-C) o dism inuya (tram o C-E). El prim er período, llamado de estabilización o de inducción, no es significativo fren te al tiem po total de secado. Corresponde al tiempo que necesita el sistem a p ara alcanzar el régi­ m en estacionario y se caracteriza por la cesión de calor sensible del aire al alim ento, que se

FIGURA 5 . 9 . E ta p a s d e l s e c a d o de un a lim e n to c o n a ire .

m anifiesta en form a de un aum ento de su te m ­ peratura. E sta fase term ina cuando la tem p era­ tura del alim ento se iguala a la de bulbo h ú m e­ do del aire. D u ra n te este período, dado que el alim ento se encuentra frío respecto al aire, p re ­ valece la transm isión de calor frente a la tran s­ ferencia de m ateria, la cual se encuentra lim ita­ d a p o r la red u cid a presión de v ap o r del agua del alim ento a baja tem peratura. En el segundo período, de velocidad de seca­ do constante, el agua migra desde el interior del alim ento hasta su superficie con la m ism a velo­ cidad con que se evapora desde la referida su ­ perficie h asta el aire. E ste 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 afecta­ ría a la transferencia de materia. La temperatu­ ra 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 és­ te. Este período está regido por condiciones ajenas al alimento, como son la temperatura, humedad relativa y velocidad del aire. En con­ creto, el aire debe reunir los siguientes requisi­ tos: • Temperatura de bulbo seco relativamen­ te elevada. • Reducida humedad relativa. • Velocidad de paso elevada. Es evidente que si disminuye la temperatu­ ra del aire se resiente la velocidad de evapora­ ción del agua y, por ende, se prolonga el proce­ so de secado. Lo mismo se puede afirmar si se aumenta la humedad relativa del aire, aunque en este caso la prolongación del tiempo de se­ cado vendría dado por la reducción de la fuer­ za 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 su­ perficie del alimento, lo que supone una mayor resistencia al flujo de calor y de materia. Por lo general, si se parte de un aire relativa­ mente seco, como sucede en un proceso de se­ cado, resulta más crítico el valor de su tempera­ tura que e) de su humedad relativa. Durante esta fase, el control del proceso corre a cargo de la transmisión de calor, que regula la veLocidad 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 tempera­ tura y velocidad de paso, determina, eso sí, el contenido de humedad en equilibrio del pro­ ducto secado, aspecto decisivo en ío que atañe a la conservación del alimento deshidratado. El período de velocidad de secado constan­ te finaliza cuando se alcanza fa denominada “humedad crítica” del producto, punto de par­ tida del siguiente y último tramo. En la prácti­ ca, esta división no es tan tajante, ya que hacia el final del tramo en cuestión comienza a apre­ ciarse una disminución de la velocidad de seca­ do, que enlaza gradualmente con el período de velocidad de secado decreciente. La razón de que la humedad crítica no esté claramente defi­ nida hay que buscarla en su dependencia res­ pecto a la temperatura y velocidad de paso del aire, así como en relación al espesor, estructura y morfología interna del .sólido objeto de seca­ do. 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 repo­ ner 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 ope­ ración dadas (isotermas de sorción). El período de velocidad de secado decre­ ciente comienza cuando la velocidad de migra­ ción del agua desde el interior del producto hasta su superficie decae respecto a la veloci­ dad de evaporación del agua, lo que conduce a una desecación progresiva de la superficie del alimento. Paralelamente, tiene lugar un au­ mento de la temperatura superficial como con­ secuencia 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 m ateria. E l tram o considerado p resen ta nn p unto de inflexión cuando la superficic se seca p o r com pleto, m om ento en el que alcanza la tem peratura de bulbo seco del aire. Se com pleta así el prim er subtrarno del p erío d o de velocidad de secado decreciente, controlado por la difusión interna del agua, a diferencia de lo que sucedía en el período an te­ rior, donde el control corría a cargo del g ra­ diente de tem peraturas, a expensas de la difu­ sión externa del vapor de agua. U na vez se seca la superficie del sólido, se inicia el segundo subtrarno de este p eríodo, que se caracteriza p o r el progresivo desplaza­ m 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 in­ tern a del v apor de agua. El secado se da por term inado cuando la hum edad del alim ento se aproxim a a su contenido de hum edad en equi­ librio, m ínim o valor posible para unas condi­ ciones dadas del aire. No todos los alim entos dan lugar a los dos subperíodos mencionados. Así, los no higroscópicos sólo manifiestan uno, con una definición muy nítida de su hum edad crítica, en tanto los higroscópicos se ajustan a los dos sub tramos expuestos para el período de velocidad de secado decreciente, con las pecu­ liaridades propias de cada caso. En térm inos globales, se puede afirmar que la principal variable a controlar en el período de velocidad de secado decreciente es, al m ar­ gen del espesor de la pieza, la tem peratura del aire. H abida 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 m ateria debido a la m enor presión de vapor del agua rem anente (< aw) y a la resistencia que opone el propio alim ento 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 ali­ m ento por sobrecalefacción. O tra posibilidad es llevar a cabo el proceso en su conjunto de una m a n era escalonada, en etapas, dism inuyendo gradualm ente la tem peratura del aire.

5 . 3 . f . C á l c u l o d e l ti e m p o d e s e c a d o

A ) Período de velocidad de secado constante El cálculo para este período se basa en el equilibrio existente entre la velocidad de tran s­ ferencia de m ateria y la de transm isión de ca­ lor. Así, la prim era puede expresarse por m e­ dio de la siguiente ecuación: dw ,

tr í

,

=- k - A

Pv, r b

a

[5 -2 4 ]

d onde w se refiere a la cantidad de agua del ali­ m ento, kg es el coeficiente global de transferen­ cia de m ateria, A el área de la superficie de se­ cad o , p la presión de v ap o r del agua superficial a )a tem peratura T (igual a la tem ­ p e ra tu ra de bulbo húm edo del aire) y p a la p re­ sión parcial del vapor de agua en el aire a la tem p eratu ra de bulbo seco (Ta). La velocidad de transm isión de calor viene dada, p o r su parte, p o r la siguiente expresión:

= h A ( T a - T s)

¡5 .2 5 ]

en la que h es el coeficiente individual de tran s­ m isión de calo r por convección y A el área afectada p o r dicha transm isión. En el equilibrio, el caudal de calor sum inis­ trad o al alim ento debe asegurar la evaporación (transferencia de m ateria) del agua superficial, esto es: dQ j dt

Jdw dt

[5 .2 6 ]

siendo X el calor la ten te de evaporación del agua a la tem peratura Tt . S ustituyendo en la anterior ecuación la expresión del flujo de ca­ lor: hA

( T a- T ¡ )

{5.27]

Si se refiere la cantidad de agua del alimen­ to (w) al peso de la fracción seca del mismo, la velocidad de secado pasará a expresarse como la variación del contenido de hum edad (W) por unidad de tiempo. dW dt

íc

= (W o -W c ) p s* L _ (W g -W c ) [5 31i h{Ta - T t ) Rc

La expresión establece la influencia de las principales variables del proceso sobre el tiem­ po de secado. Por lo general, se prefiere recu­ rrir a térm inos de transm isión de calor, cuya determ inación experim ental es más sencilla y fiable, que al empleo de coeficientes de trans­ ferencia 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 expre­ sión:

[5.28] ke

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 lim ita a su cara superior, sin que el proceso de secado dé lugar a retraccio­ nes significativas, A ‘ se puede relacionar con la densidad de la fracción seca del alim ento (ps) según se m uestra a continuación:

a

' = -L -1 P s

[5.29]

L

L a velocidad de secado. R c, v en d rá dada por:

,5 '301

La integración de la ecuación [5.30] entre t = 0; W = WQ y i = fc; W = Wc perm ite estable­ cer el tiempo de secado para el período de ve­ locidad constante (/c), cuya hum edad varía en­ tre la inicial ( W0) y la final o crítica (Wc).

L =- +—

D ,f

[5.32]

k se puede determ inar experim entalm ente a partir de los datos del proceso de secado. La estimación de k c se realiza m ediante el empico de correlaciones al cfeclo. De la expresión an­ terior se deduce que para el período considera­ do, en el que controla la difusión externa, 1Ik debe tener un valor muy próximo al de l//q . El coeficiente individual de transm isión de calor se puede establecer bien experim ental­ m ente, bien a través de la aplicación de corre­ laciones empíricas apropiadas al caso. Así, si el flujo de aire es paralelo a la superficie dei ali­ mento, h = 0,0204 G 0,8

[5.33]

donde h viene dado en W m~2 K_1 y G, la velo­ cidad música del aire, en kg m~2 s_1. Si el flujo es perpendicular a dicha superficie, h = 0,0345 C7°'37

[5.34]

C uando el calor que recibe el alim ento se transm ite 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 m ecanism os a través de los cuales se propaga el calor. E sta vez, la tem peratura su­ perficial del sólido estará com prendida en tre las tem peraturas de bulbo húm edo y de bulbo seco del aire.

dW dt

cuya in te g ració n en tre los lím ites indicados conduce a:

f B) Período de velocidad de secado decreciente D u ran te esta fase del proceso la velocidad de secado pasa a estar controlada por la difu­ sión in te rn a del agua a través del sólido. Los m ecanism os por los cuales pued e transcurrir dicha difusión son: • D ifusión del líquido p o r gradientes de concentración de solutos. • D ifusión del líquido por capilaridad. • D ifusión superficial del agua adsorbida por las capas superiores a la monocapa. • D ifusión del vapor de agua por gradien­ tes de presión de vapor. E n los sólidos granulares y porosos predomi­ na el m ovim iento del agua p o r capilaridad, mientras que en aquellos que presentan una es­ tructura más continua prevalece la difusión del líquido p o r gradientes de concentración. Estos dos mecanismos se pueden dar en serie, según el orden citado. Tam bién puede darse en serie una doble difusión por gradientes de concentración, diferenciadas entre sí por el valor de la difusrvidad efectiva, función del contenido de hum e­ dad. A sim ism o, pued en coexistir una prim era etapa de difusión del líquido con una segunda de difusión del v apor desde un plano interior del alimento. La difusión del vapor puede darse, a su vez, según toda una gama de modelos pro­ puestos al efecto. En suma, resulta complejo dis­ cernir los mecanismos de difusión interna que tienen lugar en este período y su participación. De un a m anera genérica, la velocidad de se­ cado d u ran te este período puede representarse m ediante la siguiente expresión:

[5.35]

t=

[5.36] Re W! W

(/ = ' - V = | r í " ( ^ r }

[5.37]

siendo tf el tiem po de secado correspondiente a este perío d o . E l tiem p o de secado to ta l del proceso, a te n o r de las ecuaciones [5.31] y [5.37], sería:

, = < E o Z j U ) + HV,n Rr Rr

[5.38]

que expresad a en función de los térm inos que definen a ü r (ecuación [5.30]) quedaría como: pX L ¿(X -n )

(Wa - W c) + Wc ln

Wc_

w

[5-39]

P ara la deducción del tiem po de secado a velocidad d ec recien te se ha supuesto que la velocidad de secado durante el prim er subperío d o de e s ta fase v aría lin ealm en te con la hum edad, tal como se rep resen ta en la figura 5.9, D ich a variación, ex presada m ed ian te la ecuación [5.35], se establece a través de una constan te de proporcionalidad, R / W c, d e te r­ m inada, a su vez, por el valor de la velocidad en el p e río d o de secado constante. En ios ali­ m entos en los q ue p rev alece la difusión por fuerzas capilares se suele p artir de o tra rela­ ción, ta m b ié n lineal, en tre la velocidad de se­ cado p ara este p erío d o y el contenido de h u ­ m edad, a saber:

dW dt

Rc (W —We) [5.4Ü] ( W c - W e)

función, asimismo, del valor de la velocidad de secado d urante el a n te rio r período, así como del contenido de hum edad en equilibrio, W . Siguiendo los mismos pasos que en el anterior cálculo de í , (W í-W jfw dW f' dt = — J IV VJ, ( W - W c) Rc t

[5.41 j

ecuación que desarrollada para los dos primeros térm inos de la serie conduce a: W-W. Wc - W e [5.46]

^ -9Dcf tf (jrJZL)2 ’

+

9

C

E sta ecuación se simplifica despreciando to­ dos los térm inos de la serie, excepto el prime­ ro: la aproxim ación es tanto m ejor cuanto ma­ yor sea el tiem po de secado.

[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 en c u en tra lim itada a una sola de sus caras de m ayor superficie y en los que la difusión interna controla la velocidad del proceso, el tiem po de secado para este pe­ ríodo se puede establecer aplicando la ecua­ ción de Fíele.

dW ^

d w

W c -W , e D espejando tiene:

K

de la ecuación anterior, se ob­

4 L2 í,

W -W r

,

8

t f = ---- ;------ |l n —— — - l n — | [5 48j 'W c - W e K~ x 2D e Si se diferencia esta ecuación, se llega a la siguiente expresión;

[5.44]

‘ D" l x r

donde W es el contenido de humedad sobre ba­ se seca, f el tiem po y x la coordenada espacial. La resolución de esta ecuación para un alimento pasa por suponer que la difusión interna es uni­ direccional (eje x) y que el contenido de hume­ dad inicial es uniforme. Para una rodaja de es­ pesor L, relativam ente pequeña fre n te a las dimensiones de la superficie de secado, se tiene:

‘«ó dt )

»-rd
[5.49]

análoga a la ecuación [5.40]. La integración de la ecuación [5.49] conduciría, obviamente, a aque­ lla a partir de la cual se ha deducido (ecuación [5.48]). Sin embargo, si se desprecia la constante de integración, que vendría dada p o r el término In 8/tc2, se llega a la siguiente ecuación:

W - Wf W c ~ W, = — Y .— n o (2n + 1)

W -W . 41 -lntf ~ z D r ~efx Zi (W c - W e)

[5.50]

exp - ( 2 « + similar a la deducida para el tiem po de veloci­ dad de secado decreciente cuando controla la

difusión p o r capilaridad (ecuación [5,43]). N ó ­ tese que si el secado es por ambas caras, L co­ rre sp o n d e ría al sem iespesor de la lám ina de alim ento. El estudio experimental del período de velo­ cidad de secado decreciente se lleva a cabo r e ­ presentado en papel semilogarítmico el valor de (W - W J /(W { - W J en ordenadas frente a t¡. E s­ ta representación perm ite conocer o descartar el m ecanism o de difusión que controla el secado, según se ajusten o no los resultados experim en­ tales a las ecuaciones anteriorm ente 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 p aración 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 p o r capilaridad. Si el m ecanism o de secado está regido por la difusión interna del líquido, situación que se p uede dar para cualquiera de los dos subperíodos del tram o analizado, la representación de los puntos experim entales dará lugar a una rec­ ta después de un corto período inicial de leve curvatura. E n este caso, por com paración con la ecuación [5.50], la pendiente será in v e rsa­ m ente proporcional al cuadrado del espesor y d irec tam en te proporcional a la difusividad efectiva del líquido, sin que dependa, a diferen­ cia de la situación anterior, de la velocidad de secado antecrítica. E sta representación perm i­ te, asimismo, deducir el valor de la difusividad efectiva. E a p endiente del tram o recto de la función, teniendo en cuenta el cambio de base logarítm ica, será igual a:

E n síntesis, el período de velocidad de seca­ do decreciente depende fundam entalm ente de

las características del sólido tratado, lo que no sucede en el período previo, condicionado so­ bre to d o por las condiciones del aire de secado. El tiem po de secado para el período considera­ do pu ed e ser directam ente proporcional al es­ pesor del alim ento, cuando controla la capilari­ dad, c e n tra d a p referen te m e n te en el prim er subperíodo, o al cuadrado del espesor si con­ trola la difusión interna, situación que se puede dar p ara cualquiera de los dos subperíodos.

C) D eterm inación de la difusividad efectiva L a difusividad efectiva del agua en el inte­ rior d e un alim ento depende tanto de las carac­ terísticas estructurales del mismo, com o de la variación de su contenido de hum edad y tem ­ p era tu ra a lo largo del proceso de secado. Su valor se p u ed e establecer para determ inados alim entos aplicando la correlación apropiada al caso. Sin em bargo, norm alm ente se ha de recu­ rrir a una experim entación q ue p erm ita esta­ blecer u n a correlación específica p ara el ali­ m en to y sistem a de secado en cuestión. La influencia de la tem peratura sobre la diíusividad se cuan tífica por m edio de la ecuación de A rrhenius: D ef = A¡ exp ( - E J R T)

[5.52]

donde E a es la energía de activación y T la tem­ p eratu ra. D 0 depende de la estructura del ali­ m ento, en tanto que E a de los contenidos de solutos en el agua. E n lo q ue concierne a la hum edad del ali­ m ento, se aprecia que la difusividad aum enta conform e aquélla es mayor, estabilizándose su valor a p artir de un determ inado grado de hu­ m edad, distinto según el alimento considerado. Se trata, pues, de una función de tipo saturante, cuya asíntota corresponde ai valor de la difusivi­ dad para altos contenidos de humedad. Un mo­ delo general, que se ajusta al tipo de función an­ tes d escrita y que considera las dos variables citadas, es el representado por la ecuación:

A ¡f _

A

-E JR T

jC g

[5.53]

1 + K e '£‘/Rr

To,.W,

Aire

mo/dfcVV* Producto

La aplicación de esta ecuación para predecir la variación de D^ con la humedad y temperatu­ ra exige la determinación experimental do D 0, 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 deseca­ do. 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 dis­ tintas temperaturas, frente a 1/7. Por último, la constante K se establece ajustando los datos ex­ perimentales de Def ala ecuación [5.53] para dis­ tintas humedades y temperaturas.

5.3.2.

Consideraciones energéticas

Si el aire entra a temperatura 7 a2 y sale a 7fll, con un caudal másico sobre base seca ma, mientras que el producto se introduce a la tem­ peratura Tpl y se retira a 7 2, con un caudal másico sobre base seca el balance energéti­ co para un sistema adiabático, representado en la figura 5.10, quedaría como sigue: maH

TP2 ,W 7

mp/ 7"pi

F ig u ra 5 .1 0 . Balance d e en e rg ía en un p rocejo de secado con aire.

donde el producto de los factores entre parén­ tesis corresponde al calor húmedo de la mezcla (<*)■ Considerando que la entalpia del producto carece de peso frente a otros términos del balanoe 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 lC p „. T o l

~ W z c F„ T a2 + W i X Tal - W i X r , t

t5 -5 6 ]

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 prác­ tica. 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:

+ mp H pi = 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. E l calor sensible se calcula como el producto del calor húmedo de la mezcla (ecuación [5.11]) por la diferencia de temperaturas entre la de satura­ ción del vapor y la de referencia (70 = 0 °C). El valor del calor latente se toma de las tablas de vapor de agua saturado. A sí pues, Ha2 se expre­ sa mediante la siguiente ecuación: f l -2 = (cM + c» W 2){T* - 7 0) + W2Xm

[5.55]

_ m nH a i - m a H a i m a lí ai

muCpa1Ta i - ma Cp ^Taj ntaCp^T al

7 at [5.57] 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 evi­ ta aumentando su temperatura.

E l consumo energético unitario, por su p ar­ te, se define como la energía consum ida por unidad de masa de agua eliminada.

[5.58]

CEU = (W 2 - W i )

En definitiva, se pone de manifiesto la nece­ sidad de optimar el aprovechamiento de la en­ talpia de salida del fluido calefactor, limitándo­ se así el coste energético. U n ejemplo al respecto podría ser la recirculación de parte del aíre de salida de un secadero convectivo, aun cuando esta alternativa se encuentre supe­ ditada a la pérdida de capacidad de secado por parte de la corriente de aire de enriada, m er­ ced 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 coefi­ ciente individual de transm isión de calor es muy bajo. Por tanto, la recuperación de su en­ talpia pasa por la impulsión de un considerable caudal, con el consiguiente consumo eléctrico. El intercambio de calor se ve dificultado tam ­ bién por este caudal, así como por el bajo coe­ ficiente convectivo, factores que determ inan 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 téc­ nicas de secado con aire pasa por el desarrollo de procedim ientos de recuperación del calor del aire húmedo. Además de lo apuntado acer­ ca de una posible recirculación, algunas instala­ ciones ya incorporan un lavador o absorbedor húmedo para la depuración del aire de salida. Seguidamente, se recupera el calor sensible de

la corriente depu rad a por intercambio con el aire seco de entrada al secadero, que resulta así precalentado.

