LIOFILIZACION
Presentado por: LUIS GERARDO ORJUELA
Presentado a: Luis Eduardo Muñoz Páez Ph. D Ingeniero Químico
UNIVERSIDAD DEL TOLIMA FACULTAD DE INGENIERIA AGRONOMICA PROGRAMA DE INGENIERIA AGROINDUSTRIAL PROCESOS AGROINDUSTRIALES I IBAGUE 2009
INTRODUCCION La liofilización es una operación unitaria ideal en la deshidratación de productos ya que mantiene sus propiedades funcionales y organolépticas. Esta operación se lleva a cabo en tres etapas donde el material es congelado en este paso la temperatura debe ser mantenida lo suficientemente suficientemente baja para para evitar que los cristales se derritan, posteriormente se sublima el hielo al vacio y a temperatura constante, finalmente se extrae el agua ligada del material a mayores temperaturas. La liofilización da lugar a productos con mayor calidad que con otros mecanismos de secado, debido a la baja temperatura a la que se opera ,la perdida de constituyentes volátiles es mínima, gracias a que todo el proceso se realiza bajo congelamiento total del producto, no se produce formación de espuma ni burbujas, lo que desnaturalizaría las proteínas de este; sin embargo este proceso presenta algunas desventajas desventajas como son los altos costos costos debido a la velocidad lenta de secado y a la necesidad de usar vacio.
OBJETIVOS
Objetivo General
Identificar las ventajas de la liofilización para generar productos de mayor calidad
Objetivos Específicos
Reconocer las etapas de la liofilización Aplicaciones de la liofilización en la industria Identificar los equipos adecuados para dicho proceso Mostrar los modelos matemáticos y sus respectivas variables de diseño
LIOFILIZACION La liofilización es una operación unitaria de secado por congelación que consiste principalmente en dos pasos o etapas. La primera es la congelación de la materia que se va a liofilizar y la segunda es la eliminación del agua por medio de una sublimación directa directa del hielo a vapor de agua bajo presiones reducidas cercanas al vació, en la grafica observamos los principales pasos de la liofilización.
Fuente: deshidratación de alimentos ( Gustavo V. Barbosa, Humberto vega mercado)
Por regla general, la liofilización liofilización da lugar a productos alimenticios alimenticios de más alta calidad que con con cualquier método de secado, el factor principal es la rigidez estructural que se preserva en la sustancia congelada cuando se verifica la sublimación, Esto evita el colapso de la l a estructura porosa después del secado. Puesto que la presión de vapor del hielo es bastante pequeña, la liofilización exige presiones muy bajas o un alto vacío. Si el agua estuviera en estado puro, podría llevarse a cabo un secado por congelación a temperaturas iguales o cercanas a 0 “C (273 K) con presión de 4580 Pm (4.58 mm Hg abs). Sin embargo, puesto que el agua casi siempre está en solución o en estado combinado, el material tiene que enfriarse por debajo de 0 “C para mantenerla
en fase sólida. La mayoría de los procesos de liofilizado se efectúan a temperaturas de -10 ºC (263 K) o inferiores. En el proceso de liofilización se presentan dos fases las cual inicialmente es una fase de congelación del material y la segunda es la fase de extracción del agua o secado. 1 Fase de Congelación: La congelación debe ser muy rápida con el fin de obtener un producto con cristales de hielo pequeño, la temperatura de congelación para el agua pura permanece constante hasta que el agua se ha 1
GEANKOPLIS Christie John, Procesos de transporte y principios de procesos de separación.
congelado, para la mayoría de los alimentos la temperatura de congelación es muy baja, al final de este proceso la materia entera del producto se ha convertido en rígido formando un eutéctico que consiste en cristales de hielo y componentes del alimento, en este proceso se debe evitar una fusión o la permeabilidad de superficies congelación pues puede formar sustancias porosas y gomosas que le dan un mal aspecto al producto. Cada producto debe congelarse de una manera tal que garantice que sufrirá pocas alteraciones en el proceso posterior de sublimación. Se debe conocer con precisión: • La temperatura en la que ocurre la máxima solidificación • La velocidad óptima de enfriamiento • La temperatura mínima de fusión incipiente.
