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7/23/2019 Ingenieria de La Industria Alimentaria - Volumen 3 Operaciones de Conservacion de Alimentos - F.rodriguez

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

CIENCIAS QUÍMICAS

Director:Guillermo Calleja Pardo

C o l e c c i ó n :

Tecnología Bioquímica y de los Alimentos Director: Jasé Agi tado A lo nso



INGENIERÍA DE LA INDUSTRIA ALIMENTARIA

Volumen III

OPERACIONES DE CONSERVACIÓN DE ALIMENTOS

Francisco Rodríguez Somolinos (editor)

José Aguado AlonsoJosé Antonio Calles MartínPablo Cañizares Cañizares

Baldomero López PérezAurora Santos López

David Pedro Serrano Granados



Consulte nuestra página web: www.síntesísxomEn 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

© ED ITOR IAL SÍNTESIS, S, A.VaJlchcrmoso, 34 - 2S0I5 Madrid

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

Depósito Legal: M. 1.534-2002



ÍNDICE

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

1. CONSERVACIÓN DE ALIMENTOS POR EL CA LO R .......................................................

1.1. Destrucción térmica de los microorganismos .......................................................................... 1.1.1. Tipos de microorganismos ................ 1.1.2. Cinética .......................................... 1.1.3. Tiempo de reducción dec im a l ............................................................................... 1.1.4. O rden de proceso ............................... 1.1.5. Tiempo de muerte térmica ....... 1.1.6. Termorresistencia ...................... 1.1.7. Relaciones entre parám etros cinéticos ...................................

1.1.8. Degradación térmica de los alim en tos...........................................................................

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. Procedimiento 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. Ester ilización de eq u ip o s ..................................................................................................

1.4. Pasteurización .................................................................................................... 1.4.1. Fundamento ............................................................................................ 1.4.2. Equipos .....................................................................................................

1.5. Escaldado ........................................................................................................................................ 1.5.1. Fundamento ........................................................................................................................ 1.5.2. Equipos ............................................

1.6. Tecnologías avanzadas en la esterilización de alimentos ...................................................... 1.7. Efectos del calor sobre los alimentos ........................................................................................

1.7.1. Esterilización ......................................................................................................................



2. L A IR R ADIAC IÓN DE AL IM E NT OS ...........................................................................................

2.1. Tipos de radiación...........................................................................................................................

2.2. In teraccion es de la radiación ionizante con la materia .......................................................... 2.3. Concepto de dosis ............................................................................................................................ 2.4. Aplicaciones en la industria de alimentos ................

2.4.1. Destrucción de microorganismos .................................................................................... 2.4.2. Interrupción de procesos biológicos.......................................................................

2.5. Estado actual de la tecnología ........................................................................................... 2.6. Instalaciones ........................................................

2.6.1. lrrad iado res con fuente s isotópicas ............................................................................. 2.6.2. Aceleradores de electrones ...............................................................................................

2.6.3. Capacidad de producción..................................................................................................

2.7. Dosimetría .......................................................................................................................... 2.7.1. Dosímetros líquidos ..................................... 2.7.2. Dosímetros sólidos ................... 2.7.3. Dosímetros calorimétricos ................................

2.8. Calidad de los alimentos irrad ia d o s ............................................................................................

3. CONSERVACIÓN D E A LIMENTOS POR EL FRÍO. CO NG EL AC IÓN ...........................

3.1. Aplicaciones del frío...............................

3.2. Producción de frío mecánico ........................................................................................... 3.2.1. El diagrama entálpico ..................................................................... 3.2.2. Refrigerantes ......................................:................................................................................. 3.2.3. Estu dio del frío mecán ico en el diagrama en tálpico ....................................................

3.3. Frío criogénico ..................................... 3.4. Congelación .....................................

3.4.1. Formación de cristales ..................... 3.4.2. Curvas de congelación ..................... 3.4.3. La cadena del frío ................................................................................................................

3.4.4. Recristalización......................

3.5. C álculo de la carga de refrigeración ................................................................................... 3.6. Tiempo d e congelación .............................................................................. 3.7. Descongelación .................................................................................................................. 3.8. Métodos e instalaciones de congelación ....................................................................................

3.8.1. Métodos de contacto consuperficie fría ................................................................ 3.8.2. M étodos de conta cto d irecto conaire frío ............................................................. 3.8.3. Métodos por inm er sió n ......................................................................................

4. REFRIGERA CIÓN Y ATMÓSFERAS PROTEC TORA S ........................................................



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 pro tec to ras ........................................................................... 4.2.2. Envasado a vacío ................................... 4.23. Envasado en atmósferas modificadas ........................................................................... 4.2.4. Alm acenam iento en atmósferas controladas ...............................................................

5. CONSERVACIÓN DE ALIMENTOS POR RE DU CCIÓN DE SU ACTIVIDADDE AGUA. SECAD O ........................................................................................................................

5.1. Psicrometría...................................................................................................................................

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. Diag rama psicr orné tr ic o ................................................................................................... 5.1.5. Procesos psicrométricos..............................................................

5.2. Actividad de ag u a ......................................................................................................................... 5.2.1. Contenido de hum edad en equilibrio ............................................................................ 5.2.2. Isotermas de sorción ......................................................................................................... 5.2.3. Modclización de isotermas de sorció n ...........................................................................

5.2.4. Efecto de la temperatura sóbrela aw .............................................................................

5.2.5. Efec to de la «Msobre los al im entos ................................................................................ 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 superficiecaliente .................................................................... 5.4.1. Cálculo del tiempo de op erac ión ................................................. 5.4.2. Consideraciones energéticas ...........................................................................................

5.5. Equipos de secado convencionales ........................................................................................... 5.5.1. Secaderos convectivos...................................................................................................... 5.5.2. Secaderos conductivos ..........

6. CONSERVACIÓN DE ALIMENTOS POR REDU CCIÓN DE SU ACTIVIDADDE AGUA. OTRAS TÉCNICAS DE HIDR ATA CIÓN ...........................................................

6.1. Liofilización......................................................... 6.1.1. Fundamento teórico ............................... 6.1.2. Cálculo del tiempo de op era ció n .......................................................................... 6.1.3. Liofi lizad ores............................................

6.2. Concentración por congelac ión .....................



6.3.1. Energía necesaria ......... 6.3.2. Velocidad de intercam bio de calor .............................................................................. 6.3.3. Evaporador de sim ple efecto .......................................................................................... 6.3.4. Eva po rado r de múltiple efecto ........

6.3.5. Tipos de evaporadores ......................................................... 6.4. Técnicas avanzadas ............... 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. Rchidratabilidad ................................................................................................................

A P É N D I C E ................................................................................................................................................

A .l. D iagrama presión-en talpia del refrigerante R-134a: zona del vapor sa tu ra d o ............. A.2. Diagram a presión-en talpia del refrigerante R-134a: zona del vapo r rec ale ntad o A .3. Diagram a presión-entalpia del refrigerante R-12: zona del vapor saturado .................. A.4. Diagrama presión-en talpia del refrigerante R-12: zona del vapor reca len tad o A.5. Diagrama presión-en talpia del refrigerante R-717: zona del vapo r sa tu ra d o ................ A.6. Diagrama presión-en talpia del refrigerante R-7172: zona del vapor reca len tad o A.7. Diagram a psucom étrico de l sistemaaire-vapor de agua ....................................................

BIBLIOGRAFÍA



PROLOGO

Durante siglos, la producción de alimentosse ha llevado a cabo de forma totalmente artesanal y empírica, con nulo o escaso conocimien

to de la composición real de ios mismos y de loscambios que en ellos se producían durante suelaboración. También existían procedimientos

para su conservación (salazón , desecación, ele.)desarrollados sin conocimiento de su mecanismo de actuación, que eran aplicables a determinados tipos de alimentos. Por ello, en la mayoría de los casos, el consumo era de temporada yen zonas geográficamente próximas al lugar de

producción.

La concentración de la población en grandesnúcleos urbanos y las exigencias de la calidadobligaron a la Industria Alimentaria a revisarsus métodos de producción en profundidadincorporando sistemas de trabajo más modernos y los avances surgidos en otras ramas de laciencia y la tecnología.

E n la actualidad, la prod ucción y transformación de los alimentos se lleva a cabo, mayo-ritariameníe, en grandes fábricas, con procesoscontinu os de producción en los que la economía

mayores segmentos de la población. Ello sifica un elevado grado de desarrollo tecnológde los procesos de fabricación de los alimen

con sistemas de control muy avanzados, diseño similar al de las modernas plantas dIndustria Química. Así, los métodos y operanes típicos de la Ingeniería Química se aplien la moderna Industria Alimentaria, comoel caso de pretraíamíentos de las materias pmas, separación de determinados componen p or fil tració n, centr ifugació n y adsorcmanejo de corrientes de gases y líquidos, tramisión de calor, optimización, etc.

Por otra parte, las aportaciones de la Inniería Química al desarrollo de los modersistemas de conservación de alimentos (estezación UHT, irradiación, congelación, refrración, secado, atmósferas modificadas) perten mantener los alimentos, prácticamente iterados, durante períodos de tiempo mámenos largos según los casos.

Sin embargo, el hecho de manejar matericomplejos, tanto desde el punto de vista de



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

bien definida de la Ingeniería Química.La presente obra aborda la aplicación de las

Op eraciones básicas de la Ingen iería Química ala Ind ust ria de los A limentos. Se h a dividido entres volúmenes: el prime ro se ha diseñado comouna in troduc ción a los principio s básicos de laIngeniería de los Procesos Químicos, el segundo se dedica al estudio de las principales operaciones de procesado y este tercer volumen a laconservación de alimentos propiamente dicha,todo ello con una orientación a! diseño de procesos para la Industria Alimentaria.

La obra está dirigida tanto a aquellos sionales que desa rrollan su labor en la IndAlimentaria como a estudiantes de aqtitulaciones en las que se imparten marelacionadas con la producción y transfción de los alimentos, como Ingenieros nomos, Ingenieros Químicos, Veterinariamacia, Química, Bioquímica y especialde la Licenciatura en Ciencia y Tecnologlos Alimentos. Asimismo consideramos

prim er volumen ha de re sultar un man ugran utilidad para aquellos alumnos que de cursar complementos de formación enniería Química previamente a su accesotitulación de Licenciado en Ciencia y Tegía de los Alimentos.



1

CONSERVACION DE ALIMENTOS

POR EL CALOR

1.1. Destrucción térmicade los microorganismos

1.2. Esterilización de alimentos envasado1.3. Esterilización de alime ntos sin envas1.4. Pasteurización

1.5. Escaldado1.6. Tecnologías avanzadas

en la esterilización de alimentos

1.7. Efectos del calor sob re los alimen tos



E

n este capítulo se aborda el procesado térmico

de los al imentos com o m edio de reduc ir el

número de microorganismos presentes en el

prod ucto o bje to de tratam iento y, en ciertos casos,

también la act iv idad enzimáí ica. El ca lentamiento

de los al imentos persigue, pues, prolongar su con-

servación, Las condiciones de operación del proce-

so se fi jan de tal modo que se asegure un determi-

nado grado de ester i l izac ión, respetando en lo posi -

ble la ca l idad orig inal del produc to. Esta práctica

impl ica e l conocimiento de la in f luencia de l ca lor

tanto sobre la p oblac ión m icrob iana com o sobre las

propiedades nutr i t ivas y organolépt icas de l a l imen-

to. Además, se ha de considerar la velocidad

que se transmite el calor al alimento según el p

so seguido. Así, el contacto entre eí foco calie

el producto a tratar puede ser directo, caso d

proceso UHT, o indirecto, a través de un inte

bia do r de calar. Si el producto se esteri l iza en

do, d icha ve loc idad d isminui rá considerablem

En suma, el estudio de la conservación de alim

por el calor debe comprender la inf luencia del

sobre su cal idad, la transmisión de calor des

foco cal iente hasta el producto y la determin

de la cinética de la destrucción térmico de los

organismos.

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

A Superficie del alimenta (m!) B Tiem po total de esterilización según el métod o

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

método de Ball (s) B " Tiempo de esterilización a la tem pera tura TR

según el método de Ball (s)

Cp Calor específico del alimen to a presión constante (kJ kg-1 K-1)

I) Tiem po de reducción decimal (s) D0 Tiempo de reducción decimal a la tem peratura

de referencia (s) D r Tiem po de reducc ión decimal a La tem pera tura

T (s) E a Energía de activación (T mol ') F Tiempo de mue rte térmica (s) Fa Tiempo de mu erte térmica a ta tem pera tura de

referencia (s)

F., Tiempo de mu erte térmica a la tempera tura 7’(s) f. Tiempo de esterilización preciso para comple

tar un ciclo logarítmico según d método deBall (s)

g Diferencia entre TR y 7y111-1(°C) I Diferencia entre TR y T¡ ("C) Jc Coeficiente de enfriamiento./, Coeficiente de calefacc iónk Co nstan te cinética de la destru cción térmica de

microorganismos (s-1)k 0 Fac tor de frecuen cia o coeficien te cinético de

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

l Tiempo preciso para que el hom o adquitemperatura de operación (s)

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

dado del tratamiento

N0 Núm ero de microorganismos al comienztratamiento

n Orden de proceso o exponen te de reducc<2m Cociente entre las velocidades de las rea

nes bioquímicas a una temperatura dadotra diez grados centígrados menor

R Co nstante universal de los gases (kJ kg-1 T Tem peratura en general (°C) o temp er

absoluta (IC)Y", Te m peratu ra en el pu nto frío del alim

(aC)'

T- Tem pera tura inicial del pro duc to (°C)T- Tem pera tura inicial de] prod ucto en la fa

enfriamiento (°C)Tn Tem pera tura pseudoinicial del prod ucto (T Tem peratura pseudoinicial del producto

fase de enfriamiento (°C)T r Tem peratura de esterilización en ei hor

autoclav e (UC)Tw Te m per tatura del agua de refrigera ción (“t Tiempo de esterilización (s)U Tiempo de mue rte térmica a la tem pera tu



Capítulo ?; Conservación de alimentos por el color

GLOSARIO

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

envasado o procesado aséptico: Comprende el con junto de operaciones destinadas a garantizar laesterilidad de un alimento, a saber: tratamientotérmico del alimento a granel, esterilización del

envase y de sus tapas por separado, esterilizaciónde las instalaciones en contacto con el alimente,incluyendo las etapas de llenado, evacuación ycierre del envase. Se suele operar en un recintoestéril.

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

1.1. Destrucción térmicade los microorganismos

El tratamiento térmico constituye una partede la conservación de los alimentos, que secompleta con procesos tales como la reducciónde ía actividad de agua, la disminución de lpH ,la adición de sal o de conservan tes, el envasado

en determinadas condiciones o el almacenamiento a bajas temp eraturas.

Í . J , /. 77po5 de microorganismos

La inactivación de los microorganismos presentes en un alimento se puede llevar acabo por inhibición de su reproducción o porletalidad de los mismos. L a primera vía es una

de tratamiento (combinación temperatura po). Se conoce también por grado de este

ción, expórtente de reducción o probab ilid

supervivencia de los microorganismos inmente presentes en el alimento.

tiempo de muerte térmica: Tiempo necesarioalcanzar un orden de proceso preestablecuna temperatura dada. De este modo se asuna esterilidad efectiva o comercial del alim

tratado. Laesterilidad absoluta,

que supoausencia de microorganismos viables en educto tratado, no se puede alcanzar, requun tiempo de procesado infinito.

tiempo de reducción decimal: Tiempo necesarireducir a la décima parte la población de morganismos viables a una temperatura dada

operación preciso para alcanzar un determdo nivel de esterilidad. Obviamente, tiemp o es me nor para la acción microcidrealidad, la inhibición de la reproducciólos microorganismos es también una agermicida, aunque más lenta. Si se analciclo vital de un microorganismo, represdo en la figura 1.1, se desprende que la c

cia de u na fase reproductora supone alccon m ayo r prontitud la fase de declive, d predom in a la m ortandad de la s bacterias su desarrollo.

E n cualquier caso, la inactivación bactese puede potenciar mediante la adición conservante. El efecto se traduce en la rción de l tiem po de esterilización. Si el aditun desinfectante, dicha reducción será mmás acusada. De una forma general, se p



14 Ingeniería de la Industria Alimentaría lili)

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

2,303 ,

k N [1 .1]

donde A0es el número de microorganismos alcomienzo del tratamiento, N el número demicroorganismos transcurrido el tiempo í y k laconstante cinética de destrucc ión de microorganismos, que depende básicamente de la tempe

ratura, dosis y tipo de conservante y pH y actividad de agua del alimento.

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

Los microorganismos se desarrollarán o nosegún las características del alimento (contenidoeu sales, pH, actividad de agua, composición,etc.), del entorno ambiental en que se encuentren o de los procedimientos de manipulación yconservación seguidos. El medio ambiente delalimento determina su contaminación inicial.Por ejemplo, en los peces de aguas templadas predom inan los mesófilos, en los de aguas fríaslos psicrotrofos, en los vegetales se pueden

a) Principales formas

bacterianasbj Principales agrupac

bacterianas

c¡ Bacterias saprófitas d) Bacterias esporu

FIGURA 1.2. Morfología bacteriana: a) 1: Goccus, 2: ríum, 3; Clostridium, 4: Meningococcvs, 5: Vibrión, rílbj 7: Corynebacterium, 8: Streptomyces; b) l: Dipcus, 2: Staphybcoccus, 3: Diplobacterium, 4: Sarc

Tetrococcus, ó: Slreptobacterium, 7: Streptococeus

Badilas subtilís, 2: Proteos vulgaris, 3: Proptonibac

4: Bacihs mycoides, 5: Pseudonomas aeruginos

Salm onella o de Sta fi lococos debido a la m pulación de l alim ento o a su contacto conalimento ya contaminado. Las condicionealmacenamiento también condicionan elde microorganismo susceptible de contamin

alimento. A continuación se indican algsituaciones típicas:

* Tem peratura ambiente: bacterias melas, en su mayor parle patógenas,

• Refrigeración: microorganismos pstrofos, cuyo crecimiento da lugar aserie de metaboíitos de carácter altvo respecto al alimento.

* A vacío: microorganismos aerobios



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Capítulo 1: Conser/ación de alimentos por el color

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* Alim entos deshidratados: pued e darse laaparición de mohos.

El efecto del calor sobre los alimentos secentra en la desnaturalización de las proteínas,lo que inhibe las reacciones enzimáticas y laactividad metabólica de los microorganismos.La resistencia térmica de los microorganismosestá supeditada a una serie de factores, demayor o menor influencia según el caso, entrelos que des tacan los siguientes:

— Tipo de microorganismos. Las bacterias

esporuladas son las formas más resistentes a la temperatura, seguidas de las bacterias vegetativas o en fase de crecimiento. En un segundo plano se encuentranlas levaduras, mohos y virus, muchomenos termorresistentes.

— Condiciones de la incubación en e! crecimiento y esponüación. La temperaturafavorece la resistencia al calor de lasesporas. La edad del cultivo incide favo

rablemente sobre la resistencia térmicade las bacterias vegetativas. El medio decultivo influye, asimismo, sob re Ja term orresistencia de las formas esporuladas.