5.4. Secado por contacto con una superficie caliente Esta técnica de secado se aplica preferente­ m ente a alim entos de consistencia fluida, depo­ sitándose u n a fina película de! mismo sobre un a superficie metálica caliente. E l equipo más habitual consiste en un tam bor p o r cuyo inte­ rio r circula vapor de agua. L a transmisión de calor al producto se efectúa, pues, fundamen­ talm ente p o r conducción. H abida cuenta de que su superficie externa se encuentra e n con­ tacto con el aire ambiente, se ha de considerar también la contribución adicional que supone el secado p o r arrastre, convectivo. Las etapas de que consta el proceso de secado son las si­ guientes: • Calentam iento de la película de produc­ to hasta alcanzar su temperatura d e ebu­ llición. Se trata de un período muy corto. • Ebullición del producto. Su fracción lí­ quida pasa gradualmente a estado vapor. La superficie externa del cilindro se en­ fría como consecuencia del calor latente de vaporización que se consume. E sta fa­ se de secado, rápida, se puede asimilar al período de velocidad de secado constan­ te con aire caliente. • A um ento de la tem peratura de! produc­ to hasta alcanzar un valor próximo al de la te m p eratu ra de la superficie externa del cilindro calefactor. Es una fase de se­ cado lenta, donde sobrevienen los mayo­ res 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 cam bio de mecanismo durante la deshi-

dratación com o en el caso convectivo. Las etapas dependen fundam entalm ente de las condiciones de operación y del equipo, y me­ nos de las características del producto a secar. Por ello, se suele considerar la velocidad de secado desde el punto de vista de la transmi­ sión de calor. Las principales variables que ri­ gen el proceso son: Presión del vapor. Determina la tempera­ tura 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 au­ mentar el espesor de la pared del cilin­ dro, lo que lleva consigo, además de una mayor inversión, una disminución del rendimiento térmico del proceso. El lími­ te para la temperatura del vapor satura­ do 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 con­ creto, conforme aum enta la velocidad de giro disminuye el coeficiente individual de transm isión de calor entre la pared externa y el alim ento en contacto con ella a través de la capa límite de aire in­ terpuesta. 6 Espesor de la película de producto. Al igual que en el caso anterior, esta varia­ ble influye sobre la transmisión de calor. Así, si se reduce su espesor, disminuye la resistencia que ofrece el alimento a la transmisión de calor. A hora bien, si la película adherida al cilindro es excesiva­ mente 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 poste­ rior rehidratación. • Espesor y tipo ¿le material sobre el que se deposita el producto. D eterm inan el flujo de calor por conducción a través de la pared del cilindro. Es evidente que inte­ •

resa el menor espesor posible y un mate­ rial con una elevada conductividad tér­ mica. * Características del alimento. Las más in­ teresantes desde el punto de vista del proceso de secado son aquellas relacio­ nadas con su adherencia a la superficie del cilindro, a saber: viscosidad, tensión .superficial y poder humectante. Lógica­ mente, cuanto mejor se adhiera, menor es el espesor de la capa lím ite de aire que se interpone entre el alimento y la superficie externa del cilindro. Para salvaguardar las propiedades nutritivas y organolépticas del alimento frecuentem ente se opera a vacío, lo que permite reducir la tem­ peratura 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. Su­ puesto 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 eli­ minada 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 tem peratura super­ ficial del cilindro, Ts la tem peratura de la su­ perficie del alimento donde se produce la eva-

p o ta ció n y A el calor laten te de vaporización del agua a la tem peratura T El coeficiente global de transm isión de ca­ lo r tiene en cuenta las resistencias en serie que se oponen al flujo térm ico a través de los coefi­ cientes individuales de los medios convectivos y de las conductividades térmicas de los m ate­ riales sólidos existentes. Así, se tiene; • C oeficiente individual de transm isión de calor del vapor condensado sobre la pa­ red interna del cilindro (hc). * Conductividad térm ica del m aterial de la pared del cilindro ( k ) . • C oeficiente individual de transm isión de calor entre la superficie externa del cilin­ dro y la superficie del alim ento en con­ tacto con ella a través de la capa de aire in terpuesta (ha). * Conductividad térmica del alim ento (/cj o coeficiente individual de transm isión de calor si éste es líquido (h ). * C oeficiente superficial de radiación (hr). • C oeficiente individual de transm isión 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 refe­ rencia está próximo a la unidad, el coeficiente global de transm isión de calor se ajustará a la siguiente expresión: i

— hp)

+ — + — [5.60] h2

K

en la que / y lp representan, respectivam ente, 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 in o s debidos a la transm isión de calor a través de la película de aíre y a las pro­ piedades térm icas del alim ento. P or tanto. U puede expresarse de una m anera simplificada sesún la ecuación:

A = nL+ A u K k.

V

[5.61]

\ ht>)

Si la operación de secado se com plem enta con el paso de aire a una cierta velocidad y tem­ peratu ra, el coeficiente he debe considerarse en el cálculo de U. A continuación se expone una expresión empírica para establecer el valor de he. 3 ,0 5 1 0 V ^ ( p ^ - p J A h< =

[5.62]

T,~Ta

donde h r viene en J/(h m J °C), V es la veloci­ dad de paso del aire (m/s), la presión de v apor 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 vaporiza­ ción (J/kg), 7\ la tem peratura reinante en la su­ perficie de evaporación (°C) y A la tem peratu­ ra del aire ( nC). O tra cuestión a te n er en cuenta es la varia­ ción de las distintas tem peraturas a lo largo del proceso. D e partida, se ha considerado que la te m p eratu ra de la p ared (T ) es igual a la tem ­ p e ra tu ra de saturación del vapor de calefacción y que la tem peratura de la superficie donde se pro d u ce la ev ap o ració n (T s) se corresponde con la tem p eratu ra d e ebullición (2 'J. P o r lo general, tam poco se considera el posible incre­ m ento de Tv según aum en ta la concentración de solutos en la disolución. A hora bien, dado que hacia el final d el secado Ts tiende a au­ m en tar p o r encima de Tv, aproxim ándose al va­ lor de T , se ha de introducir un coeficiente (f) que tenga en cuenta esta posibilidad,

/ =

Tp-Ts

[5.63]

Tn~Tv

cuyo valor siem pre será próxim o (inferior) a la unidad. P o r com binación 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 ex­ clusivamente 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 rendimien­ to 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, pró­ xima 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 condiciona­ da 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 va­ por de calefacción. Se puede aprovechar su ca­ lor sensible por intercambio con otro fluido o, simplemente, reutilizarlo como agua de ali­ mentación de la caldera de producción del va­ por de agua de calefacción. En principio, pare­ ce 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 ge­ neración 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 pro­ cesos 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 medioam­ biental. El emplazamiento se considera implíci­ tamente a través de su influencia sobre los as­ pectos 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 conduc­ ción. El cuadro 53 recoge, por su parte, ciertos aspectos económicos de algunos secaderos.

CUADRO 5.2 Clasificación ríe secoríetos Conducción

Convección Discontinuos

Continuos

Discontinuos

Confínaos

Dedos plantas De bandejas De tolva Solar De lecho Ruidizado

De lecho Owduodo De túnel De cinta sinfín Decenal Rotatorio Neumático Por atomización

De bandejas a vacio

D» tambores k) vacio o no) De placas a vacío (ovado) De dnta sinfín {avado)

CUADRO 5.3 Costes de operación y consumos energéticos de algunos secaderos

Secadera

De lecho fluidizado Convectivo convencional Neumático Por atomización De tambor En continuo a vacio Liofilizador

Costes de operoáóo relativos 1,59 1,00

— —

1,65 9,29 17,82

Consumos energéticos (kW h/kg agua eliminada) 3,50

_

1,80 2,50 1,25

_ —

Hay una serie de casos en los que la selec­ ción es prácticam ente inm ediata. Así, si la ca­ pacid ad de tratam ien to prevista es de poca consideración, la m ayoría de los alimentos se pueden secar m edíante 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 tem­ peratu ra y su valor añadido lo perm ite, se justi­ fica su liofilización. Los calentam ientos por ra ­ diación tam bién se circunscriben a casos muy específicos.

5.5. /. Secaderos convectivos Calentamiento del aire. E l aire se puede ca­ lentar p o r métodos directos o indirectos. Et ca­ lentam iento directo consiste en mezclar el aire con los gases de una com bustión, sin que medie en tre am bos fluidos resistencia alguna a la transm isión de calor, como es el caso de un intercam biador de calor. L a exigencia de un flui­ do térm ico no tóxico limita el tipo de combusti­ ble a ciertos gases com o, por ejem plo, el butano. E l equipo no requiere una gran inver­ sión y su rendim iento térm ico es excelente: to­ do c! calor de com bustión del gas se transfiere al aire. L a 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 embar­ go, un inconveniente: el vapor de agua genera­ do por la combustión del gas se incorpora a la corriente de aire, aumentando así su humedad. Un segundo m étodo de calefacción directa del aire lo constituye el basado en el em pleo de resistencias eléctricas. Com o inconveniente principal reseñar su carestía, consecuencia del bajo rendimiento de la producción de la elec­ tricidad, sobre el 40% en los procesos conven­ cionales. 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 rendi­ miento térmico y por su disponibilidad, accesi­ bilidad, flexibilidad y fácil control. Su em pleo asegura, además, una operación con bajos ni­ veles 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 m ediante gases de com bustión, vapor de agua o fluidos térmicos. Los gases se pueden o b ten er a partir de una amplia variedad de combustibles. El vapor de agua es el agente de calefacción por antonom asia. Posee un calor latente eleva­ do, así com o una aceptable conductividad té r­ mica. D esde el punto de vista del alim ento, ca­ rece de toxicidad, no p resenta riesgos de incendio o explosión y no da lugar a olores. Su em pleo se restringe a tem peraturas 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 sobredíinensionam icnto de equi­ pos en general. Cuando se sobrecalienta, se re­ duce su conductividad térm ica, de ahí q u e su campo de aplicación se circunscriba a unos po­ cos casos. El vapor de agua, a pesar de lo ex­ pu esto , se en c u e n tra en retroceso resp ecto a otro s sistem as de calefacción. Esto se explica debido al bajo rendim iento térmico global (ge­ neración + aplicación) que presenta respecto a otros posibles m edios calefactores. P o r ejem ­ plo, los fluidos térm icos, aceites m inerales de

alto punto de ebullición, cuyo calentam iento se efectúa por intercam bio con los productos de com bustión de un com bustible, perm iten calen­ ta r aire por encima d e los 300 CC con un rendi­ m iento térmico del orden del 85%. Secadero de dos plantas. C onsta, como su nom bre indica, de dos plantas: la baja, donde se aloja el horno en el que se calienta el aire m ed ian te los gases d e com bustión, y la supe­ rior, sobre la que se esparce el alim ento a secar sin exceder los 20 cm de espesor. Las plantas se encuentran sep arad as entre sí p o r una reji­ lla que, adem ás de so p o rtar el alim ento, distri­ buye la corriente de aíre que asciende por con­ vección. Son de difícil control, los tiem pos de secado p ro lo n g ad o s y el coste d e m ano de obra considerable; la carga, volteo y descarga del alim ento se efectú an m anualm ente. A un cuando dan lugar a un producto poco unifor­ me, resultan todavía interesantes p o r su eleva­ da capacidad de tratam ien to y sencilla utiliza­ c ió n. Aplicaciones', lúpulo, m alta y rodajas de naranja. Secadero de bandejas (de cabina o de arma­ rio). E l com partim ento, conocido p o r cabina o arm ario, está dotado de uno o varios ventilado­ res encargados de im pulsar el aíre caliente a través de la batería de bandejas que soportan el alimento. E l 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 últim o caso la base de las ban ­ dejas está constituida p o r una malla. La carga y descarga de las bandejas se efectúa por lotes con ayuda de un bastidor. El control del proce­ so, de existir, se lim ita a regular la tem peratura y caudal de aire, así como su tasa de recircula­ ción. Se em plean p ara p equeñas capacidades de tratam iento (1.000 kg de producto/día y uni­ dad ), Su principal in co n v en ien te viene dado por la h eterogeneidad 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 ali­ m ento descansa sobre una malla, a través de la cual se distribuye el flujo ascendente de aire ca­ liente (0,5 m/s). Si la instalación es de gran ca­ pacidad, caso habitual, incorpora un sistema de im pulsión y calefacción de aire. D e lo contrario, el equipo posee una toma para acoplar el servi­ cio de aire caliente. Esta operación se justifica com o com plem ento al secado previo del ali­ m ento en otro equipo. Su em pleo en serie supo­ ne un ahorro del tiem po de secado total, aun cuando su velocidad de deshidratación resulte m oderada/baja. El alim ento a tratar debe reu­ nir, habida cuenta de su disposición en la tolva, una gran resistencia m ecánica a la compresión. La hum edad del producto “acabado” está sobre eí 3-5% sobre base seca. A l igual que en el caso anterior, la inversión requerida es razonable y su funcionamiento sencillo. Aplicaciones', seca­ do final de productos vegetales. Desecación solar. Se trata de un proceso na­ tural, que no requiere instalación, en el que la radiación solar incide so b re el alim ento. La operación se lim ita al volteo del alim ento es­ parcido hasta alcanzar el grado de deshidrata­ ción deseado. En algunos casos se aprovecha la energía solar para calentar el aire que se va a utilizar como agente de secado. Se com bina así la desecación por convección natural con la de­ bida a la convección forzada. Los dos sistemas expuestos son sum am ente económicos; sin em­ bargo, la velocidad de secado es muy lenta y los productos obtenidos heterogéneos. I-a ope­ ración, adem ás, se en cu en tra supeditada a la radiación m edia 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 agríco­ las en general. Secadero de lecho fluidizado. Consiste en la fluidización del alim en to m e d ian te u na co­ rriente de aire caliente que actúa sim ultánea­ m ente como gas fluidizantc y agente d e seca­ do. L a o p eració n p u ed e ser co n tin u a o discontinua. El sólido se soporta sobre una re­ jilla distrib u id o ra co n stitu id a p o r u n a placa

metálica, perforada o provista de distintos ac­ cesorios para la difusión del aire. Si ia opera­ ción es en continuo, el sólido seco se retira del sistema a través de un rebosadero, pasando al siguiente lecho. En estas condiciones, el pro­ ducto 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 condi­ ciones de isotermicidad. La técnica, por tanto, permite una elevada velocidad de secado y un buen control del proceso, lo que redunda so­ bre la calidad del producto procesado. Aplica­ ciones'. granos de cereales en general, puré y granulos de patata, alubias, guisantes, cebollas, zanahorias, café, carne en cubos, arroz y ali­ mentos pulverulentos como harina, azúcar, ca­ cao, sal y suero de leche. El equipo, además del lecho propiamente di­ cho, incorpora un sistema de alimentación del sólido, un dispositivo de extracción del sólido se­ co una vez rebosa (normalmente un. tornillo sin­ fín), así como un medio de recolección de finos del aire de salida (ciclón o filtro de mangas) (fi­ gura 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 air A lim e n ta ción

Lámina

Entrada de aire C a le n ta d o rt de aire ’

Tornillo n 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 am­ bos 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 ali­ mento y que se determina cxperimentalmente. Normalmente se opera con velocidades 2-3 ve­ ces superiores a la de mínima fíuidización. Por encima de 4 veces el valor de esta última se al­ canza la denominada velocidad de arrastre, es decir, se pasa al transporte de sólidos en co­ rriente 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 veloci­ dad mínima de fíuidización por medio de las propiedades físicas del sólido y de las propie­ dades fluidodinámicas del gas fluidizante. Co­ m o quiera que estas correlaciones sólo tienen en cuenta el efecto de ia temperatura a través del valor de la viscosidad del fluido, por lo ge­ neral resulta imprescindible efectuar una expe­ rimentación previa al diseño de la instalación. Como comportamiento de carácLer general se puede señalar que el sistema no limita la ve­ locidad de transferencia de materia ni la de ca­ lor entre el aire y el sólido, lo que conduce a la isotermicidad del conjunto. Las burbujas de ai­ re contribuyen decisivamente a la homogeintzación del sistema, siendo la velocidad de mez­ cla más acusada vertical que horizon taimen te. Esta técnica se encuentra limitada, lógicamen­ te, a alimentos susceptibles de ser fiuidizados. En principio, un alimento que se desee fluidizar debe reunir los siguientes requisitos: • Tamaño medio de partícula comprendi­ do entre 20 pm y 10 mm para evitar, por una parte, el apelmazamiento de fi­ nos y, por otra, la formación de canales preferentes a lo largo del lecho, que quedaría así cortocircuitado por el aire ascendente.

• Distribución de tam años de partícula es­ trecha para asegurar la íluidizacion de la m ayor parte del sólido. Las pérdidas de finos por arrastre serían en este caso mí­ nimas. • Si el material es propenso a aglomerarse entre sí, la fluídizacíón debe garantizar su fractura en partículas de m enor tam a­ ño, más fácilmente fluidizables. • La form a más deseable^ desde el punto de vista de la fluídizacíón es la esférica, que es la que ofrece m ayor superficie p o r unidad de volum en (m ejor contac­ to). Cuando el producto es de geometría irregular el corte más habitual es en for­ ma de rodaja o de cubo. • El sólido debe poseer una gran resisten­ cia mecánica, a fin de que pueda sopor­ tar los im pactos que implica sem ejante grado de agitación, • El producto final no puede ser de natu­ raleza pegajosa a la tem peratura de sali­ da del aire, por los inconvenientes que ello plantearía. Las características de algunos alimentos re­ quieren la consiguiente modificación del equi­ po con vistas a su fluidizacíón. E ntre las distin­ tas m odalidades de lechos destacan las siguientes: Lecho fluidizado vibratorio. Se aplica a ali­ mentos con escasa aptitud hacia la íluidización, esto es: amplia distribución de tam años de par­ tícula, m oderada resistencia m ecánica, untuo­ sos, termoplásticos o de consistencia pastosa. El alimento se sitúa en una cám ara de secado rec­ tangular, estrecha, som etida a una vibración com prendida entre 5 y 25 Hz. Este sistema se corresponde más con un suave transporte del sólido por vibración a lo largo de la cám ara que con una fluidizacíón convencional; de hecho, la velocidad del aire se suele establecer por deba­ jo del valor de la de mínima fluidizacíón. Granulación en lecho fluidizado. Se aprove­ cha 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 nue­ vas partículas, entre Ü,2 y 2 mm, determ inan una mejor distribución granulométrica y densi­ dad aparente. U na ventaja adicional es la au­ sencia 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 p arte central inferior del le­ cho troncocónico, de tal forma que las partícu­ las adquieren un movimiento centrífugo ascen­ dente que las lleva al rebosadero periférico superior conforme se van secando (figura 5.12). El excelente grado de mezcla alcanzado posibi­ lita unas elevadas velocidades de transferencia de m ateria y energía, d e ahí que el equipo este especialmente indicado para alimentos term osensibles. Lecho fluidizado agitado. Se trata de un le­ cho fluidizado convencional provisto de agita­ ción mecánica. La finalidad de esta agitación se centra en la fractura de las partículas de mayor tam año para favorecer así su íluidización. Se aplica a alimentos pastosos con un gran conte­ nido de humedad.

Entrada producto

CUADRO 5 .4 Vente/as

e inconvenientes de vn secadero convectivo convencional continuo según ei sentido del flujo de aire

Flojo de aire

inconvenientes

Venía/as

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 d e sobrecalefocción del producto.

Poralelo
Tiempos de secado eorlos. Mayor capacidad de tratamiento. Mejor control del proceso.

M ayor 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 con­ siste en una modificación de un secadero rota­ torio convencional, en el que el aire se introdu­ ce por la parte inferior del cilindro rotatorio perforado, dispuesto horizoutalmente. El ali­ mento en su paso por la cámaTa cilindrica se seca tanto en lecho fijo como en lecho fluidiza­ do. Se aplica a alimentos pegajosos o a vegeta­ les de geometría irregular, ambos difíciles de fluidizar en condiciones ordinarias, y que tam­ poco se pueden secar por un sistema de túnel o similar por su sensibilidad a la temperatura. En los secaderos de túnel, cuyas dimensio­ nes pueden llegar a ser de 2 x 2 x 25 ni, el ali­ mento 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 senti­ dos de flujo del aire son (cuadro 5.4): en para­ lelo o concurrente, en contracorriente y trans­ versal al alimento (3-6 m/s). Se pueden dar, además, distintas combinaciones entre los cita­ dos 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 interme­ dia del túnel, por lo general más cercana a la entrada del producto húmedo (figura 5.13). En otras ocasiones, se asocian hasta tres tú­ neles en serie, cada uno con sus propias carac­ terísticas en cuanto a sentido de flujo y condi­ ciones 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 preve­ nir su deterioro por sobrecalefacción. El secadero de cinta sinfín o de transporta­ d o r se diferencia del de túnel (también secade­ ro convectivo convencional), más que en sus di­ mensiones, parejas, en que el alimento se deposita (espesor: hasta 20 cm) sobre una ma­ lla. Consta de dos etapas de secado: en la pri­ mera el aire circula (flujo cruzado o vertical) de abajo a arriba, en tanto que en la segunda, donde presumiblemente el producto tiene me-

Placas deflectoras

v

Ventilador Calentador

Entrado de aire

Entrada de vagonetas

Salida de vagonetas

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 pa­ ra evitar el arrastre neumático del producto se­ co. El espesor de producto sobre la cinta se va aumentando conforme éste pasa por las sucesi­ vas etapas (figura 5.14). S entidodel Alimentación

\

flujo d e aire

Producto

U * |j FIGURA 5 .1 4 . Secadero d e cinta sinfín.

Este tipo de secaderos se utiliza también pa­ ra 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 densi­ dad, 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 rodi­ llos inclinados (15-20"), que configuran su for­ ma acanalada. El sentido de) flujo es cruzado ascendente durante las dos etapas de que cons­ ta la operación. El aíre cumple, además de su función primordial, agente de secado, una se­ cundaria, cual es la de facilitar el volteo del ali­ mento a lo largo de su recorrido. Este dispositi­ vo 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 mejo­ rar el aprovechamiento energético del proceso, a semejanza de lo que sucede en un lecho fluidizado, donde el contacto sólido-fluido es toda­ vía superior. Los tres tipos de secaderos descritos dan lu­ gar a un producto con un contenido en hume­ dad suficiente (10-20%) como para justificar su acabado en tolva. Dentro de los secaderos de túnel, se impone el de flujo cruzado con con­ trol de las condiciones del aire de secado por secciones que, como se indica en el cuadro 5.4, permite alcanzar un producto uniforme, de ca­ lidad, aunque sea a expensas de un mayor cos­ te de operación.

•CUADRO 5 .5

Principales características y aplicaciones d e 7?po d« secadero

los secaderos convectivos convencionales continuos

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. M ayor 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 informa­ ción recogida en el cuadro 5.5, donde se sinteti­ zan 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 contraco­ rriente (cuadro 5.4). La cámara de secado mon­ ta en sn interior un sistema de agitación del producto (repisas, alabes, cadenas, etc.) que permite desplazar el alimento desde la parte in­ ferior 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 seca­ do, así como la uniformidad del producto obte­ nido. 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 sec­ ción anular concéntrica. El secado en estas condiciones se lleva a cabo, pues, tanto por convección como por conducción. Estos seca­ deros se pueden utilizar si el alimento: • Incluso presenta tendencia a apelmazarse. • Posee una buena resistencia mecánica sin ser abrasivo.