Fase de Secado: en esta fase al material se le adiciona un calor latente capaz de sublimar el hielo y luego un calentamiento para para luego si deshidratar el producto como tal, se divide en tres etapas las cuales son: I Etapa: congelación la temperatura y tiempo de congelación de productos alimentarios es función de los solutos en solución que contiene. La temperatura de congelación para el agua pura permanece constante en el punto de congelación congelación hasta que el agua se a congelado. Para los alimentos la temperatura de congelación congelación es mas baja que para el agua agua pura, ya ya que los solutos del agua no congelada se van concentrando y la temperatura de congelación va disminuyendo continuamente hasta que la solución queda congelada. II Etapa: Sublimación del hielo bajo Vacio en la cual la energía corresponde a calor latente de la cámara de secado el agua generada eliminada a través de poros, esto se realiza a través de diferencia de presiones y suministración de calor por conducción a través del producto congelado, o por irradiación por microondas. III Etapa: Esta etapa inicia cuando se ha agotado el hielo del producto y la humedad proviene del agua parcialmente ligada en el material que se está secando en este momento la velocidad de calentamiento debe disminuir para mantener la temperatura del producto por debajo de 30 a 50 ºC lo que evita el colapso de la materia.
Fuente:http://www.virtual.unal.edu.co/cursos/sedes/manizales/4070035/lecciones/cap1/leccion1
Como lo decíamos anteriormente la fase de secado está dividida en tres fases o etapas como lo muestra la grafica anterior la cual nos indica como la velocidad de secado en la primera fase asciende para sublimar el hielo presente n el material y luego de llegar a un punto máximo inicia un descenso hasta llegar a cero en estas dos últimas fases son llamadas llamadas fases difusivas. Es sin duda la liofilización una herramienta importante cuando los ingenieros se enfrentan a la problemática de pérdidas de las características físico-químicas de ciertos productos sometidos a procesos térmicos, como el secado o la evaporación. Esto se debe principalmente a que materiales de origen orgánico son muy susceptibles a los cambios de temperatura brusca que junto a la perdida de agua en forma líquida ocasionan el arrastre moléculas elementales que producen la perdida de características organolépticas como sabor olor textura propias del producto, producto, reduciendo su su nivel de calidad. calidad. Esta operación unitaria nos brinda la oportunidad de obtener un producto con una humedad muy baja sin alterar sus propiedades físico-químicas, lo cual nos permitirá conservarlo por un determinado tiempo sin que pierda sus cualidades. Los altos costos de los equipos y energéticos han sido el principal problema para la aplicación de este método de secado muy efectivo en nuestro país, en algunos lugares se aplica pero los productos son de alto costo. Las principales aplicaciones de la liofilización en la industria son en la deshidratación de frutas, café, fármacos y algunos alimentos como las carnes, las verduras la leche entre otros. 2 2
CANOVAS_MERCADO,”Deshidratación de alimentos”, editorial acribia, capitulo 7 liofilizació n.
Fuente: Polvos de frutas, Ing. Carlos Eduardo Orrego, UNAL
En la imagen se observa una pulpa de guanábana liofilizada, la cual se le realiza un lavado, despulpado y adición de malto dextrina para evitar la cristalización, luego se congela y se introduce al sistema de liofilización.
CARACTERÍSTICAS DE LA LIOFILIZACIÓN La liofilización se ha visto como método efectivo para ampliar la vida media de los alimentos y tiene dos características importantes: 1. Virtual ausencia de de aire durante el procesado. La ausencia ausencia de aire y la baja temperatura previene el deterioro debido a la oxidación oxidación o las modificaciones del producto. 2. Secado a una temperatura inferior a la ambiente. Los productos productos que se se descomponen o sufren cambios en su estructura, textura, apariencia y/o aromas como consecuencia de temperaturas altas pueden secarse bajo vacio con un daño mínimo.