— Características del alimento. La resistencia térmica de los microorganismos seresien te a pH ácidos (<4,6). L a reducciónde la actividad de agua llega a inhibir elcrecimiento bacteriano. La composiciónde) alimento tiene también su peso sobre

la termorresistencia de los microorganismos.

1. 1.2 . Cinética

La velocidad de la destrucción térmica demicroorganismos se ajusta, en general, a unacinética de primer orden respecto a la población microbiana. Es decir:

donde N representa el número de microornismos vivos, t el tiempo de tratamiento y kconstante cinética. La integración de esta ec

ción entre los límites t = ü; A; = N 0 y t - t; N =conduce a la siguiente expresión:

l n ^ = f a [1

N

Se establece así una relación logarítmentre la tasa de reducción de microorganismy el tiempo de tratamiento. La representac

del ln (N¡N0) frente a t da lugar, por tanto, a ufunción lineal de pendien te - k y de ordenadael origen In N 0>tal como se muestra en la fig1.3. Si bien esta rec ta correspo nde a un c

portam ie nto ideal, en la prá ctica dura nte primero s m om ento s de la opera ció n pu ehaber:

• Un aum ento del núm ero de microornismos por efecto del calor (figura 1.3

• Un a disminución del nú m ero de microganismospor muerte térmica no compsada por el crecimiento y desarrollo los mismos durante la etapa inicial deoperación (figura 1.3b).

• Un a constancia en el núm ero de microganismos, situación en la que se compsan los dos efectos anteriores (figuL3c).



El análisis de la cinética de la destruccióntérmica de microorganismos se ha centradohasta ahora para una temperatura dada. Esta

variable determina el valor de la constante cinética, es decir, la pendiente de la recta que relaciona el número de microorganismos supervivientes con el tiempo de tratamiento. En concreto, dicha dependencia viene dada por laecuación de Arrhenius:

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

donde es el coeficiente cinético o factor de

frecuencia, Ea la energía de activación, R laconstante universal de los gases y Tía temperatura,

Como se puede apreciar, el valor de k aumenta con la temperatura. En la figura 1.4 serepresenta la evolución de un proceso térmicode destrucción de microorganismos a tres tem peraturas (T3 > T2> T^. Lógicamente, cuantomayor sea la temperatura antes se completa eltratamiento para un número final dado de

microorganismos viables.

42io ~ [1

El empleo de este parámetro se centsobre todo, en el almacenamiento de alimentlos cuales se pueden alterar por la presenciamicroorganismos, por su actividad bioquímic por fenómenos puramente físicos. Por lo geral, se ha verificado que las reacciones bioqmicas tienen un Qw en torno a 2, esto es:velocidad se reduce a la mitad cuando se disnuye la temperatura ambiente en 10 °C. E

relación justifica el almacenamiento de prodtos a bajas temperaturas, que se fijan atendido, entre otros factores, al valor de Q10.

1.1.3. Tiempo de reducción decimal

E l tiempo de reducción decimal (D) se dne como el tiempo necesario para reducirconcentración microbiana a la décima parte

= 10 A) a una temperatura dada . Si se despede la ecuación [1.3], surge la expresión [1.1]conocida:

l o g í Ü L k 6 N

Sabiendo que el cálculo de D implica que= 10 TV, su valor vendrá dado por la siguie

expresión:

Figura 1.4, Efecto de la temperatura sobre el tiempo

de tratamiento. D =

,303 [

El efecto de la temperatura sobre la velocidad de las reacciones bioquímicas se cuantificamediante el parámetro Qm, que se define comoel cociente entre las velocidades a una tempera

Así pues, el tiempo de tratamiento térmestá relacionado con D a través de la siguieecuación:



FIGURA 1 . 5 . V a r i a c i ó n d e l ti e m p o d e r e d u c c i ó n d e c i m a l c o n l a t e m p e r a t u r a .

La representación deí log (A'-./tV) frente a t da lugar a una recta de pendiente 11D (figura

1,5). Al ser D inversamente proporcional a k, cuanto mayor sea la temperatura de operaciónmenor será el valor de D . En la figura 1.5 se

puede aprecia r que, al ser 7) superior a T2, D x esmenor que D ?. Los valores de D están tabula

dos para los distintos microorganismos a una

te m pe rat ura de r efe ren cia : 250 °F < > 121,1 ÜC.

Ejemplo 1.1. Cálculo del tiempo de reduccióndecimal.

En el procesado térmico de un alimento se haefectuado el seguimiento experimental del número de microorganismos a lo largo del tratamiento,que se llevó a cabo a 1.20 nC. Los datos obtenidos

pa ra los pares tiempo en minutos-número demicroorganismos viables (í-N) son los siguientes:

0:10fi(/V0); 5:1,2 ■W f 10:1,1 ■104; 15:1,3 ■103; 20:1,1■10L Establezca Los valores de D y de la constante cinética del tratamiento para esa temperatura.

Solución

a) La representación semilogarítínica de N fN (en ordenadas) frente al tiempo da lugar auna recta (véase la figura 1.5), cuya pendientees ÍÍD .A . partir del valor de la pendiente se

misma información. El D obtenido anamente (5,06 min) coincide con el valorminado gráficamente.

c) La aplicación de la ecuación [1.6] condusiguiente espresión:

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

1.1.4. Orden de proceso

Como quiera que la destrucción de miganismos está relacionada con el tiempo vés de una función logarítmica, la concción microbiana final tiende a cero cuantiempo de tratamiento tiende a infinitosencilla transformación de la ecuación

pone de m anif ie sto dic ha dependencia .

N = A'0 lo 1'"™1

Es decir, en la práctica no se puede alcuna esterilidad absoluta. Se trata, por tanreducir el núm ero de microorganismos ha

valor preestablecido. Se asegura así un a esdad efectiva o comercial. La tasa de reduque varía según la termo rresistencia del morganismo considerado, se fija a través d



Por ejemplo, la esterilización de conservas,en las que se puede dar el desarrollo del Clos- tridiiim botulinum , espora p atógen a de gran ter

morresistencia, requiere un orden de procesode 12. Esto significa que la probabil id ad de

supervivencia del microorganismo en cuestiónes de 1 frente a 1012 (N 0 = 1012 N ), lo que, juntoa las medidas complementarias al tratamientotérmico, garantiza la esterilidad comercial del

p ro ducto .

p o r el o rd en de p roceso en cada caso . A

tiene por definición un n unidad, mientra F se refiere a un n mayor. De cualquier fo

D está relacionado con F a través, prec isate, del n. Por combinación de las ecuac

[1.1], [1.6] y [1.9], donde rpasa a denominase obtiene que:

F = D n [

Siguiendo con el ejemplo del Clostrbo tu l inum , el cual posee un D (¡ = 0,21 minn = 12, su F a esa tem pe rat ura será de: 0,21

= 2,52 min.

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

"C durante 1 h. Sabiendo que la población inicialdel microrganismo patógeno que se desea inacti-var asciende a 1,5 *104esporas y que su DU5 es de5 min ,determine el orden de proceso alcanzado yet número final de esporas viables.

Solución

a) A partir de las ecuaciones [1.7] y [1.9] se es ta blece que n = t¡D = 60/5 = 12; esta misma relación surge al aplicar la ecuación [1.10], donder (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

El t iempo de muerte térmica (F) se define

como el tiempo necesario pa ra red ucir I a pobla ción microbiana hasta un valor preestablecido,que se fija mediante el orden de proceso a una

l .1 .6 . Termo rresistencia

La sensibilidad de los microorganismotemperatura se mide por medio del parámZ, que se def ine como el incremento de teratura preciso para reducir el valor de I)décima par te . El parámetro Z está relacio

con D a través de la expresión:

A ten or de la definición an terior, segcual D T = 10 D f , Z = 1 \ - T r La repres

ción del log D f rente a T (figura i.6) da luuna función lineal de pend iente 1/Z.

Hab id a cu en ta q u e D y F es tán re lacdas entre sí (ecuación [1.10]). resulta evi

que F es ta rá también afectada por la temtura en los mismos térm inos que D. Es dese relaciona con Z mediante la siguiente

ción:

Fp z



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

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

tanto la temperatura de tratamiento como Z(Ff). Lo mismo se puede decir para D ( Df ) .

camente, se trata de unos valores aproximtoda vez que las características del almodifican en un sentido u otro la cinét

dicha destrucción.

CUADRO 1.2Parámetros de Ja destrucción térmica de algu

microorganismos

pH Especie 121.1(min)

n 121.1(min)

>4 ,5 B. stearolermófilo 4 ,5 _ t* C . fermosocorolífico 3 ,5 5 17,50

C . mgrificans 2 ,5 —a C . botulinum 0,21 12 2,52a

C. sporogenes 1 5 54-4,5 B. coogufons 0,05 — —

2,5-4 Levaduras y mohos 5 10-8 20 10*

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; Dnú =■10 min; P n5 = 4 min; Dm = 1 min, Se pideel valor del parámetro Z.

Solución

a) De acuerdo con ia ecuación [1.11], la representación semilogarítmica de D (en ordenadas) frente a la temperatura (T) da lugar a

una recta de pendiente 1/Z, tal como se ponede manifiesto en la figura 1.6. El Z obtenidográficamente tiene un valor de 12,9 °C,

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

En el cuadro 1.2 se recogen unos valores

J. / .7 . Relaciones entre parámetros cinétic

Con anterioridad ya se han p uesto de

fiesto determinadas relaciones entre di parámetros cinéticos. En esta ocasión seestablecer las relaciones existentes entreZ, E ny Z y Q w y Ea.

A) Relación entre O 10 y Z

En realidad, estos dos parámetros cuuna misma función: miden el efecto de l

pera tu ra sobre la cinética de las reacciontienen lugar en el alimento, ya sean debidactividad cnzimática ( f i1[}) o a la destruccimica de microorganismos (Z), La combide las ecuaciones [1,5] y [1,6] para T Z = T

°C conduce a Iíl siguiente expresión:

a . ■ g -



decir, una disminución de 10 °C supondría redu- La igualación de las ecuaciones {

dr la velocidad de la reacción en 1/10. [1.17] permite expresar la energía de act

en función de Z y de y Tr

Z = 10 n 14]!üg Ea * 2,303 * (7¡ x T2)

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

del ejemplo 1.3.

Solución

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

(210 = 101WZ= 10'®12,9 = 5,96

B) Relación entra Eay Z

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

1Wg = 2,303 " 77) t 1151

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

1° 8I ÍL==,og^ ' [116]ki\ Dt 2

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

Ejemplo 1.5. Relación entre la energía deción y la temperatura.

Determine la energía de activación de

miento térmico atendiendo a los datos de plo 13.

Solución

a) Considerando una temperatura media°C para el tratamiento térmico, la aplide la ecuación [1.18] proporciona el v£„• Así,

í \ = (2,303 • 8314 kJ/kg K) -

383* K2/ (12,9 K) = 2,18 •105 kJ/

b) Otra posibilidad consiste en calcular lores de la constante cinética k para ditemperaturas (ecuación |1.6J) y represus logaritmos neperianos (en ordenfrente a la inversa de la temperatura edos Kclvin. La representación de estación, conocida por ley de Arrhenius (ecu[1.4]), conduce a una recta de pen EJR , de donde se obtiene que Ea es i2,17 •10* kJ/kg.

C) Relación entre Ea y (210

Es evidente que sí existe una relación£ y Z (ecuación [1.18]), dada la analogíaceptual que presentan Z y Q w, relacionentre sí a su vez (ecuación [1.14]), Eg tamestará relacionada con Q]0. Así, teniendcuenta la definición de Q10 (ecuación [1.



lo g0 lo =10

f+10Ty[1.19]

1.1.8. Degradación térmica de los alimentos

El procesado térmico de los alimentos puede dar lugar a su degradación. La cinéticade su alteración es similar a la expuesta para losmicroorganismos. En el cuadro 1.3 se reflejanlos parámetros cinéticos de algunos factores decalidad de ciertos alimentos. Al igual que los

datos recogidos en el cuadro anterior, estosvalores son de carácter orientalivo.

FIGURA ] .7 . Selección de la intensidad de helamieen los métodos HTST.

C U A D R O 1 .3

Resistencia térmica de algunos factores de calidad

de determinados alimentos

Factor Al imen to zrc) Dm.i lm¡nl

Vitamina 81 Espinacas 25 140

Clorofila a Espinacas51

12,8

Clorofila b Espinacas 81 ,5 14,5

Antocianina Zumo de uva 23,1 17,9

Calolasa Espinacas 8,3 2,3 • 10-7

Peróxido sa Judias verdes 35 1,2

Por comparación entre los valores que semuestran en los cuadros 1.2 y 1.3 se desprendeque los componentes de calidad de los alimentos son más resistentes al tratamiento térmico

que los microorganismos. Aun así, como los factores de calidad presentan un Z muy elevadorespecto al Z de los microorganismos y enzimas, se prefiere trabajar a altas temperaturas ytiempos cortos. Con ello se preservan las pro piedades nutritivas y organolépticas de (os alimentos para un determ inado orden de proceso.Ésta es la esencia de los métodos HTST (“HighTempera ture Sbort Time”) y UH T (“Ultra-High Temperature”).

térmica de alimentos (Z'). Como 7! es mque Z, se ha de buscar una combinaciónque asegure un determinado orden de pro

para la destrucción de microorganismos rtando la calidad original del producto. Estadición se alcanza para cualquier punto

recta correspondiente a la termodestmcciómicroorganismos que esté situado a la dede la intersección de arabas rectas. A la izqda de dicha intersección, si bien se alcanzamismo grado de esterilización (todas las pade valores que contiene la recta en cuestiónlugar al mismo orden de proceso), las intendes de tratamiento darían lugar al deterioromico del alimento.

1.2. Esterilización de alimentos

envasados

La aplicación de la teoría expuesta sobdestrucción térmica de microorganismosesterilización industrial de productos envasexigiría una fase de calentamiento instanthasta alcanzar la temperatura de operaseguida del mantenimiento de esta temper



el que en la práctica se da en la esterilización de pro ductos envasados, a diferencia de cier tos pro ce sos HTST y U H T de contacto directo con

vapor de agua, en los que sí se cumplen estosrequisitos.

El procesado térmico de productos envasados o appertización se rige por la velocidad conque se transmite el calor desde el foco calienteal alimento. Para calcular el tiempo de esterilización a una determinada temperatura serequ iere conocer el perfil de tem peratura s en el

punto crítico o fr ío del alimento (aquel quetarda más en calentarse) a lo largo del proceso.

Así pues, se precisa, en primer lugar, determinar experimentalmente la localización del citado punto frío para, posteriormente, establecersu evolución térmica conforme se desarrolla el

proceso . La repre se ntació n de los pa res devalores tiempo-temperatura en el punto frío seconoce, en el ámbito alimentario, como curva ele penetración del calor.

1.2. I . Transmisión de calor en el proceso

La variable de mayor influencia sobre lavelocidad de transmisión del calor en la esterilización de alimentos envasados corresponde altipo de producto objeto de tratamiento. Básicamente, se distinguen tres posibilidades:

1. Sólidos compactos. Predomina la transmisión de calor po r conducción. Su cale n

tamiento, debido a su reducida conductividad térmica, es muy lento. Muestranuna distribución de temp eraturas hete rogénea como consecuencia del gradientede temperaturas (radial) existente entrelas paredes del recipiente y el eje axial. El

punto frío se sitúa en el centro geométr ico del producto.

2. Líqu idos . En este caso prevalece el mecanismo de transmisión de calor por convec

diferencia de densidades, que perm itlerar el ñujo de calor. La agitación deducto durante su procesado favore

velocidad de transmisión del calor vección forzada). En estas condicionobtiene una distribución de temperauniforme. El punto frío, cuya localizrequiere una experimentación, se sitel eje axial, por debajo del centro getrico del producto, en tom o a 1/3 del f

3. Mixtos. Se trata de alimentos sólido/do en los que la transmisión de calorlugar tanto por convección como p or

ducción. Por lo general, inicialm prima la convección. Transcurrido unto tiempo se produce la gelatinizacilos almidones o cualquier otro proceespesamiento con lo que la condu

pasa a ser el mecanismo responsab letransmisión de calor. El cambio de mnismo se puede apreciar en la curv

penetrac ión del calor; supo ne un puninflexión duran te la fase de calentam

La velocidad media de transmisiócalor está comprendida entre las debla convección y a la conducción. El pfrío, situado en el eje axial, ha de detnarse experimentalmente.

El flujo de calor también está supedituna serie de factores adicionales. Así, es evte q ue cuanto menores sean el tamaño y esdel envase menos resistencia ofrece éste al

del calor. La agitación agiliza el procesadmico deí producto. La temperatura de oción determina el gradiente térmico, fimpulsora de la transmisión de calor. Se tener presente que, aun cuando interesen temperaturas, su valor se establece atendal tipo de esterilización que se plantea. Lam etría del envase tiene tam bién su importaLos envases alargados están contraindicadla transmisión de calor se desarrolla por



último, reseñar que el material del envase condiciona, a través de su conductividad térmica, lavelocidad del proceso global de transmisión del

calor. Se trata de una resistencia en serie, cuyaincidencia será tanto menor cuanto mayor seaesta conductividad; a estos efectos es preferible

por ejemplo u n envase metálico a uno de vidrio.En la figura 1.8 se ha representado la evolu

ción de las temperaturas del punto frío del alimento (7]) y del homo o autoclave (TR) a lo largodel proceso. Lógicamente, la respues ta de la tem

peratu ra del punto frío a la temperatura delvapor utilizado está regida por el tipo d e transmi

sión de calor reinante durante el proceso. Esdecir, dicha respuesta se puede expresar matemáticamente a través del balance entálpico corres pondiente. A continuación, se detalla el desarrollo analítico para ios dos casos extremos: transmisión de calor por conducción y por convección.

t {min.

FIGURA 1,8, Perfi les de temperaturas del punto fr ío

del al imento [TJ y del horno (Tf).

Conducción, Se ha considerado despreciablela resistencia que opone a la transmisión delcalor el vapor que condensa sobre la superficie

simplificación. Su elevada conductividad tca así lo permite. En suma, sólo se consideresistencia debida al propio producto , cuya

ductividad térmica es, presumiblemente, baja. E l balance entálp ico en tre el calor tom por el pro ducto y el calor transm itido pvapor de agua se puede expresar mediansiguiente ecuación:

d T f d T f k

m C p —¡ ~ = P L A C r = J A(? * ■T

[

donde m representa la cantidad de prodCp su calor específico a presión constantedensidad, A y L la superficie y espesor, retivamente, de un elemento de volumen demento (V), T r la temperatura del vapoagua y la tem pera tura en el pu nto frí

pro ducto.Reagrupando términos, la anterior ecu

se transforma en la siguiente:

d T , f _ T K - T f P C P L

d t [

La integración de esta ecuación entrlímites Tj = 7'0; í = 0 y T^~ Tpt = t conducsiguiente expresión:

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

[

El cociente entre las diferencias de temturas se designa por 0 en tanto que la difutérmica conductiva (c¡COHd) corresponde expresión: k/(pC ). Efectuando las sustitnes pertinentes se tiene que:

Inf? = í ™ - í L

[



entálpico en esta ocasión viene dado por lasiguiente ecuación, en la que k designa el coeficiente individual de transmisión de calor del

producto, líquido esta vez;

dTf dTf mC P = pL AC p = hA(T„ - 7 » [1.24]

Reagrupando términos e integrando entrelos límites ya establecidos se tiene que:

T r —T / pCpL [1.25]

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

ln0 = ■ [1.26]

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

nismo de transmisión de calor predominanteexiste una relación logarítmica entre el tiempode tratamiento y la variación de temperatura enel punto frío del alimento. E ste tipo de funciónes la base del método de Ball para el cálculo deitiempo efectivo de esterilización a una temperatura dada.