• Fluye razonablemente bien por grave­ dad. Secadero neumático. Consiste en el trans­ porte del alimento suspendido en una corriente de aire caliente a través de una conducción ho­ rizontal 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 me­ cánico, 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 concentra­ ción de sólidos en suspensión en la corriente de aire, amén de que ésta presentaría una conside­ rable humedad relativa. Así pues, se requiere una purga de aire en el circuito de rccirculación. El aire de reposición, cuyo caudal viene fijado por la purga, se debe ajustar a unas de­ terminadas condiciones de humedad y tempe­ ratura, 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 fluidización, y a la longitud de su recorrido. Para re­ ducir en lo posible la temperatura de la opera­ ción 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 conse­ cuencia de aumentar la sección de paso del conducto. Se asegura así la expansión del pro­ ducto, rígido y poroso, por oclusión de aire; la

finalidad de esta práctica es mejorar su poste­ rior secado por convección o sus condiciones de rehidratabilidad. Se conocen por secadero de expansión o de anillo, en referencia a la for­ ma 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 in­ conveniente reside en la dificultad de controlar el proceso, tanto más acusada cuanto más am­ plia sea la distribución granulométrica del sóli­ do en cuestión. Aplicación: se limita a alimen­ tos 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 conte­ nido 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 gra­ nos de cereales en general. Secaderos p o r 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 gotículas 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 insta­ laciones se han resumido en el cuadro 5.6. En­ tre las ventajas, destacar que la conjunción: temperatura moderada de operación-tiempos de secado muy rápidos, consecuencia del buen contacto líquido-gas que proporciona esta téc­ nica, 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 lí­ quido. O tro problem a lo constituye la escasa retención de com ponentes volátiles del alimen­ to, que obliga a aum entar el diámetro de gota (mayor tiempo de secado), a disminuir la tem­ peratura de la alimentación (menor difusividad efectiva del vapor de agua) o a reducir la tem­ peratura del aire de entrada (menor capacidad de secado y rendim iento térmico). A continua­ ción se da cuenta de los tipos de atomizadores existentes, los cuales deben, ante todo, asegu­ rar una completa y uniforme nebulización del alimento. Atom izadores centrífugos. El líquido se in­ troduce 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 va­ riando la velocidad rotacional del disco. El líqui­ do nebulizado se proyecta horizontalmente en la p arte superior de la cámara de secado con una velocidad comprendida entre los 100 y 200 mis. Como este atomizador no presenta proble­ mas de atascos, se utiliza preferentemente con alimentaciones viscosas. El tamaño de la gota se establece aplicando correlaciones empíricas co­ mo la siguiente, obtenida a partir de un análisis dimensional del sistema: {

/

- A 2 /"

A n Pj

..

m P \°'6

x p tL

A0,1

mp j

donde D g es el diám etro medio de la gota (pm). r el radio del disco (m), m p el flujo mási­ co 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 ten­ sión superficial del líquido (kg/min2) y L el pe­ rím etro del disco (m).

Atom izadores 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. P roporcionan una distribución d e ta ­ maños de g ota más estrecha, un secado más uniforme; su coste de operación es m enor que el debido a otros tipos de atom izadores. Sin embargo, presenta ciertos inconvenientes. Así, el estrecham iento limita el flujo máximo de producto, lo que implica dotar al secadero de cuantos atom izadores sean necesarios. U na se­ gunda cuestión es la facilidad con que se o btu­ ran las boquillas (se limpian con agua a presión en contracorriente), especialmente si el alimen­ to a nebulizar es viscoso (3 particulado. P o r últi­ mo, indicar que el líquido, sobre todo si contie­ ne partículas abrasivas, acaba por ensanchar el diámetro del orificio, aumentando así el tam a­ ño de gota. A n te esta situación no cabe otra solución q u e sustituir la pieza afectada. El ta­ maño de gota producido por un atom izador de presión se puede calcular mediante esta senci­ lla expresión:

donde es el diámetro medio de la gota (pm) e AP la caída de presión debida al atomizador (Pa). A tom iza d o r de dos fluidos. Se fundam enta en el aprovecham iento de la energía cinética de un segundo fluido (el aire caliente com pri­ mido norm alm ente), que circula concéntrico a la sección interior del flujo de líquido. La sali­ da de ambos fluidos es conjunta. La nebuliza­ ción se com plem enta por el estrechamiento del conducto central. Las presiones del fluido ali­ m entado a la cámara son menores que en el ca­ so anterior. Se utilizan muy poco, ya que, ade­ más de presentar los problemas de obturación debidos al estrangulam iento, su capacidad es también reducida y, sobre todo, proporcionan

u na dispersión muy h eteró g en e a en cuanto a tam años de gota. La cámara de secado es el lugar de la instala­ ción donde se produce la deshidratación propia­ m ente dicha. Los flujos de alim ento y aire calien­ te suelen ser paralelos entre sí; de lo contrario existiría un claro riesgo de alteración del produc­ to por sobrecalefacción hacia el final del secado (cuadro 5.4). La cám ara, cuya primera parte es cilindrica, term ina en form a de cono, donde se recoge el polvo ya seco, que desciende por gra­ vedad. Las dimensiones de la cámara están supe­ ditadas al tipo de nebulizador que incorpora. Si éste es centrífugo, el diám etro de aquélla ha de ser suficiente para evitar la proyección de gotas sobre sus paredes. La relación altura/diám etro d e la parle cilindrica se fija entonces en la uni­ dad. Si el diámetro, como es habitual, es grande, se reduce la velocidad lineal del fluido en su pa­ so a través de la cám ara, lo q u e supone tiempos d e residencia elevados. C uando la cámara monta un nebulizador de presión no es preciso un gran diámetro, lo que se traduce en tiempos de seca­ dos mucho más cortos. E n esta ocasión, la rela­ ción altura/diám etro llega a ser de 4 a 1. El grueso del polvo seco se extrae, por lo general, por la p arte inferior de la cántara con ayuda de rasquetas, tornillos sinfín o válvulas rotatorias, m ientras que los finos se recuperan d e la corriente de aire húm edo de salida me­ d ian te 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 pa­ ralelo), Si el tam año del polvo impide el em­ pleo de este tipo de separadores mecánicos, se recu rre a un filtro de mangas. Este equipo, que requiere una m ayor inversión, precisa un con­ trol más exhaustivo de las condiciones del aire de salida (IV), y T), a fin de asegurar una buena eficacia de separación. U n tercer sistem a de recuperación del pro­ ducto lo constituyen los lavadores o absorbedo­ res h ú m ed o s; en rea lid ad , su em pleo sólo se justifica cuando, adem ás de tratarse de un pol­

vo fino, se desea concentrar y precalentar ei lí­ quido de alim entación a la cám ara de secado. Para ello, se utiliza como líquido de lavado el propio alim ento. Las tres técnicas de sep ara­ ción indicadas ofrecen rendim ientos de opera­ ción elevados, superiores en todos los casos al 95%, siempre que se opere en el intervalo de tam años de partícula apropiado al caso. E n la deshidratación de alim entos p o r n e­ bulización el período de velocidad de secado constante es prácticam ente instantáneo. En es­ ta fase se da el grueso del secado, sin que el ali­ m ento supere la tem peratura de bulbo húm edo del aire. H acia el final del proceso se reducen considerablem ente los gradientes de tem pera­ tura y de hum edad entre el aire y el alimento respecto a sus valores iniciales. E l aire va per­ diendo tem peratura m erced a la transferencia de calor sensible al alim ento, que aum enta su tem peratura superficial hasta alcanzar 1.0-20 °C por debajo de la del aire de salida. E n lo que concierne a la hum edad, el aire va ganando hu­ medad a expensas de la del alimento. En suma, el secado en paralelo presenta dos etapas: una prim era, rápida y eficaz, seguida de una segunda, lenta y de escasa contribución al proceso global de deshidratación. La operación en paralelo perm ite, sin em bargo, el contacto entre el aire más caliente y el alimento cuando éste tiene su m ayor contenido de hum edad (1.a etapa). Por el contrario, cuando el producto se encuentra seco, éste se pone en contacto con un aire menos caliente (24 etapa). D e este modo, se compensa la pérdida de eficacia en el secado por La calidad del producto resultante, a salvo de posibles alteraciones por sobrecalefacción. E l tiem po to tal de secado de un alim ento por atom ización se puede asimilar a la siguien­ te expresión:

(

pL f

8

k a ( T a ~ T ÍV)

, P*D%X (wc - w') +

12

k0AT

donde pL es la densidad del líquido (kg/m3), X su calor latente de evaporación (kJ/kg), D el

d iá m e tro inicial de g o ta (m ), k la con d u ctiv i­ d a d té rm ic a d el a ire (W /m ■ K ), T a y T w las te m p e ra tu ra s de bulbo seco y h ú m e d o d el aire (ÜC), D sr el d iám etro de g o ta cu an d o se alcanza la wc, h u m e d a d crítica (kg de agua/kg de só lid o se c o ), w c o n te n id o final de h u m e d a d (kg de agua/kg de sólido seco) y AT valor m edio d e la d ife re n c ia e n tre las te m p e ra tu ra s del aire y el p ro d u c to tra ta d o (°C ). E l p rim e r té rm in o c o ­ r re s p o n d e al p e río d o de v e lo c id a d de secad o c o n sta n te , m ie n tra s q u e el seg u n d o se d eb e al p e río d o de velocidad decrecien te. E n el c u ad ro

5.6 se re c o g e n las v en tajas e in co n v en ien tes del s e c a d o d e a lim e n to s p o r n e b u liz ació n a te n ­ d ie n d o a sus p rin cipales características, A l tra ta rs e de un m é to d o convectivo, en el q ue el g ru e so del secado se lleva a cabo c o n v e ­ lo c id a d c o n sta n te , el co n tro l de la v elocidad del p ro c e s o g lo b a l e stá d e te rm in a d o p o r la d ifu ­ sió n del v a p o r de ag u a d esd e la superficie del a lim e n to h a s ta la cap a de a ire a d y a c e n te al m ism o . P a r a fa v o re c e r esta tra n s fe re n c ia de m a te ria se o p e ra de tal fo rm a q n e la h u m e d ad d el aíre d e salida sea sustan cialm en te in ferio r a

CUADRC 5 .ó Venía/as e incon venientes d e l s e c a d o d e a lim e n to s p o r n e b u l i z a c i ó n C onfiguración

Inconvenien tas

Ventajas

A tomiz ado re s Centrífugos

Buen control de! tam año de gato.

G ra n d iá m e tro de cám ara (mayar tiem po de secado).

G ra n c a p a c id a d de ira ¡amiento. A d m ite Fluidos viscosas.

De presión

Distribución de tamaños estrecha.

M e n o r ca p a c id a d de tratam iento.

Secado más uniforme.

Tendencia al ob turcm ie nlo a:e boquillas.

M enores costes de operación.

Tendencia al ensancham iento de boquillas. N o a d m ite fluidos viscosas.

M e nor diám etro de cám ara (menor tiem po de secado). De das fluidos

Las mismas que para ei de presión.

Las m ism as que para el de presión. Costes de op eració n a lg o mayores. D istribución de tam años polidispersa (restringe mucho su a p lica ció n ).

Sis temos de recuperación Ciclones

Económicos.

Lim itado a polvos > 5 0 mm.

Sencillez op erativa . Filtros de mangas

A dm ite polvos < 5 0 mm.

M a y o r inversión. M a y o r control VVt y T del aire. Lim pieza y reposición de filtros.

A b s o rb . H ú m ed os

A d m it o p o lv o s < 5 0 m m.

G ra n inversión.

C oncentración simultánea del alim ento. Precafefacción simultánea del alim ento. De índole general

G randes capacidades de tratam iento. A dm ite alimentos termosensibles.

Elevada inversión. E xigencia alim ento Fluido, bom beable. Baja efica cia energética.

Costes m oderados a'e mano de obra.

Escasa retención de volátiles.

Velocidades de secado muy rápidas.

Sencillez de funcionam iento.

su hum edad de saturación. E sto se consigue aum entando el caudal másico de aire por uni­ dad de peso de producto tratado, lo q u e supo­ ne reducir el rendim iento energético de la des­ hidratación. Dicho rendim iento, a tenor de la expresión [5.57], se puede m ejorar aum entando la tem pe­ ratura del aire de entrada y/o dism inuyendo su tem peratura de salida. El máximo valor de la tem peratura de entrada está delim itado por la sensibilidad térmica del alimento hacia el final del proceso, mientras que la tem peratura de sa­ lida se encuentra condicionada por el conteni­ do de hum edad deseado para el producto seco, tanto mayor cuanto m enor sea este último. Es­ ta relación trajo consigo un nuevo modo de operación, el secado de doble, etapa, m uy exten­ dido en la actualidad. Se trata de no apurar el secado del producto por nebulización -basta con alcanzar una humedad ligeram ente inferior al '10%, para proseguir el proceso en un lecho fluidizado, vibratorio o no, hasta obtener la hu­ medad final requerida (sobre el 5% ). Con ello se consigue un doble objetivo: reducir la tem ­ peratura del aire de salida y aum entar la tem ­ p eratu ra del aire de entrada al estar térm ica­ m ente protegido el producto final por su m ayor contenido de hum edad. S upuesto que las tem peraturas de entrada y salida de aire pa­ san, m erced a la im plantación de u n a doble etapa de secado, de 165 a 215 °C y de 90 a 80 °C, respectivamente, el rendim iento térmico de la operación aum entará (ecuación [5.57]) desde el 55,5 hasta el 62,8%. La operación descrita presenta u n a limita­ ción en cuanto al contenido m áxim o posible de hum edad del producto secado exclusiva­ m en te por nebulización. P o r encim a de una cierta hum edad el polvo se vuelve pegajoso (sobre todo si es higroscópico y term oplástico), dificultándose su extracción por la parte inferior de la cám ara. E ste condicionante se ha resucito satisfactoriam ente acoplando ai fondo de la cám ara un lecho fluidizado que recoge el p roducto parcialm ente seco para com pletar su deshidratación. E n algunas oca­

siones se llega incluso a disponer de un segun­ do lecho fluidizado (norm alm ente vibratorio) a la salida de la cám ara que ultim a la opera­ ción (secado de triple etapa). La innovación presenta una ventaja añadida, cual es la aglo­ m eración de los finos arrastrad o s durante la fluidizacíón interior por interacción con los fi­ nos de la corriente de aire prim ario, que toda­ vía conservan un cierto grado de hum edad. E sta opción, que conduce a un producto poro­ so, de baja densidad, fácilmente separable de la corriente de aire de salida del atom izador por medios mecánicos, es una de las técnicas utilizadas para m ejorar la rchidratabilidad de los alimentos pulverulentos.

5 .5 .2 .

S e c a d e ro s co n ductivos

Los secaderos de tam bor (de rodillos o de película) son los equipos más representativos del secado de alimentos por contacto con una superficie caliente. E stán constituidos por un cilindro metálico hueco, en rotación, por cuyo interior circula vapor de agua. El líquido a tra­ ta r se extiende en form a de película sobre la superficie externa del tam bor. E l sistema de alim entación, que debe asegurar la uniform i­ dad de la película en cuanto a composición y espesor, pued e ser p o r inm ersión parcial del tambor, por aspersión o con ayuda de unos ro­ dillos secundarios, más pequeños y exentos de calefacción. L a velocidad de rotación del tam­ b o r se establece de form a que se com plete 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 su­ perficie. En otros se potencia la calefacción ha­ ciendo pasar aire caliente en tre la superficie extern a del tam bor principal y una carcasa. También se utiliza aire, esta vez. frío, para for­ zar el enfriam iento del producto. A continua­ ción se pasa revista a las distintas modalidades de secaderos de tambor.

A lim enta ción

Alimentaciór Cuchilla \

|

l O

o j Secadero de tam bor único

^ C u c h illa

a

-

b) Secadero d e tambor doble

FIGURA 5 .1 5 . Secaderos de tambor.

Secadero de tam bor 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 al­ midón. U n ejem plo al respecto es la p rep a ra­ ción del co n centrado (en polvo) de purés de patatas. Secadero de. tambor doble. La distancia en­ tre los dos cilindros determ ina el espesor de la película. Es más versátil en cuanto que admite una m ayor variedad de productos: desde diso­ luciones diluidas hasta pastas viscosas. Puede tratar, asimismo, productos term osensibles (lí­ quidos y pastosos), proporcionando un sólido de fácil rehidratación. P resenta el doble de ca­ pacidad de tratam iento que el tam bor simple. Aplicaciones: cereales precocinados, sopas, ali­ mentos de frutas para bebés, etc... Secadero de tambores gemelos. Los tam bo­ res giran en este caso en sentido contrario, a di­ ferencia de lo que sucede con el sistem a de tam bor doble. L a alim entación se efectúa m e­ diante sendos rodillos auxiliares. Se encuentra especialm ente indicado para alimentos tales co­ mo las disoluciones salinas, cuyo secado condu­ ce a sólidos pulverulentos. En algunas ocasio­ nes se utiliza como equipo de preconcentración. Secadero de tambor a vacío. Se aplica a ali­ mentos extrem adam ente sensibles a la tem pe­ ratura. La operación a vacío perm ite el secado a tem p eraturas 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 d e vacío. El sistema de recogida del sólido opera alternativam ente; mientras en un recipiente se va acum ulando, en el otro se va descargando m ed ian te un tornillo sinfín, p r e ­ servándose así el vacío de la instalación. Secadero d e placas (o de bandejas) a vacío. En estos equipos el alimento se dispone sobre bandejas, so p o rtad as por unas placas huecas por cuyo in te rio r circula el agente calefactor, vapor de agua o agua caliente. D esde cí punto de vista de la transmisión del calor resulta críti­ co el co n tacto bandeja-placa, lo que req u iere una buena planificación de am bas superficies metálicas, así como el contacto bandeja-alim en­ to, que se resiente hacia el final del secado por la retracción que experim enta el producto. El sistema, a vacío (1-70 mm de Hg), está indicado para alim entos muy sensibles al calor, y a sean líquidos o sólidos, por lo que se ha de controlar cuidadosam ente la tem peratura de calefacción, especialm ente en la parte de producto seco. Secadero d e cinta sinfín a vacío (figura 5.16). Sobre esta cinta se aplica por aspersión el ali­ m en to líq u id o o de consistencia pastosa. La cinta se m ueve m erced a dos rodillos huecos, de calefacción y refrigeración, situados en los extrem os de la cám ara a vacío. E l calo r se ap o rta a trav és de vapor o de agua caliente. Pueden fu n cio n ar con o tras fuentes de calor suplem entario como son los serpentines de va­ p o r de agua o los calen tad o res rad ian tes. El producto seco se conduce al segundo tam bor,

de en friam iento, desde donde se retira de la einta con ayuda de unas cuchillas rascadoras. El em pleo de este tipo d e equipos a vacío, ya sean de placas o de cinta sinfín, dada la inver­ sión que req u ie re n , sólo se justifica para ali­ m entos muy sensibles a la tem peratura, como es el caso de los concentrados de zumos de fru­ tas y de tom ate y de los extractos de café.

■Cuchille

Vacio

/? ~ > ^ T a m b o r i) /'ca lie n te

C alentador radiante

Tambor frío

A lim entación

Producto

FIGURA 5 . 1 6 . S e c a d e ra d e c in ta s in fín a v a c ío .

El secada esponjante o p or explosión (“ex­ plosión puff drying") p arte de un producto só­ lido parcialm ente deshidratado, el cual se in­ troduce en una cám ara cilindrica ro tatoria sometida a alta tem peratura. El alimento, que se ve así expuesto a una cierta presión, se des­ carga 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 despresuri 2ación, isoentálpica, se ve acom pañada por un brusco en­ friam iento del producto. E ste tipo de secado, expansivo, da lugar a un producir) poroso, es­ ponjado, que perm ite com pletar su deshidrata­ ción muy rápidam ente en una etapa posterior, y que presenta unas excelentes características de rebidratación (se pu ed e llevar a cabo en tan sólo 15 min). Las características nutritivas y or­ ganolépticas del alim ento tam poco se ven alte­ radas por el sistem a de secado en cuestión. E ste m odo de operación, que reduce los tiempos de secado a la m itad respecto a los m é­

todos convencionales, proporciona productos con propiedades semejantes a las que se obten­ drían m ed ian te una iiofílización, p ero con un coste muy inferior. El secado esponjante está es­ pecialmente indicado para alimentos con perío­ dos de velocidad de secado decreciente signifi­ cativos. La eficacia de esta técnica pasa por trabajar con sólidos de pequeño tam año; n or­ m alm ente se disponen en forma de cubos de no más de 1 cm de lado. En otras ocasiones se utili­ za vapor de agua de 4 kg/cm2, sobrecalentado a unos 260 °C, lo que evita posibles condensacio­ nes por despresurizacíón del sistema, al tiempo que asegura la misma presión y tem peratura pa­ ra la totalidad de la superficie del sólido. Aplica­ ciones'. frutas, verduras y granos de cereal. El secado en form a de espumas, que se apli­ ca a líquidos m ás o m enos viscosos, se da en tiem pos muy cortos, lo que perm ite reducir la te m p eratu ra de operación. E ste co m p o rta­ m iento obedece a que la espum a presenta una m a y o r superficie de contacto, así com o un no­ tab le tam año de poro, que facilita la difusión interna del agua o del vapor de agua durante el proceso de secado. E ste último extrem o 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 vie­ ne dado por la propia difusión interna. El seca­ do en form a de espumas, además de facilitar el procesado de productos sensibles a la tem pera­ tu ra, da lugar a alim entos de fácil reconstitu­ ción (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 con­ vectivos de cin ta sinfín. O tra p o sib ilid ad es forzar la disolución de gases en el líquido bajo presión, de tal m odo que 1.a atom ización de es­ te alim ento, q ue im plica u na ex p an sió n del m ism o, dé lugar a un p ro d u cto p o ro so , de den sid ad m uy in fe rio r (sobre la m itad ) res­ pecto a la que se obtendría m ediante una ne­ bulización convencional, lo que p u ed e ser in­ te re sa n te a efectos de su p o sterio r rehidratación. U na tercera alternativa de o p e­

C la s ific a c ió n

de equipos

C U A D R O 5 .7 de seca do a te n d ie n d o a las p ro p ie d a d e s que d e b e re u n ir el alim e n to tra ta d o Propiedades de l alim ento

Consistencia Equipo de seco do De dos plantas De bandejas De tolva Desecación solar De lecho flu id iz a d o De túnel De cinta sinfín (En espuma) De canal Rotatorio N eum ático Por atom ización De tambor De tam bor a vacío De places a vacío De cinta sinfín □ vacío

s s s s s s s 1 s s s

i 1 1 s /l 1

Hum edad inicia/

Tamaño

ma ma b ma ma

ma ma ma ma b

ma ma

ma ma

ma ma ma

b

—

— fc fc _

— —.