PROCESOS RELACIONADOS CON LA LIOFILIZACION PRECONGELACION: La precongelacion se utiliza para reducir el tiempo del ciclo de liofilización. Una vez que el producto es congelado las condiciones de congelación se mantienen mediante un sistema sistema de refrigeración refrigeración hasta que el el producto este listo para el secado. Se clasifican en dos grupos.
a. Contacto directo: el refrigerante esta en contacto directo con la superficie del producto. El sistema de congelación intenta poner el refrigerante en contacto con cuanta superficie sea posible, como se muestra en la siguiente figura, los tipos de refrigerantes utilizados en estos sistemas incluye aire a baja temperatura y líquidos lí quidos específicos.
Esquema de congelación por contacto directo deshidratación de alimentos Fuente: deshidratación de alimentos (Gustavo V. Barbosa, Humberto vega mercado)
b. Contacto indirecto: en este tipo de sistema el alimento esta separado del refrigerante por algún tipo de barrera tal como se muestra en la siguiente figura. Algunos sistemas utilizados en congelación por contacto indirecto son placa congelante.
PRECONCENTRACION: Se denomina a la eliminación de agua de los alimentos antes de someterlos a un proceso formal de secado. En el caso de la liofilización, la crioconcentracion es la operación mas compatible ya que la baja temperatura de procesado la hace adecuada para la concentración de alimentos sensibles al calor.
CONDENSACION: La liofilización aprovecha los condensadores de superficie, que permite un contacto uniforme del medio de enfriamiento a través de la superficie de transmisión de calor. Esto evita que el vapor de agua retorne el producto o que pase a las bombas de vacio.
DESESCARCHADO: El depósito de escarcha en el condensador durante la etapa de liofilización reduce la velocidad de transmisión de calor y debe ser eliminado o desescarchado.
Durante la liofilización se emplea calor de radiación y de conducción en las placas de liofilizado se produce calor de conducción pero dentro del producto seco existe calor de radiación, el agua del producto debe estar por debajo del punto triple a muy bajas temperaturas (menor de 611 Pa) en la fase de sublimación está por encima del frente f rente de hielo. 3 A continuación la ecuación que nos gobierna la transferencia de calor en un proceso de liofilización y la cual es una de las variables de diseño.
Q= transferencia de Calor (W) h= coeficiente de transferencia de calor (W/m 2K) K= conductividad térmica (W/m.K) L2= longitud del producto (m) L1= producto congelado (m) Tf= temperatura de sublimación del hielo (K) Ts= temperatura de la superficie del solido seco (K)
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GEANKOPLIS Christie John, Procesos de transporte y principios de procesos de separación.
Vapor de Agua Frente de hielo en retroceso
Pared
Fuente: C.J: Geankoplis, pág. 631, fig.9.11-I
La conductividad térmica es una variable muy importante en el diseño de nuestro equipo de liofilización debido a que dependiendo de esta se le aplicara una cantidad de calor necesaria para sublimar el vapor de agua presente en el producto. 4 Producto
K(W/mK)
Producto
Extracto de Café Gelatina Leche Manzana Melocotón Pavo Carne
0.033 0.016 0.022 0.016-0.035 0.016 0.014 0.035-0.038
Café Gamba Huevo entero Manzana Pollo Salmon Carne
Temperatura sublimación (ºC) -23 -18 -17 -7 -21 -29 -14
Conductividad térmica y temperatura de sublimación de productos liofilizados Fuente: schwartzverg (1982)
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CANOVAS_MERCADO,”Deshidratación de alimentos”, editorial acribia, capitulo 7 liofilización.
Flujo de vapor El flujo de vapor dentro de un proceso de liofilización esta determinado por la siguiente ecuación:
Na = flujo de vapor de agua ( kmol /s*m /s*m2) D’
= difusividad difusividad efectiva media del vapor en la capa capa seca. seca. ( m2 /s).
R = constante de gases T = temperatura media en la capa seca (°C) P fw = presión parcial del vapor de agua en equilibrio con el frente de sublimación del hielo P sw = presión parcial del vapor de agua en la superficie ( atm) Pew = presión parcial del vapor de agua en el seno de la fase externa del gas ( atm) Kg = coeficiente de transferencia externa de materia. ( Kmol/s* m 2 *atm) Diagrama de representa el flujo de vapor y calor en las capas del alimento sometido a un proceso de liofilización. liofi lización.