1.2 .2. Cálculo del tiempo de operación

Para conseguir un mismo grado de esterilización de un producto existen numerosas com binaciones posibles entre la temperatura y eltiem po de tratamiento. Para establecer el tiem

po de tratam iento a una temperatura dada sedefinen una serie d e parámetros, basados en losya vistos para la cinética de la destrucción tér

Unidad de esterilización. Se traía decombinación tiempo-temperatura, arbitrmente fijada, a la que se refieren la mayor

los cálculos. En el caso de la esterilizació productos envasados es ta unidad toma el de 1 min a 121,1 °C (la pasteurización de ldos impone una unidad de 1 min a 60 °Ctrata, pues, de un tiempo de muerte térmi1 min a la temperatura de referencia usual

Valor de esterilización. Se define comnúmero de unidades de esterilización pre

para completar un tratam iento a 121,1 °C. Nmás que el tiempo de muerte térmica nece

a la temperatura de referencia. Factor de letalidad. Si se desea efectutratamiento térmico que equivalga a unadad de esterilización, pero a otra temperatuel tiempo de muerte térmica requerido vedado, según la ecuación [1.12], par la siguexpresión;

t T = F010(X*-TVZ = 10* - ™ [

Si po r el contrario se prefiere someter mento au n tratamiento a temperatura T dte 1 min (F t = 1 min), el valor de esterilizalcanzado se ajusta a la siguiente expresió

F0 = F t 10(T-ro)/* =10(T' 7°)/¿ [

Este valor, llamado de destrucción biolóse conoce también por factor de letalidadrepresenta por L r

Lr = Ü = 10(r-Ii,)''z F,

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

Partiendo del tiempo de muerte térm



valor de esterilización y su factor de letalidad aesa temperatura.

Solución

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

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

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

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

A ) M étodo general o de Bigelow

Una vez representado el perfil de temperaturas-tiempo correspondiente al punto frío delalimento procesado, como puede ser el caso dela curva en forma de campana de la figura 1.8,su valor de esteril ización responderá a lasiguiente expresión, que es otra forma de describir la ecuación [1.28]:

F q = L t F t = 10<t 7¡>>'z [1.3 0]

Considerando que el valor de esterilizaciónes la suma de las contribuciones de cada minuto de tiempo de tratamiento, la ecuación anterior pasaría a describirse como sigue:

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

que, en otros términos, se puede asimilar a lasiguiente expresión:

E! método general se basa precisamenesta ecuación. Requiere, por tanto, la reprtación de la curva L T fren te a FT, para lo c

ha de partir del perfil de temperaturas punto frío del al im ento (f igura 1.8). Sustitdo los valores de T en la ecuación [1.2obtiene un L Tpara cada tiempo (FT).

L a integración del área deb ajo de la cula figura 1.9, que constituye la resolución ca de la ecuación [1.32], permite calcuvalor real de FQ. Si éste es superior al te(tabulado), se está sobreesterilizando educto: hay que reducir tiempo y/o temper

Si el Fü experimental es menor al teórico la situación contraria: se está ante una eszación deficiente, hay que aumentar el tide tratamiento y/o la temperatura.

Fr (min

FIGURA 1 ,9. Fc ic tor de le ta l ida d f rente a t iem p

d e t r a t a m i e n to .

Ejemplo 1.7. Aplicación del método de BigPara comprobar si el tratamiento térm

un alimento es adecuado -se pretende un de proceso de 12-, se ha determinado la ción de la temperatura en su punto frío a lodel proceso. En la tabla siguiente se muestrdatos obtenidos, junto con et factor de let



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

FT(s) 7’(UC) LT

1 100 0,00792 105 0.02513 110 0,07944 115 0,25125 120 0,7943ó 125 2,5119

7 127 3,98118 128 5,01199 129 6,3096

10 130 7,943311 140 7,943312 140 7,943313 140 7,943314 140 7,943315 130 7,943316 125 2,511917 115 0,2512

18 100 0,0079

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

Solución

a) El primer paso consiste en representar LT frente a FT El área resultante debajo de lacurva corresponde, de acuerdo con la ecuación [1.32], al F0 experimental. Integrando,

pues, debajo de la curva se obtiene un F„experimental igual a 353,3 s (5,92 min). Estevalor es inferior al F0 teórico, que viene dado

por el producto de D0 por n (ecuación [1.10]):

gar el tratamiento a 140 °C en 3,7 s, talse expone a continuación;

Fm 58 «í ‘101131“1,W>/10' 60 s/mín =

El método en cuestión puede ser útil ponderar la contribución de las fases de camiento y enfriamiento al proceso térmico

bal. Tam bién se puede usar para reajustar isidades de tratamiento. Si bien el método

basad o en da tos experim entales y, por tantresultados son irrefutables, presenta el inc

niente de que cualquier modificación de ladiciones de operación, aspecto sobre el qabun dará en relación al método de Ball, suemprender una nueva experimentación.

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

Son unos métodos indirectos que se sutan en el empleo de microorganismos, losles se sitúan en el interior de un capilar udispositivo en la zona fría del alimento y enúm ero preestablecido. Una vez se compltratamiento se extrae el capilar y se procerecuento de especies supervivientes. Com

parte de un microorgan ismo perfectamcaracterizado en cuanto a su tiempo de rción decimal estándar (¿>u) y se dispone

información precisa para establecer el o rd proceso (n ) alcanzado, resulta sencillo (ción [1.10]) determ inar el valor de esterilizconseguido (F0).

Aunque se han ensayado numerosos morganismos a tai fin, destaca el empleo dello stereatermofilo, que presenta un D0 — 4,5

Z - 9,5 (cuadro 1.2). Además, este micronismo no es tóxico ni patógeno y se conaceptablemente bien en agua en torno a los



sibles, sobre las características del sistema y delalimento en relación a la velocidad con que setrans m ite el calor. E sta info rm ación se aplica al

microorganismo patógeno o alterativo que sedesea destruir.

Los métodos basados en este tipo de indicadores, si bien están exentos de complicacionestécnico-matemáticas, requieren un gran num ero d e análisis microbiológicos, no muy precisosen general. Permiten comprobar si, para unaintens idad de trata m ien to dad a, se alcanza o nola esterilidad deseada. El problema es que dedarse el segundo caso, el método no indica en

qué sentido ni en qué medida se han de modificar las condiciones del tratamiento térmico

para aseg urar un cierto factor de le talidad . Estasituación explica el que por el momento suempleo se limite a ensayos de control y no adeterminar las condiciones de operación másfavorables. A pesar de lo anterior, tn la actualidad hay numerosos laboratorios trabajando eneste campo; en principio, estos m étodos ofrecen

buen as expectativas.

C) M étodo matemático o de Ball

A la vista de las ecuaciones [1.23] y [1.26], larepresentación semilogarítínica de (TR - Tf) frente al tiempo conduce a una recta cuya pe ndiente está relacionada con la difusidad térmicadel producto y con las dimensiones del envase(figura 1.10). Dado que la diferencia TR - 7hdis

minuye conforme se caliente el alimento, resulta preciso invertir la escala scmi-logarítmica.Como quiera que la temperatura en el puntofrío del alimento nunca llegará a adquirir elvalor de la temperatura del horno (su aproximación es asintótica), la recta se puede prolongar hasta el tiempo de trata m ien to deseado.

El método de Ball pa ra el cálculo del tiempode esterilización se fundamenta en la ecuacióndel tramo recto de la curva de penetración del

po preciso para completar un ciclo logarítmEl factor latente de la curva de calentamiecoeficiente de calefacción ( J J viene dado p

siguiente expresión:

j = I r z I s > [

T r - T í

donde T0 (temperatura pseudoimcial) co ponde a la tem peratu ra re sultan te de pro loel tramo recto hasta su intersección con ede ordenadas (ordenada en el origen) y T¿

peratu ra inicial) a la tem peratu ra real delducto al comienzo de la operación. La difcia entre la temperatura del horno y la teratura inicial del producto, que se designa ¡h, se conoce por déficit inicial de tempera

FIGURA 1 .10 . Curva d e pene t rac ión de l ca lo r p

cálculo del t iempo de procesado según el método de

La pendiente del tramo recto de la f1.10 responde a la siguiente ecuación:



donde el parámetro g representa la diferenciaentre la temperatura del horno y la temperatura máxima alcanzada en el punto frío.

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

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

B , que es el tiempo de esterilización busca

do, corresponde a la mínima diferencia posibleentre TR y 7 y es decir, a g. T odos los parámetrosindicados hasta el momento, excepción hechade g y de B, se puede n d eterm inar a partir de lacurva de penetración del calor.

Si se iguala la ecuación anterior con lasecuaciones [1.23] y [1.26] se puede establecercon facilidad que 1 ¡fh corresponde a

“ conciA2’303 ¿2) ° 11 < W (2 ,S 0 3 L ), según elmecanismo de transmisión del calor transcu

rra, respectivamente, por conducción o porconvección. El que prevalezca un mecanismou otro se denota a través del valor de la pendiente, tanto más pronunciada cuanto mayorsea el peso relativo de la convección.

Dado que no se conoce el punto de la curvade penetración identificado por las coordenadas B y g, que es el que asegura un determinado grado de esterilización para una temperatura del homo dado, el valor de g se establece a

part ir de to da una se rie de pará metros cinéticos. Así, g depende de:

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

• Z se req uie re para el cálculo de U, unavez se dispone del valor de este último ala tem peratura de referencia (F0).

• Jci este parámetro se corresponde con Jh

determina a partir del perfil de temturas duran te esta fase.

j [Tic~Tw

donde T oí es la temperatura pseudoiniciaenfriamiento, que se determina prolongel tramo recto de esta fase hasta su inteción con la ordenada, T¡c es la temperainicial de enfriam iento, ordenada en el o

de la curva, y Twes la temperatura del agurefrigeración, la cual permite, a través dcirculación por el interior del serpentín ado en el horno, forzar el enfriamiento delducto.

Por lo general, especialmente en losmentos sólidos, en los que prevalece la ducción térmica, existe un periodo de inción hasta que el producto com ienza a ense. De no darse esta inercia térmica, T¡c

cidiría con el valor de la temperatura utilien la definición de g, es decir, la máxima pera tu ra alc anzada en el punto frío demento. Pues bien, todavía hay un leve imento de esta temperatura, que se tiencuenta al introducir el coeficiente de refración.

Conociendo los valores de U/fh, Jí y determinación de g es inmediata, tal com

puede apre cia r en el cuadro 1.4.

En los sistemas de calefacción discontsólo el 40% dei tiempo necesario para quhorno adquiera su temperatura de opera(tramo curvado de la gráfica de penetrdel calor, que se designa por /) contribuyeesterilización del producto. De acuerdoesta norma se pueden distinguir tres tipotiempo:

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



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

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

0,5 0,041 0,0474 0,0506 0.057 0,062 0,06650,6 0,087 0,102 0,109 0,123 0,138 0,1450,7 0,15 0,176 0,189 0,215 0,241 0,2550,8 0,226 0,267 0,287 0,328 0,369 0,390,9 0,313 0,371 0,4 0,458 0,516 0,5451 0,408 0,485 0,523 0,6 0,676 0,7152 1,53 1.8 ,93 2,21 2,48 2,613 2,ó3 3,05 3,26 3,68 4,1 4,314 3,<51 4,14 4,41 4,94 5.48 57 5

5 4,44 5,08 5,4 6,03 6.67 6,9910 7,17 8,24 8,78 9,86 10,93 11,4720 9,83 11,55 12,4 14,11 14,97 16,6830 11,5 13,6 14,6 16,8 18,9 19,940 12,8 15,1 16,3 18,7 21,1 22,350 13,8 16,4 17,7 20.3 22,8 24.1

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

Fuente; Tomada de Shjmbo, C. R. (1973); Thermobacfcriobgytn kodprocetsmg (2.9e d.). Acó dem e Pr*»t. Nuevo Ye»lu

Ejemplo 1.8. Aplicación del método de Ball.

En el procesado térmico de un alimento se . obtienen los siguientes datos a partir de su curva de penetración del calor: T¡ - 70 °C; Jh = 2; J( - i A y f k - 9 min. El /■’„ del microorganismo que se desea destruir es de 14 min y su 2 de 10 °C El homo necesita 3 minutos para alcanzar su 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.

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:

Conociendo los valores de fJ U (1,y de 2 , según el cuadro 1.4,gtoma el v

0,6 °C. Esto es. la máxima temperatu

alcanza el punto frío es: 123 - 0,6 = 12

b) El cálculo de B. tiempo de esterilizaci

según la ecuación [1.35], exige con

déficit inicial de temperatura (/,,), qu

123 - 70 = 53 °C. Sustituyendo,

B = / a [log ( / , /„ ) - logg) =

= 9 • (log 74,2 - log 0,6) = 18,83 mi

El tiempo de esterilización efect

será: 18,83 - (3 • 0,4) = 17,63 min, mient

el tiempo de esterilización a la temp

TR1B", ascenderá a: 18,83 - 3 «15,83 m

Aunque el método de Ball no se bas

aplicación rigurosa de la ecuación gene

conservación de la energía al caso con



cartc de la fase de enfriam iento a efectos de sucontr ibución en el t ratamiento térmico. Estoexplica, quizás, el que los resultados ob tenido s

mediante este método den lugar , por lo general, a una sobreesterilización del producto amodo de margen de seguridad. Aun sin descri

bir co rrec ta m en te el co m portam ien to del sis te ma, este método, así como sus derivados, además de ofrecer garantías contrastadas, presenta la ventaja de que su aplicación es versátil:admite cambios en los valores de T. y TR, asícomo distintas formas y tamaños de envases, adiferencia del método general, en el que cual

quier modificación implica partir de nuevodesde el principio.

1.2.3. Opera ciones previas

La esterilización de alimentos envasadosestá precedida, al margen del tipo de envaseempleado, por las operaciones de lavado (nosiempre procede), llenado, evacuación y cierre

del mismo. La más relevante a efectos del procesado térmico del alimento es la de evacuación, dado que las restantes, aun siendo tam

bién im pre scin dib le s p ara asegura r un a b u en a

conservación del producto, son principalmentede orden mecánico. Por ello, únicamente se vaa trat ar con cierto de talle la evacuación de! aire

de los envases antes de su cierre. El calentamiento de un alimento envasado da lugar a:

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

agua presente,• la desorción de gases y aire del alimen to,

con su c onsiguiente expansión,• la expansión del aire que pudiera co nte

ner el envase antes de su cierre.

La presión que se genera en el interior delenvase se contrarresta mediante su expansión,

sometido a una sobrepresión excesiva. posib le in convenie nte se solu cio na de jan despacio libre en cabeza de envase, que o

entre eí 5 y el 10% de su volumen total, sel tipo de recipiente y de alimento. Dicho

cio, además de permitir la expansión degases y del aire, hace posible la agitación

p ro du cto en el seno de l envase d u ran te sucesado térmico, lo que mejora la velocidatransmisión del calor.

Por otra parte, se tiende a reducir la exsión del aire “envasado”. Para ello, se pactuar, bien desorbiendo los gases y el

ocluidos antes del cierre del envase, somedo al alimento a un escaldado o a un vacío

vio, bien evacuando el aire del espacio de za, también antes del cierre, por aplicacióvacío. Es ta doble práctica prese nta un a ser

ventajas adicionales, ya que limita:

• la posible corro sión del envase,■ la posible ox idación de l a limento ,• el posible crecimiento de m icroorg

mos aerobios.

La evacuación se puede llevar a cabdistintas formas, según las característica

envase y del tipo de alim ento. A co ntinuase describen los aspectos más destacadocada una de las modalidades de evacua

existentes. Envasado en caliente. Si el producto, acu

es termo rresistente se puede efectuar su lle

a una temperatura próxima a la de ebullicon lo que los vapores desprendidos desplel aire del espacio de cabeza. E ste m odo decuación se contabiliza a efectos de establec

tiempo de operación durante la esterilizaEs decir, contribuye a la destrucción térmicmicroorganismos. El método exige el cal

miento previo del envase y de sus tapas, qulo contrario reducirían el vacío que se alcSe ha de sincronizar, asimismo, el tiempo t



Envasado en fr ío. Una vez llenado el producto en frío, el envase se somete a un calentamiento mediante agua caliente o vapor de agua. El

transporte del envase a través del sistema de calefacción se efectúa con sus tapas encima, dejandoun pequeño espacio para la liberación de losgases y el aire. A veces, el calentamiento delenvase, abierto o semiabierto, está precedido deun envasado en caliente. El cierre se realizainmediatamente después de que el envase abandone la cámara de calentamiento. Si el productoes sólido (transmisión de calor por conducción)se puede disparar el tiempo de evacuación.

Evacuación mecánica . Su empleo se dirige aalimentos sólidos o a pro ductos muy sensibles ala temperatura. Si el alimento es líquido, el llenado se ha de efectuar a vacío. El dispositivo decierre incorpora una línea de vacío para evacuar el aíre del espacio de cabeza.

Cierre al vapor. Se utiliza con alimentos de baja conductiv idad térm ica. Se desplazan losgases del espacio de cabeza por inyección deuna corriente de vapor sobre la superficie del

alimento envasado. Transcurrido un ciertotiempo se procede a cerrar el envase con latapa, previamente calentada. El sistema no per mite la desorción de los gases ocluidos en el alimento, de allí que si se quiere cubrir este extremo se haya de someter previamente al producto a un envasado en caliente o a un en vasado enfrío con calentamiento posterior.

].2.4. Procedimiento operativo

El ciclo de esterilización en autoclave constade las siguientes etapas:

• Pu rga de aire.• Calentam iento hasta la tem pe ratura de

operación.8 Mantenimiento de es ta t em pera tura

durante el tiempo preestablecido.• Enfriamiento.

med io del vapor de agua. Esta práctica sefica por tres razones; la presencia de aire:

8 Re duciría la velocidad de transm isicalor desde el exterior hasta el indel envase. El coeficiente individutransmisión de calor del aire es bamoderado.

8 D aría lugar a la sob recste rilizaciócontenido de ios envases situadoszona superior, ya que dicho airedenso que el vapor de agua, tiend e lizarse en el fondo del autoclave.

8 Implicaría una sobrep resión respecde saturación del vapor, lo que p po r una parte , or iginar el reventamdel envase y, por otra, conducirsobrevaloración de la temperaturaque realmente se está operand o. Esde darse esta circunstancia, se eante una esterilización deficiente.

Una vez se purga el aire, se regula la v

dad de calefacción a través del flujo de vaentrada al autoclave. La temperatura de ción se mantiene duran te el tiempo previcontrol de esta variable se efectúa a travésválvula de entrada del vapor.