—

m a /—

b /-

—

—

_

V elocidad de secado

Humedad fina l

b m a /b b b ma m a /b

mb mb b mb mb m b /b

m a /b ma

m b /b b mb b b

ma ma ma ma ma ma

m b /b b b

ma ma

m b /b m b /b

Resistencia térm ica/m ecánico m a /m b m a /m b m a /m a m a /m b m a /m a m a /m b m a /m b b /b / ma m a /m a m a /m a b /m a /— b /b /m b b /-

Nota: s: óoíída; I: líquida; ma; m e d ia/o -allfl/o ; b; b a jo /o ; mb: m e d io /o -b a ja /o .

ració n es la co rresp o n d ien te a los sec a d e ro s a vacío de placas y de cin ta sinfín, d o n d e la d is­ m inución de la presió n origina, al igual q u e e n e l caso a n te rio r, la e x p an sió n del a lim e n to , con la co n sig u ien te lib eració n de gases y v a­ p o re s. E l p ro d u c to re s u lta n te re ú n e , asim is­ m o, las p ro p ied ad es a n te s m encionadas. E n realid ad , el principio de la form ación d e espum as en estos dos últim os casos es el m ism o q u e el e x p u esto p a ra el secado p o r explosión (ex p a n sió n p o r d esp rcsu rizació n ), a u n q u e en esta ocasión se p a rta de un líquido, no de un sólido. E sto im plica un a cierta confusión al re s­ p e c to , refo rz a d a si cabe por la p osibilidad d e utilizar u n m ism o eq u ip o para am bas m o d a li­ d a d e s de secad o . A sí, eí secadero a vacío de placas, susceptible de aplicarse com o se ha vis­ to a la form ación de espum as, p u ed e tam b ién em p le arse com o m ed io de secado p o r e x p lo ­ sión. La diferencia estaría en la consistencia del alim ento de partida, líquida o sólida, re sp e c ti­ vam ente. Aplicaciones: leche, p u rés de p a ta ta y concen trad o s de zum os de fruta.

E n el cuadro 5.7 se recoge la totalidad de los equipos descritos, clasificándolos según las prin­ cip ales características que deben p re se n ta r los alim entos en cada caso. Se trata, pues, de un su­ cinto resu m 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 pa­ ra entender el papel y comportamiento del aire como agente de secado de los alimentos. 2. Lo mismo sucede con el concepto de activi­ dad de agua, cuya reducción es la esencia de los m étodos de conservación de alimentos por deshidratación. 3. Ei secado de alimentos con aire caliente es un proceso adiabático, en el que se distin­ guen claramente tres períodos: el de estabili­ zación, el de velocidad constante y el de velo­ cidad decreciente. Se exponen y justifican las expresiones que conducen al cálculo del

tiempo de secado según el período considera­ do. El análisis de las cuestiones energéticas asociadas al proceso es otro aspecto funda­ mental para abordar con garantías el diseño de un secadero convectivo. 4. En el caso del secado de alimentos por con­ tacto con una superficie caliente se ha segui­ do 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 seca­ deros de alimentos, así como con un estudio comparativo de los mismos, que incluye ía compatibilidad del producto y las caracterís­ ticas más sobresalientes en cada caso.

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 hume­ dad final del 10% (b.h.). El producto aban­ dona el secadero a la temperatura de bulbo húmedo del aire, mientras que el aire de sali­ da presenta una temperatura 10 °C por enci­ ma de la del producto final. El calor específi­ co del alimento, referido a base seca, es de 2,0 kJ/(kg °C). En estas condiciones, calcúle­ se la producción horaria resultante. 3. Se pretende secar un alimento desde un con­ tenido inicial de humedad del 65% (b.h.) hasta uno final del 6% (b.h.). Su curva de se­ cado determina que su humedad crítica, del 20%, se alcanza a los 4 min. Calcúlese el tiempo total de la operación.

Problem as 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 has­ ta 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 pa­ ra 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 lecho fluidizado un alimento con un contenido de agua del 60% (b.h.), cuya temperatura inicial es de 25 “C. El aire de secado, que se acon­ diciona a partir de aire ambiente a 20 °C y

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 relati­ va del 7%. Se sabe que el calor latente de evaporación, función de la temperatura, va­ ría atendiendo al período de secado conside­ rado: 2.150 y 2.375 k l/ 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). Esta­ blezca el flujo másico de aire a la entrada y sn humedad relativa a la salida para una ca­ pacidad de tratamiento horaria de 90 kg de producto.

E n 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 relati­ va del 15%. Su consumo, referido a base se­ ca, es de 1.200 kg/h y su tem peratura de sali­ da de 20 °C. ¿Cuál es la hum edad final del producto y qué valor adquiere su actividad de agua? U n alim ento se seca a velocidad constante durante 15 min, de tal forma que su humedad pasa del 70 al 20% (b.h.). Con esta informa­ ción, determine su contenido final de hume­ dad para un tiem po total de secado de 20 min.

8. Se desea secar a un alimento desde un 70 a un 10% de hum edad (b.h.) procurando q ue su tem peratura se mantenga en 25 °C. Se dispo­ ne de un túnel de aire en contracorriente, d o n ­ de éste entra a 25 °C y con una humedad rela­ tiva del 75% , lo que proporciona 65 kJ/kg de aire seco. A la salida su humedad relativa al­ canza el 90%, Se pide la temperatura y caudal volumétrico del aire a la salida para una capa­ cidad de procesado de 50 kg/h de producto. 9. Si se quieren rehidratar 100 kg de un alim en­ to desde un 5 hasta un 75% de hum edad (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* 6.2. 6.3. 6.4. 6.5.

Liofilización Concentración por congelación Evaporación Técnicas avanzadas Calidad de los alimentos deshidratados

E

n «I capitulo anterior se ha desarrollado b con­ respectivos, asi como los equipos correspondientes. servación de alimentos por secado con aire y Se citan a continuación las técnicas mós avanza­ das, algunos en fose experimental, y las tendencias por contacto con una superficie caliente. En es­ ta ocasión, se abordo su deshidratación por ftofili-ociuales. Se completa el capítulo con la descripción zación, concentración por congelación y evapora­ de los efectos del conjunto de las operaciones de ción, yo sea como procesado final o como desecación sobre la calidad y propiedades del ali­ tratamiento previo. Se exponen sus fundamentos mento procesado.

Nomenclatura Área de transmisión de calor (m2) Concentración inicial de hielo (kg m"3) Cf 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) A C¡

F

Caudal músico de disolución alimento ( t g tr~})

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) hp Coeficiente individual de transmisión de calor de la disolución (kcal hr1 m~2 °C rI) hw Coeficiente individual de transmisión de calor del vapor de calefacción (kcal h 1 m 2 “C"1) ka Conductividad térmica de la fracción seca del alimento (kcal h‘l m_1 °C~‘) kF Conductividad térmica de la pared (kcal h"1 m-1 °C ■*) ks Factor de forma de los cristales de hielo L 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 soluto m 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 disolvente p Permeabilidad de la fracción seca del alimento ph Presión de vapor del hielo en el frente de subli­ mación (Pa) p w Presión parcial del vapor de agua (Pa)

Q Qf

^2 Q„f R Ra

H

Ta Tm T£

Caudal de calor intercambiado en d evaporador (kg h*1) o cantidad de calor (kcal) Caudal másico de calor sensible de la disolu­ ción de Tf a Ts¡>(kg Ir1) Caudal másico de calor latente de vaporización de la disoludón (kg h*1) Caudal volumétrico de la disoludón alimento (m3hrl) Constante universal de los gases (kl kg*1K l) Resistencia a la trzusmtsióa de caloi por dcp
Te0 Temperatara de ebullición de la disolución r o

Tp Th Tt Tw r tR

Temperatura de la disoludón alimento (*C) Temperatura del frente de hielo (*C) Temperatura superficial del alimento (®C) Temperatura del vapor de calefacción (°C) Tiempo (s) 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, W

xr x i.

z

C ontenido de humedad de la fracción seca del alim ento a tiem po t (kg kg-1) Cantidad de agua en el alim ento (kg) o frac­ ción másica de soluto Concentración molar de soluto en el alimento (mol l-1) Fracción másica de soluto en la disolución inicial Fracción másica de soluto en la disolución final A ltura de la columna de lavado de cristales de hielo (m)

AT D iferencia de tem peratura (°C o K) AT£ Increm ento de TE debido a la presencia de solutos (°C o K) R endim iento (% ) V Calor latente de evaporación (kcal kg'1) K Calor latente de fusión del hielo (kj/kg) b As Calor latente de sublimación del hielo (kJ/kg) Viscosidad (kg m-1 min-1) p D ensidad de la fracción seca del alimento p (kg/m3)

GLOSARIO

calor laten te: E n evaporación, calor necesario p a ­ ra ev ap o rar el disolvente de la disolución h a s­ ta alcanzar el grado de co n c en tra ció n re q u e ­ rido,

frente de hielo; Punto o puntos del alimento desde d o n d e se sublim a el hielo d u ran te su lioñlización. P ich o frente se desplaza hacia el in terio r de la pieza conform e avanza la operación.

calor sensible: E n evaporación, calor necesario para alcanzar la tem peratura de ebullición de la diso­ lución.

incremento ebulloscópico: A um ento q u e se produce en la tem peratura de ebullición de un disolvente com o consecuencia de la presencia de uno o va­ rios solutos.

columna de lavado: H ace referencia al sistema de lavado de los cristales de hielo que se producen en la concentración de alim entos por congela­ ción. Su objetivo es reducir las pérdidas de p ro ­ ducto por impurificación superficial de los m en­ cionados cristales. m ap orador de múltiple efecto: Sistema de evapora­ ción constituido por varios evaporadores o efec­ tos, in terco nectados a través de las corrientes de vapor y/o disolución. fracción o capa seca: P arte liofilizada del alimento en un m om ento dado. A um enta progresivamen­ te con el tiem po de operación.

punto eutéctico: T em p eratu ra de congelación p o r debajo de la cual la fracción sólida tiene la mis­ ma com posición que la líquida, re hidra tab ¡lid a d de un alim ento: Capacidad de rehidratación de un alim ento previam ente desecado. E sta p ro p ied ad m ide el grado y velocidad con que el producto adquiere agua hasta alcanzar un contenido próxim o al de su estado orinal. D e ­ p en d e del tipo y condiciones de la técn ica de deshidratación utilizada.

6.1. Liofilización La liofilización, tam bién llamada criodeshidrcitación 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 su­ mo las propiedades organolépticas y nutritivas del alimento procesado. O tra ventaja asociada a esta técnica es la porosidad del producto tra­ tado, 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 instalacio­ nes, complejas, requieren una gran inversión. Así pues, su em pleo sólo se justifica para ali­ mentos 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 alim ento previam ente congelada. Las condiciones se fijan atendiendo a las carac­ terísticas del producto y al diagrama del punto triple del agua (condiciones de presión y tem­ peratura para las cuales coexisten sus tres esta­ dos). 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.

E n realidad, como el agua está afectada por la composición y estructura biológica del ali­ m ento y por su concentración en solutos, la tem peratura de congelación se suele establecer por debajo de los -10 UC. La presión de opera­ ción, por su parte, debe asegurar que el agua cristalizada no se funda a lo largo del proceso. P ara 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 su­ pone encadenar toda una serie de operaciones, enum eradas a continuación, algunas de las cua­ les se dan simultáneamente: • • s • •

Pretratam iento del alimento. Congelación del agua. Vacío del sistema. Sublimación del hielo, Condensación del vapor de agua elimi­ nado. • Desorción de la fracción de agua no con­ gelada. • R uptura del vacío.

Pretratamiento del alimento. Si el producto a tratar es líquido, habida cuenta del coste aso­ ciado a la eliminación de agua p o r liofilización, es conveniente efectuar una prccon ceñir ación del mismo, siempre que la técnica al efecto ga­ rantice su establidad térm ica, motivo por el que se ha seleccionado su conservación por criodeshidratación. Cuando el alimento es sóli­ do, se reduce su tiempo de secado actuando so­ bre su forma y tamaño, troceándolo, de tal mo­ do que desarrolle u n a m ayor superficie por unidad de volumen. Congelación del agua. La velocidad de con­ gelación del agua determ ina el tam año de los cristales de hielo formados y. por ende, el tama­ ño de poro resultante de la sublimación de los mismos. Dado que un excesivo tamaño de los cristales puede afectar irreversiblem ente 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 lim itar la difusión interna del vapor de agua a través de los poros formados, en este ca­ so estrechos (m enor velocidad de secado). Co­ mo co n trap artid a, el secado del producto es mucho más uniform e, dando lugar a una distri­ bución de poros final tam bién más homogénea. E sta práctica se hace asimismo extensiva a los alim entos líquidos. E n ocasiones, cuando la estru ctu ra cristalina del líquido congelado es muy tupida, se som ete a una trituración poste­ rior, con lo que se reduce el tiem po de secado, o b ien se efectú a la congelación a p a rtir del producto en form a de espuma. E n general, la congelación puede ser externa, en un equipo anejo al liofilizador, o interna, en el propio lio­ filizador, tendencia actual. Vacío del sistema. El vacío contribuye a re ­ ducir los riesgos de fusión del hielo, al ser la presión en la cám ara directam ente proporcio­ nal a la tem peratura necesaria para que tenga lugar este fenóm eno. E sta posibilidad se acen­ túa al com ienzo de la operación, cuando con­ trola la transm isión de calor, situación que se prolonga en tanto el sistema no alcanza el régi­ men estacionario. E sto requiere efectuar un cierto vacío (1-4 mm de Hg) en un tiem po rela­ tivam ente corto (5-10 min). En prim er lugar se utiliza una bom ba de gran caudal y vacío m e­ dio, que perm ite alcanzar las presiones necesa­ rias al principio de la operación para, seguida­ m en te, co n e ctar el sistem a a una segunda bom ba, de m enor caudal pero de alto vacío, que asegura el m antenim iento del vacío prees­ tablecido p ara el resto del proceso. La presión de operación en la cám ara consti­ tuye, quizás, la principal variable de un proceso de liofilización. Cada alimento presenta su pro­ pio óptim o 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 cám ara por encima de un determ i­ nado valor se disminuye la velocidad de liofili­ zación. Ello se explica debido a que se aum en­ taría la p resión parcial del vapor en la superficie del alim ento para una misma presión

de vapor del hielo en su frente de sublimación, lo que d an a lugar a una reducción del gradiente de presiones, fuerza im pulsora de la transferen­ cia de m ateria. La situación im plicaría asim is­ m o alcanzar un a m ayor tem peratura para subli­ m ar el hielo, lo que supone un m enor gradiente térm ico en tre las secciones consideradas. E n el caso contrario, dism inución de la p re ­ sión de operación por debajo de su valor ó p ti­ m o en relación a la velocidad de liofilización, la explicación n o resulta ta n 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 m ism o y, p o r ende, la velocidad de transm i­ sión de calor. La pérdida de la co m p o n en te convectiva de la propagación del calor, que ac­ tú a com o m edio de cohesión entre las fraccio­ nes sólidas, supone un aum ento “ap aren te” de la porosidad del producto (inversam ente p ro ­ porcional a su conductividad térm ica). L a p re sió n óptim a de o peración no tien e por q u é coincidir con su valor óptim o a efectos de la eco n o m ía del proceso. N ótese que co n ­ form e se dism inuye la presión (m enor tem p e­ ra tu ra de sublim ación) m enor ha de ser la te m ­ p e ra tu ra p recisa para condensar en form a de escarcha el v apor de agua eliminado. P or o tra parte , el coste debido al vacío aum enta ex p o ­ nencial m en te. D e cualquier form a, los eos les de operación en su conjunto disminuyen p a ra ­ lelam ente a la reducción del tiem po 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 p or sublim ación del hielo, está determ inada por las velocidades de transm isión de calor y de transferencia de materia. La transmisión de ca­ lor depende del foco utilizado. La discusión se h a ce n trad o en un equipo donde el calor se transm ite p o r conducción a través de la fracción seca o liofilizada del alim ento, caso más h ab i­ tual. E n estas condiciones, la velocidad de p ro ­ pagación del calor hasta el frente de sublim a­ ción del hielo está condicionada por el espesor, áre a de transferencia y conductividad térm ica

del alimento, así como por el gradiente de tem­ peraturas entre la superficie del mismo y el fren­ te del hielo. Dicha transmisión se ve muy desfa­ vorecida 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 dis­ minuyendo el tamaño y grosor de las piezas a tratar, y/o aumentando la diferencia de tempera­ turas 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 supe­ rior (40/50 nC) viene dado por la termos ensibilidad del alimento. La temperatura en el frente de hielo se fija a través del valor establecido pa­ ra la presión en la cámara. Es importante sumi­ nistrar 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 ope­ ración, 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 inter­ namente, donde la mayoría del vapor retirado del alimento condensa como escarcha. Este equipo, intercalado en la linca de vacío, permi­ te reducir el caudal de succión de la bomba (un vapor de agua a -25 °C y 0,5 rom de Hg ocupa­ ría 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 super­ ficie externa del condensador.

• Temperatura del condensador: se esta­ blece atendiendo a la temperatura de su­ blimación 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 refrige­ rante, 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 re­ frigerante (interior) y la temperatura su­ perficial 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 congela­ da. 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 des­ carga del mismo. La operación implica una ruptura progresiva del vacío (en 15 min aproxi­ madamente), utilizando a tal fin un gas inerte, N2 o COj. Se llega incluso a crear una leve sobrepresión respecto a la barométrica, de modo que el producto no adsorba parte de la hume­ dad del aire ambiente. Su conservación, dada

su afinidad hacia el agua, pasa p o r un cuidado­ so co n tro l 'de la com posición, tem peratura y hum edad relativa de la atm ósfera de almacena­ m iento.

6.1.2. Cálculo del tiempo de operación C uando el secado del alim ento tiene lugar a través de la superficie de calefacción, la veloci­ d ad de transm isión del calor vendrá dada por la siguiente ecuación:

dQ_ M dt

L

(T _ t s

h

[ 6.1]

donde k n corresponde a la conductividad térm i­ ca de la fracción seca del alimento, T a la tem ­ p eratu ra de la superficie seca, Th a la tem pera­ tu 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 tran sp o rte de cantidad de movim iento: d w _ A p ( p h —p iv)

dt

[ 6 .2 ]

L

en la q ue dw/dt es la velocidad con que se tran sfiere el vapor, p la perm eabilidad de la fracción seca del alim ento, p h la presión de va­ por del hielo en el frente de sublimación y p w la presión parcial del vapor de agua en la superfi­ cie del producto. Si el producto es com pacto, baja perm eabi­ lidad, se dificulta la difusión interna del vapor. Tendrá, por el contrario, una cierta conductivi­ d ad térm ica. En estas condiciones, el gradiente de tem peraturas será m oderado en tanto el de presiones elevado. D ad o que la presión de la cám ara, que se fija m ed ian te el vacío consi­ guiente, determ ina una presión constante en la

superficie del alim ento, el increm ento del gra­ diente de presiones se debe al aum ento de la presión de vapor del hielo como consecuencia del nivel térm ico que se alcanza en esta zona, m uy próxim o al existente en la superficie. Se dan así unas condiciones propicias para la fu­ sión del hielo y posterior evaporación del agua form ada. E l riesgo se limita aum entando, Lien la presión en la cám ara (mayor presión superfi­ cial), bien el espesor de la pieza (menor te m p e­ ratu ra en el fren te de hielo). A m bas posibilida­ des conducen a la disminución del gradiente de presiones. E n el caso co n trario , alim ento perm eable pero de co n ductividad térm ica deficiente, se puede producir una acumulación de calor en la superficie del mismo, con la consiguiente alte­ ración térm ica. El gradiente de tem p eratu ras será sustancial, m ientras que el de presiones se resen tirá d eb id o a la b aja te m p eratu ra en el frente de hielo. E n esta situación, sólo se pue­ de actuar sobre el foco caliente, controlando su actividad a p artir de la m edida de la tem pera­ tura superficial del producto. La transferencia de vapor por difusión mo­ lecular interna viene dada, según la ley de Eick, por la siguiente expresión: dw dt donde D rep resen ta la difusividad in tern a del vapor de agua. La v elocidad de tran sferen cia del vapor tam bién se puede expresar atendiendo a la va­ riación del contenido de hum edad de la capa seca conform e progresa el secado. Así,

~ ^ A p (ÍV0 - Wt ) ~ dt dt

[6-4]

en la que p es la densidad del producto seco, WQla hum edad de la capa seca a tiem po cero, es decir, la hum edad inicial del p ro d u cto (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 co­ mienzo (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 transferen­ cia de materia. Es decir, todo el calor que llega al frente de hielo se traduce, como calor de su­ blimación, en un transporte del vapor de agua formado. ±dQ X. di

dw ~dF

(6.5\

Sustituyendo las ecuaciones establecidas pa­ ra la transferencia de calor y materia en la an­ terior expresión se tiene que: h i Á c r A p b>h-Pw) . Xs L ’ h )' L

dt

La integración de esta igualdad entre los lí­ mites: t = 0, L » 0 y t - t, L = L r permite esta­ blecer el tiempo de Iíofilización:

p

O o - w ,) ú _ P

k a iT s -T h )

2

= R T l l P (W0- W t ) t f D
- Wt) ¿?

P Í P h ~ P w)

• 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 con­ trario bajaría la temperatura de conden­ sación deí vapor). La temperatura del condensador debe ser lo suficientemente baja. • Temperatura de sublimación del hielo. Interesa la máxima posible; el límite su­ perior admisible viene dado por la tem­ peratura de fusión del hielo.

¡6 . 6 )

“ RTk Í P * - p J = A p M > -W r) édtr

cK

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 pre­ paración del producto, la velocidad de sublima­ ción del hielo se controla en la práctica actuan­ do sobre las siguientes variables:

2 [6.7]

Aplicaciones: aunque la relación de produc­ tos líofilizados a escala experimental es consi­ derable, la realidad es que su campo de aplica­ ción industrial se limita a unos pocos alimentos, de alto valor añadido y que se verían muy afec­ tados por un secado térmico convencional. La conservación por liofilización se aplica, se en­ tiende que no necesariamente siempre, a ali­ mentos 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.