Fuentes de Sublimación
Vapor de Agua
q
Capa de alimento seco Capa de alimento congelado Capa de alimento seco
Vapor de Agua
q
Tiempo de Secado
t = tiempo de secado (s;h) X0 = humedad inicial del alimento (Kg H2O/ Kg SS) X f = contenido final de humedad (Kg H 2O/ Kg SS) vapor en la interface de sublimación (atm) Ρ*s = presión de vapor Po = presión parcial del agua en la superficie.(atm) ρ = densidad de la capa helada de la lamina ( Kg/m 3 ) K p = permeabilidad de la capa seca (Kg/ m*s) a = espesor de la mitad mitad de la lamina (m)
El proceso de liofilización presenta una serie de ventajas comparativas frente a cualquier otro método de secado como lo son las siguientes: -
-
-
-
-
En el proceso de liofilización hay una ausencia de aire y temperaturas bajas lo que nos indica que el producto no va a sufrir ningún tipo de oxidación y así no habrá deterioro del mismo. La eliminación del agua contenida en el producto se da a temperaturas por debajo de la temperatura ambiente y presiones de vacio lo cual no produce cambios mínimos en la composición. Los productos pueden ser almacenados durante tiempos ilimitados reteniendo las propiedades físicas, químicas, biológicas y sensoriales de su estado en fresco. Reduce las pérdidas de calidad debido al pardea miento mi ento enzimático. El uso de bajar temperaturas reduce la desnaturalización de proteínas a ese tipo de secado. Los productos liofilizado pueden recuperar su estado natural con la adición de agua y sus características organolépticas pueden ser las mismas Al añadir agua posteriormente, el producto rehidratado retiene la mayor parte de su estructura original. La liofilización de materiales biológicos y alimenticios también tiene la ventaja de que conserva su sabor o aroma.
-
Las temperaturas bajas que se emplean reducen al mínimo las reacciones de degradación que casi siempre ocurren en los procesos comunes de secado.
Pero como en todo también suele presentar desventajas las cuales cada día se trata de mejorar: -
Los costos de liofilización son demasiado altos lo que ha impedido el uso de esta técnica de secado en la industria colombiana con frecuencia. Los largos periodos de secado y los costos energéticos para llevar a cabo el proceso. La oxidación de lípidos que se presenta a niveles bajos de humedad tiene una mayor probabilidad que se presente en productos liofilizados. 5
Liofilizadores Los sistemas y equipos de liofilización vienen desde los sistemas más básicos hasta los más modernos que se encuentran hoy en día en el mercado, estos son diseñados con un objetivo especifico y funcionalidad la cual depende directamente de los procesos que se quieran llevar a cabo, a continuación se mostraran algunos sistemas y equipos de los procesos de secado por congelación.
Liofilizador de Laboratorio: Laboratorio:
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GEANKOPLIS Christie John, Procesos de transporte y principios de procesos de separación. Pag 573
Especificaciones: Equipamiento Equipo completo con cámara de placas a fluido térmico y condensador de vapores cilíndrico. Puerta de cámara y condensador de metacrilato transparente. Compresor frigorífico refrigerado por agua y bomba de vacío ubicados en el interior de la unidad, formada por un mueble de acero, lacado y secado al horno. Control y supervisión por PLC y pantalla táctil que permite monitorizar el proceso. Rango Temperatura (congelación) -60 a +80 ºC - Capacidad del condensador 30-40 kg - Número de Compresores 2 en serie Superficie Útil 0,46-1,03 m 2
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Liofilizador Industrial
Especificaciones:
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Abarca superficies de liofilización liofilización desde 0,5 m 2 hasta 2 m 2. Cámara cilíndrica horizontal, fabricada en acero inoxidable AISI 316 L. Condensador externo cilíndrico vertical fabricado en acero inoxidable AISI 316L, ubicado debajo debajo la cámara. El conjunto cámara-condensador presenta un interior pulido y un diseño autodrenable imprescindible para su correcta limpieza y esterilización. Las instalaciones del equipo se diseñan según las necesidades del cliente final. Así pues, se puede suministrar el equipo con refrigeración
CANOVAS_MERCADO,”Deshidratación de alimentos”, editorial acribia, capitulo 7 liofilización.