Resulta de la máxima importancia cola evolución de la presión en el interienvase a lo largo del proceso respecto a nante en el exterior, es decir, en el autoclatenor del perfil de temperaturas a uno y

lado del envase (figura 1.8), se puede estael siguiente gradiente de presiones entre amedios:

8 fase de calen tam iento: P ¡nt < P ext8 fase de mantenimiento: P ¡nt - P 8 fase de enfr iamiento : P ¡m> Pext

Durante la fase de calentamiento el e



cía mecánica a este respecto. Posteriormentehay un progresivo au m ento de ia presión interna, que permite casi equilibrar el gradiente de

presiones . La si tuac ión más conflictiva a efectos prácticos se pro duce durante la fase de enfriamiento con agua, en la que la presión internasupera a la externa, lo que implica un claro riesgo de reventamiento del envase. Para equilibraren lo posible esta diferencia de presiones seactúa sobre las velocidades de calentamiento yenfriamiento. Los equipos incorporan, además,un dispositivo que permite presurizar el autoclave (normalmente con aire comprimido)

durante la fase de enfriamiento. Esta prácticase conoce por enfriam iento a presión.En este caso, el control de la presión es

independiente del de la temperatura. La presión se aumenta actuando sobre la válvula deadmisión del aire comprimido y se disminuyemediante la apertura de la válvula de purga ode otra válvula de alivio al efecto. La homogeneidad del tratam iento, que se podría ver afectada por la presencia de aire, tal como se ha

expuesto con anterioridad, se asegura a travésde una buena mezcla aire-vapor, bien pormedio de la agitación del recipiente, bien conayuda de ventiladores internos. En suma, unautoclave debe disponer de los siguientesaccesorios:

• Cámara de esterilización.• Línea de adm isión de fluido calefactor

(vapor de agua).

• Regulación de tem peratu ra.• Medida de pres ión,• Entra da y salida de agua de enfriamiento.• Válvula de purga del aire.• Válvula de purga de) condensado.• Válvula de seguridad.

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

* Co ntro l de presión, indep endie nte detemperatura,

* Inter cam biad or de calor para la rec

ración de la entalpia del condensaddel agua de enfriamiento de salida.

1.2.5. Equipos

Las principales diferencias entre los ditos autoclaves disponibles en el mercado se tran en su modo de operación (continuo ocontinuo), en la incorporación o no de a

sistema de agitación del envase (rotatorioestáticos), en su disposición (vertical u horital), en el tipo de fluido calefactor utiliz(vapor de agua, agua caliente, aire caliengases de combustión) y en la presión de tra(sólo en contadas excepciones op eran a preatmosférica). La capacidad de producdetermina, por lo general, el tipo de operacA partir de cierto valo r interesa la operaciócontinuo, cuya principal característica es

reducido coste unitario de fabricación. hecho obedece a un elevado grado de autotización del equipo, que implica unas escnecesidades de mano de obra directa, y al baprovechamiento energético, que se traducun menor consumo.

La operación en discontinuo presenta,embargo, otra serie de ventajas. Así, el eqofrece una gran versatilidad y una mayor flidad. Sus costes de mantenimiento son,

otra parte, inferiores. La tendencia actuacentra, siempre que la capacidad de procelo permita, e n el emp leo de autoclaves discnuos automatizados. Esta posibilidad adede beneficiarse de las ventajas antes apunta

perm ite atender a una may or variedad d e ductos.

En cuan to al resto d e características resdas, destaca la disposición horizontal del clave, de más fácil acceso y mantenimiento



CUADRO 1.5 Tipos de autoclave

Autoclave Discont inuo O Continuo Vertical u Hor izontal Estático o Rotatorio Ai t^oG ases^de^Co mb

Convencional D V /H E V/AC

Qrbítort D H R V

Steriflow D H R/E ACSterisfeam D H E V /A

Lagarde D H E V

Sin castillos D /C V E V

Hydrolock C* H R V /A

Slerilmotíc C H R V/AC

Flash 18 c H E VH ¡dramático c V E V

Hydroflow c H E ACUniversal c H E AC

Ekelund c V E A

Steriflamme c H R GC

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

£1 vapor dú agua ofrece una velocidad decalefacción superior a la que se podría alcanzar

con agua caliente, así como un menor consumoenergético; de hecho, el agua se calienta en general por inyección de vapor de agua. El aguacaliente, sin embargo, presenta también venta

jas: facilita el control de la temperatura y limitael choque térmico durante la calefacción y elenfriamiento. Seguidamente, se pasa a describirlos distintos tipos de autoclave utilizados; en elcuadro 1.5 se recogen sus características básicas.

Convencional. La simplicidad de diseño y de

operación justifica el que, en la actualidad, seatodavía el autoclavo más utilizado. Además,admite una gran variedad de tamaños y formasde envases. Es, en suma, el precursor de losautoclaves más evolucionados. Su diámetroestá en torno a l m , mientras que su altura

puede alcanzar lo s 2,5 m. Para facilitar la cargay descarga de los envases, éstos se depositansobre cestas. En la figura 1.11 se representa unautoclave d iscontinuo vertica l con sus principa

utilizando autoclaves verticales convencio

Para ello, se dispone de hasta más de 10dades, distribuidas por lincas de pro

Cada línea incorpora un sistema automa

de carga y descarga de los envases, que peequiparar la producción a la de un siste

operación en continuo.Por razones de espacio, la disposició

habitual del autoclave es la vertical. Sin ego, la disposición horizontal presenta unotes inferiores de mantenimiento y de cadescarga y ofrece mayor facilidad para dequipo de algún sistema de agitación. La p

pa l diferencia estriba en el tra nsporte de l

tas durante las operaciones de carga y desEn el primer caso es por grúa, mientras qc) segundo se lleva a cabo mediante vagque circulan sobre raíles.

Orbitort. Se trata de un autoclave disnuo horizontal provisto de agitación mecdel envase. El producto a esterilizar sesobre la superficie exterior del rotor. Se

pues, en un espado anular, entre la resup erfide y la carcasa deJ esterilizador. E l



FIGURA 1.1 1. A u to c la ve verti ca l co n ve n c io n a l. 1: vá lv u la

de segur idad , 2 : vá lvu la de purga , 3 : manómet ro , 4: ter-

mómet ro , 5 : en t rad a de a i re , y 6 : d i s t r ibu idor de l vapo r .

equipo se encuentra automatizado. La carga ydescarga están sincronizadas. El cierre enambos lados del cilindro es por accionamientoneumático. Se utiliza con alimentos líquidos,especialmente si son viscosos.

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

cionada de los equipos de esterilización inmersión en agua caliente. El calentamiedel agua se efectúa, en este caso, mediante

intercam biado r de placas con vapor de aguno por inyección de vapor, sistema tradicioEl agua se enfría durante la última fase del ceso de esterilización; basta con hacer circel agua de refrigeración en lugar del vapoagua. La distribución del agua en el seno autoclave, por rociado, ha supuesto, junto em pleo en circuito cerrado, un a reducción csiderable de su consumo. Así, los equactuales p resentan unas necesidades en tor

los 0,3 I de agua por kg de producto. En la fra 1.12 se puede apreciar un esquema del aclave en cuestión.

Los autoclaves tipo Sterifíow admiten posib il id ad de ag itar mecánicamen te el envEllo requiere encastrar la cesta en el interioun tam bor giratorio perforado, de tal formael agua caliente pueda acceder a ia superficilos envases.

La tem peratu ra del agua se controla a la

da del autoclave, en el circuito de recirculacLa homogeneidad térmica del agua se ve frecida por la propia recirculacion y por su tribución forzada por medio de tabiques al eto. La velocidad con que se recircula el a

Puerta

I n t e r c a m b í a d c r

d e c a l o r

J D i s t r i b u i d o r d e a g u a

ffr^

En t ra d a d e a i r e

c o m p r im id o

— 8 t x l - ¡

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

“ t X H *----

E n t ra d a d e a g u ad e r e f r i g e r a c i ó n

, ¡ X b ~ *—

S a l i d a d e a g u a

d e r e f r i g e r a c i ó n

¡"""Cxl —► S a l i d a d e

i c o n d e n s a d o

> 3 —►

A g u a d e re p o s ic ió n

p a ra a j u s t a r n i v e l

! X b _ * —



está determinada por su velocidad de pasosobre ia superficie de los envases, lo que a suvez condiciona el valor del coeficiente indivi

dual de transm isión de calor, es decir, el flujo decalor.

Además de la versatilidad, ventaja que se puede considerar característica de los autoclaves discontinuos, los sistemas Stcriflow destacan por su buen control de la temperatura de

procesado, por sus reducidas necesidades deagua y por la velocidad con que ésta se puedecalentar o enfrian El empleo de agua permite

prescindir de la purga de vapor. La presión se

regula mediante las líneas de admisión y descarga de aire. El condensado procedente delintercambio del vapor se recircula a la calderade generación de vapor, mientras que e l agua desalida de refrigeración es de directa reutilización.

Steristeam. Se trata de un tipo de autoclave pensado para ester ilizar productos envasadosen recipientes de cristal u plásticos tennoesta- bles, materiales ambos susceptib les de reventar

por sobrepresión. Para equilibrar la presiónentre el interior y el exterior del envase, se utiliza en todo momento una mezcla vapor deagua-aíre comprimido, cuya proporción se esta

blece atendiendo a la tem pera tu ra y presióndeseadas a lo largo del proceso.

El autoclave Steristeam presenta la entradade la mencionada mezcla por su pa rte superior.La corriente gaseosa se dispersa entre los envases con ayuda de unos ventiladores centrífugos.

Esta práctica resulta imprescindible para asegurar tanto una buena distribución de la corrientecomo la uniformidad de la mezcla aire-vapor enel seno del autoclave. De lo contrario, el aire,frío respecto al vapor y más denso, tendería aacumularse en el fondo del recipiente, favoreciendo la heterogeneidad del tratamiento térmico.

Una vez se completa ci tiempo de esterilización, se evacúa el vapor de agua y se procede a

o mediante aire refrigerado. En otros casenfriamiento se acomete por inmersión enfría. El alimento envasado se distribuye e

tos dentro del autoclave. La presión se codurante la operación por medio de una váde alivio al efecto,

Lagarde. Consiste en un autoclave esthorizontal y discontinuo, provisto de uno ventiladores para aumentar la velocidaentrada del vapor de agua. Esta varianautoclave mejora la velocidad de transmdel calor en tre el vapor y el conten ido de lse. El enfriamiento se efectúa con lluv

agua fría en circuito cerrado, intercalandolínea de recirculación una máquina frigoLos envases, como en todos estos sistemacontinuos, se agrupan en cestas para facilicarga y descarga.

Sin cestas. Aunque este autoclave opercargas, se puede considerar, dado su elgrado de automatización, como un sistemtinuo. La capacidad de tratamiento dep

por tanto, del número de unidades insta

Su principal característica es la ausencia dtas y su gran versatilidad, aun con produccconsiderables. Consiste en un recipientecarga por la parte superitar y descarga pfondo, dolado de líneas de entrada y salivapor de agua, agua y, si procede, aire.

El ciclo de esterilización, representadofigura 1.13, está constituido por una seretapas. Se inicia con la carga de los envasese transportan hasta la boca correspond

mediante una cinta sinfín. La caída de Jcjs ses en el interior del recipiente se ve aguada por la presencia del agua caliente uda en la etapa de enfriamiento del anciclo.

Una vez se llena y se cierra el autocomienza a alimentarse eí vapor de aguamero como fluido de desplazamiento del adespués, como agente de calefacción. Cotado el tiempo de tratamiento dispuest



Vapor

Etapa 1 Elapa 2

Agua Aire

A g u a d e _ _ fp

r e f r i g e r a c i ó n

Etapa 4

FIGURA 1.1 3 . Etapas de l c ic lo de este r i l izac ión

d e un autoc la ve s in cestas.

inferior, si tunda por deb ajo del nivel de l canalde refrigeración, de tal forma que los envases sedescargan al mencionado canal, manteniéndoseen el interior del autoclave el agua, ya caliente y

lista para recibir una nueva carga. Los envasesse depos itan sobre un a cinta sinfín sumergida enel canal, que se encarga de transportarlos, altiempo que se enfrían, a la zona de escurrido.

H ydrolo ck. L a esterilización del productoenvasado tiene lugar en una cámara cilindricadispuesta horizontalmente. Los envases, quecirculan por el sistema merced a una cadenatransportadora, se introducen, en la cámara através de una válvula rotatoria sumergida en

agua, cierre hidráulico que perm ite m anten er la presión en el in te rior de la misma. Los sucesivos pasos del envase en sentido longitudinaldescendente a través de la zona superior de lacámara aseguran la esterilización del producto,el cual se preenfría haciéndolo circular pordebajo del nivel del agua. En la figura 1.14 puede apre cia rs e un esquem a del eq uip o. Elenfriamiento del envase se completa eo el exterior del esterilizador por inmersión en agua a

FIGURA 1 .14 . E s te r i l i zado r Hydro lock . 1: ca rga , 2 :

h id ráu l i co , 3 : secc ión de es te r i l izac ión con vapo r , 4

c i ó n d e re f r i g e ra c i ó n c o n a g u a a p re s i ó n , 5 : s e c c i

r e f r i g e ra c i ó n c o r a g u a , y ó : d e s c a rg a .

transportadores, lo que les confiere un

axial a lo largo de su recorrido. Los equincorporan la posibi l idad de emplear caliente junto con el vapor de agua. La mede fluidos térmicos se mejora con ayuda dventilador. Destacan por el buen aprovemiento del espacio, vapor de agua, manoobra y agua. Sin embargo, cabe citar cinconveniente que el envase se ve sometiun gran esfuerzo durante las operacionecarga y descarga en su paso a través de la

vula rotatoria.Sterilmatic. Se trata de un esterilizador

tinuo rotatorio constituido por al menos cilindros en serie, en los que se procede altamiento térmico del envase y a su enfriamto, tanto a presión como a presión atmosféCuando la evacuación del aíre se efectúaenvasado del producto en frío, se requiereetapas previas de precaíefacción, la prime

presió n atm osfé rica y la segunda ya a pre s

Es decir, el sistema en su conjunto puede ctar de hasta cinco cilindros, conectados ent por med io d e unas válvulas ro ta to rias que guran la ausencia de fugas de vapor de aguamantenimiento de la presión adecuada en caso. Existen ciertas variantes de estos estzadores, en las qu e se utiliza agua sob reca lda en lugar de vapor de agua.

Las latas se sitúan sobre un rotor, que egiro permite la circulación de las mismas



que es la zona donde tiene lugar la rotación dela lata sobre su eje axial. Sólo el 30% del recorrido del envase en un giro completo contribu

ye a la rotación axial del mismo. Durante elresto del recorrido el envase descansa sobre la pared extern a del ro to r sin que se produzcacontacto con la carcasa.

Este tipo de esterilizadores continúa utilizándose profusa me nte, sobre todo en el sectorconservero. Es simple y consistente y da lugar aun tratamiento térmico homogéneo. Ocupa, sinem bargo , un cierto espacio (nótese que las latasse sitúan en la periferia de las cámaras) y su

capacidad de procesado puede considerarse baja: sobre las 5001atas/min. Resu lta imprescindible una inspección p rev ia de los envases; si unenvase defectuoso desequilibra el sistema, conel consiguiente atasco, la instalación incorporaun automatismo de parada que preserva alm oto r de posibles daños. El funcionamiento delequipo implica bruscos cambios de presión ytemperaturas, cuestión que restringe su campode aplicación. Dado el principio cu que se basa

la rotación del envase, el diseño de estos equi pos parte del tamaño de los mismos. Es decir,ofrecen poca versatilidad en cuanto a tamañosde envase.

Flash 18. Este equipo está precedido de unllenado del producto en caliente. Así, el producto a granel ca lentado po r inyección de vaporde agua se bom bea a 130 ”C, temperatura superio r a la de es terilización, hasta la cámara de llenado, donde reina una presión inferior, lo que

se traduce en un “flash” que permite su desgasificación y la evacuación del aire del envase.Una vez se cierra el envase, éste se conduce aun túnel de calentamiento, en el que se mantiene a 124° C, temperatura resultante de la descom presión en la etapa anterior, hasta alcanzarel grado de esterilización deseado. El productoenvasado y estéril se transporta a un segundotúnel, esta ve2 de enfriamiento, para posteriormente abandonar el recinto ptesurizado a tra

que por su destino final requieren un tamenvase considerable y que de tratarse pmedios los tiempos de esterilización p

muy elevados, alterarían su calidad orig Hidrostático o de Carvallo. En este

zador, cuyo no mbre alude al principio efundam enta, los envases circulan por unra en la que el vapor de agua se confina mte un cierre hidráulico. Com o se puede en la figura 1.15, la altura de las columagua a ambos lados de la cámara (hidrostática) determina la presión del vsu interior, es decir, la temperatura d

miento. Las columnas cumplen, ademsegunda función: regulan la presión sobre el envase. La presión externa alaumenta progresivamente según éste hacia la cámara y viceversa conforme de la misma hasta alcanzar la presión arica. La refrigeración del envase se efelínea por medio de una pulverización coseguida de una inmersión en un baño, tde agua.

El nivel del cierre hidráulico se cmediante un flotador, mientras que los de las columnas se regulan por rebose. Eque circula po r las columnas en co ntracorespecto al sentido del envase, abando ntema por encima de los 80 °C. Se reutilotros fines y se recupera su entalpia pocambio con el agua de alimentación. Su

jas más so bresa lientes son:

• Presen tar saltos térmicos y ' de moderados.

• Los consumos de agua y de vamás que aceptables: 1 T y 50 kg, rvamente, po r T de prod ucto trata

■ Son polivalentes en cuanto al envase. Admiten latas y recipievidrio o de plástico, aunque en esúltimos casos la sección de refrigdebe operar a sobrepresión para



Zona de

precaienfamiento

Cámara

de vapor

A lim enta dor

de latas

Columna de

refrigeración

por pulverización

F i gura 1 .15 . A u to c lavo h id ro s tá t rco .

• Perm ite un elevado nivel de autom atismo. El control, además de fácil, es sumamente eficaz, especialmente en lo que serefier e a la tem peratura de esterilización.

• Ofrece cierta versatilidad en cuanto altamaño de los envases.

• Son robustos y ocupan poca superficie.

Las torres de esterilización precisan, sinembargo, una fuerte inversión. La altura deestos equipos determina una componente deingeniería civil considerable. O tro incon veniente viene dado por el bajo nivel de agitación delenvase. Sí se quiere potenciar este aspecto, hayque dotar a la instalación de alguno de lossiguientes dispositivos:

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

• Vibración perm ane nte de la cadena.• M ovim iento de los envases, merce

unos imanes situados alternativamenuno y otro lado de la cadena.

Ciertos equip os adm iten más de una linccarga y descarga. Otros, como eí Hun isincluso están provistos de más de una cámde esterilización con vapor de agua. El tiede esterilización se establece atendiendo velocidad de transporte del producto. En sulos autoclaves hidrosláticos están indica

para gran de s capacida des de tratamiento tomo a las 1.000 latas/min) y para produ



lias, como es el caso de los batidos o de la pro pia leche es terilizada .