2 6.1.3. Liofilizaclores

Del análisis de esta expresión se concluye que el. tiempo de operación es directamente proporcional al cuadrado del espesor del pro­ ducto. Esto viene a confirmar la conveniencia de operar con piezas delgadas y de poco tama­ ño. En este sentido, también resultaría intere­ sante el secado por las dos caras mayores, y no

Las principales diferencias entre los liofilizadores existentes en el mercado son el tipo de fuente de calor utilizada y, en menor medi­ da, la disposición dei sistema de condensa­ ción. La transmisión de calor más extendida es por conducción y por una sola cara del ali­

m entó. E l producto se extiende sobre b an d e­ jas, que p u ed en incorporar resistencias eléc­ tricas o asentarse sobre unas placas calefactoras huecas, p o r cuyo interior circula el fluido térm ico. Es la llam ada liofilización p o r con­ tacto directo. Si ei calor se difunde a través de la capa se ca del p ro d u cto , la velocidad con que se transm ite es tanto m enor cuanto mayor sea el esp esor de la referida capa. E s decir, la tran sm isió n de calor se resien te conform e progresa la liofilización del alim ento. Si por el co n trario 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 dismi­ nución gradual del espesor del m edio a través del cual se transfiere el calor. En cualquier ca­ so, la liofilización p o r conducción da lugar a u na sobrecalefacción de la superficie caliente del p ro d ucto, con form ación de una “costra” que lim ita, a su vez, la transm isión de calor al frente de hielo. A lgunos equipos in c o rp o ra n una doble placa calefacto ra que, si bien m ejora la u n i­ fo rm id ad d el secado, no sup o n e u n a re d u c ­ ción d el tiem p o de procesado. E l contacto placa-alim ento dificulta la evacuación del va­ p o r de agua elim inado, de ahí que haya de re ­ ducirse la te m p e ra tu ra de calefacción hasta un valor que evite la acum ulación superficial del mismo. E ste inconveniente se palia em ­ p lean d o u n as placas m etálicas sinterizad as, de es tru c tu ra m icroporosa, que p erm iten la difusión del vapor. Es la denom inada liofili­ zación acelerada. Tam bién se utilizan fuentes de calor radian­ te que, en principio, dan lugar a un calenta­ m iento del producto más uniforme. Aun así, se requieren piezas de poco espesor y controlar la tem peratura superficial del alimento. Las ban­ dejas en este caso actúan únicamente como so­ porte, y no como m edio de transm isión del ca­ lor, ya que la fuente en cuestión no precisa un contacto íntim o con el alimento. U na práctica habitual consiste en utilizar un contacto directo (por conducción) por la superficie inferior del alim ento 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 fu en tes de calor con m ayor fu tu ro en el cam po de la liofilización. Con este sistem a el calor se produce en el propio frente de hielo, cuyo factor de pérdida es muy superior al de la fracción seca del alim ento, con lo que la veloci­ dad de sublim ación es independiente del espe­ sor de la pieza tratad a. Su principal in conve­ n ie n te viene dado p o r la relación ex isten te entre el factor de pérdida del hielo y la tem pe­ ra tu ra , d irec tam en te proporcionales. A sí, se puede llegar a dar la fusión de parte del hielo, favoreciéndose a continuación la brusca evapo­ ración de) agua form ada (con la consiguiente “exp lo sió n ” del producto) m erced a su factor de pérdida, m uy superior al del hielo. L a apli­ cación de esta técnica a ia liofilización está m u ­ cho más desarrollada que el calentam iento d ie­ léctrico o que la radiación infrarroja, tam bién ensayadas a escala experim ental. O tra investi­ gación reseñable al respecto es la liofilización a presión atm osférica con corriente de aire o de nitrógeno. P ara 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 se­ car y enfriar el gas. E l condensador puede operar directam ente con un fluido refrig eran te, cediendo frío p or evaporación del mismo, o a través de un circui­ to secundario con un fluido de m enor capaci­ dad frigorífica, como puede ser una disolución acuosa glicolada. Su disposición en relación a la cám ara de liofilización p uede ser in tern a o externa. E n 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 co­ mo congelador dorante la prim era etapa de la operación. Si se sitúa fuera de la cám ara, se fa­ cilita su m antenim iento. E sta opción perm ite, asim ism o, o p era r altern ativ am en te con dos unidades de condensación: en una se condensa el vapor m ientras en la o tra se procede al descscarchado. El volumen som etido 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 aten­ diendo 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 con­ tienen el producto se soportan sobre placas ca­ lefactor 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 da­ rían lugar a una producción máxima de 5.000 kg/dfa. Esta disposición tiene ia ventaja de per­ mitir un sistema de vacío común, con control individualizado del mismo según los requeri­ mientos 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 cilin­ drica de unos 2 m de diámetro, que incorpora en toda su longitud las placas cale factoras, dis­ puestas a distintas alturas. Las bandejas se transportan en vagonetas, que circulan sobre unos raíles al efecto, de tal modo que en su pa­ so se intercalan entre las placas caleíactoras, fi­ jas. Ciertos sistemas están dotados de un dispo­ sitivo hidráulico que permite mejorar el contacto entre las bandejas y las placas. La ca­ lefacción se controla por secciones. El equipo, representado en la figura 6,2, está provisto de unas esclusas de carga y descarga para preser­ var el vacío en su interior. El sistema de con­ densación 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 ener­ gético promedio para la liofilización de alimen­ tos 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 uni­ taria el consumo debida a la etapa de conge­ lación (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 pe­ sar 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 marcada­ mente 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 tem pe­ raturas: se puede aplicar a productos muy sen­ sibles a la tem peratura sin casi alterar sus ca­ racterísticas originales. L a calidad de los alim entos tratados es similar a la de los proce­ sados p o r osmosis inversa, y superior a la de los p ro d u ctos concentrados p o r evaporación, operación en la que se resiente la retención de volátiles. L a calidad debida a la cristalización del agua del alim ento se acerca más a la resul­ tante 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 con­ centración máxima final que se puede alcanzar (40-50% ), limitada por el aum ento de la visco­ sidad de la disolución conform e se disminuye la tem peratura y ligeram ente superior a la que se obtendría por osmosis inversa (25-35%), pe­ ro muy inferior a las habituales en la evapora­ ción de alimentos líquidos (75-90%). La inver­ sión necesaria y los costes de fa b ric a c ió n so n una desventaja económ ica frente a otros posi­ bles m étodos de eliminación de agua. O tros in­ convenientes reseñables son su capacidad de producción, menor que el de una evaporación, y su facilidad para adquirir arom as y sabores del en to rn o de la instalación, cuestión que pue­ de d ar lugar, si no se tom an precauciones al resp ecto , al deterioro organoléptico del p ro ­ ducto.

6.2.1. Fundamento teórico

que los cristales formados son extrem adam ente puros, la concentración del producto final ven­ drá dada por el porcentaje de hielo separado, el cual se p u ed e calcular m ediante la siguiente expresión:

donde C¡ y representan, respectivam ente, las concentraciones de hielo en la mezcla antes y después de su separación. Cuanto m enor 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 d e solu­ tos tiene un efecto crioscópico sobre la fracción acuosa del alim ento, tanto más m arcado cuan­ to m enores son sus pesos m oleculares y m ayor es su concentración. Así pues, el punto d e con­ gelación. de la fracción acuosa desciende a lo largo del proceso, al m argen de la n aturaleza del soluto con sid erad o , h asta alcanzar el co­ rrespondiente eutéctico del sistema. La te m p e ­ ratu ra de congelación se fija atendiendo a su relación con la concentración de solutos, la cual se d eterm in a experim cntalm ente. Com o prim era aproxim ación se puede recu rrir a ex­ presiones d educidas de la term odinám ica del sistema. La siguiente ecuación: 'V

ta¡>

= ln ( 1 - ^ )

[6.9]

R Ta ~TAo El rendim iento de la operación es tanto más elevado cuanto m ayor sea el tam añ o de los cristales de hielo form ados. 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 p o r p arte del hielo a fin de reducir sus pérdidas. L a eficacia de la separación de la masa cris­ talina constituye o tro aspecto im portante de la operación. Así, supuesto que se p arte de una -disolución exenta de sólidos en suspensión y

relaciona la te m p eratu ra de congelación (TA) para una concentración m olar de soluto en un m om ento d a d o (X B) a través del calor laten te de fusión del hielo referido a moles (2f) , de la constante universal de los gases (R) y del p u n ­ to de congelación del agua pura (TjD). S i la di­ solución de p artid a es m uy diluida, el descenso de te m p eratu ra (A7j), previsiblcm ente m o d e­ rado, se p u e d e estim ar m ediante la siguiente expresión:

azúcar (alm íbares y '‘siropes”), leche y extrac­ tos de aromas. Xf donde la concentración del soluto (m) viene en térm inos de molalidad y P M A representa el pe­ so m olecular del disolvente. El conocim iento de la evolución del punto de congelación perm ite evitar un sobreenfria­ m iento innecesario de ia disolución que, en el caso d e rebasar su punto eutéctico, daría lugar a un hielo impurificado, con la misma composi­ ción q u e la fase líquida. A d em ás, conviene re­ co rd ar que la viscosidad d e la disolución au­ m enta conforme se dism inuye la tem peratura, lo que a su vez lim ita las velocidades de nucleación y de crecim iento del cristal. El incremento d é la viscosidad se ve asimismo favorecido por el aum ento de la concentración de soluto según avanza la operación. E sta circunstancia incide, tam bién negativam ente, so b re la eficacia de la etapa d e lavado de los cristales separados, fun­ dam en tal p ara m ejorar la concentración del producto final. E n algunas ocasiones, com o es el caso de ciertos zum os de frutas, re su lta conveniente acondicionar el producto an tes de abordar su concentración por congelación. E ntre los posi­ bles pretratam ientos destaca la separación, por una p arte, de la pulpa por centrifugación, que palia el arrastre de producto por parte del hie­ lo y, p o r otra, de determ inadas macromolcculas (proteínas, almidones, etc.) p o r ultrafiltración, que afectarían desfavorablem ente a la veloci­ dad de cristalización del hielo. E n ambos casos, los co m ponentes sep arad o s p reviam ente se añaden al alim ento una vez se ha concentrado. La estabilización térm ica es otra de las prácti­ cas habituales en el p retratam ien to de zumos de frutas. Su efecto se centra en la pasteuriza­ ción del producto y en la inactivación enzimática de las pectinaesterasas responsables de su oscurecim iento. A sí pues, esta operación per­ mite m ejorar la calidad del alim ento concentra­ do. Aplicaciones: zum os d e cítricos, vinagre, cerveza, vino, extractos de café y té, jarabes de

6.2.2. Concentradores por congelación A unque la gam a de instalaciones que ofrece el m ercado es m uy am plia, 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 uni­ form e, m onodispersa, con un tam año medio elevado. Los cristales de estas características facilitan su lavado, reduciéndose así las pérdi­ das de p ro d u cto com o consecuencia de su arrastre por p arte del hielo separado. Los cris­ talizadores se p u ed en clasificar atendiendo al tipo de contacto existente entre el fluido refri­ gerante y el alim ento que se preten d e congelar: directo o indirecto. E stos últimos se pueden di­ vidir, a su vez, en internos, si el enfriam iento 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 alim ento líquido. L a evapora­ ción súbita del refrigerante proporciona el en­ friam iento necesario p ara que ten g a lugar ia cristalización del producto. E l enfriam iento tam bién se puede conseguir vaporizando m e­ diante alto vacío una fracción del agua del ali­ mento. Su aplicación al campo del procesado de alim entos es muy reducida. A la dificultad de disponer de un fluido refrigerante adecuado al caso, se añade el inconveniente que supone la extracción de com ponentes volátiles del alimen­ to por parte de la fase vapor, circunstancia que precisam ente limita el empleo de las técnicas de concentración p o r 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 in­ tercambio de frío, retirándose de la misma p a ­

sado un cierto tiempo. Un ejemplo al respecto lo constituye la inmersión de un tambor rotato­ rio (por cuyo interior circula el fluido refrige­ rante) en el líqiiido a congelar, que cristaliza así sobre la superficie externa del cilindro. Lue­ go se separan los cristales formados mediante una rasqueta. La cristalización en suspensión se lleva a cabo en un recipiente agitado, provis­ to 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 extendi­ dos en el ámbito alimentario son los de contac­ to indirecto por enfriamiento externo. La ali­ mentación, una vez se subenfría en un intercambiador convencional, se conduce al re­ cipiente principal, donde se forman los crista­ les. T,a última generación de este tipo de insta­ laciones incorpora la re circulación de la mezcla al intercambiador, esta vez de superficie rasca­ da, donde predomina la nucleación de los cris­ tales 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 fi­ nos, que terminan por disolverse. En la figura 6.3 se representa una instalación de concentra­ ción por congelación de contacto indirecto por enfriamiento extemo, provista de recirculación parcial del concentrado obtenido en el cristali­ zador y de rccirculación de las aguas de lavado de la columna de separación del hielo. En las unidades de separación del hielo for­ mado. el objetivo primordial que se persigue es reducir al máximo las pérdidas de producto de­ bidas a su arrastre por parte de aquél. Los equipos a tal fin se pueden dividir, atendiendo a su principio de funcionamiento, en dispositi­ vos de presión, centrífugos o columnas de lava­ do. Los primeros tienen su campo de aplica­ ción 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 alim entaria; arrastran mucho producto. En los separadores centrífugos, basados en ia diferencia de densidades entre las fases im­ plicadas, el concentrado se hace pasar a través de la cesta filtrante m erced a la fuerza centrífu­ ga reinante. La eficacia de la operación depen­ de de la velocidad d e giro de la centrífuga, de la viscosidad de la disolución concentrada y del tam año m edio, form a y distribución granulom étrica de los cristales que se p rete n d en sepa­ rar. El enjuague de los cristales, práctica nece­ saria p ara reducir el a rra stre d e prod u cto , origina su dilución. Se aprecia, asimism o, que el aire am biente, sobre el cual se induce una cierta turbulencia durante la operación, contri­ buye a la pérdida de volátiles. Las columnas de lavado se están im ponien­ do al resto de sistemas de separación del hielo, sobre todo en la industria alim entaria, m erced a los buenos resultados que arrojan: son capa­ ces de dism inuir la impurificación de los crista­ les por debajo de las 100 ppm . Se opera en con­ traco rrien te, el h ielo se retira p o r la p arte superior con ayuda de unas rasquetas, m ientras que el concentrado se recoge por la p arte infe­ rior. E n la figura 6.3 se puede apreciar que la colum na de lavado está provista de un in ter­ cam biador de calor p ara fundir una p eq u e ñ a proporción del hielo separado, lo que constitu­ ye el líquido de lavado de los cristales que as­ cienden. En ocasiones este dispositivo de fu ­ sión se sustituye p o r una resistencia eléctrica situada en la zona superior de la colum na. El hielo puede ascender d e fo rm a natural, al ser su densidad m enor que la de la disolución concentrada. D ado que su velocidad ascensio­ nal está lim itada por esta diferencia de densida­ des, se han desarrollado sistemas com plem enta­ rios al efecto tales como la im pulsión del hielo m ediante mezcladores estáticos de espiral, tor­ nillos sinfín o pistones de cabeza porosa (filtro del concentrado). E n todos los casos, el concen­ trado 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 íntim am ente relaciona­ da con la velocidad con que desciende el líqui­ do, v, la cual se puede cuantificar, en m/s, m e­ diante la siguiente expresión: \ (k dp) dP vi 180 ( 1 - V¿) M dZ donde V L es la fracción volum étrica de líquido en la colum na, dp (m) el diám etro m edio del cristal, k s su factor de form a, ¡i (kg/m ■s) la vis­ cosidad deí líquido y d P /d Z (kPa/m ) el g ra­ diente de presiones en sentido axial. A ten o r de esta expresión, se pone de m anifiesto q ue la eficacia de la separación aum enta con el tam a­ ño medio de los cristales y con el gradiente de presiones a lo largo de la columna. Se requiere, asimismo, una viscosidad m oderada, cuyo valor está determ in ad o por la concentración y tipo de soluto y por la te m p eratu ra de la m ezcla, para reducir el gradiente de presiones necesa­ rio, así como una distribución de tam años de hielo estrecha. L a o p eració n en continuo se basa en el m antenim iento de una interfase concentradoagua de lavado (frente de lavado) en su reco­ rrido descendente. Su estabilización, p o ten cia­ da por la diferencia de densidades en tre uno y otro lado de la interfase, que origina u na cierta recristalización (m ayor tam año m edio d e cris­ tal), pasa por cum plir el siguiente requisito:

¿L > 10"

7P

[ 6. 12]

en la que el diám etro m edio del cristal, d , vie­ ne dado en cm y la viscosidad del p ro d u cto concentrado que se separa, p, en poises (P). El consumo energético de los concentrado­ res por congelación se debe, por una p arte, a la carga de refrigeración precisa p ara p a s a r el agua a hielo y, p o r otra, al suministro d e elec­ tricidad 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 con­ centración por evaporación y muy superior al de una osmosis inversa; puede llegar a ser has­ ta 10-12 veces mayor. Precisa, p o r otra parte, una gran inversión, sobre todo por el peso rela­ tivo del capítulo correspondiente a la adquisi­ ción de los intercambiadores de superficie ras­ cada, muy costosos,

6.3. Evaporación La evaporación es una operación de concen­ tración 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 lí­ quido-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. L a evaporación es la operación tradición al­ imente más utilizada en la Industria Alimenta­ ria como m étodo de concentración de disolu­ ciones. 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 azú­ car, obtención de purés y pastas a partir de pro­ ductos vegetales, etc. La evaporación es una operación de trans­ ferencia de materia, ya que uno de los compo­ nentes, el disolvente, tiene que transportarse desde el seno de la disolución hasta la fase va­ por. Sin embargo, previam ente ha de producir­ se un transporte de calor desde el agente cale­ factor h asta 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 ecua­ ción de diseño de los evapora dores es similar a la de los cambiadores de calor. C om parada con otras operaciones d e con­ centración d e disoluciones, como pu ed en ser las operaciones con membranas comentadas en el volumen II, la evaporación presenta la des­ ventaja de requerir un mayor consumo e n erg é­ tico, así como de poder provocar alteraciones no deseadas en determinadas sustancias al so­ m eterlas a tem peraturas relativam ente altas. Sin em bargo, mediante evaporación es posible alcanzar concentraciones de soluto muy eleva­ das, 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 crista­ lización. En este caso, la evaporación e s real­ m ente una operación de pmnoncenlrncrión de la disolución. El objetivo fundam ental de la evaporación es modificar la composición de la disolución, lo que puede implicar beneficios adicionales. Así, la evaporación de gran parte del disolvente perm ite disminuir apreciablemente el volumen que ocupa el alimento, lo que conlleva u n a re­ ducción im portante de los costes de envasado, transporte y almacenamiento de ese producto. Por otro lado, la disminución de la concentra­ ción de agua contribuye también a reducir su actividad, aum entando la estabilidad biológica deí producto.

6 . 3 . 1 En erg ¡a necesaria

Un evapora do r puede considerarse de for­ ma sim plificada como un equipo constituido por dos zonas separadas por una pared sólida, tal y como se m uestra en el esquema represen­ tado en la figura 6.4. El agente calefactor, nor­ m alm ente vapor de agua saturado (W), se in­ troduce 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 d e la disolución di­ luida (F), extrayéndose com o corrientes de sa­ lida, la disolución concentrada producto (L) y el disolvente vaporizado (V). E n este esquema, W, F, L y V simbolizan los caudales masivos de las diferentes com en tes, m ientras que Q repre­ sen ta el caudal de calor intercam biado entre las dos zonas del evaporador. El calor necesario p ara llevar a cabo esta operación puede considerarse la sum a de dos térm inos: •

Calor sensible (<2¡). R epresenta la ener­ gía necesaria para calentar la disolución inicial desde su tem p eratu ra a la entrada del evaporador ( T F) h asta su tem peratu­ ra de ebullición (T ED). S uponiendo un calor específico m edio (CPF) para la diso­ lución diluida, este calor se puede esti­ mar m ediante la siguiente expresión: O ^ F C pr(TED- T F)

•

[6.13]

Calor latente (Q2). E s el calor necesario para evaporar el disolvente y generar la corriente de vapor V. Se puede determ i­ nar a partir del calor latente de vaporiza­

ción del disolvente a la tem p eratu ra 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 tem peratura. E n el caso del agua, la ex­ presión que proporciona dicha relación se denom ina ecuación de Regnault; Xe = 606,5 - 0,6957

[6.15]

donde el calo r laten te se ex p resa en kcal/kg y la tem peratura en grados centí­ grados. Finalm ente, el caudal de calor total a suministrar sería:

Q = Qi+Q2

6.2.2.