mecánica o nitrógeno líquido, el sistema de vacío puede ser con una o más bombas, se puede instalar un doble filtro fi ltro de venteo en serie. 7
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Onlinehttp://proquest.umi.com/pqdweb?did=1427560091&sid=1&Fmt=3&clientId=29813&RQT=309&VName=PQ
CONCLUSIONES
La liofilización es una operación unitaria de secado por congelación en la cual se utilizan sistemas modernos de operación los cuales permiten obtener un producto de la más alta calidad. Aunque este método de secado presente grandes ventajas como llegar a un producto totalmente deshidratado y sin afectas sus propiedades organolépticas unos de sus principales desventajas es los costos a los que se expone una organización en el momento de implantar un sistema de este tipo. Es una nueva nueva alternativa para el ingenio debido que se puede puede generar nuevas nuevas ideas de creación de sistemas básicos y económicos de liofilización para lograra que pequeñas y medianas empresas empresas lo adquieran y lleven a cabo un proceso de ala calidad y que brindara un grandes ventajas. ventajas. La liofilización está creciendo tan rápidamente como la biotecnología por ello productos del la biotecnología también se pueden beneficiar. Candidatos para el liofilización incluyen soluciones inyectables, proteínas, péptidos, y vacunas. El país cuenta con dos empresas medianamente grandes que le apuntaron al tema de la liofilización, quienes permanecen totalmente colmadas de trabajo en términos que no tienen ya capacidad ociosa y requieren expandirse y la federación de cafeteros que posee los equipos más grandes del mundo dedicados exclusivamente a la producción de café liofilizado. Quien sepa liofilizar estará en capacidad de manejar cepas bacterianas, concentrarlas y liofilizarlas especialmente en el manejo de los productos lácteos, biológicos, bacterias,etc, bacterias,etc, mejorando la calidad de los productos finalespodrá en el área de biotecnología agrícola deshidratar semillas, quienes gracias a su potencia al ser hidratadas volverán a "activarse",en el área de alimentos la liofilización será útil en la elaboración de productos tales como tratamientos celulares embrionarios, producción de alimentos secos en pasta o en polvo con vida útil de varios años sin perder sus propiedades físicas, químicas, organolépticas y conservando esencialmente sabores olores y principios activos. En el campo de la farmacología el estudiante de liofilización estará en capacidad de realizar concentraciones de microorganismos útiles para el ser humano, especialmente en la producción de vacunas, sueros en polvo etc. Uno de los problemas que siempre ha preocupado a los investigadores y científicos es el de la labilidad que presentan gran número de productos biológicos, químicos, alimenticios, etc., que al ser fácilmente desnaturalizables, no permiten su conservación sin que sus cualidades originales sean alteradas.
Una serie de factores influyen en la alteración de dichas sustancias tales como microorganismos, el agua, las enzimas, el oxigeno, la temperatura, etc. los diferentes procedimientos empleados para la conservación de sustancias lábiles están muy lejos de llegar a la perfección que seria la supresión de todos los factores externos e internos que las l as afecten. El ideal, sería poder conservar un producto y encontrarlo absolutamente idéntico en el momento, sea cual sea el tiempo transcurrido, para ello es necesario conservar su integridad física y la composición química, de los más mínimos componentes, sino también mantener el inicial reparto de estas sustancias en la masa que los contiene y en el caso de los tejidos animales o vegetales, respetar escrupulosamente su armoniosa arquitectura celular. La liofilización es la que nos brinda mayores ventajas en la conservación de los productos lábiles por lo cual al someter a un producto a este método obtenemos las siguientes ventajas. -la temperatura a la cual es sometido el producto está por debajo de aquella a la que muchas sustancias inestables sufren cambios químicos -debido a la baja temperatura a la que se opera, la perdida de constituyentes volátiles es mínima. -gracias a que todo el proceso se realiza bajo congelamiento total del producto, no se produce formación de espuma ni burbujas, lo que desnaturalizaría las proteínas de este.
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