Hydroflow . En este autoclave horizontal

continuo los envases se transportan por el interior de los tubos mediante agua. Consta de eta pas de precalentamiento , es terilización, pre rre-figeración y refrigeración. Cada sección incor pora su pro pia línea de agua, cuya te m pera tu raes, obviamente, distinta en cada caso. La zonade esterilización se encuentra presurizada a finde poder utilizar agua sobrecalentada.

Universal. E mp lea también agua como agente esterilizante. La disposición del equipo es,

asimismo, horizontal con transpo rte de los pro ductos en sucesivos pasos a lo largo de ambossentidos. El calentamiento se efectúa por rociado de agua en la zona presurizada. La refrigeración tiene lugar en dos etapas: a presión y a presión atmosférica. Los envases, agrupados encestillos, se transportan mediante un tornillosinfín de desplazam iento positivo. Todo el aguade salida se rcutiliza.

Ekelund. Se trata de un autoclave que parte

de un envasado del producto en caliente. El tratamiento consiste en una calefacción del envasecon corriente de aire a 145 nC durante unos 15min. El enfriamiento es con agua. Se ha utilizado para esterilizar leche enlatada. Su uso está muyrestringido por el considerable salto de presiónque lleva consigo, lo que limita el tamaño delenvase. Se ha utilizado con frutas y legumbres.

Steriflamme. E n este caso la esterilización seefectúa por co ntacto directo de la lata con gases

de combustión procedentes de un quemador.La operación comienza con el preca lenta miento del producto a 100 "C con vapor de agua. Acontinuación, un dispositivo permite girar losenvases a gran velocidad (100 rpm) mientrasentTan en contacto con el gas a presión atmosférica. La esterilización a cerca de 1-700 °C secompleta en menos de 1 minuto, lo que permite alcanzar una temperatura de 130 °C en elinterior del envase. La última etapa consiste en

Sal

Precalentado rde vepor )

Llama

1 W v V WMantenimiento►---------

Refrigeración

FlCURA 1. ló . Esterilizador de llama o Sferiffomm

Las condiciones del tratamiento se asema un proceso HTST, lo que en principio asla calidad del producto procesado. El eq po r otra pa rte, no requiere una excesiva sión y su funcionamiento es sencillo. Sin ego, la gran diferencia de presiones que se ra entre el interior y el exterior del envase mina el empleo de latas de pequeño tammás resistentes, y justifica uu llenado bajvacío. A un con todo , el principal inconven

de este sistema viene dado por la imposibde alcanzar el mismo grado de esterilizacitodas las latas, razón por la que su uencuentra en claro retroceso frente a otros pos de esterilización. Este proceso comeensayarse sobre 1960 con champiñones. utilizado también con guisantes, alubias, horias, judías verdes, setas y tomates. Inclullegó a esterilizar por este medio leche eny carne de vacuno troceada en cubitos.

1.3 . Esterilización de alimentos

sin envasar

El auge de la esterilización de alimfuera de los envases obedece a los inconvetes que plantea el tratamiento térmico deductos envasados. El envase supone una tencia adicional a la transmisión de calor, q



envasados origina, además, un gradiente térm i-co entre el centro del producto y su periferia, loque da lugar a la po stre a un prod ucto de ca rac-

terísticas heterogéneas. En el caso de los ali-mentos bifásicos, la fracción líquida estaríasometida a un a esterilización muy su perior a lade la fracción sólida, con la consiguiente altera-ción térmica. La mejora de la transmisión decalor se limita a introducir o a forzar una agita-ción del envase. El material del mismo y suespesor, aspectos cruciales a efectos del pasodel calor, están determinados por su resistenciamecánica a la diferencia de presiones entre el

interior y el exterior del recipienle , función a suvez del perfil térmico de la operación. Es decir,no se puede operar a altas temperaturas sinmodificar la resistencia mecánica del envase(mayor espesor para un mismo material), loque reduciría la velocidad de transmisión delcalor (tiempos más largos).

Ante esta situación, surge la necesidad de p roceder a la esteri lizació n de l alimento antesde su envasado. Esta práctica tiene como prin -

cipal ventaja la posibilidad de operar a altastemperaturas o, lo que es lo mismo, en tiem-

pos corto s, circunstancia que proporc io na un producto de ca lidad muy su perior. Estas con-diciones de tiempotemperatura (métodosHTST), tal como se ha puesto de manifiestoen el apartado 1.1.8, aseguran un orden de

pro ce so dete rm in ado sin que se active la des-trucción de nutrientes y otros parámetros decalidad. Se consiguen alimentos con una cali-

dad equiparable a los irradiados o refrigera-dos, con la particularidad de que su períodode conservación es superior a seis meses, yello sin refrigeración alguna. De lo dicho sedesprende que al no necesitar un transportefrigorífico su área potencial de distribuciónsea mayor.

El envasado o procesado aséptico, nombredel conjunto de operaciones que requiere laesterilización de alimentos no envasados, tiene

permite disponer de envases de mayor tamaEl pro cesa do aséptico d e alimentos no da lua desequilibrios entre la presión interior y

exterior al envase ni a choques térmicos.desgasificación a alta temperatura evitaescaldado previo a la appertización que reqren ciertas verduras. Las instalaciones al efofrecen un m ayor grado de automatizacióncomo un menor consumo energético.

La técnica descrita tiene su campo de apción en los alimentos líquidos y en suspensy más recientemente en los llamados particdos, productos en los que las fracciones sól

de la suspensión acuosa son de un cierto taño. Como contrapartida a las ventajas exptas, el envasado aséptico requiere una inverinicial considerable. Esta tecnología en su c junto exige:

* La esterilización de envases, tanq ueconducciones.

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

do y envasado.* Una atmósfera de aire estéril.

Si el producto es heterogéneo la instalacresulta más compleja. De cualquier formamano de obra es más cualificada en el envasaséptico que en la appertización. El campoaplicación de la esterilización de productogranel incluye el tratamiento de leche, zumconcentrados de frutas, yogurt, nata, so

vino y helados. También se tratan por estasuspensiones más o menos viscosas de alimtos para bebés, derivados del tomate, frutverduras. La fragilidad de la fracción sóliddeterminados alimentos restringe su aplicaa otros productos.

1.3.1. Procesada aséptico



FIGURA 1.17. Instalación de procesado aséptico.

Esterilización pr ev ia de la instalación. Desaireación. El producto se somete avacío en continuo para desorber el aireDe no llevarse a cab o esta operación, lasreacciones de oxidación podrían afectara! producto tanto durante su procesado

como en el almacenamiento.Calentamiento y enfriamiento. Se precisacalentar el prod ucto hasta la temperaturade esterilización para, una vez tratado enel tubo de mantenimiento el tiemporequerido para alcanzar el orden de pro-ceso dado, enfriarlo hasta una temperatu-ra de llenado aceptable. Los dispositivosde intercambio de calor al respecto y los

problem as asociados a la fluidodinárnica

del alimento se estudiarán en el siguienteepígrafe. Mantenimiento. Es la etapa clave de laesterilización. La longitud del tubo demantenimiento, que se establece aten-diendo a las prop iedades fluid o dinámicasdel alimento, determina el tiempo de resi-dencia necesario para alcanzar el gradode esterilización prev isto. Su diseño plan-tea ciertas consideraciones, a saber:

flujo para facilitar la evacuac bo lsas de aire y el escurr id o dlas operaciones de limpieza.

2. Su superficie interna debe estalisa, pulimentada .

3. No se deb e sobrecalen tar el pr

a lo largo de su recorrido.4. D ebe ser desm ontable por secc5. Se debe preservar de condens

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

tener una cierta sobrepresiónevitar la desorción de volátileebullición del producto. La sobsión impide, además, la recontción del producto por contacto

aire ambiente del recinto, que a también tiene una ligera sobreprespecto ai atmosférico.

7. Incorpora un sistema de medcontrol de la temperatura.

• Alm ace nam iento . La instalación potanque de almacenamiento del proya estéril, a fin de prevenir posibletingencias en las secciones de llen



110 cumple la esterilidad comercial previs-ta, el sistema cuenta con la posibilidad dedesviar el flujo antes de que contaminelas secciones de llenado y envasado.

• Llenado y envasado aséptico. I,a obten-ción de un produ cto estéril en recipientesherméticamente cerrados pasa por cum-

pli r una se rie de requisi tos durante lasetapas de llenado y envasado, los cualesson:

1. Esterilización de los equipos.2. Esterilización de la superficie inte rna

del envase.3. Dosificación aséptica del producto en

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

durante el tiempo de producción,incluyendo la del aire ambiente cir-cundante a la operación.

Por último, conviene resaltar la importancia

que presenta en este tipo de procesos alcanzarun buen control del flujo. El tiempo de esterili-zación en el tubo de mantenimiento es función,

para una longitud dada del mismo, de la veloci-dad de paso del alimento. Por lo general, serecurre al empleo de bombas dosifícadoras de

precisión.

1.3,2. Sistemas de intercambio de calor

Una instalación de intercambio de calor enun procesado aséptico debería, en teoría, calen -tar el producto h asta la temperatu ra de esterili-zación de forma súbita, y una vez se alcanza laesterilidad deseada a esa temperatura en surecorrido a través de la sección de manteni-miento, enfriarlo también súbitamente hasta latem peratu ra adecuada para el llenado. La apro -ximación a este caso ideal depende del grado de

nárnicas y superficiales del alimento, que dminan el régimen de flujo y la acumulaciódepósitos sobre las pare des dei intercamb íase suelen distinguir tres tipos de alimesegún su consistencia: líquidos, suspensionesólidos en líquidos, de mayor o menor viscdad, y fluidos con sólidos particulados, enque el tamaño de estas partículas es relamente grande. La sensibilidad térmica del ducto y su resistencia mecánica condicioasimismo, la selección del sistema de interc

bio de calor. En general, han de reunirsiguientes requisitos:

• Capacidad para operar por encima d120 °C.

• Ele vad a superficie de intercambio unid ad d e volumen.

• Op eración en régimen turbulen to control del flujo.

• Sistema de limpieza que asegureausenc ia d e depósitos superficiales.

Las instalaciones de intercambio de caloclasifican a tend iend o al tipo de contacto questablece entre el alimento y el fluido caletor. Si el alimento tiene una consistencia

para su bombeo, se distinguen dos m odades, a saber:

• Co ntac to directo. Se lleva a cabo inyección o por infusión de vaporagua, según éste se pone en contacto

el produ cto o viceversa, respectivame• Con tacto indirecto. Se agrupan bajo

denominación los intercambiadores placas , de tubos (concéntricos), d e cary tubo y de superficie rascada o barrid

Los sistemas de intercambio directo eespecialmente indicados cuando se deseacalentamiento extremadamente rápido y a temperatura. Son los equipos utilizados en



condensación del vapor utilizado durante lafase de calen tam iento d el alimen to. Es ta prácLica puede dar luga r a la desorción simultán ea de

los componentes más volátiles, lo que en algu-nas ocasiones resulta conveniente (desodorización de la leche). Las consideraciones ingeníen -les relativas a los intercam biado res de contactoindirecto ya se han expuesto en el volumen I deesta obra. La discusión siguiente se limita aestablecer la com paración en tre los dos tipos decontacto posibles. Se completa esta exposicióncon la descripción de los sistemas propuestos

para el en vasado asép tico de al im en tos particu-

lados. Inyección de Vapor de Agua. E n es te caso el

vapor de agua, de 56 kg/cin2, presión suficiente pa ra alimentarlo a la cá mara de es terilización por sobrepresión, se proyecta sobre el pro ductomediante un inyector. La condensación delvapor permite elevar muy rápidamente la tem-

peratu ra del al im ento. Tra nscurr ido el tiempode residencia nec esario para alcan zar Ja esterili-zación, unos pocos segundos, se p asa el alimen-

to aguado a una cámara a vacío, donde, ademásde producirse un enfriamiento súbito, se regulasu contenido final de agua por evaporación dela misma. Si se desea mantener el contenidooriginal de agua del prod ucto , la cáma ra a vacíoopera sobre los 0,4 kg/cm2, lo que supone unatem peratu ra de saturación del vapor de agu a entorno a los 76 aC La inyección de vap or es unode los medios de calentamiento más rápidos yofrece un enfriam iento instantáneo. Puede, por

tanto, ser muy eficaz para alimentos termoseri-sibles. Entre sus inconvenientes cabe citar:

• La aplicación queda limitada a fluidos no muy viscosos.

• Re qu ieren un vapor de calidad, es decir,hay que p artir de un agua tratada.

• El aprovecham iento energético es muydeficiente, como la m itad del de un con-tacto indirecto.

Ejemplo 1.9. Regulación del contenagua del producto en el tratamiento por

ción de vapor.Se pretende regular el contenido de a

la leche aprovechando que se ha de someteproceso UHT. En la unidad de uperizacleche pasa de 85 a 160 °C, temperatura demiento, merced a la inyección de vapor deSupuesto que los calores específicos del agla leche son iguales: 1 kcal/(kg °C), determtemperatura de saturación del vapor de agabandona la cámara de expansión en los stes casos;

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

— Aumento del contenido de agua (didesde 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 entr

la unidad.Vapor de inyección necesario por kg de

(r): 1 kg • 1 kcal/(kg °C) (160 85) °C(598.8 0,588 • 160); x 0,1485 kg vapor/k

a) Concentración

Cantidad de agua que sale con la lech0,15 •(0,84/0,16) = 0,7875 kg.

Cantidad de vapor que abandona la cde expansión: 0,1485 + (0,85 0,7875) = QR

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

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

b) Dilución

Cantidad de agua que sale con la lech0,15 • (0,86/0,14) =0,9214 kg.

Cantidad de vapor que abandona la c



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.

In fusión de vapor de agua. En estos sistemas se ncbuliza el alim ento sobre e l vapor, tal como se pone de manifiesto en la figura 1.18. Tras unos segundos en la fase de mantenimiento, elalimento aguado se difunde a la cámara de vacío, donde se enfría. La entalpia del vapor separado en la evaporación súbita del conden sado se aprovecha para precalentar la corriente de entrada al difusor, procedimiento también utilizado en los sistemas de inyección. El tama-ño del poro del difusor se establece atendiendoa la reología del produ cto y al diámetro de gotadeseado. Ciertos diseños de difusores son capa-ces de pulverizar alimentos particulados, aun-que en princ ipio éste no sea el sistema másapropiado al caso, Sus principales ventajas son:

• Calentamiento sumamente rápido y

enfriamiento también muy rápido. Pre-serva, pues, la calidad del producto.

• Ad mite produ ctos más viscosos que lostratados po r inyección.

Producto

Vapor

a+

V rL_J Producto ^ t ra tado

• Co ntro l más eficaz del sistema.• Bajo riesgo de sobrecalentamient

producto.

Los equipos de contacto directo ofrecposibilidad de trabajar a temperaturas muyvadas. Su propia concepción evita puntosobrecalentamiento en el producto, así comaparición de depósitos, circunstancia queda en equipos de contacto indirecto. Adeson capaces de tratar fluidos relativamentcosos a diferencia de los sistemas indirePor el contrario, presentan algunos inc

nientes, entre los que destacan: la necesidadisponer de un vapor de calidad y la erecuperación de energía. La inversión reqda al efecto resulta superior a la de las inciones de contacto indirecto.

Intercam biado r de placas. Es e l intercamdor más extendido en la industria alimentAdmite una gran variedad de productosdistintos grad os de calefacción; basta model número de placas. Su compacidad deterunas necesidades de espacio reducidas. Rere poca inversión y su rendimiento energes muy bueno. Su accesibilidad permitefácil limpieza y un buen mantenimiento.

La principal limitación del iniercambde placas viene dada por las presiones y teraturas de operación. En condiciones exigesus juntas de estanqueidad se deterioranrapidez. Su diseño determina una velocidaflujo moderada, lo que favorece el calentamto heterogéneo y su ensuciamiento. Requ

pues, una limpieza frecuente, sin utilizar dciones cáusticas, que podrían dañar las juPresentan una sección de paso muy reducique les hace propensos a las obstruccioneaplicación se restringe a fluidos poco viscSus características determinan, asimismonotable pérdida de carga.

In tercambiadores de tubos (concéntricde carcasa y tubo. Los de tubos son los prsores de lo s intercambiadores de carcasa y



por el conducto central o por d espacio anularintermedio. Su principal inconveniente resideen su limitada superficie de intercambio por

unidad de volumen; esto es, se precisan equiposmuy voluminosos. P ara solve ntar esta cuestión,surgen los intercambiadores de carcasa y tuboen sus distintas configuraciones en cuanto anúmero de pasos de ambos fluidos.

Su diseño mecánico, con pocas juntas deestanqueidad, ofrece la posibilidad de operarcon presiones más elevadas, es decir, con mayo-res velocidades de flujo. Se alcanza, por tanto,un régimen de circulación más turbulento, lo

que favorece una transm isión de calor más uni-forme, una menor formación de incrustaciones

por acumulación de dep ósitos y su aplicación aalimentos más viscosos.

Como contrapartida, los intercambiadoresde carcasa y tubo ofrecen una difícil valoraciónde su grado de ensuciamiento con el tiempo.Son muy poco flexibles en cuanto a su capaci-dad de intercambio. Por último, constituyen unelemento crítico de la producción. El deterioro

de un sólo tubo supone la parada de la insta-lación.

Los intercambiadores de tubos concéntricos part ic ip an de las ventajas en umeradas con ante-rioridad. especialmente de las relativas a la fluidodinámica, toda vez que los flujos no presen-tan cambios de dirección a lo largo de la opera-ción. Esta circunstancia perm ite, adem ás, tratarfluidos más viscosos. Su limpieza y manteni-miento es, por otra parte, más sencilla y eficaz.

Sin embargo, su baja superficie de intercambio por unidad de volumen limita en exceso sucapacidad de tratam iento.

In tercam biador de su perficie rascada. Enrealidad, son una variante de los intercambiadores de tubos concéntricos, cuya aplicación,habida cuenta de la fue rte inversión que requie-ren y de su limitada capacidad de tratamiento,sólo se justifica cuando el alimento es muy vis-coso o incluso particulado (admite sólidos de

como un simple medio de calentar o etambién se aplican a la pasteurización, a lrilización de platos prccocinados, a la cri

ción previa a la concentración por congey a la evaporación de productos muy visc

El fluido térmico circula por el espaclar externo, en tanto que el alimento fluel conducto central, donde axialmente seun roto r provisto de unas rasquetas. Estesitivo mejora la transmisión de calor al pcionar una significativa agitación. Po

parte , el desprendim iento de los compoadheridos a la superficie hacia zonas

calientes o más frías, según se caliente o respectivamente, reduce el gradiente radtemperaturas. Se obtiene, pues, un prtérmicamente más homogéneo. El bsuperficial efectuado por las rasquetasadem ás la formación de incrustaciones.

Los costes de operación asociadosintercam biador de superficie rascada sondos. A los costes habituales se ha de su

partida re lativa al consumo de en erg ía de

motor del rotor. El sistema imposibilitotro lado, la recuperación del calor. Su dad es menor que la del resto de intercadores. A pesar de todo, estos sistemas reimprescindibles en muchas ocasiones.