[6.16]

Velocidad de intercambiode calor

La velocidad de tran sp o rte de calor entre las dos zonas del ev ap o rad o r se expresa m e­ diante ¡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 transm isión de calor, U el coeficiente global de transm isión de calor y A T la diferencia de tem peratura existente entre am bas zonas del evaporador, que actúa com o fuerza impulsora del transporte de calor. D icha fuerza im pulsora puede expresarse como: AT = T U

■Uü

[6.18]

siendo T w la te m p eratu ra del vapor utilizado como agente de calefacción. Cuanto m ayor es la presión a la que se encuentra este vapor, m a­ yor es su tem peratura y, por tanto, su calidad térm ica, aunque tam bién se produce un incre­ m ento en su coste. Asimismo, desde el punto de vista del tran s­ porte de calor, interesa que la tem peratura de ebullición de la disolución sea lo más pequeña posible ya que, con ello, aum enta la fuerza im ­ pulsora existente entre las dos zonas del evapo­ ra d o s A continuación se relacionan los d ife­ rentes factores que influyen sobre dicha tem peratura: • T em peratura de ebullición del disolvente puro ( T e). E s función de la naturaleza del di­ solvente 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 te m p eratu ra , io que, adem ás de favorecer la transm isión de calor, evita o mi­ nimiza el posible deterioro de sustancias sensi­ bles a la tem peratura. E ste último factor es de prim ordial im portancia en el procesado de ali­ mentos. No obstante, existe un límite económ i­ co respecto de la dism inución de la tem peratu­ ra de ebullición por debajo de un determ inado valor (alrededor de 40 en el caso de disolu­ ciones acuosas) ya que p ara ello han de conse­ guirse elevados niveles de vacío, lo que incre­ m en ta ios costes de o peración y encarece el equipo de evaporación. E n el caso del agua, la ecuación de A ntoine que perm ite relacionar la tem peratura de eb u ­ llición con la presión (P) es la siguiente:

ln P = 18,3036-

3.816,4 7V -4 6 .1 3

[6.19]

expresión en la que la p resión viene dada en m m de Hg y la tem peratura en K. * Presencia de solutos. Es un fenóm eno co­ nocido que la existencia de solutos en una diso­ lución provoca un increm ento en el p u n to de ebullición (AT£) respecto del disolvente puro. E ste efecto es doblem ente desfavorable ya que aum enta la tem peratura máxima a la que está so m e tid a la disolución, con el consiguiente riesgo de degradación de determ inados com po­ n en tes, y dism inuye la fuerza im pulsora del transporte de calor. El valor de AT£ dep en d e de la natu raleza del soluto y de su concentración. E n general, es m ayor cuando se trata de solutos iónicos de b a ­ jo peso m olecular. E n la Industria A lim entaria la elevación del punto de ebullición es especial­ m e n te im p o rta n te en disoluciones de sales y azúcares. E n la bibliografía se pueden encon­ tr a r datos experim entales de la elevación del p unto de ebullición para los sistemas m ás habi­ tuales, com o es el caso de disoluciones acuosas d e diferen tes sales. Es m uy frecu en te q u e los d ato s se p re se n te n en form a de gráficos d e D u h rin g , que p ro p o rcio n an d irec tam en te la te m p eratu ra de ebullición de la disolución en función de la del disolvente y la concentración de soluto. E n la figura 6.5 se recoge el diagra­ m a de D uhring correspondiente a disoluciones acuosas de CINa. E n el caso de disoluciones diluidas se h a propuesto la siguiente ecuación para estim ar el increm ento en el punto de ebullición:

1.000 r

m

[6.20]

siendo M s el peso m olecular del soluto, m la m olalidad de la disolución y R la constante de los gases. Se trata de la ecuación [6.10], p ero con notación. • C arga hidrostática sobre la disolución. L a formación y el crecim iento de burbujas de va­

T

*£D

200 180

lóO 140 120 100 80

FIGURA 6 .5 . G rá fic o d e Duhring para disoluciones a cu osos d e C IN a .

por en un líquido en ebullición suele producir­ se mediante un mecanismo de nucleación hete­ rogénea sobre la superficie calefactor^. La pre­ sión 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 tem peratura real de ebullición de la disolu­ ción es algo mayor que la correspondiente a la presión P de la zona de evaporación. N o obs­ tante, dada la dificultad de estim ar con preci­ sión un valor medio de dicha carga hidrostálica, a efectos de diseño del evaporador se suele obviar este fenómeno, tom ándose com o refe­ rencia la tem peratura de ebullición de la diso­ lución a la presión reinante en la fase vapor de la zona de evaporación. O tro de los parám etros que aparecen en la ecuación de diseño del evaporador es el coefi­ ciente global de transmisión de calor (17). Esta variable depende fundam entalm ente de las re ­ sistencias al transporte de calor existentes en el sistema, tal y como se m uestra en la figura 6.6: ® resistencia que opone el vapor de cale­ facción,

• 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 di­ solución, generalmente mediante un increm en­ to de la turbulencia existente en la misma: ge­ neración de corrientes de circulación natu ral (diferencia de densidades), agitación provoca-

FiGURA ó .ó . Resistencias a! transporte de calor en un evaporador.

da por la form ación y desplazam iento de bur­ bujas o m ediante una m áquina, como puede ser un agitador o una bom ba (convección for­ zada). La variable que más negativam ente in­ fluye sobre el transporte de calor a través de la disolución es su viscosidad. En este sentido hay que ten er en cuenta que la mayor parte de los alim entos líquidos suelen ser muy viscosos, con com portam ientos Teológicos en su m ayoría no new tonianos, por lo que la resistencia que opo­ nen al transporte de calor es bastante elevada. E l increm ento de la tem peratura disminuye ia viscosidad, favoreciendo la transm isión de ca­ lor pero, a m edida que se produce la evapora­ ción, la mayor concentración del soluto conlle­ va un aum ento de la viscosidad y, por tanto, de la resistencia de la disolución al transporte de calor. O tro factor a te n er en cuenta es la form a­ ción con el paso del tiempo de depósitos sóli­ dos sobre la superficie de calefacción, lo que contribuye a aum entar progresivam ente la re ­ sistencia al tran sp o rte de calor, provocando disminuciones en el coeficiente global de trans­ misión de calor que pueden llegar a ser de has­ ta un 40% . Dichos depósitos pueden tener orí­ genes m uy variados: precipitación de sales, cristalización de solutos, etc. En el caso de diso­ luciones de alim entos, 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 so­ b re la misma. La form ación de estos depósitos hace necesaria la lim pieza del evaporador con una cierta periodicidad, que puede oscilar e n ­ 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 transm isión de calor del ev ap o rad o r se p u ed e relacionar con las dife­ rentes resistencias m ediante la siguiente expre­ sión: 1 U

1 hw

e kP

1 hD

D

[ 6.21 ]

siendo h w y hD los coeficientes individuales de transm isión 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 qu e oponen los diferentes depósitos sólidos que se puedan formar. La velocidad de intercam bio de calor en el evaporador determ ina el tiempo d e residencia de la disolución a fin de alcanzar un determ ina­ do grado de evaporación. El tiem po d e resi­ dencia m edio se puede estimar como el cocien­ te entre el volum en de disolución presente en el evaporador (V,) y el caudal volum étrico de disolución alim ento (O ^ ), resultando in v ersa­ m ente proporcional al área y al coeficiente glo­ bal de transm isión de calor:

( *

V, Qvf

[6.22] AU

Asimismo, hay que tener en cuenta qne en to d o ev a p o rad o r existe una distribución de tiem pos de resid en cia alrededor del tiem po medio. C uanto mayor es el grado de m ezcla de la disolución más am plia es esta distribución, con el consiguiente riesgo de degradación de aquellas porciones de disolución que p erm an e­ cen más tiem po en el evaporador. La m ayor o m enor am plitud de la distribución de tiem pos de residencia depende del tipo de flujo, lo que a su vez viene m arcado por el tipo de ev a p o ra­ dor. E n eí caso ideal de flujo pistón todos los elem entos de fluido tienen el mismo tiem po de residencia.

6.3.3. Evaporador de simple efecto E n este ap artad o se detallan los pasos a se­ guir en el diseño de un evaporador de simple efecto, constituido p o r una sola unidad de eva­ poración con las correspondientes zonas de ca­ lefacción y evaporación, tal y como se m uestra en la figura 6.4. E n realidad, los evaporadores de simple efecto suelen estar dotados, además.

de un co ndensador que p erm ite licuar la co­ rrien te de vapor generado en el mismo, utili­ zando agua fría como agente de refrigeración. Como datos de partida se suele disponer del caudal, com posición y tem p eratu ra de la diso­ lución inicial, siendo tam b ién conocidos las tem peraturas existentes en cada una de las dos zonas del evapo rad o r, la concentración de la disolución p ro d u cto y el valor del coeficiente global de transm isión 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

de transm isión de calor necesaria en cada caso, la cual se corresponde con el área de la superfi­ cie calefactora existente entre las dos zonas del evaporador. Ilabitu aim en le, se denom ina capacidad de un evaporador al caudal másico de vapor gene­ rado en el mismo, m ien tras q ue se define la economía del evaporador como el cociente en­ tre el caudal de vapor generado y el alim enta­ do (V/W). Si en el balance entálpico se tiene en cuenta que la entalpia de las corrientes en estado lí­ quido suele ser pequeña com parada con la en­ talpia de las corrientes vapor, se obtiene de una forma aproxim ada la siguiente relación:

Fx f ~ L x l

[6.24]

Q=WHw ~VHv

donde xF y x¡ representan las fracciones másicas de soluto en la disolución inicial y final, res­ pectivamente. D ichas ecuaciones perm iten de­ terminar: ios caudales más icos ríe las corrientes L y V. S u poniendo d espreciable el calor de con­ centración, igual en valor absoluto pero de sig­ no contrario respecto del calor de disolución, la siguiente expresión se corresponde con un ba­ lance entálpico en el conjunto del evaporador: W H w A P hF = W hw + V H v +- U i L [6.25] representándose por H las entalpias específicas de las co rrientes en estad o vapor y por h las entalpias específicas de las corrientes líquidas. R eordenando dicha ecuación, se puede de­ term inar el caudal de calor intercam biado en­ tre las dos zonas com o diferencia en tre las en­ talpias de las corrientes q u e entran y salen de cada zona, obteniéndose tam bién el caudal másico de ía c o rrie n te d e v ap o r de calefacción (fV): . O = (H w - h w) = V H v + L h L - Fhp [6.26] Finalm ente, la ecuación d e diseño del eva­ porador, ecuación [6,17], prop o rcio n a el área

[6.27]

Luego, la mayor p arte de la energía sum inis­ trada con el vapor de calefacción sale del eva­ porad o r con la co rrien te de v apor g enerado, por lo que en num erosas ocasiones la rentabili­ dad económ ica de una evaporación está asocia­ da a la posible recuperación de dicha energía. E ntre las diferentes alternativas existentes para conseguir un m ayor aprovecham iento energéti­ co en la evaporación p or reutilización de la co­ rriente V cabe citar las siguientes: •

Precalefacción de la disolución inicial (fi­ gura 6.7a). El vapor generado sum inistra el calor sensible necesario para calentar la disolución de partida hasta su tem pe­ ratura de ebullición, acoplando u n cam ­ biador de calo r con el ev ap o rad o r. No o b stan te, dado que el m ayor consum o energético está asociado al calor latente del cam bio de estad o liquid o-vapor, el ahorro energético que así se consigue es pequeño. • R ecom presión m ecánica (figura 6.7b). E l vapor g en erad o se utiliza como agente de calefacción del propio efecto, p ara lo que es necesario aum entar previam ente su tem p eratu ra m ed ian te com presión. A unque durante la puesta en m archa del

FIGURA 6.7. A p ro v e c h a m ie n b de energía en evaporadores: a) preca le facción de la disolución inicial, bj recom presión m ecánica del vap or, c) reccmpresión térm ica del vapor.

•

e v a p o ra d o r se req u ie re una cierta c a n ti­ d ad de v ap o r de calefacción fresco, ésta ya no es necesaria una vez alcan zad o el ré g im e n e sta c io n a rio . N o o b s ta n te , al a h o rro en e rg étic o así o b te n id o es n e c e ­ sario re sta rle el consum o de en e rg ía m e­ cánica d e la e tap a de com presión. R e c o m p re sió n té rm ic a (fig u ra 6,7c). T am bién en este caso se em plea el vapor g e n e ra d o com o agente de calefacción del pro p io efecto, in crem en tan d o su p resió n y te m p e ra tu ra m ed ian te m ezcla con una co rrie n te de v ap o r fresco a alta presión. C on o b je to de conseguir que el sistem a tra b a je en régim en estacionario y evitar la acum ulación de vap o r en sucesivas recirculaciones, es necesario e x tra e r y p u r­ gar p a rte del v a p o r g en e rad o (co rrien te Vj), lo q u e dism inuye la eficacia e n e rg é ­ tica de esta alternativa.

T a n to la re c o m p re sió n m e cá n ica c o m o la té rm ica se suelen em p lea r cuando el e v a p o ra ­ d o r o p e ra con A T m o d e ra d o s, h a b itu a lm e n te e n tre 5 y 15 "C, lo que h ac e p o sib le q u e la en e rg ía que hay q u e a p o rta r p o r co m p resió n o m e d ia n te la inyección de v ap o r fresco n o sea d em asiad o elevada. U na v en taja ad icio n al de estas altern ativ as es q u e se dim inuye o se elim i­ n a p o r com p leto el consum o de agua d e refri­ g eració n en el co n d en sad o r situ ad o a c o n tin u a ­ ción del evaporador.

F in a lm e n te , o tra posib ilid ad p ara rec u p erar la e n e rg ía c o n te n id a en la co rrien te V es la u ti­ lización d e un e v a p o ra d o r de m ú ltip le efecto con varias etap a s d e ev ap o ració n . D a d a su im ­ p o rta n c ia , los d ife re n te s aspectos relacio n ad o s con e sta a lte rn a tiv a se revisan p o r se p a ra d o en el sig u ien te a p a rta d o .

Ejemplo 6.1. Sistema de evaporación de simple efecto. Se desea concentrar una disolución de saca­ rosa del 30 al 70% en peso mediante un evapo­ rad o r de tubos verticales cortos (un solo efec­ to). El caudal de disolución alimento a tratar es de 1.000 kg/h. introduciéndose al evaporador a u na tem peratura de 15 °C. I.a evaporación se lleva a cabo a presión reducida (0,4 atin), utili­ zando vapor de agua saturado a 115 °CJ como agen Le calefactor. Calcular el área de transm i­ sión de calor y ei caudal de vapor de calefac­ ción necesarios.

D atos

— 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 diso­ lución 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:

1.000 = L+ V

Fx f = L x l

(1.000)(0,3) = L(0,7)

de calor latente, se obtiene la entalpia de las di­ ferentes 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

Resolviendo ambas ecuaciones, se obtienen los caudales másicos de disolución concentrada y vapor generado:

hL = 0 hy = CpF{TF - Tref) = (0,89)(15 - 81,7) = = -59,36 kcal/kg-1

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: 3.816,4 1nP L-. 18,3036 - 7 Te - 46,13 ln[(0,4)(760)] = 18,3036 -

3.816,4 Te ~ 46,13

Sustituyendo en el balance entálpico los valo­ res 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 entidal de calor W = 709,2 kg/h~l Q = 373.464 kcal/h-1

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 ne­ cesario suministrar al evaporador, así como el caudal de calor intercambiado en el mismo, se pueden determinar planteando el balance entálpico, ecuación [6.26]: Q = W( H w - f t w ) = VIIv

+

LhL - FhF

El cálculo de las diferentes entalpias específi­ cas 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 selec­ cionado y aplicando la ecuación de Regnault, ecuación (6.15], para el cálculo de los términos

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 denom inado de m últiple efecto consiste realmente en un sistema con va­ rios 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 in­ troduce com o agente de calefacción en el se­

gundo, A su vez, el vapor generado en el se­ gundo efecto es el agente calefactor del tercero y así sucesivamente. P ara que esta configura­ ción sea term odinám icam ente viable es necesa­ rio que exista un escalonam iento de tem pera­ turas de ebullición de la disolución al pasar de un efecto a otro, lo q u e perm ite establecer ías fuerzas im pulsoras necesarias en cada efecto para el transporte de calor. E ste descenso en fas tem peraturas de ebullición se consigue, a su vez, m ed iante 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 diferen­ tes alternativas, tal y como se m uestra 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 in d e­ pendiente a cada efecto. Tam bién existe la po­ sibilidad de diseñar configuraciones mixtas p o r combinación de las anteriores. Los sistem as de evaporadores de m últiples efectos con circulación en paralelo presentan la ventaja de no necesitar sistemas adicionales de bom beo p ara im pulsar las disoluciones d e un efecto a otro ya que se transportan en el senti­ do 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 a ra concentrar la disolución d e p a r ­ tida que, debido a su m enor concentración de

solutos, es ía más fácil de evaporar. Lo contra­ rio sucede en los sistemas can configuración en contracorriente: el vapor fresco es el agente de calefacción d e la disolución más concentrada, pero se req u ie re un sistem a de bom beo para transportar ía disolución d e un efecto a otro. R especto del diseño de los evaporadores de m últiple efecto, ías h erram ien tas que se utili­ zan so n similares a las de u n evaporador senci­ llo: balances de m ateria, balances entálpicos y ecuaciones d e transm isión d e calor aplicadas a cada efecto. A continuación, se describe el pro­ cedimiento 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), com posición (a f) y tem p eratu ra (T,,) de la disolución inicial, concentración de la disolu­ ción p roducto final (x; i ), tem peratura del va­ por de calefacción fresco (T \y), tem peratura de ebullición de la disolución en el segundo efecto ( 7^ 2) y valores de los coeficientes globales de transm isión de calor co rrespondientes a cada efecto ( í / t y U2). D esd e un p unto de vista económ ico, los evaporadores de m últiple efecto tienen un cos­ te m ínim o cuando todos los efectos tienen el mismo tamaño, es decir, el área de transmisión de calor es tam bién la m ism a. Im poniendo 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 V v x LV T£v Gv Q 2 y a . E n este caso se pueden plantear un total de cuatro balances de m ateria independientes. Las expresiones de los balances de m ateria total y de soluto alrededor de todo el sistem a son las siguientes: F = V ^+ V 2 + L l

[6.28]

Fxf = J-aX-12

[6.29]

A sim ism o, los balances de m ateria total y de soluto alrededor del prim er efecto se expre­ san 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 -

Qz=

Fhr

~ ^Vi) ~

= V2H V2 + L 2h L2 - L ,hu

^

F in a lm e n te , h a y q u e c o n s id e ra r las e c u a c io ­ n e s d e diseñ o d e c a d a efecto: Q y ^ A A T ^ U ^ T v -T ^ )

[6.34]

Q 2 = U 2A A T 2 = U 2A ( T E m - T ED2) [6.35] T e n ie n d o en c u e n ta q u e c a d a u n o d e los b a ­ la n ces en íálp ico s so n re a lm e n te dos ig u a ld ad e s, el co n ju n to d e e x p re sio n e s [6.28] a [6.35] c o n s ti­ tu y e u n sistem a d e diez ecu acio n es con diez in ­ có g n itas. Sin e m b a rg o , su re so lu c ió n n o es d i­ r e c ta ya q u e al d e s c o n o c e rs e la te m p e r a tu r a in te rm e d ia T r m n o es p o sib le d e te rm in a r v aria s d e las en talp ias q u e a p a re c e n en las ec u ac io n e s [6.32] y [6.33], P o r ello, es n ec esario re c u rrir a u n p ro c e d im ie n to d e ta n te o s en el que se- p a r te su p o n ie n d o u n v a lo r d e dicha te m p e r a tu ra de eb u llic ió n y se re su e lv e el sistem a a n te rio r h a s ­ ta q u e en alg u n a d e las ite racio n es se o b te n g a n v a lo re s id é n tic o s o m uy p ró x im o s d e las áre a s d e tran sm isió n d e ca lo r de los d os efectos.

Ejemplo 6,2, Sistema de evaporación de doble efecto. U n evaporador de doble efecto con circula­ ción en paralelo se utiliza para concentrar 10.000 kg/h de una disolución salina del 10 al 40% en peso. E n el prim ero de Jos efectos, la disolución d iluida se introduce a 25 aC, m ientras que el vapor de calefacción se alimenta a 125 °C. E n el segundo de los efectos el vapor generado se e n ­ cuentra a una te m p eratu ra de 80,7 CC. D e te r­ minar: nj El área de calefacción en cada efecto, su­ puestos iguales. b) Econom ía y capacidad del sistema de eva­ poración.

Datos — C oeficientes globales de transm isión de ca­ lor: Prim er efecto: 2.600 kcal h“Lm~z °Crh Segundo efecto: 1.800 kcal h"1n 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-1 15O '1 vapor de agua: 0,46 kcal kg-1 °C 1

Solución D e acuerdo con ei esquem a de evaporador de doble efecto con circulación en paralelo que se m uestra en la figura 6.9, planteam os los balan­ ces de m ateria correspondientes al sistema glo­ bal, ecuaciones [6.28] y [6.29]: f = V1 + V2 + L ,

10.000 - V, + V, + 1 2

I'x f = L 2x L2

(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

Asim ism o, planteando los balances de m ate­ ria 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

R especto de los balances entálpicos se p re ­ senta el problem a de qu e la tem peratura en la zona de evaporación del prim er efecto no es co­ nocida, lo que hace inviable su resolución direc­ ta. P or ello, resulta necesario resolver el proble­ ma m ed ian te tanteos, suponiendo un valor de T£r Los pasos q ue se siguen son los siguientes: 1. E l vuloT inicial de TfÁ se obtiene suponiendo que los caudales de calor intercam biados en cada efecto son iguales, aunque no sea rigu­ rosam ente cierto. D esarrollando las ecuacio­ nes de diseño de los dos efectos: Oj = Q2

U, A pi 7 \ = Uz A 2A1 2 UlA T l = \J2AT2

ATj _ AT2 __ T w - T 1 " 1 u2 112 Ul

fdí

_

A i \ - T w - (T eí + ATE1) 14,85 = 125 - (T£1 + 8) Tn = 102,15 °C

Tgl ~ ?ED2 _ T w ~ (?£1 + &J E l ) 1 1 u-1 TE\ ~ (T£7 + A.TF2 ) J_

2.

U na vez conocido el valor inicial de T FV planteam os el balance en tálp ico de cada efecto: — Prim er efecto. Com o estado de referencia se fija agua líquida a la tem peratura T£D1:

l¡2 El térm ino anterior es tam bién igual a ia fracción que se obtiene com o suma de num e­ radores y denom inadores de los dos últimos términos: AT) _ A in _ T w ~ T ¡22 —{A TEl + A TE2) í 1 1 u ¡ + u 2 U, 'lh

+ r A mT El ci T ref\ ~ T,EDI - T El-

—

= 102,15 + 8 = 110,15 °C La expresión del balance entálpico en el prim er efecto viene dada por la ecua­ ción [6.32]: Qi = W ( H w - h w ) =

1.a te m p eratu ra de ebullición del disol­ vente en el segundo efecto se puede obtener a partir de la de la disolución y del Increm en­ to ebulloscópico: r E2 = T ED2 - A jf £2 =■ 80,7 - 1 2 = 6S, 7 °C Sustituyendo en la ecuación anterior: A T y _ AT2

2.000

+

L ^hu

-

FhF

Teniendo en cuenta el estado de refe­ rencia y la ecuación de R egnault p ara el cálculo de los calores latentes de vapori­ zación se obtienen los diferentes términos de entalpia: H w - hv

Xe J2j = 519,63 kcal/.kg -i

H vi - rr¡.m - At, U0iJ5 - 529,95 kcal/kg

1.800 _ 1 2 5 - 6 8 ,7 - ( 8 + 12) = 38.610 1 2,600

=

1.800

Operando:

hLt = 0 hF = Cppi Tp - T , ef l) = = 0,85(25 -1 1 0 ,1 5 ) = -i = -72,38 kcal/kg Sustituyendo en el balance entálpico del prim er efecto:

A7) =38.610/2.600 = 14,85 °C A'i\ - 38.610/1,800 = 21,45 °C

& = VU(519,63) = = V j(529,95)-(10.000)(-72,38)

Teniendo en cuenta el significado d e ios rem entos de tem peratura se obtiene el vasupuesto de T FA correspondiente al pritr tanteo:

Segundo efecto. Como estado de referen ­ cia se fija agua líquida a la tem p eratu ra T 1 ED2-

^re/2 “ Tj?D2 = í>0,7 °C

y [6.35], lo que permite obtener las corres­ pondientes áreas de transmisión de calor:

La expresión del balance entálpico en el segundo efecto viene dada por la ecua­ ción [6.33]:

a = f / 1A1AT1 2.654.218 = (2.600)^(14,85) Ai =68,7 m2

Q2 = v x( n v l - h v ,) =

C?2 = k’zA jA Tj 1.964.053 = (1.800)^,(21,45)

- V2HiT2 + ^2^1.2

A¡ =50,9 m2 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 H vi ~ A ,ri£), = A,t¡0,7 = 550,41 kcaj/kg 1 h L2 ~ 0 Í¡L1 ~ CP!. 1O f.Dl ~ l rc.fl) = = 0,85(110,1.5 - 80,7) =

La gran diferencia existente entre las áre­ as 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 segun­ do tanteo con un nuevo valor de dicha tem­ peratura. 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

¿

= 25,03 kcal/kg_1 Sustituyendo en el balance entálpico del segundo efecto:

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:

22 = ^ (539,19) = = V2 (550,41)- L , (25,03) 3. Resolución del sistema de ecuaciones consti­ tuido por los balances de materia y los balan­ ces 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

A7? =. AT, A - = ( 1 4 , 8 5 ) | ^ | | = 17,06 “C AT i = A T2 A = (2 1 , 4 5 ) í § £ = 18,26 °C An (59,0) La suma de estos incrementos de tempe­ ratura no coincide exactamente con la corres­ pondiente a los datos del problema, p or lo que es necesario corregirlos:

W = 5107,9 kg/h-1

Q¡ = 2.654.218 kcal/h-1 Q2 = 1.964.053 kcal/tT1

AT,'+ AT { = 17,06 +18,26 = 35,32 °C AT, + A T 2 *=Tw ~ T E2 - ( A T e1-I- A7'E2) =

= 125 - 68,7 - ( 8 + 12) = 36,3 °C 4. Planteamiento y resolución de las ecuaciones de diseño de los dos efectos, ecuaciones [6.34]

AT,' = ( i 7 , 0 6 ) | j | A 17,53 =C

Economía:

A partir de cualquiera de los dos incre­ mentos 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-1

jȣi = 0,157

Lj = 6.350,3 kg/h"1

W = 5.084,3 kg/h-1

Ql =2.641.955 kcal/li"1 Qx =1.974.670 kcal/h-1

4'. A partir de las ecuaciones de diseño se deter­ minan 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 tan­ teo, así como que el método de tanteo aplica­ do converge con gran rapidez. Finalmente, se determina la capacidad y la economía del sistema de evaporación: Capacidad: Vl + V2 = 7.500 kg/h'1

W

.m -M s 5.084,3

6.3.5. Tipos de evaporadores

En este apartado se pasa revista a los tipos de evaporadores más utilizados a escala indus­ trial. La descripción se realiza, en general, si­ guiendo un orden creciente de complejidad del equipo de evaporación: • Evaporador discontinuo. Consiste en un recipiente calentado externamente por una ca­ misa de vapor, que puede estar abierto a la at­ mósfera o cerrado y conectado a un condensa­ dor del vapor. Es un sistema que trabaja por cargas, es decir, opera en régimen no estaciona­ rio, utilizándose para pequeñas producciones como puede ser ía preparación de sopas, salsas, mermeladas, etc. La transmisión de calor a tra­ vés de la disolución se desarrolla únicamente por convección natural, obteniéndose coeficien­ tes 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 ré­ gimen estacionario, con una alimentación con­ tinua de la disolución diluida de partida y ex­ tracción continua de la disolución concentrada producto y del vapor generado. Está constitui­ do 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 diso­ luciones de baja viscosidad. En la parte superior del evaporador se deja un espacio lo suficientemente grande como pa­ ra facilitar la separación entre las burbujas de vapor y el líquido que pueda acompañarlas. A veces se sitúan pantallas deflectoras que permi­

| Vapor

concentrada Figura ó . 10, Evaporador de tubas horizontales.