Sistemas de intercambio para alimentoticulados. Los alimentos con sólidos de tamaño, pero que contienen también faseda, son aquellos que p resen tan mayores dtades para su procesado aséptico. Por lo

ral, el sólido circula a menor velocidad líquido. Sin emb argo, como q uiera que lamisión de calor en el seno del sólido tiene

por cond ucción , más lerda que por convemecanismo predominante en el líquido,desea alcanzar la esterilización en el punde la partícula, se ha de disponer de un de residencia tal, que sin duda conducsobreesterilización del líquido, cuando ntermodegradación.



fase líquidosólido, sólido. La no table resisten-cia que opone la ínterfase al paso del calor se

puede cuan tif icar conociendo el va lor de su

coeficiente convectivo, el cual es tanto menorcuanto mayor es la velocidad relativa entre lasdos fases. Este coeficiente se determina a partirde las curvas de pene tración del calor en el cen-tro de un sólido de geometría y conductividadconocidas. Las simplicaciones vienen por la vis-cosidad del flu ido si éste es no newtoniano —suvalor es función de la velocidad de flujo, parala cual se toma un vaLor ponderado, y por ladificultad de establecer la velocidad relativa

entre las fases, que se considera nula a efectosde asegurar la esterilidad deseada.

Las instalaciones para el tratamiento deeste tipo de alimentos se diseñan atendiendo alas consideraciones anteriores y a las caracte-rísticas del sólido. Si éste es de naturaleza frá-gil, los cambios térmicos, las fuerzas de cizallae incluso la turbulencia debida al régimen deflujo pueden dar lugar a su deterioro. A con-tinuación, se pasa revista a los sistemas ensa-

yados. Procedimiento de Kafedsh iev y Koiev. Se

calientan por separado las dos fases del ali-mento, la sólida a 100 UC y la líquida., un a vez seajusta su pH a 3,5, a 90 °C, Posteriormente, se

pro cede a llenar y cerra r el envase, el cual sehace rotar mientras se enfría con lluvia deagua. Este método se ha aplicado a melocoto-nes, peras y manzan as envasad as en recipientesde gran volumen. No es en sí un sistema de

envasado aséptico, toda vez que el enfriamien-to transcurre una vez se ha llenado y cerrado elrecipiente.

Proceso IATA (Instituto de Agroquímica yTecnología de Alimentos, Valencia). Consisteen calentar y enfriar la fracción sólida del ali-mento con el líquido, el cual se mantiene a unatemperatura dada haciéndolo circular en circui-to cerrado a través de un cambiador de calorque opera según el caso con vapor o con agua

Proceso RotaH old. Propuesto por Síotubo de mantenimiento incorpora una cácircular con paletas giratorias que retar

paso del sólido. Se consigue así que el reciba un tratamiento correcto sin llegsobrccstcrilizar el líquido.

Proceso Júpiter A P V (“Aseptic ProceVessel”). Es sin duda el sistema más desardo de los expuestos. Las fracciones sóllíquida se tratan por separado. El líquidsom ete a un ciclo de esterilización convencmientras que el sólido se introduce encámara de doble cono (DCAPV), tal com

que se representa en la figura 1.19, proviscalefacción directa c indirecta con vapoagua. La primera etapa consiste en el prectamíento deí sólido hasta 90° C, favorecidla rotación controlada del doble cono. Larilización se efectúa potenciando la accióvapor directo con agua de cocción estéril °C. El conjunto condensadoaguasólidenfría sustituyendo el vapor de agua indique circula por la camisa de la cám ara po r

fría. La presión en el interior se conmediante la entrada de aire comprimido esUna vez se ha enfriado el contenido en

8

F IGURA 1.19. Intercambiadcr de doble cono para el

sado asép tico de alimentos particulados: 1: distribui

entrada para vapor, aíre y líquidos de cocción, 2: e



tión, se detiene la rotación y se introduce ellíquido estéril. La cá mara pasa rá ahora, a actuarcomo mezcladora. La operación culmina con el

trasvase de la m ezcla esterilizada a la llenadora.El sistema Júp iter pued e aplicarse a gran partede los prod uctos v egetales y cárnicos.

Calentamiento óhmico. Esta técnica, recien-te, abre grandes expectativas al tratamientoHTST de alimentos particulados. El productose bombea por un dispositivo provisto de elec-trodos. que inducen el paso de la corriente através del alimento, generándose así calor(efecto Joule), tal como se representa en la

figura 1.20. El producto se transfiere posterior-mente al sistema de mantenimiento para, porúltimo, proceder a su enfriamiento. El procesono origina grad ientes térmicos en tre las fases, loque da lugar a un p rod uc to final de a lta calidad.

FJ sistema tiene serias limitaciones. Sóloadmite alimentos bombeables y que sean capa-ces de conducir la corriente eléctrica. Por otra

parte , se ha de te ner en cuenta que las seccionesde ma ntenimiento y enfriamiento son de carác-

Salidade producto

ter convencional, y que sus propias limitacise extienden al conjunto del sistema. Podemás, el procesado óhmico proporcion

calentamiento rápido y uniforme de los protos bifásicos, con un equipo exento de cocaciones mecánicas. Su control y mantenimto es sencillo y eficaz y el ensuciamiento La instalación es de gran seguridad y preunos períodos de puesta en marcha y pamuy breves. El aprovechamiento energéticmuy bueno; alrededor del 90% de la eneléctrica se transforma en calor.

Su campo de aplicación no se restringe

etapa de calentamiento del procesado asépque se ha ensayado con frutas troceadas, sy alimen tos precocinados. Se utiliza tam biéla pasteurización de frutas y de pro ductos vtales ácidos, así como en la precalefacciógeneral de productos bombeables. Los equcomerciales operan con corriente alternque evita el empleo de rec tificadores y Ja ación de fenómenos electroquímicos incont

bles. Sus potencias oscilan entre 75 y 300 k

las capacidades de procesado están entre750 y los 3.000 kg/h.

í .3 .3 . Esterilización de envases

En general, la esterilización de los equipelementos que conforman la instalación d

procesad o asép tico depende, en gran mede la acidez del producto tratado. Las técn

utilizadas en la esterilización de productosdos o acidulados no ofrecen dificultad alg No sucede así con los alimentos de ba ja acque requieren muchas veces la combinaciódistintos sistemas de esterilización y cuyo es bastante superior. Antes de pasar a expla esterilización de envases, se da cuenta dagentes esterilizantes empleados en el prodo aséptico en su conjunto.

Calor. Surge como una prolongación al



Es más eficaz el empleo del primero, ya que laresistencia de los microorganismos espo ruladosal calor seco es mayor. Cuan do se aplica a p ar-

tes metálicas voluminosas, la temperatura pre-cisa con calor húmedo es del orden de 1 2 0 °C,mientras que con calor seco puede estar entomo a los 200 "C.

Productos químicos. Aunque su uso planteacontroversias, parece que hay una amplia acep-tación en cuanto a la bondad que ofrece elempleo del peróxido de hidrógeno. Otros aditi-vos ensayados, principalme nte con envases quecontienen alimentos ácidos, son el etanol, óxido

de etileno, ácido peracético y otros ácidos orgá-nicos. En Estados Unidos se autorizó el empleode peróxido de hidrógeno en 1981, pero r es trin -gido a envases de polielileno. Actualmente, lalegislación estadounidense ha ampliado sucampo de aplicación a otros materiales, asícomo su concentración máxima permisible unavez se llena con agua el envase estéril, que ha

pasado de 0,1 a 0,5 ppm. Com o este aditivo noes muy eficaz a temperatura ambiente, se usa

en combinación con calor. Esta sinergia pro po r-ciona una esterilización rápida de los equipos ode los envases.

Rad iación /}, Se viene utilizando desde haceaños en la esterilización de envases de produc-tos ácidos. Estos recipientes se tratan con dosisen torno a los 1,5 Mrad. Más recientemente, suuso se ha extendido a algunos pocos envases de produc tos de baja acidez. Se entiende que lasdosis empleadas al respecto son bastante supe-

riores. La esterilización del envase es función,además de l ma terial del mismo, de la acidez delalimento que va a contener y de su integraciónen la línea de procesado aséptico.

Enva ses metálicos. Son los más indicados pa ra al im entos de baja acidez. Su esterilización por el proceso Dole se lleva a cabo con calorsobrecalentado a 225 °C. El enfriamiento es porrociado con agua estéril.

Envases pre form ado s de cartón. Los envases

Envases pre form ados de plástico rígidoesterilizan con peróxido de hidrógeno y cOtros sistemas, todavía en fase experime

emp lean luz U V o vapor saturado. Enva ses de plástico flex ible. Se ha impula esterilización por irradiación de rayos Xcámara de llenad o para estos envases se pesterilizar con peróxido de hidrógeno y cacon vapor saturado. Se tiende a esteriliz

plástico como etap a final de su fabricación peró xido de hid ró geno y calor, an tes de lamación de las bolsas.

1.3.4. Esterilización de equipos

Los equipos y conducciones pertenecieal tratamiento térmico del producto se somdurante 30 minutos a una tem peratura de 12

(alimentos d e ba ja acidez) o de 104 °C (alitos ácidos). Se entiend e que se puede operaotras condiciones distintas siempre que la elización alcanzada sea equivalente. Los ag

esterilizantes al uso son agua caliente, cmedio de precalefacción, y vapor saturadocuales se hacen circular por la instalación.

La esterilización de la maq uinaria y equde las secciones de llenado y envasado se túa creando una zona aséptica en su entoEsto implica, además de la esterilización dequipos, la necesidad de operar en un am bestéril. La esterilidad del aire y sus condunes se puede conseguir por calefacción

mismo o po r filtración. En este último casel que se precisa la esterilización previa de l pio filtro, el co ntrol de la es teri lidad eambiente resulta dificultoso. El recinto ocon una ligera sobrepresión respecto atmosférica, a fin de evitar posibles reconnaciones.

1.4. Pasteurización



la conservación de los alimentos respetando al máximo sus características nutritivas y organo-lépticas. Sacrifica el tiempo de conservación del

producto, breve en relación a una esterilización convencional, aun en ambiente refrigerado, en beneficio de su calidad. Desde e l punto de vista técnicoeconómico, es te procedimiento, habida cuenta que las temperaturas de operación no suelen superar los 100 °C, permite el empleo de agua como agente de calefacción, con las 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 microorganismos más sensibles a la temperatu-ra. As í pues, el tratamiento es capaz de neutra-liza r 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 tratamiento depende, funda-mentalm ente, del pTT del pro ducto . Si el ali-mento es ácido, situación en la que no cabe esperar gérmenes patógenos, la pasteurizaciónincide sobre los microorganismos alterativos y sobre la actividad enzimática. F.n el caso con-

trario, alimentos de baja acidez, el procconcibe com o un medio d e garantizar la lidad comercial del producto, es decir, se

ra la ausencia de patógenos.Las condiciones en que opera un paste

dor se establecen atendiendo a la destrude los microorganismos más tennorresisa la inactivación de enzimas y a la degrad e los factores de calidad del alimento. Sde conocer, pues, los respectivos tiempreducción decimal ( / ) ) y, una vez fijado e lde proceso requerido (n), asignar una indad de tratamiento tal que no altere la c

original del producto. Se llega así, comoha expuesto con anterioridad, a la convende operar a altas temperaturas y tiempotos, fundamento de los procesos IÍIST.

1.4.2. Equipos

La pasteurización de los alimentos, yenvasados o a granel, se puede llevar a c

continuo o en discontinuo. La seleccióequipo más adecuado para ello depende,otros fautores, de las características del ato, de la capacidad de producción deseadmodo de presentación elegido. En el cuadse recogen los equipos de pasteurización y algunas de sus aplicaciones.

CUADRO 1.6

Instalaciones de pasteurización

Operación Envasado /mentos A granel

Discontinua Baño de agua Cerveza, zumos de frutosLeche, zumos de frutas.Huevo

líquido y productosviscosos

Recipientes encamis1. de sup. rascada

Continua TúnelEstérilStorilmatieInfrarrojosMicroondas

CervezaBatidosConservasPan y pasteleríaZumos de frutos

Leche, deriv. lácteos,Zumos

de frutas, huevoliquido, cervezas y vinos.P, lácteos, mayonesa,ketchup, a límenlos

1. de placas

1.de tubos concéntri



Alimentos envasados. El material del envasecondiciona el agente de calefacción. Asá losenvases de vidrio siempre se pasteurizan con

agua caliente, mientras que cuando son metáli-cos o de plástico se suelen tratar con mezclas deaire caliente y vapor de agua. Esta norma obe-dece a que el vidrio no puede soportar choquestérmicos entre su superficie y el foco calientesuperiores a los 20 °C, cuestión que no tienetrascendencia en los otros m ateriales citados.

Los equipos discontinuos de pasteurizaciónde alimentos envasados se basan en un baño deagua caliente, en el que se sumerge una jaula

que sopo rta los envases. Transcurrido el tiemponecesario, éstos se enfrían sustituyen do el aguacaliente por agua fría o se transportan a unsegundo baño, de agua fría. El sistema es dis-continuo respecto a los envases, que se proce-san por cargas, y continuo en relación al agua,que se recircula a través de un cambiador decalor.

Los equipos continuas con agua calicnLeconstan de una cinta sinfín que transporta los

envases por las zonas de calentam iento y enfria-miento dispuestas en serie, de tal forma que se

pueda so mete r al pro ducto a un perfil de te m - pera tu ra s preestab lecido. El agua de estos tú ne-les se dispersa entre los envases por rociado (seconoce como ducha). El agua se recircula entrela zona de precalef acción, do nde se enfría mer-ced ai calor sensible que cede al producto, y lazona de enfriamiento, donde se calienta debidoal calor que toma del alimento envasado. Se

consigue así un buen aprovechamiento de laenergía puesta en juego y un menor consumode agua. La sustitución del agua por mezclasvapor de aguaaire redunda en un calentamien-to más rápido, es decir, se necesita un túnel demenor longitud (menos espacio). La tempera-tura en las distintas zonas de calefacción seaum enta disminuyendo la proporción de aire enla mezcla. El enfriamiento se lleva a cabo conagua, bien por ducha, bien p or inmersión.

ción se efectúa por nebulización de] proden una cámara sometida a vacío. Entre losteurizadores discontinuos el más extendi

sencillo es aquel en el que el líquido se traun recipiente por cuya camisa circula calien te o va po r de agua. Si la viscosidad demento es elevada, la pasteurización se efen un cambiador de superficie rascada.

Po r lo general, el tratamiento d e un alito a granel equivale a operar con grandesducciones, esto es, en continuo. El equipodifundido al respecto es el intercambiadocalor de placas, que puede llegar a tratar c

de 100.000 1/h. Se integra dentro de una inción constituida por distintas etapas dispuen serie. El alimento parte del tanque de lación a la sección de regeneración, en la q

precalienta co n el pro ducto ya pasteu rízluego, se prosigue el calentamiento con el tivo de alcanzar la temperatura de pasteución. Una vez alcanzada, su recorrido hassección de regeneración le proporciona el

po de reside nc ia necesario para com ple t

pasteurización. El en fr iamie nto se culm indos etapas consecutivas, una con agua fríaotra con agua refrigerada. La instalación,opera con agua caliente, incorpora una váde desviación de flujo que permite devolv

producto al tanque de regulación, antes enfriamiento, si éste no ha sido pasteurízEn la figura 1.21 se sintetiza el proceso deteurización. Las ventajas más significativaestas instalaciones respecto a las de pasteu

ción de alimeuLos envasados son:

• Pasteurización más hom ogénea (proto de mayor calidad).

• Mecánicamente más simples (mcoste de mantenimiento).

• Tamaño meno r (ocupan me nos espa• Menos mano de obra (reducción de

tes de fabricación).• Son más polivalentes en cuan to a div



Si el alimento no se puede bombear con cier-ta facilidad, se recurre por lo general a un inter eambiador de tubos concéntricos. Las grandes producciones que se pretenden alcafar 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 imponerse lentamente con determinados productos de panadería y paste-lería. Los microondas presentan un claro condi-cióname 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 bidon es de 2001 de cartón

ratura (56 °C) en un túnel convencionaducha ascendería a 54 min.

1.5. Escaldado

Este tratamiento térmico, también conocomo blanqueo, persigue la inhibición de lavidad cnzimálica residual de ciertas frutas y

duras, que podría dar lugar a la alteración ntiva u organolética del producto. El escalcumple una serie de objetivos secundariosvarían según qué proceso se plantee con prioridad para asegurar la conservación demento. El tratamiento es moderado, enríe 100 °C, con agua o con vapor de agua. F.mento puede verse afectado, más por la pérde componentes solubles en agua que por sumodegradación. Se ha de indicar, por otra p



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 de instalación al efecto se estable-cen atendiendo al tamaño y características del alimento a tratar, así como al posterior proceso de conservación seleccionado. En el cuadro 1.7 se da cuenta de los distintos objetivos que se

persiguen durante el escaldado.

CU DRO 1.7 El escaldado como operación previa a la conservación

de alimentos

Conservación Objetivos

Duihldratacinn Mnntflnimienici del aroma y color

Preservación del contenido vitamínicoReducción da la carga microbiana

superficialMejora 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 eliminación de gases ocluidos puede

estar dirigida a limitar posibles reacciones de oxidación durante la congelación o a evitar que se desarrollen elevadas sobrepresiones internas durante la esterilización de) alimento envasado. En es le segundo caso, la desorción de gases palia la corrosión interna del envase y facilita la obtención de vacío en su espacio de cabeza. El escaldado, por Otra parte, da lugar al reblande-cimiento y contracción del producto, homoge ncizando su densidad, lo que favorece su llena-

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

CU DRO 1.8 Comparación entre el ogvayel vapor de agua

como agentes de escaldado

Fscotdodcr Ventajo* inconvenientes

guo

* Instalación** sencilas • Extracción

y económicas.

significativa d

• Rendimiento energético componentes

aceptable.

solubles.

• Ofrece uno gton

• Da lugar a

versatilidad. Permite

vertidas

operar a distintas cuantiosos

temperaturas.

y muy

♦ El lavado de la contaminantes

irtstaloción es

• Contraindicar

simultáneo al

paro proceso de

conservacione

escaldado.

por congelac

E aguo de

escaldada puede dañar

tejidos par «¿sioliración.

Vapor

* Extracción «ninima * los equipas s

de componentes

esterilizan con

solubles. facilidod.

* Mucho menos • Instalaciones

contaminante en

costosas

cuanto a volumen

* Rendimiento

de vertido y

energético mu

concentración bajo.

de materia orgánica.

• Equipes poco

versátiles. Está

diseñados po

operara una

determinado temperatura.

• No lava el producto.

• Hay qte para

lo producción

proceder a l la

de la instalaci

El vapor de agua está recomendado parmentos de gran superficie por unidad de v



La elección, pues, del agente de escaldado másadecuado al caso depende tanto del tamaño yform a del alimento como de su naturaleza y ter

mosensibilidad, especialmente a nivel super-ficial, donde pue den darse fenómenos de dese-cación.

1,5.2. Equipos

En general, el desarrollo de las instalacionesde escaldado tiende a mejorar el aprovecha-miento energético y a reducir los consumos de

agua o de vapor de agua, que en los sistemasconvencionales están en torno a 1 y 0,5 tonela-das por tonelada de producto, respectivamente.Otra línea de interés se centra en disminuir laelevada DQO de los vertidos asociados a estaoperación p otenciando la retención de sus com-

ponen tes hidroso lubles, lo que redunda en un amayor calidad del producto escaldado.

A ) Escaldado po r inmersión en agua caliente

Cilindro rotatorio. El alimento se transportaa través de un tambor perforado y coaxial a lacuba, parcialmente sumergido en la misma,merced aí movimiento que le confiere el rebajehelicoidal interno de sus paredes, que actúacomo un tornillo sinfín (o de Arquímedcs). Eltiempo de residencia del producto se controlamed iante la velocidad de giro del cilindro m etá-

lico. Las restantes variables del proceso son: latemperatura del agua, que se regula por inyec-ción de vapor, el flujo de p rod uc to y el volumende agua, cuyo nivel en la cuba se controla porrebose. La reposición del agua que arrastra el pro ducto se efe ctú a en co ntinuo. Es im por tanteoperar con una relación producto/agua deter-minada. Si esta relación aum enta, se resiente elrendimiento energético. Por el contrario, si larelación disminuye, se favorece la extracción de

agua de escaldado a través de un tubo meEn este caso, el tiempo de residencia se la po r medio de la velocidad de circulació

suspensión y de la longitud del tubo. Esttalaciones, que ofrecen una mayor capacitratamiento y ocupan menos espacio, pemplearse como m edio de transporte.

El escaldado por inmersión en aguaen las dos mo dalidades expuestas, un dete aprovechamiento energético y una alcontaminante. La solución más inmediatafrontar estos dos inconvenientes consila recirculación parcial del agua, interc

en el circuito un intercambiador de calvapor de agua. De este modo todo elcondensa, mejorando el aprovechamenergético. Por otra parte, la nueva dción permite limitar la extracción de cnentes hidrosolubles, lo que supone un contenido de materia orgánica (DQO)vertido, cuyo caudal pasa a ser muy inqueda restringido a la purga del circure circulación .

La recirculación del agua de escaldadsenta, sin embargo, un inconveniente añcual es, como en todo circuito de estas crísticas, la posible proliferación de florariana termófila. Por ello, se ha de tener to la cloración de las aguas como medidmicida. Asimismo, conviene reseñar la tancia que presenta la influencia del pagua. La extracción de ácidos orgánicos te el escaldado con agua pued e originar, s

tampona el medio, su acidulación, ló quvez favorece la lixiviación de ia clorofotros casos, se puede aprovechar esta ctancia para moderar la intensidad delmiento, toda vez que la termo destrucciómática es tanto mayor cuanto menor esdel medio. Estos inconvenientes se han snado en gran medida con la aparición escaidadorenfriador integrado, que pm ejorar el aprovechamiento energético y



cuestión crítica si se quiere abordar inmediata-mente después la congelación del alimento.

Proceso in tegrado l.Q .B . (Individual Quick

Bleaching). Consta de cuatro etapas en serie: pre calenta miento co n ag ua a 70 °C escaldadocon agua/vapor a 90 °C, prcenfri amiento conagua a 30 °C y enfriamiento con aire. El pro-ducto se transporta mediante una cinta sinfín através de las secciones, donde el agua se distri-

buye por aspersión y se recoge por la parte in fe -rior; el aire frío incide perpendicularmentesobre e] producto en un sentido u otro, según ladensidad de éste, de tal forma que el alimento

acaba por alcanzar una temperatura de unos pocos grados ce ntígrados .

El elemento crucial de la instalación es elintercambiador de calor, en e). que se cruza lacorriente de agua de salida del preealentador,que llega a 25 “C, con la corriente de agua pro-ceden te del preenfriador, a 80 °C. De este modo,tal como se puede apreciar en la figura 1.22, seconsigue simultáneamente la calefacción delagua de precalentamienío y cí enfriamiento del

agua de preenfriamicnto. El rendimiento entáí pico del sistema llega así al 70%. El ef luente p ro-ducido es, por otra parte, muy reducido. El con-sumo de agua baja hasta el metro cubico porcada diez toneladas de producto.

Una modificación del proceso integrado des-crito consiste en prescindir del intercambiadorde calor. Así. el agua de salida de la sección de

preenfr¿am iento se re circula direc tamente y encontracorriente a la unidad de prccalentamien

to. Si bien la inversión re que rida es menor, al noaprovecharse el agua de salida del precalenta-

miento se trata de un circuito abierto, s para eí co nsu mo de agua y el cauda l del ve

B) Escaldado con vapor de agua

De túnel. Consiste en un túnel por el qtransporta el alimento sobre una cinta

bajo atmósfera de vapor. El control del tide residen cia se efectúa actua ndo sobre lacidad de paso del producto. En cualquierel rendimiento energético es muy bajo10%). Para mejorar este aspecto se han

rrollado distintas soluciones. Se puede ple ar duchas de agua a la entrada y sa litúnel para condensar el vapor residual 20%) o reducir sus perdidas con ayuda deválvulas rotatorias para la carga y descarg

pro ducto (77 = 30%). Escaldado terrnodclico. En estos equip

vapor residual de baja presión se recircuarriba a abajo, merced a la succión propnada por la entrada del vapor de alta pr

(mayor energ ía) a través de un sistema VcLa entrada y salida del producto se efectúayuda de u n cierre hidráulico para evitar das de vapor.

Escalda do de cierre hidrostático. El agesta ocasión, además de destinarse a cercámara de vapor, se hace circular en conrriente respecto al sentido de flujo del prto, de tal modo que contribuye a su enfriato, lavado y precalefacción.

Proceso l.Q .B . Surge como una solucgradiente térmico que se establece en



superficie del producto y su centro, que puededar lugar, si se quiere asegurar la inactivaciónenzimática en las zonas interiores, a la deseca-

ción periférica del alimento, con La consiguien-te alteración de su textura y calidad. El procesose lleva a cabo en dos etapas: u na prim era, en laque se calienta el producto dispuesto en monocapa, seguida de una segunda, que discurre enuna cámara adiabática, donde se procede a sumantenimiento en multicapa a una determina-da temperatura. Con este procedimiento,esquematizado en la figura 1.23, se consigue:

• un más que significativo ahorro energ é-tico,

• un producto más uniform e y de mayor calidad,

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

• un efluente de m enor caudal y carga con-taminante.

El producto se transporta mediante una

cinta sinfín que atraviesa las láminas que sepa-ran entre sí las distintas secciones a fin de limi-tar las perdidas de vapor, En ocasiones, antesdel escaldado del producto se procede a susecado con aire, lo que origina cierta reabsor-ción de vapor durante la fase térmica. Esta

práctica mejo ra la rete nció n de nutr ie nte s yvolátiles, redundando en un tratamiento delefluente final más económico. El enfriamiento

Homogenoización

del producto, dispuesto en un a sola capa (coen la fase de calentam iento), se efectúa con saturado.

Lecho fluid izado. Hasta ahora, los escaldores descritos se justifican por un mejor dimiento energético respecto al convencionde túnel. El dispositivo analizado en este cse centra en un tipo de contacto, el inhe renla fíuidización de un sólido, que permaum entar la velocidad d e transmisión del cacon la consiguiente reducción del tiempoescaldado.

En las instalaciones de lecho fluidizado

alimento se pone en contacto con una mezaire/vapor de agua a 95 °C que circula a tradel lecho con una velocidad de 45 m/s. Ea mcla cumple, pues, una doble función: accomo gas fluidizantc y fluido calefactor. Su acación queda restringida a aquellos sólidos

por su tam año y fo rm a sean susceptibles de fdización. Las principales ventajas asociadaesta técnica son:

• Contacto fluido/sólido muy buenohomogéneo.

• Tratamiento uniforme.° Tiempos de escaldado breves.* Extracción limitada de nutriente s y o

com ponentes hidrosolubles.* Efluentes no excesivamente conta

nados.

Empleo de vap or sobrecalentado . Es

medio de reducir el tiempo de escaldado yevitar prácticamente efluentes de vertido. embargo, la ausencia de condensados requuna gran velocidad de paso (con riesgosarrastre del producto) y una considerable t

peratu ra de sobrecalcfacc ión (con riesgostermodegradación superficial del producEstas dos condiciones encarecen notab lem eel empleo de vapor sobrecalentado. Adem ásha de tener en cuenta que, si bien la fase



Empleo de microondas. Esta técnica, aunsiendo prometedora, plantea una serie de cues-tiones por resolver, a saber:

« No es aplicable a piezas grandes. Su pro-fundidad d e pene tració n es escasa.

• No es aplicable a alimentos con ciertocontenido de agua. La evaporación dcíagua supone un enfriamiento que puededar lugar a un escaldado deficiente.

• En principio, el escaldado no genera ver-tido alguno. Ahora bien, al igual que enel caso de utilizar vapor sobrecalentado,

si se enfría el alimento con agua se pro-duce el efluente correspondiente, muycontaminado.

• Origina, por lo general, cierta desecaciónsuperficial.

• Su coste es po r el mo me nto prohibitivo,especialmente en las industrias de ali-mentos estacionales.

C) Sistemas de enfriamiento

El procedimiento más sencillo consiste en lainmersión del producto en agua. Supone unconsumo adicional de agua y un foco de conta-minación. La aspersión o pulverización de aguaes un modo de reduc ir este consumo, aun cuan-do la carga contam inante se mantenga práctica-mente constante.

El enfriamiento con aire, que es la técnica

utilizada para evitar la contaminación, depen-de básicamente de su contenido de humedad.Así, cuanto más seco sea éste, mayor capaci-dad de evaporación (o de enfriamiento) ofre-cerá. Sin embargo, esta práctica puede darlugar a la desecación del producto. En casosextremos caben dos soluciones: pulverizaragua sobre el producto o saturar el aire. La

prim era altern ativa tiene la ventaja de se r un procedim ie nto más rá pid o, ya que el enfr ia -

1.6. Tecnologías avanz ad as

en la esterilización de alimentos

Tal como se aprecia en el cua dro 1.9, las nicas avanzadas en la esterilización de alimtos se pueden clasificar atendiendo a la precia o no de un foco de calor. Algunos procetérmicos reseñados no se tratan en esta oLa calefacción óhmica se ha abordado en mismo capítulo (apartado 1.3.2) como un sma de intercambio de calor dirigido al tmiento HTST de alimentos particulados. Osistemas al respecto son el APV Júpiter y

RolaHold.

CUADRO 1.9Tecnologías avanzados en lo esterilización de alime

Procesos térmicos Procesos a baja tempera

■ Colefaeción por • Aplicación de elevada

microondas y radio presiones hidrostáticas

frecuencia. • Empleo de campos

• Calefacción óhmica. eléctricos pulsantes.

• Métodos HTST para • Estéril ¡zac ¡ón por pulsoalimentos particulados. de luz.

* Cocina do por extrusión. • Radiaciones ionizantes

• Manotermosonicaciór

En síntesis, se pude concluir que los mdos de calefacción eléctrica, ya sea ésta dietrica u óhmica, dan lugar a un tratamientomico más homogéneo con un flujo de calor

elevado. En su contra, cabe citar su coste, por el momento no es competitivo resp eclos procesos térmicos convencionales de eslización basados en la transmisión de calorconvecciónconducción. A continuación,expo nen los principios en los que se fundamtan los distintos procesos a baja temperatuexcepción del empleo de radiaciones ionites, m ateria d el próximo capítulo.

Aplica ción de elevadas presiones hidros



logia que perm itió in stalar las prime ras plantascomerciales de esterilizac ión de zumos de frutasy mermeladas basadas en la aplicación de una

alta presión hidrostática. El efecto de la presiónsobre un alimento se traduce en:

• una disminución de la síntesis del AD Ncelular,

• un aumento de la permeabilidad de lamembrana celular, con pérdida de líqui-dos,

• la desnaturalización de proteínas,• la destrucción de bacter ias vegetativas y,

según el caso, de formas esporuladas,• la inactivació n enzim ática por cambios en

la estructura intramolecular.

El proceso no altera, sin embargo, las molé-culas asociadas a los aromas y vitaminas. La

presión sí afecta en cam bio a la textura de cier-tos tejidos. Aumenta, asimismo, la digestibilidad de la carne y de los almido nes. La sensibili-dad de los microorganismos frente a la presión

depende de numerosos factores (composicióndel medio, actividad de agua, temperatura,etc,). En el cuad ro 1.10 se estab lecen cinco gru-

pos de microorganism os según la resis tenciaque presentan frente a la presión.

Las instalaciones comerciales operan a 40ÓMPa y están constituidas por un recipiente deacero de 501.500 1de volumen. Cuentan, ade-más, con un dispositivo para aumentar la pre-sión, con un sistema de d espresurización y con

sendos controles de presión y temperatura. Elmétodo de operac ión es p or cargas, bien del ali-mento envasado en varios recipientes flexibles,capaces de transmitir la presión, bien en unrecipiente único (en bloque o “bul.k”) o, incluso,a granel. Como se puede apreciar en la figura1.24, la presurización se efectúa mediarle una

bo mba de baja presión que actú a so bre un sis-tema hidráulico para elevar ésta hasta el valordeseado (principio de Pascal). El dispositivo

puede hac er incidir directa m ente el pistón de

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

Microorganismo Género Presión (fcb

Bacterias Gramneg ativas

PseudomonasSa/monellaCampylobacter

3

Levaduras Candida Saccharomyces

4

Bacterias Grampositivas

Micrococcus Siaphylococcüs S treptomy ces

ó

Esporasbacterianas Bacittus ó + ÓQ °C + 4

Toxinas debacterias

C/osfrídíumbotulinum

ó [Destrucción

ducción hasta eí recipiente (sistema exterpartir de cierta escala, se prefiere la sealternativa, que ofrece menos problemas

nicos. La operación se puede considerar ma. Aunque la compresión adiabática desupone un aumento de la temperatura

a tratar

Cierreinferior



2 °C/MPa), ésta se reduce de nuevo con rapidezen el posterior proce so de expansión.

La aplicación del principio de Pascal en

estos equipos transm ite la presión instantánea yuniformemente a todo el volumen de la carga,independientemente de su forma y tamaño.Aun cuando el tiempo d e residencia está entre1 y 5 min, la duración de un ciclo (apertura,descarga, limpieza, carga, prcsurización, m ante -nimiento y despresurización) asciende a 1215min, según el envasado sea en bloque o indivi-dual, Lo idcai es operar alternativamente condos unidades en paralelo. Los principales

inconvenientes de este tipo de procesa do son:

* La elevada inversió n requerida.* Sus costes de operación, considerables.* Las condicione s de seguridad inherentes

a una tecnología que opera a altas presio-nes.

Empleo de campos eléctricos pulsantes. Estatecnología representa una de las alternativas

más prometedoras a los métodos convenciona-les de pasteurización. La pasteurización fría , sobrenom bre con eí que se conoce a este proc e-so, perm ite aseg urar la conservación de ciertosalimentos (leche, huevos líquidos, sopas yzumos y concentrados de fruta) respetando engrado sumo su calidad original. Su aplicaciónqueda limitada a productos bombeables, capa-ces de conducir la electricidad y exentos de

pa tógenos esp orulado s. La operación se puede

llevar a cabo en continuo o en discontinuo.El equ ipo de generación de pulsos consta de

una fuente de alimentación de alto voltaje,desde donde se conduce la corriente eléctrica aun condensador, que actúa como sistema dealmacenamiento eléctrico, elemento desde elque se regula la frecuencia y tipo de descargasobre la cámara de tratamiento. La cámara,cilindrica, está constituida por dos electrodosde carbono, uno central y otro de contorno,

de campos eléctricos, uniformes. El cieléctrico permite controlar, entre otras

bles eléctricas de l proceso , la in tensida

campo eléctrico (2080 kWfcm), la duraci pu lso (110 jtis), la capacitancia (80 nF9,6la frecuencia pulsante. El campo eléctricsante que se genera en torno al alimenlugar a una acumulación de calor, que se mtravés de la temperatura adquirida por lotrodos , y que se controla reguland o la velodel agua de refrigeración que circula por cuito alojado en el electrodo central.

El campo eléctrico pulsante induce la

irreversible de las membranas celulares microorganismos, la cual es función de su

pie dades víscoclásticas. Parec e se r que elmeno comienza con la dilatación de la sucie de las membranas por fluctuaciones svas, seguida del ordenamiento molecularmisma, lo que da lugar a la aparición de dtinuidades superficiales y a la expansión

poro s, que co nduce a la ro tu ra mecán icacélula. El fenómeno en su conjunto se c

como electroporacLÓn.La em presa “Puré Pulse Technolog ie

desarrollado una planta piloto (proceso Puré”) capaz de procesar en continuo 20La instalación incluye los depósitos de atación y del producto tratado, así como elcam biado r de calor para el pos terior procenfriamiento. Los costes de tratamien to, tización y mantenimiento incluidos, se esequivalentes al consumo de 100 k.T por li

producto trata do. Esteri liza ción por puls os de lu z■En

dad se trata de una variante del procesoriormente descrito, que goza, en lo que mento se refiere, de las ventajas ya expuAmbas modalidades de tratamientos pulsse agrupan bajo la denominación de prode energía pulsante. El circuito eléctritambién semejante, aunque en esta ocasgeneración de los pulsos de luz blanc



no (200 nm) hasta el infrarrojo (1.100 nm). Laduración de cada pulso de luz es de 200 a 300jLís y su frecuencia de 1 a 10 s1. La intensidad

lumínica de los pulsos es unas 20.000 vecessuperior a la de la radiación solar sobre lasuperficie terrestre.

La luz no es ionizante, de ahí que no sedifunda a través de materiales opacos. Sinembargo, se transmite a través de muchosmateriales de envasado, lo que perm ite el tra ta-miento de productos envasados sin riesgos derecontaminación. El efecto de la luz sobre iosmicroorganismos se desarrolla en la misma

línea ya expuesta, pero con mucha más intensi-dad; es capaz de asegurar la esterilidad comer-cial de alimentos poco ácidos, envasados o no,incluso si éstos contienen esporas bacterianas.Su campo potencial de aplicación es muyamplio: frutas y verduras frescas, carne, pesca-do, huevos y ciertos líquidos y suspensiones.

La emp r es a an t e s c i t ad a p o s ee u n a p l an t a

p il o to de 200 1/h (p ro c e so “ P u r é B r ig h t”) y u n a

un idad ya comerc i a l , de 8 .000 1 /h de huevos

l íqu idos . Los cos t es de operac ión se es t imaneq u i v a l en t e s a l co n s u mo d e 45 J p o r cm 2 d e

super f i c i e t r a t ada , c i f r a acep tab le . No sucede

as í con l a i nver s ión r equer ida , t odav ía r e l a t i va-

m en t e e l ev ad a p a r a la i n d u s t r ia a l im en t a ri a .

Manoterm osonicac ión. Este método, quese plantea como una alternativa a los trata-mientos térmicos, es capaz de conseguir un ali-mento menos termodegradado, de mayor cali-dad. Se basa en la combinación simultánea de

calor (<150 CC) y ondas de ultra son ido (<145/mi) bajo presión (<1.000 kPa), que por separa-do tienen una eficacia contrastada. En estecaso, la sinergia que se desarro lla ga rantiza unaesterilidad adecuada, sin forzar el nivel de ope-ración de ninguna de las tres variables implica-das, lo que podría perjudicar la calidad final delalimento, especialmente la temperatura. Suaplicación es factible desde el punto de vístamicrobio!ógico: el proceso destruye con eficacia

do previo que r equ iere la esterilización térconvencional de ciertos alimentos.