FiGURA ó . l 1. Evaporador de tubos verticales cortos.

ten la separación del líquido al chocar las bur­ bujas de vapor contra ellas. El arrastre de líqui­ do p o r parte del vapor es un fenóm eno no de­ sead o ya que im plica una cierta pérdida de solutos y disminuye la calidad del vapor gene­ rad o con vistas a su posible re utilización. Este arrastre se da en m ayor m edida cuando la ebu­ llición do la disolución se produce a golpes o cuando en la disolución se produce la form a­ ción de espumas. E n la Industria A lim entaria, las disoluciones que contienen proteínas y car­ b o h id rato s son las que presentan una m ayor tendencia a form ar espumas. • E v aporador de tubos verticales cortos (fi­ gura 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 externa­ m ente a dicho bloque. La disolución situada en el interior de los tubos es la que recibe el calor procedente del vapor, produciéndose su ebulli­ ción, Las burbujas de vapor formadas en el in­ te rio r de los tubos se desplazan rápidam ente

hacia arrib a debido a su baja densidad, arras­ tran d o consigo a la disolución concentrada. A la salida de los tubos se produce la separación del vapor y de la disolución, de form a que esta últim a com o consecuencia de su m ayor densi­ dad tiende a caer por gravedad p o r el espacio central del bloque de tubos. D e esta form a se consigue crear una circulación y un desplaza­ m iento de la disolución por convección natural qu e co n trib u y e a m ejorar aprcciablem ente el coeficiente de transm isión de calor. Como con­ secuencia, este tipo de evaporadores es aplica­ ble p ara la concentración de medios de viscosi­ dad m oderada como son disoluciones salinas y de azúcar, zumos de frutas, etc. * E v ap o rad o r de tubos verticales largos. El principio de operación de este evaporador es si­ m ilar al caso anterior, aprovechando la agitación y turbulencia que provoca la formación y el des­ plazam iento de burbujas de vapor para m ejorar 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, habitualm cntc),

ese fenómeno se acentúa, formándose una pelí­ cula de líquido que asciende pegada a las pare­ des internas de los tubos al ser arrastrada por el vapor (evaporador de película ascendente, figu­ ra 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 par­ te 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 circula­ ción forzada (figura 6.14). La disposición es muy parecida al de película ascendente, pero se utili­ za una bomba para desplazar la disolución a tra­ vés del bloque de tubos, lo que supone una me­

jora sustancial en la transmisión de calor. La for­ mación del vapor se produce no en el interior de los tubos, sino eu la cámara de expansión exis­ tente a la salida de los mismos. Con objeto de alcanzar elevados grados de concentración, exis-

r

r m

Vapor de

m

a9ua _^[j-

N Alimentación

Vapor de agua

M -+ Condensado

-o=

Vapor (vacío)

i Disolución ▼concentrada Figura ó .13. Evaporador de película descendente.

ree ¡rcu loción Figura 6,14, Evaporador de circulación forzada,

te la posibilidad de recirculaí parte de la disolu­ ción concentrada de nuevo al evaporador, • Evaporadores de placas (figura 6.15). Son semejantes a los cambiadores de calor de

placas, estando constituidos por una serie de compartimentos a los que se alimenta alternati­ vamente vapor de calefacción y disolución di­ luida. La disolución puede dar varios pasos en el evaporador, es decir, atravesar varios com­ partimentos a fin de aumentar el grado de eva­ poración. 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 ex­ pansión posterior, al igual que en el evapora­ dor de tubos de circulación forzada. En los evaporadores de placas se obtienen elevadas velocidades de intercambio de calor. Son equipos compactos y fácilmente desmonta­ bles, lo que permite proceder a su limpieza con cierta frecuencia. Por todo ello, este tipo de eva­ poradores se utiliza bastante en la Industria Ali­ mentaria. Como ejemplos típicos de sus aplica­ ciones cabe citar la concentración de extractos de café, gelatinas, zumos de frutas, sopas, etc. • Evaporador de película agitada (figura 6.16). Consta de un único tubo calentado exter­ namente mediante una camisa de vapor de ca­

FIGURA 6 .1 5 . Evaporodor de placas.

concentrada FIGURA ó . i ó . Evaporador de película agitada.

lefacción. E n la parte ce n tral del tubo se dispo­ ne de una serie de p aletas unidas a un rotor que gira a gran velocidad. L a disolución diluida se introduce por uno de los extrem os del tubo, formándose tina película de líquido que se des­ plaza pegada a la p are d 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 coe­ ficiente de transm isión de calor. N o obstante, se trata de un equipo caro con costes de opera­ ción elevados. Se suele utilizar en la etap a final de concentración de m edios muy viscosos: ex­ tractos de carne, miel, pasta de tom ate, etc. • E v ap o rad o r cónico centrífugo (figura 6.17). E stá constituido por un conjunto de co­ nos invertidos apilados que delim itan una serie de espacios o com partim entos. Al igual que en el ev ap o rad o r de placas, en dichos com parti­ m entos se alim enta alternativam ente vapor de calefacción y disolución. E l conjunto se en­ cuentra unido a un eje central que gira a una determ inada velocidad, de form a que la disolu­ ción tiende a desplazarse hacia la periferia por acción de la fuerza centrífuga. Tam bién en este caso se obtienen elevadas velocidades de inter­ cambio de calor, siendo un sistema compacto y flexible. B asta con cam biar el núm ero de conos para modificar el áre a de transm isión de calor y, p o r lo tanto, la capacidad del evaporador. Su principal limitación es su alto coste. E n el cuadro 6.1 se recogen los valores típi­ cos de tiem pos de residencia y coeficientes glo­ bales de transm isión de calor en función del ti­ po de evaporador utilizado.

CUADRO 6.1 Valores típicos de tiempos de residencia y coeficientes globales de transmisión de calor en función del tipo de evaporador U ( W /| m2 K) Evaporador

Discontinuo > 1.800 Tubos horizontales > 900 Tubos verticales cortos > 300 Tubos verticales largos 5-60 Placas 2-30 Película agitada 20-30 Cónico centrífugo 1-10

So/o viscosidad

Alta \viscosidad

500-1.000 600 -1.500 600 -2.800 2.000-6.000 2,000-3.000 2.000-3.000 8.000

< 500 < ó 00 < 600 < 300 < 300 1.500 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 aprovecha­ miento. A dem ás, la calidad final del producto está supeditada al tipo de procesado seguido. Las investigaciones actuales se centran precisa­ m ente en el desarrollo de técnicas alternativas que perm itan m ejorar los dos aspectos reseña­ dos. A continuación, se da cuenta de algunas de las técnicas de deshidraíación de alimentos con mayores expectativas de aplicación. El secado p o r m icroondas se basa en el em pleo de o n d as rad ioeléctricas de alta fre ­ cuencia. Su p en e trac ió n en el alim ento, que depende del espesor y características del mis­ m o, se m anifiesta, a través de la energía ab­ sorbida, en form a de calor, responsable a la p o stre de la evaporación del agua. El secado no suele ser uniform e a causa de la p e n e tra ­ ció n irreg u lar d e las m icroondas en el seno del producto. A u n así, resulta una técnica de secado p rom eted o ra, toda vez que el ap ro v e­ cham iento energético se cifra en un 70% , v a­ lor más que aceptable. Se ha aplicado a p a ta ­ tas fritas y a coles. El olea to de etilo es uno de los aditivos ca­ paces de favorecer el secado de ciertos alim en­ tos, quizás el m ás representativo. A ctúa como

surfactante/hum ectante dispersando el agua li­ b r e p o r todo el producto, lo que aum enta la ve­ lo cid ad de secado en su prim era fase. P aralela­ m 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, qu e de lo co n trario o fre ce ría una gran resistencia a la transferencia d e m ateria. Tam bién es capaz de disolver la p a ­ r e d celular de algunos productos. Se ha ensaya­ d o con almidones ricos en amilosa, con granos d e m aíz y con uvas despepitadas p o r ingeniería genética. E l secado acústico consiste en so m eter al alim en to a ondas de sonido de baja frecuencia a tem p eratu ras entre 60 y 90 °C. E sta práctica a u m e n ta significativam ente las velocidades de transferen cia de m ateria y calor a lo largo de la película de aire que rodea al producto. L a ins­ talació n es similar a la de un secadero p o r ato­ m ización pero con una cám ara provista de una fu e n te de ondas de sonido. Las velocidades de secado que se consiguen bajo estas condiciones llegan a ser hasta 10 veces superiores a las co­ rre sp o n d ie n te s a una deshidratación co n v en ­ cional. D ad o que el proceso es rápido (se com­ p le ta en segundos) y relativam ente frío, la c a lid a d y textura del producto se ven poco afectadas. Su reconstitución es, asimismo, b u e­ n a . L a técnica en cuestión se ha em pleado con Líquidos tradicionalm enle difíciles de secar, al­ canzándose contenidos finales de hum edad por d e b a jo del 1%. Se ha ensayado tam b ién con éxito con productos con contenidos en m ateria grasa superiores al 30%. O tros alimentos seca­ d o s p o r vía acústica son los jarab es de maíz Fructosados, la pasta de tom ate y los zumos de cítricos. El vapor de agua sobrecalentado se h a utili­ zad o como agente de secado de alim entos p as­ tosos en lugar del aire. El secadero suele estar c o n fo rm a d o p o r dos cám aras en serie. E n la p rim e ra el sentido de Lujo del vapor es cruza­ d o ascendente, en tanto que en la segunda es e n paralelo. El alim ento pasa de una a o tra cá­ m a ra p o r gravedad. La velocidad de secado, q u e está supeditada a la velocidad de transm i­

sión del calor entre el vapor y el alim ento, es superior a la que tendría lugar con el aire. Esto perm ite reducir el tiem po de la operación. H a­ cia el final del secado, el vapor se difunde des­ de el seno del p ro d u cto hacia el exterior con más facilidad de lo que lo h aría el aire. El va­ por saturado que abandona el equipo procede tan to del sobrecalentado, que al ceder su calor sensible al producto se satura, como d e la eli­ m inación del agua del alim ento en fo rm a de vapor. La econom ía del proceso pasa p o r la recompresíón mecánica del vapor saturado de sa­ lida. Esto supone aum entar la tem peratura de saturación del vapor, lo que se traduce, en con­ diciones ísoentálpicas, en la condensación de p a rte del v ap o r a esa nueva te m p e ra tu ra , el cual es capaz de sobrecalentar el vapor satura­ do restante, que es el que se introduce de nue­ vo en el secadero. A dem ás de las técnicas consignadas, existen otras que tam bién presentan una aplicación p o ­ tencial muy in teresante en el cam po de la dcshidratación de alim entos. L a extracción m e ­ diante fluidos supercríticos, explicad a en el volumen II, ofrece la posibilidad de deshidra­ tar un alim ento 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 fu n d am e n talm en te p o r la osmosis inversa, tam bién tra ta d a con a n te rio rid a d (volum en II), perm ite la concentración de alim entos en­ tre 20 y 40 °C, lo que siem pre resulta benefi­ cioso para la calidad del producto final. La ra­ diación infrarroja se ha aplicado, asimismo, en la liofilización de alim entos, com binada con o tra fuente de calor, para acelerar la sublim a­ ción del hielo. Todas estas técnicas, p o r lo gen eral muy costosas, sólo se justifican si el prod u cto final tiene un valor añadido suficiente p a ra afron­ tar el coste de su procesado. L os esfuerzos ac­ tuales se dirigen, precisam ente, a abaraLar di­ chos costes. E n este se n tid o , s e está p o ten cian d o la m ejo ra del ap ro v e ch am ien to 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 p ara la deshum idíficación del aire de secado agotado, con su consi­ guiente calentam iento adiabático. E s decir, el calor laten te cedido se rec u p era com o calor sensible. En este caso, el gasto energético se c e n tra en el m a n ten im ie n to del d esec an te a b aja te m p eratu ra p ara facilitar la co n d e n sa­ ción de vapor sobre el m ism o y en su proceso térm ico de regeneración.

6 .5 .

Calidad de los alimentos deshidratados

La conservación de alim entos por reducción de su actividad de agua lleva consigo la altera­ ción de la calidad original del p roducto trata­ do. E l tipo de proceso seguido y ias condicio­ nes de operación establecidas d eterm in a n 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 pard eam ien to , la oxidación de lípidos, el d eterio ro de pigm en­ tos, la pérdida de com ponentes volátiles aso­ ciados al arom a y sabor y la reducción de su va­ lor nutritivo. La retracción que p u ed a experim entar el producto durante su deshidratación. así como la migración de solutos inhe­ rente a la operación, pueden dar lugar a la m o­ dificación de su textura. Todo ello condiciona, a su vez, la capacidad de rehidratación del p ro­ ducto procesado, especialm ente en el caso de los alimentos pulverulentos.

6 .5 .1 .

Posibles alte ra cio n e s

Las reacciones de pardeamiento de m ayor peso específico en la deshidratación de alim en­ tos son ias no enzim áticas, representadas prin­ cipalm ente p o r la de caram elización y la de “M aillard”, que afectan sobre todo a su color, valor nutritivo, sabor y textura. D ep en d en de la tem peratura de operación y del contenido de

h u m edad, pH y com posición del producto. Conform e avanza el proceso se pueden distin­ guir tres fases en la velocidad de pardeam iento. U n a p rim era, correspondiente al período de estabilización, que se d a fundam entalm ente en la zona central como consecuencia de la m igra­ ción de com ponentes solubles hacia el interior del alim ento. Su velocidad es len ta y su co n ­ tribución al efecto global despreciable. En la segunda fase, el p ardeam iento p resenta una gran velocidad de reacción, la cual se relaciona con la tem peratura a través de la ecuación de A rrhenius. U na vez se alcanza el contenido de hum ed ad crítica, prosiguen las reacciones de pardeam iento aunque con una velocidad infe­ rior a la de la anterior fase. No obstante, esta velocidad es superior a la inicial debido a que se reduce ei enfriamiento evaporative) del pro­ ducto, lo que se traduce en un aum ento de su te m p eratu ra , 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 cnranciam icnto, así como al desarrollo de olores desagradables y a la pérdida de vitam i­ nas liposolubles y de pigmentos. Su extensión depende de factores tales como el contenido de agua del alim ento, la naturaleza de la grasa, la presencia de oxígeno, la tem peratura, la con­ centración de m etales pesados, la actividad enzimática residual, la existencia o no de antioxi­ dantes naturales y la radiación ultravioleta, La oxidación, que se centra en las insaturaciones de la cadena hidrocarbonada de los lípidos. so­ bre todo si se encuentran conjugadas, conduce a la form ación de hídroperóxidos. Estos evolu­ cionan p o r deshidratacioncs o polim erizacio­ nes 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 resisten­ cia a la oxidación de las grasas. L a difusión del oxígeno a través del producto depende de su porosidad, propiedad ligada a las condiciones y tip o de p roceso seguido. Así, la liofilización p ro p o rcio n a 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 p roducto más compacto. La te m p e­ ratura favorece ta n to la term odinám ica com o la cinética d el proceso. Los m etales pesados, solubles en agua, aum entan su concentración conforme se desarrolla la deshidratación. E sto refuerza su p ap e l como catalizador de las reac­ ciones de oxidación de la m ateria grasa. L a ac­ tividad enzim ática residual, por su parte, p u e d e centrarse en determ inados compuestos liposo­ lubles, alterando así su sustrato graso. Los a n ­ tioxidantes naturales contrarrestan, si es el ca­ so, la d eg rad ació n de la m ateria grasa. P o r últim o, indicar q ue la radiación u ltra v io leta tam bién 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 re ­ sencia de oxígeno durante su alm acenam iento. P ara ello, se envasa a vacío o en atm ósferas modificadas. A dem ás, se p re c is a una te m p era­ tura relativ am en te baja y una protección a la radiación ultravioleta. La inhibición de la acti­ vidad enzim ática resid u al se establece a te n ­ diendo más a propiedades de color, arom a y sa­ bor que a la posible oxidación de los lípidos. Las m edidas de protección al respecto se com ­ pletan, si es necesario, con la adición de anti­ oxidantes sintéticos. L a alteración del color de ios alim entos es una consecuencia de la oxidación de los pigm en­ tos liposolubles (carotenos, clorofila, etc,), tam ­ bién centrada en las insaturaciones de sus m olé­ culas. A sí pu es, resulta d eterm inante la composición del alimento en cuanto a las con­ centraciones y tipos de pigmentos. El proceso está favorecido por la tem peratura y el conteni­ do de hum ed ad del alim ento, y se p u ed e ver acom pañado por la aparición de aromas y sabo­ res secundarios procedentes de los productos de la descom posición de los pigm entos naturales. Las reacciones de pardeam iento también co n tri­ buyen a la degradación del color. A m bas reac­ ciones, oxidación y pardeam iento, se dan p refe­ rentem ente d u ran te el alm acenam iento. E n

relación a las primeras, son válidas las medidas d e prevención expuestas p ara la oxidación de los lípidos, Respecto a las segundas, las verduras objeto de alm acenam iento se som eten previa­ mente a un escaldado para inhibir la actividad enzimática residual. L a leche se p astear 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 determ inada concentración puede dar lugar a la decoloración de las antocianinas, con la con­ siguiente degradación det alim ento almacenado. El aroma y sabor de los alim entos se debe a ciertos com ponentes orgánicos, volátiles, con una p resión de vapor su p e rio r a la del agua. E sta diferencia de volatilidades da lugar a la pérdida de aromas y sabores durante la deshidratacíón, tanto más acusada cuanto m ayor es la tem peratura que adquiere el producto. EJ se­ gundo factor de influencia es la solubilidad de estos com ponentes en el vapoi de agua elimi­ nado, la cual d eterm in a la facilidad con que p u ed en ser arrastrados. P o r tan to , se han de extrem ar las precauciones en las prim eras fases del secado, cuando, p o r u n a p arte, el calor (sensible) que se ap o rta al alim ento se mani­ fiesta en un aum ento de su tem p eratu ra y, por otra, éste presenta su contenido máximo de hu­ m edad, La retención de volátiles se suele ver favorecida por la form ación d e una película de m ateria seca alrededor del p roducto en estas prim eras etap as del secado, que actúa como una m em brana sem iperm eable que perm ite el paso de vapor de agua p e ro no la difusión de los com puestos de interés. Las pérdidas de aro­ ma y sabor debidas a las etap as de secado pos­ terio res son despreciables resp ecto a las que tienen lugar en los m om entos iniciales. En oca­ siones, se recuperan los volátiles, por conden­ sación o por absorción, y se devuelven al pro­ ducto deshidratado. El valor nutritivo de los alim entos puede re ­ sentirse antes (debido a su p reparación), du­ rante (sobre todo m erced a la tem peratura del procesado) o después de la deshidratación (en

el alm acen am ien to ). L a p érd id a nutricional asociada a la deshidratación del alimento es es­ pecialm ente im portante en relación a su com ­ ponente vitamínica. El com portam iento de las vitaminas depende de su disolvente en el pro­ ducto: agua o lípidos. Las pérdidas y/o las alte­ raciones de las proteínas son despreciables. L as vitaminas hidrosolubles son más sensi­ bles a la te m p eratu ra , sobre todo cuando e) contenido de hum edad es elevado. D e nuevo, se po n e de m anifiesto la necesidad d e operar con te m p eratu ra s m oderadas d u ran te las p ri­ m eras fases del secado. U na vez el p ro d u cto adquiere su hum edad crítica, las vitam inas de este tipo experim entan una precipitación p o r sobresaturación, reaccionando o no con los so­ lutos presen tes. E n cu alq u ier caso, se p u ed e considerar que las pérdidas correspondientes a esta p arte final del secado son poco significati­ vas en relación con las que se originan al prin­ cipio. La vitam ina C, la riboflavina y el ácido ascórbico se ajustan al com portam iento descri­ to. E l m antenim iento del valor nutritivo en es­ tos casos pasa p o r un pretratam iento suave, so­ bre to d o si es térm ico (escaldado), p o r un proceso de deshidratación corto, a tem peratu­ ras m oderadas, y p or un alm acenam iento del producto, que se supone tiene una baja activi­ dad de agua, en una atm ósfera modificada te n ­ dente a reducir la concentración de oxígeno en el am biente. Las vitaminas üposnlubles son m enos sus­ ceptibles a su degradación térmica y a su oxida­ ción, de ahí que sus pérdidas debidas a la deshi­ dratación no sean relevantes, Su degradación, dado que no son objeto de concentración du­ rante ei procesado del alimento, está supedita­ da a la oxidación de la m ateria grasa, cuyos productos de descom posición 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 d e la concentración de m etales en la fase acuosa, lo que favorece, como ya se ha descrito, la catálisis de la oxidación de los lípi­ dos. 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 pre­ servar la oxidación de ía m ateria grasa del ali­ mento. La textura es quizás la propiedad de los ali­ mentos que se altera con más frecuencia. A de­ más, su modificación constituye un serio incon­ veniente a efectos de su presentación comercial. La alteración de la textura en un ali­ m ento p uede com enzar con su pretratam icnto. Un escaldado mal concebido, un determ inado dispositivo de reducción de tam año o, simple­ m ente, 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 da­ das, y de la humedad, tamaño, composición, va­ riedad y grado de m aduración de la especie ob­ jeto 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. A dem ás, 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 com presiones localizadas en distintos puntos. Las células aca­ b an por adquirir un a cierta rigidez, cuestión que se traduce en el arrugam iento del producto tratado. La rehidratación, incom pleta respecto a su contenido de hum edad inicial, se da con lentitud y no perm ite recuperar la textura ori­ ginal. Las carnes, por su parte, no se conservan por deshidratación. Se prefieren otros m éto­ dos, como la congelación, que no alteran signi­ ficativam 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 en­ durecim iento de su m asa m uscular, especial­ m ente a nivel superficial.

Se p u ed e afirm ar que, p o r lo g eneral, las texturas de las carnes, pescados y frutas se ven afectadas, en mayor o m enor m edida, por las altas tem peraturas y velocidades de secado. El fen ó m en o se achaca fu n d am en talm en te a la m igració n de solutos hacia la superficie del p roducto conforme disminuye su contenido de h u m ed ad . D icha difusión está condicionada p o r la naturaleza de los solutos, por el tipo de alim en to y por las condiciones de operación. Si, adem ás, la tem peratura del proceso es ele­ vada, la superficie del alim ento se endurece ta n to p o r la presencia de solutos del in terio r com o p o r las m odificaciones físico-quím icas que tienen lugar en esta parte del producto, la m ás ex p u esta al calor. Las frutas se p ueden p ro teg er de esta alteración m acerándolas p re­ viam ente en un jarabe azucarado. E sta práctica m antien e su textura elástica. El endurecim ien­ to de la superficie del alim ento determ in a, aparte de la alteración de su textura final, una m enor velocidad de secado y una distribución heterog én ea del agua residual. A sí pues, resul­ ta im prescindible un buen control térm ico de la operación, de tal form a que se limite en lo p o ­ sible este endurecim iento superficial y que se asegure un secado uniform e del alim ento.

6 .5 .2 .

L io filiza ció n frente a se ca d o c o n ve n cio n a l

L a liofilización ofrece un producto con una calidad muy superior a la que se o b ten d ría por técn icas de secado convencionales. P or otra p arte, un alim ento liofílizado envasado a vacío o alm acenado en una atm ósfera de gases iner­ tes pu ed e conservarse en buenas condiciones d u ran te al m enos un año. En general, esta téc­ nica no altera sus principales prupiedades. Así, las reacciones de p ard eam ien to no enzim áticas, q u e se d esarro llan hacia co n ten id o s de agua interm edios, no tienen lugar de un a m a­ n era apreciable. La velocidad de sublim ación d el hielo es lo su ficien tem en te ráp id a com o p ara red u c ir 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 n u ­ tritivo del alim ento. 1.a oxidación de los lípidos es sin du d a la principal causa de alteración de los productos lioñlizados. Se debe al aum ento de la concen­ tración de m etales en el agua del alim ento se­ gún avanza la operación que, como es sabido, catalizan la oxidación de la m ateria grasa. Esta circunstancia se ve favorecida p o r la porosidad del producto liofilizado, característica inheren­ te a la técnica seguida, que facilita la difusión del oxígeno hacia el interior del m aterial. Co­ mo el grueso de la oxidación transcurre duran­ te el alm acenam iento del alim ento, éste se de­ be envasar a vacío o, en su defecto, m antenerse bajo una atm ósfera de gases inertes. El arom a y sabor de un producto liofilizado se conservan durante su tratam iento. Los com­ po n en tes volátiles responsables de estas p ro ­ piedades p erm an ecen 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. L a técnica en cuestión tam po­ co afecta al aspecto exterior del producto: no se aprecian alteraciones significativas de su tex­ tura ni endurecim iento de su superficie. La re ­ tracción originada por el tratam ien to es tam ­ bién despreciable. Se respeta, asimism o, el valor nutritivo de los alim entos liofilizados. L as pérd id as vita­ mínicas se deben más al p re tra ta m ie n to del producto que a su procesado. E n cuanto a las proteínas, indicar que no se alcanzan las tem ­ peraturas que hacen posible su desnaturaliza­ ción: 40-60 “C p a ra las carnes. Lo m ism o se puede decir para el resto de constituyentes: al­ m idones carbohidratos en general, etc. La liofi­ lización origina, p o r otra parte, productos po­ rosos, de ráp id a y fácil reh id ratac ió n . La porosidad, sin em bargo, les confiere una cierta fragilidad, de ahí que se haya de controlar su resistencia m ecánica antes de su alm ac en a­ miento. En el cuadro 6.2 se recogen, de m anera sucinta, las diferencias apuntadas entre el seca­ do convencional y la liofilización.

6 .5 .3 .

E va p o ración

La concentración d e un alim ento p o r eva­ poración implica un tratam ien to térm ico más o menos severo que puede provocar cambios en sus propiedades y una serie de efectos no d e­ seados. Los com ponentes más sensibles, como es el caso de proteínas, enzimas y vitaminas, se pueden degradar con la consiguiente dism inu­ ción de calidad y de valor nutricional. A sim is­ mo, se pueden producir reacciones químicas no deseadas, lo que conlleva la alteración de la na­ turaleza de las especies presentes. A nivel m i­ croscópico, se produce con frecuencia un cam ­ bio de color del alim en to derivado de las transform aciones com entadas o a veces sim ple­ m ente com o consecuencia del aum ento de la concentración de solutos. Especialm ente nega­ tiva suele re su lta r la p érd id a 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 u na dis­ m inución im portante de las propiedades senso­ riales del alimento. Existen diferentes posibilidades p ara evitar o al menos paliar todos estos efectos no d esea­ dos que tienen lugar sim ultáneam ente con la evaporación del disolvente, Tal y como se ha com entado con anterioridad, una de las alter­ nativas más utilizadas es la evaporación a p re ­ sión reducida, lo que p erm ite dism inuir apreciablernente la tem p eratu ra de ebullición de la disolución, O tra posibilidad es la de acortar to ­ do lo posible la duración del tratam ien to térm i­ co. P ara ello, se requiere el em pleo de ev apora­ dores con coeficientes de transm isión de calor muy elevados, com o es el caso del evaporador de película agitada o el evaporador centrífugo cónico. Finalm ente, la pérdida de olor y arom a se puede com pensar en p arte m ezclando la di­ solución co n cen trad a con una d eterm in ad a proporción de disolución inicial. E n m uchas ocasiones, los com ponentes volátiles se recupe­ ran condensando la corriente de vapor g en era­ da, separándolos p o r destilación y añ ad ién d o ­ los de nuevo a la disolución concentrada.

CUADRO ó ,2 Diferencias entre el secado con verte ion ol y la iiafilizacíón Secado convencional

Liofilización

Adecuado para alimentos de estructura accesible ¡granos y verduras).

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.

Contraindicado para carnes.

Válido para carnes en general.

Temperaturas relativamente elevadas: 35-100 "C.

Temperaturas incluso por debajo del punto de congelación.

Presión atmosférica o, si el producto es sensible a la temperatura, a vacío.

Alto vacío (0,1-1 mm de Hg).

Grueso de la evaporación desde la superficie del producto.

Sublimación desde el frente de hielo.

Migración de solutos con arrugamiento del olirnento.

Mínima migración de solutos.

Propicia alteraciones estructurales de los productos sólidos.

Mínimas alteraciones estructurales si la velocidad de congelación es la adecuada al caso.

Retracción significativa del alimento con posibilidad de aumentar su densidad.

Retracción despreciable del alimento con disminución de su densidad.

Posible fuente de olores y sabores no deseados.

Respeta el olor y sabor originales.

Tiende al oscurecimiento del alimento.

N o altero el color original.

Notable pérdida de valor nutritivo.

N o se pierde valor nutritivo.

Rehtdraíación lenta e incompleta,

Rehidrotoción rápida y con mayor extensión.

Técnicas, por lo general, económicas.

Técnicas considerablemente más caras.

6 .5 .4 . Rebidratobilidad L a capacidad de reb id r at ación (rehidratabilidad) de u n alim ento previam ente desecado es la p ro p ied ad relacionada c o n el grado y veloci­ d ad con qu e adquiere agua hasta alcanzar un contenido próxim o al de su estado original. L a reconstitución “acuosa” del producto depende d e los cam bios estru c tu rale s y físico-quím icos q ue le h aya po d id o ca u sa r su deshidratación, los cuales están determ inados, a su vez, por su com p o sición y p o r las co ndiciones de o p era­ ción del proceso de secado seguido. La deshidratación del producto puede afec­ ta r a com ponentes tales com o alm idones y pro­

teín as, q u e p re se n ta n una g ran cap acid ad d e retención de agua. La tem p eratu ra p u ed e, asi­ m ism o, a fe c ta r a la reh id ratab ilid ad d el p ro ­ d u cto final, ta n to “per se” com o por fav o rec er su retracción, especialm ente d u ran te las p rim e­ ras etap as de la operación, d o n d e p u e d e llegar a alcan zar h a sta e l 40-50% de su volu m en ini­ cial. E l co n tro l de la te m p eratu ra p erm ite, p o r tan to , m e jo rar la reh id ratab ilid ad del p ro d u cto , al tiem p o que se consigue un secado m ás u n i­ form e, L os alim e n to s liofilizados, ad e m á s d e e s ta r expuestos a unas tem peraturas m á s m o ­ derad as, p re se n ta n p o r lo general una apreciablc p o rosidad, lo q ue les confiere u n a ráp id a y no ta b le cap ac id a d de rehidratación. E n sum a,

la m ejora de la rchidratabilidad de un producto se suele centrar m ás en el proceso de secado que en el propio proceso d e reconstitución. Los alimentos pulverulentos constituyen un caso aparte en cuanto a su capacidad de rchidratación. Como la reconstitución de alimentos en general se lleva a cabo p o r redisolución o resuspensión de los m ism os en agua, los pulve­ rulentos, adem ás de verse tam bién afectados por las condiciones y tipo d e proceso de secado seguido, deben reunir unas determ inadas pro­ piedades en relación a su hum ectabilidad, sumergibilidad, dispersabilidad y solubilidad. La principal variable viene d a d a por su tamaño de partícula. Si es excesivam ente pequeño, los fi­ nos tienden a agruparse en grumos, rodeados por un a película, que limita ía difusión del agua hacia el seno del producto. E n todo caso, un ta­ m año reducido, lo que p resu p o n e una baja densidad, dism inuye la sum ergibilidad deí sóli­ do y, p o r ende, su dispersabilidad, com porta­ m iento contrario al d eseable a efectos de favo­ recer su rehidratación. Se prefiere, pues, p a rtir de un tam año de partícula mayor, aun a costa de someter al pol­ vo seco a un proceso p rev io de aglomeración controlada. En estas condiciones, se lim ita su tendencia a la formación de grumos, con la con­ siguiente mejora de su humectabilidad. Por otra parte, un tamaño relativam ente elevado da lu­ gar p o r lo general a un producto más denso, de mayor sumergibilidad, que se dispersa mejor en el agua de reconstitución. Si la partícula contie­ ne aire ocluido, se resiente su densidad, y con ello su sumergibilidad y dispersabilidad. La solubilidad d el alim e n to pulverulento en el agua de reconstitución es, quizás, la pro­ piedad que se ve afectad a por un m ayor nú­ mero de factores. E n principio depende, ade­ más del proceso de secado, de su composición quím ica y estad o c rista lin o , así como de su p ll, d en sidad y tam añ o d e partícula. En la rehidratación de alim entos en polvo se tiende, como ya se ha com entado, a operar con tam a­ ños d e partículas relativam ente elevados. Sin em bargo, se ha de te n e r p resen te que esta

p rác tica im plica un p ro ceso de secado m ás prolongado, con el consiguiente riesgo térm i­ co de dism inuir la so lu b ilid ad del p ro d u c to por d esn atu ralizació n de sus p ro teín as, c ir­ cunstancia que dificultaría su reco n stitu ció n . P or o tra p a rte , el p roceso d e disolución d el sólido pulverulento está supeditado, a su vez, y por este orden, a su dispersabilidad, hum ectabilidad y sum ergibilidad. Si el polvo se reconstituye con facilidad se denom ina “in s ta n tá n e o ”. E sta característica surge de un com prom iso entre las propiedades del líquido a deshidratar, el tipo de atom izador y las condiciones que rigen el proceso de seca­ do. En todo caso, existen una serie de m ejoras técnicas q ue p erm iten aum entar la reh id ratabilidad del sólido obtenido. Así, la cám ara de atom ización puede estar provista de un circui­ to de rccirculación de finos a la zona húm eda, que facilite su agregación entre sí. U na v arian ­ te de este m odo de actuación consiste en no secar excesivam ente el p ro d u cto d u ra n te la atom ización, de tal forma que los finos p u ed an abandonar la cám ara aglom erados 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. E l circuito de reci['dila­ ción de finos captará, en este caso, adem ás de la corriente de aire prim ario procedente de la cám ara de secado, las corrientes de aire secun­ dario p rovenientes de los lechos fluid izados. E n la figura 6.18 se m uestra un ato m izad o r con secado de doble etap a, es decir, con u n único lecho fluidizado, provisto de rec irc u la­ ción de finos. O tra alternativa p ara m ejorar la rch id rata­ bilidad de los polvos ya secos es som eterlos a u n a “rehum idiíicación” con el objetivo de fa ­ v orecer la form ación de aglom erados. L os equipos al respecto pueden o p erar con v ap o r de agua o aire húm edo caliente, con lo que se alcanza la condensación del vapor de agua so ­ bre las partículas, a semejanza de lo que ocurre en un “absorbedor por condensación” d u ran te ía depuración de gases con partículas en sus­

Sistema de alimentación

Enfriador

Salida del producto

FIGURA ó. 18. Secadero por atom ización con recirculación de finos.

pensión. T am bién se p uede nebulizar agua so­ bre el p roducto pulverulento, tal y com o suce­ de en u na torre de lavado de gases con partícu­ las en su sp e n sió n . L a técnica, au n siendo su m a m e n te eficaz y e s ta r muy difu n d id a, re ­ q u ie re u n a in v ersió n adicional co n sid erab le, to d a vez que el polvo rchum idií'icado ha de se­

Tubo de

carse en u n a cám ara al electo para, p o sterio r­ m e n te, p asar a un lecho fluidizado v ibratorio, d o n d e se pro ced e a su enfriam iento. E l equipo, re p re se n ta d o en la figura 6.19, incluye, asim is­ m o, un circuito d e recu p eració n de finos de las co rrien tes de aire de salida, los cuales se m ez­ clan con la alim entación principal.

Flujo de aire húmedo y caliente

C alentador de aire

A¡re (fe

Salida del

enfriamiento

producto

Figura 6 .1 9 . Rehumidificación de alimentos pulverulentos can aire húmedo caliente.

Resumen 1. L a liofilización es una técnica compleja en ]a que se encadenan u n a serie de operaciones, algunas de las cuales se superponen en tre sí. Las variables a controlar son varias. A sí, des­ tacan Ja velocidad de congelación, la presión en la cám ara, la tem peratura y la eficacia de la condensación del vapor de agua eliminado, que se debe m antener constante. 2. A un con todo, la m ayor incidencia viene da­ da por la forma y tam año de la pieza objeto de liofilización, toda vez que el tiem po de operación es función del cuadrado del espe­ sor del producto tratado, a diferencia del se­ cado convencional, donde esta relación no es tan acusada (directam ente proporcional). 3. Siguiendo con la liofilización, indicar que su consumo energético está más supeditado a Ja etapa de desorción, que supone como la mi­ tad del mismo, que a los cambios de estado: congelación del agua y sublimación del hielo. Por lo que respecta al alim ento tratad o , su calidad es notoriam ente superior a la que se obtendría si la deshidratación se hubiese lle­ vado a cabo po r m edios convencionales, con­ siderablem ente más económ icos. 4. La concentración p o r congelación es una al­ ternativa a procesos como la evaporación o la osmosis inversa, ya sea como técnica d e pre­ co ncentración o de d eshidratación final. Su elección pasa por un estudio com parativo en el que intervienen el grado de concentración deseado, los costes de operación y la calidad pretendida para el producto deshidratado.

5 La evaporación es la operación más utilizada en la industria alim en taria com o m edio de concentración de disoluciones. E n esta técni­ ca, como en la desh id ratació n en general, com piten ia transferencia de m ateria con la transm isión de calor, siendo esta últim a la etapa controlante de la evaporación. 6, El grado de concentración que se puede lle­ gar a alcanzar en la evaporación es del 8090% respecto al soluto. Por ello, es la técnica de concentración más exhaustiva. O tras v en ­ tajas asociadas a esta técnica son ía reducción ele volumen, con lo que ello supone a efectos de envasado, alm acenam iento y transporte, y su contribución a la disminución de la activi­ dad de agua del producto, lo que lo hace bio­ lógicamente más estable. Sus inconvenientes son el consumo energético, elevado, y la ten ­ dencia que p resenta a degradar el alim ento por el efecto de la tem peratura. 7. Se ha dado un repaso a las técnicas más p u n ­ teras en la deshidratación de los alim entos, indicando sus ventajas c inconvenientes, así com o las aplicaciones ensayadas, m uchas de ellas desde un p lano de desarrollo de la in ­ vestigación, cuando no experim ental. 8- El estudio de la reh id ratab ilid ad , especial­ m ente de productos pulverulentos, pone de manifiesto la necesidad de establecer las con­ diciones de la deshidratación previa pensan­ do, además, en la posterior reconstitución del alimento. La variable q u e m ás afecta al p ro ­ ceso de rehidrataeión del sólido es el tam año de partícula, que incide sobre su dispersabílidad, hum ectabüidad y sumergibitidad.

APÉNDICE

P (kPa)

h (kj k g ’ ]

s (kj kg"' K '1)— V 0,9 4 0,96 0,98 1,00

FIGURA A . 2. D ia g ra m a p re sió n -en talp ia del refrigerante R-l 3 4a : zona del v a p o r re ca le n ta d o.

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 ia g ra m a presió n -en talp ia de! re frige ra n te R-12: z o n a d el v a p o r saturado.

FIGURA A .4 . D ia g ra m a presión-entalpia deí refrigerante R-l 2 : zo na v a p o r re calentado.

FIGURA A .5 , D ia gram a presión-entalpia del re frig e ra n te R-717: zona del v a p o r saturado.

Entalpia [kcal/kg de aire seco) 80

85

90

95

100

Humedad absoluta (kg vopor/kg

Entalpia (kcal/kg de aire seco)

75

aíre seco)

Temperatura de bulbo seco (°C)

BIBLIOGRAFIA A n derson, J, (1989): Food Irradiation; A n alternative F o o d Processing Technology. R ep o rt of A griculture C anada, A gri-Food D evelopm ent Branch. B arrachina, M. er a I. (1992): El libro de la energía (3.a ed.). F o ru m A tó m ico E spañol, M adrid. B rennan, J. G.¡ B utters, J, R.; CoweIÍ, N. D. y Lilley, A. E . (1990): Food Engineering Operations (3.a ed.). E lse ­ vier, Londres. Brody, A. L. (1996): E nvasado de alimentos en atmósferas controladas, m odificadas y a vacío. A cribia, Z a ra ­ goza. D iehl, J. F. (1990): Safety o f Irradiated Foods. M arcel D ek k er Inc, N ueva Y ork y Basilca. Fellow s, H (1994): Tecnología del Procesado de los Alim entos. Principios y Prácticas. A cribia, Zaragoza. F R IG O S C A N D IA E Q U IP M E N T IB E R IC A S.A. (2001): C atálogo G eneral, M adrid (España). G álvez M orros, M. (1995): “La conservación de alim entos p o r radiaciones ionizantes” . Conferencia de In g re­ so en la R eal A cadem ia de Ciencias V eterinarias, M adrid, G arcía-V aquero V aquero, E . y Ayuga Téllez, F. (1993): D iseño y Construcción de Industrias Alimentarias. M undí-Prensa, M adrid. ITayes, G. D. (1992): M anual de D atos para la Ingeniería do los Alim entos. A cribia, Zaragoza. H eldm an, D. R. y Lund, D, B. (1992): H a n d b o o k o f Food Engineering. M arcel D ekker, N ueva York. K um stadt, P. (1993): Commercial D evelopm ents in Food Irradiation. B olctin of N ordion International Tnc, O ntario (C anadá). M adrid, A,; G óm ez Pastrana, J.; Santiago, F. y M adrid, J, M. (1994): Refrigeración, congelación y envasado de los alimentos. A . M adrid Vicente E diciones y M undi-Prensa, M adrid. M afart, P. (1993): Ingeniería Industrial Alim entaria. Vol. I: P rocesos físicos de Conservación. A cribia, Z a ra g o ­ za. M allet, C. P. (Ed.) (1993): Frozeen Food Technology. B lackíe A cadem ic & Professional, Glasgow (R eino U nido). Singh, R. P. y H eldm an, D, R. (1993): Introduction to Food Engineering (2.a cd.). A cadem is Press, San D iego (C alifornia). W orld H ealth O rganization (1994): Safety and Nutritional A d e q u a c y o f Irradiated Food.., ISBN 92-4-156162-9. G inebra.