La propagación d e las ondas de ultraso

a través del líquido a tratar genera, altervamente, zonas de comprensión y de exsión. En las primeras, las moléculas del líqtienden a aproximarse entre sí, mientrasen las segundas, las ondas permiten reduc

pre sión absolu ta del líquido por debajo d pre sión de vapor, fenóm eno conocido ccavitación, que da lugar a la apariciónmieroburbujas de vapor. Los sucesivos cde compresiónexpansión originan el aum

del volumen de las burbujas hasta un detenado tamaño crítico, a partir del cual la gía proporcion ada por las ondas no es capmantener la fase vapor en el interior dmismas. Se produce entonces la condensasúbita del vapor, con la liberación paralegran cantidad de energía en forma de calondas de choque, producto de las colisientre las moléculas del líquido de las burbya rotas. La cavitación del líquido o rigina

rotu ra m ecánica de las es tructuras celularlos microorganismos.

■ La presión cumple un doble objetivouna parte contribuye a la destrucción de morganismos y, por otra, regula la intensidala cavitación en función de la temperaturoperación. Dado que el aumento de la teratura supone un aumento de la presióvapor del líquido, con la consiguiente dismción de la energía liberada al amortigua

vapo r las colisiones moleculares, un incremde la presión compensará el efecto de la teratura, manteniendo así la intensidad del meno en el nivel deseado.

La letalidad del tratamiento es directam pro porc ional al tiempo y tem peratu ra estabdos y a la presión y amplitud de las ondaultrasonidos. La energía que proporcidichas ondas, que es función del cuadrado amplitud, determina la intensidad de la ca



1.7. Efectos del color

sobre los alimentos

El tratamiento térmico de los alimentos, aligual que el resto de métodos de conservación,

puede co nsiderarse un “mal m enor”. Pre sentauna serie de efectos secundarios que alteran lacalidad nutritiva y sensorial deí producto final.Aunque las condiciones de operación se esta-

blecen ate ndie ndo a la diferencia ex is tenteentre los valores de D y Z de ios microorganis-mos y los de los parámetros de calidad, de taiforma que estos efectos se den en la menor

medida posible, siempre se producirá una alte-ración del alimento.

La intensidad de tratamiento determina elgrado de alteración experimentado por el ali-mento. Se comprende, pues, que la esteriliza-ción del producto envasado lleva consigo una pérdida de calidad su perior a la asociada a una pasteur izac ión o a un esca ldado. Los método sHTST y UHT originan también una alteracióndel alimento, moderada en relación a una

apperttzación, aunque supe rior a la de una pas-teurización.

1.7.1. Esterilización

Los principales cambios en el alimento secentran en la modificación de su textura o vis-cosidad, según sea este sólido o líquido, en laaparición de sabores u olores extraños o desa-

gradables, en la alteración del color o en sudecoloración y en la pérdida de valor nutritivo por la in estabilidad térm ica de alguno de susconstituyentes.

Olor y sabor. En relación a este aspecto,resulta más crítico el almacenamiento del pro-ducto que su procesado térmico. La presenciade oxígeno pue de dar lugar a la oxidación y descarboxilación de los lípidos, enranciamiento delalimento, con la consiguiente aparición de c om-

tiles a considerar. El calor, po r otra parte , p provoca r la pérdid a de componentes vo lánaturales, modificando así la calidad sens

del alimento.Los efectos del tratamiento térmico, siendo de menor importancia que el enramiento, pueden originar cambios significaen cua nto al olor y sabor del producto. E l

propicia un a se rie de transformaciones econstituye ntes de los alimentos. Así puecomposición del producto determina el tipcambio que éste experimenta. Las carnesejemplo, se ven sometidas a reacciones de

lisis, desanimación, descarboxilación de amácidos, degradación de carbohidratos, etclas frutas y verdu ras prima la pérdida de vles originales por degradación térmica, ya

po r re com binac ión o por volatil ización. Eleche destacan la desnaturalización de lasteínas del suero y la degradación de los lípque da lugar, entre otros compuestos, a larición de lactonas.

Color. El color de un alimento someti

una esterilización depende de la estabilidasus pigmentos, naturales o añadidos. En eldro 1.11 se han resumido las alteracionesmáticas que experimentan ciertos pigmedurante la esterilización de algunos alimeenvasados. La deco loración del prod ucto pdeberse a la descomposición térmica o a ladación del pigm ento, así como a su interaccon determinados componentes del matdel envase.

Además, se ha de considerar que las caesterilizadas pueden ser objeto de empmiento o caramelización debido a las reanes de Maillarcl. La extensión de estas reanes depende de la composición del alimEn la leche ape nas se dan. Los aditivos tam

pueden ju gar un papel re levan te en la coción de los alimentos. Así, el nitrito o el nsódico, que se utilizan para paliar el e

potencia l que pudie ra tener la prese ncClostridium botulinum, originan que las c



CU DRO 1.11

Evolución del color de algunos pigmentos durante el procesado tirmica de alimentos

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

Oxiomloglobínei

M o l

Descomposicióntérmica

Meta miog obina

morrón

Cornes

Mloglobino

(púrpura]


Miohemicromógeno(rojomarrón]

Carnes

Clorofila

(verde]


Feofitina(Decoloración)

Frutas y verduras

Caroteno»

(amarillo, naranja, rojo]Oxidación y/o

epox!

o dstransIsomerización

(Decoloración) Frutas y verduras

Betalina»

(rolo]

Oxidación(Castaño]

Remolacha

Leucoanlocia ninas[Incoloras]


nlocianinos

(oscurecimiento)

Habas, grosellas

Anlodaninas Interaccióncon

Fe o Sn

Complejos metálicos

(púrpura)

tmentos envasados

Leucoantodaninos(Incoloras]

Interaccióncon

Fe o Sn

Complejo* metálicos

fosadas)

Guisantes y membriKos

envasodos

Flavonoldorutlna Interracción con Fe Complejo fénico (oscurecimiento)

Espárragos envasados

ntoeicenlco»

Interacción con Sn

Complejo estanioso

(color azulado)

Frutas rojas envasadas

ntodonlnoí Interacción con Sn

Complejo eskmioso

{rasado)

Peras envasadas

nítricomioglobitia. 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 pigmentos de color marrón.

Textura. El tratamiento térmico de las car-nes envasadas conduce tanto al endurecimiento de su tejido muscular como 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-

teínas que modifican sus propiedades o

les. E l reblandecimiento superficial es usecuencia de la hidrólisis del colágeno, lugar a una gelatina soluble, así com o apersión de la grasa, líquida a las tempede operación.

La materia vegetal, frutas y verdurasrimenta ante el calor un reblandecimienuna parte tiene lugar la hidrólisis de las cias péctidas y la gelatinización de los nes, con. solubilización significativa de cdratos. Por otra, el calor destruye o alt



duce a una pérdida de turgencia y cohesióncelular, que se traduce en el mencionadoreblandecimiento.

Valor nutritivo. El valor nutritivo de un ali-mento puede verse afectado por el calor, si

bien se ha de consid era r que las pérd id as oalteraciones que pueda experim entar se debenal conjunto de operaciones que conforman su

procesado. Así, se ha com pro bado que el la va-do, almacenamiento, preparación, escaldado, presencia o no de un líqu ido de gobie rn odurante el tratamiento térmico del productoenvasado y cocinado o recalentado pueden

contribuir, según el alimento y Jas condicionesestablecidas en cada caso, a la pérdida denutrientes.

Las proteínas de un alimento pueden versealteradas durante el tratamien to térmico al coa -gularse. Las pérdidas de aminoácidos se debena la reacción de M aillard y, en menor medida, asu lixiviación por el líquido de gobierno. Así pues, si no se re ti ra es te líquido a efectos deconsumo, no hay pérdidas significativas por

este concepto. Los aminoácidos más susceptibles de deg radarse son los que contienen azufreen su estructura y la lisina.

Los carbohidratos son los constituyentesnutritivos más estables ante el calor. La posiblegelatinización del almidón durante el trata-miento favorece su digestibilidad. De darse larotura de membranas celulares, aspecto ya tra-tado en relación a la modificación de la texturadel alimento, es probable la pérdida de pcctí

nas, ¡unto con otros nutrientes hidrosolubles(vitaminas, minerales, etc.), por lixiviación acargo del líquido de gobierno.

Los lípidos, sobre todo los insaturados, son proclives a la ox idación, fenómeno que se favo-rece a altas temperaturas. Aunque su principalconsecuencia se centra en la alteración del olory sabor del alimento, la oxidación de las grasasse asocia también a la pérdida de calidad queexperimentan las proteínas y a la inhibición de

geno en el envase y por la incorporación dantioxida ntes más adecuados al caso.

Las vitaminas más sensibles al calor so

ácido ascórbico y la tiamina. Además, el cter hidrosoluble de ambas puede ocasionalixiviación durante el lavado, escaldado ocesado junto a un líquido de gobierno, espemente en el caso de la primera de ellas.vitaminas liposolubles son, por lo general,estables ante el calor que las hidrosoluaunque se encuentran supeditadas a la oción de las grasas. Otras vitaminas susceptde degradarse por acción del calor son la

doxina, el ácido fólico y la riboflavina, ést presencia de luz.

Los minerales muestran, en términos grales, una apreciable estabilidad frente al cSu procesado térmico junto a un líquidogobierno puede originar su lixiviación, autambién se puede dar el proceso inversodecir, el alimento es capaz de captar oligmentos procedentes del líquido de coccióncomo se ha comprobado a través de su con

do final en cenizas.

} .7 .2 . Pasteurización

L a principal ventaja de esta operación ren que, al llevarse a cabo a temperatu ras mradas, se respetan en grado sumo las propdes y la calidad del producto. Como contrtida se resiente su período de conservación,

no pasa d e do s o tres semanas frente a los mque puede perdurar en buenas condicioneconsumo un alimento esterilizado.

La principal precaución a tomar en la teurización consiste en realizar una eficaz dreación del producto. La presencia de

potencia , por ejemplo, el empard amiento mático y las pérdidas de caroteno y vitaminde los zumos de frutas. Las pérdidas de comnentes volátiles debidas a la pasteurización



perm ite enm ascara r el sabor a “cocid o” resul-tante del procesado. P or el contrario, la pérdidade estos volátiles en la leche origina un produc-

to de sabor más agradable al desorberse las sus-tancias responsables de su aroma a establo, aheno.

1.7.3. Escaldado

La intensidad de este tratam iento térmico esintermedia entre la de una esterilización y la deuna pasteurización. Las condiciones se fijan

atendiendo a los siguientes criterios, antagóni-cos entre sí: inactivación de enzimas hasta unnivel dado y mínimas pérdidas de volátiles y devalor nutritivo, todo ello sin rebland ecer dem a-siado el alimento.

Los nutrientes hidrosolubles se pierden porlixiviación en las aguas de escaldado. Las vita-minas, hidrosolubles o no, pueden asimismodegradarse por acción del c a l o r , y en el caso delas liposolubles se ha de contar con la posible

oxidación de las grasas. La vitamina C se tomacomo referencia para e stablece r el nivel de pé r-didas asociado a la operación.

Los pigmentos son también capaces deexperimentar cambios. Cuando se escaldan ali-mentos vegetales se suele alcalinizar el medio,con carbonato sódico o cal, para preservar laclorofila, es decir, el color. El empardamicnloenzimático se limita por inmersión del produc-to (patatas, peras, etc.) en una disolución de sal-

muera al 2% antes de proce der a su escaldado.Cuando el escaldado se concibe como una

operación previa a la esterilización del alimen-to, su reblandecimiento resulta conveniente: sefacilita el llenado. Si el alimento escaldado se vaa someter después a una deshidratación o a unacongelación, es probable que la pérdida de tex-tura en este caso sea excesiva. Se contrarrestaesta posibilidad incorporando al agua de escal-dado cloruro calcico, que por combinación con

En principio, si la operación está bienteada, las pérdidas de propiedades organocas y de valor nu tritivo no han de ser signi

vas. Para ello, se puede actuar sobre unnúmero de variables: superficie por unidvolumen del alimento, intensidad del tratato, sistema de enfriamiento y relación alto/agua entre otras. El principio en qu e se los mé todos HTST, expuestos para el procde alimentos a granel, se cumple tamb ién pescaldado. Es decir, esta práctica preserva

blemente las características originales dmento, En cualquier caso, la principal va

respecto a la calidad del producto escaldael agente de calefacción utilizado. El vapagua tiene una capacidad extractiva de conyentes del alimento muy inferior a la del a

Resumen

1. Se plantean Ion pa rám etro s de la des trtérmica de microorganismos, su sign

físico y la inteiTclación existente entmismos. La evaluación del tratamiento co se extiende también a los factores ddad del alimento a través de sus corrdientes pa ráme tros de termo rresistencivista de los valores resultantes en casos, muy diferentes, se justifica el emen lo posible, de los tratamientos térHT ST por contacto directo entre el agecalefacción y el propio alimento.

2. Se analiza la transm isión de ca lor en l

rilización de produ ctos envasad os en fude las variables del proceso y los innientes que plantea en la práctica. Se por el méto do de Ball, en de tr im en to Bigelow, para el cálculo del tiempo de lización, Se detallan las operaciones p precisas en cada cas o y los equip os de lización utilizados en la industria aliria.

3. Se tra ta la esterilización d e ios alim entenvasar o a granel como una p arte de s



4. El tratam iento térmico de los alimentos no sereduce a la destrucción de los microorganis-mos presentes en el mismo por esterilización

convencional . Existen otras modalidades,como ía pasteurización, t ratamiento másmoderado que asegura la ausencia de bacte-rias de vida vegetativa en el producto, o elescaldado, cuyo objetivo primo rdial se centraen la inactivación enzimática residual de cier-tos alimentos para preservar sus cualidadesorganolépticas. Se citan también algunas tec-nologías de carácter térmico, en fase de desa-rrollo pero muy prom etedoras en el cam po dela esterilización de alimentos.

5. Au nqu e el proc eso de esterilización se diseñaatendiendo a la naturaleza y cuantía de losmicroorganismos presentes en el alimento, para le lam ente se ha de evalua r su incidenc iasobre el produ cto pa ra, si es posible, resp etaren grado máximo sus propiedades originales.

Problemas propuestos

1. Calcule el va lor de D a partir de los siguientes

pares cíe valores tiempo en minutosnúmerode m icroorganismos viables: 0 (N Q):8 ■105; 10:4 ■1CP; 20:105; 30:7 ■1.0'*; 40:3 lO 1*; 50:9 101

2. Sabiendo que un microorganismo prese nta unZ3ll5 igual a 8 minutos y que al cabo de 12

minutos de tratamiento a esa temperquedan todavía 4 ■104 supervivientes, cala población inicial. ¿Cuál será el orde

pro ceso alcanza do en 10 y 20 m in uto s?

3. E n la esterilización de un alim en to seestablecido dos posibilidades para alcaun orden de proceso de 12, a saber: 10durante 100 min o 118 °C durante 6 C alcu le los va lores d e /'95 y de F .l5 pamismo grado de esterilización, así comvalor de D 0.

4. E stablez ca el valor de Q m a pa rtir de los

facilitados en el problem a anterior.

5. Un alimento presenta un microorganesporulado (71 = 10) y un factor de calid= 40) qu e se des ea preservar, cuyos T7,^respectivamente, 8 y 4 min. Aprovechque sus termorresistencias son muy diftes, estime la tem peratu ra a partir de la ctratamiento no supone alteración alguna calidad del producto.

6. Ea curva de penetrac ión del calor d e umento arroja los siguientes datos: T(: = 4T .■=75 °C, f h = 1.5 min y / . = 1,6. El h orha programado para operar a 125 °C y emento, cuyo Z es do 10 °C, tiene un II

min. Calcule el tiempo de esterilización.



2

LA IRRADIACION

DE ALIMENTOS

2.1. Tipos de radiación

2.2. Interacciones de la radiación

ionizante con la materia2.3. Concepto de dosis

2.4. Aplicaciones en la industria

de alimentos

2.5. Estado actual de la tecnología

2.6. Instalaciones

2.7. Dosimetría

2.8. Calidad de los alimentos irradiados



La radiación electromagnética tiene diversas apli-

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-diación (gamma), penetrante, se utiliza en la con-

servación de alimentos por su poder de destrucción

de ios microorganismos en el seno de los mismos.

En 1981 un Com ité m ixto de expertos

FAO/OIEA/OMS llegó a la conclusión de que los

alimentos irradiados con una dosis de hasta 10

kGy no tienen ningún riesgo toxicológíco y desde

1984 esta técnica está incorporada al Código

mentario Internacional.

En este capítulo se estudian las propiedade

las radiaciones ionizantes, su interacción comateria viva, el concepto de dosis de radiac

las aplicaciones industriales en la conservació

alimentos por destrucción de microorganismos

taminantes y parásitos y por interrupción de

sos procesos biológicos. Se describen los irrad

res industriales, su capacidad de producció

dosimetría y la calidad de los alimentos irradia


A Actividad (Bq o Ci) m Masa de alimento irradiada (kg)

c Coeficiente de ajuste en la ecuación [2.3] Mev Megaeíeetrovoltin

d Distancia (m) N N úm ero de micro org an ismos que queda

D dosis de irradiación (kGy) pués de una ir radiación con una dosis D

»10 Dosis de radiación que se requiere para des- N a N úm ero inicial de m ic ro org an ismos pre se

truir el 90% de la población m icrobiana P Potencia de ia fuente (kW)tasa de radiación (üyh"1o RAD.h1) t Tiempo de exposición (h)

E Energía de la radiación (Mev) T Tasa de radiación teórica máxima debida

A E E nergía absorbida por la m ateria y gastada en fuente pro ducir los efe cto s estudia dos X Espesor

Fp Eficacia de l irradiado r d Coeficiente de absorción

GLOSARIO

blindaje : M ate ri al o conju nto de m ate ri ale s que por

absorción de la energía radiante reducen hasta

los límites dese ado s las rad iacio ne s ionizan tes producidas en un ir ra dia dor in dust rial.

energía de la radiación: En el caso de la radiación a

y ¡i es la energía cinética de que están animados

los núcleos de Helio (radiación a) o los electro-

nes (radiación p) que pueden emitir los nuclei

dosradiactivos al desintegrarse. En el caso de la

radiación y es la energía electromagnética emiti-

da en cada desintegración.

de electrones en la que tiene lugar la irradia

de la m ateria con fines industriales.

laberinto: Disposición del blindaje en un irrad iad

dustrial de forma que la radiación no pueda s

pas ar los límites del recinto m ie ntras que el

ducto a irradiar entra y sale en op eración cont

pro tecció n radiológica : Ram a del saber que es

los mecanismos técnicos y administrativos

pre venir que las dosis de radia ció n re sa ll a

de la utilización de irradiadores industriale



radiación ionizante: Radiación cuya energía es ca-

paz de or ig inar cambios químicos en la materia

irradiada pudiendo llegar incluso a la radiolisis

de las moléculas p roduc iendo radicales libres.

radiactividad: Propiedad que presentan algunos nu

clcidos al desintegrarse espontáneamente emi-

tiendo radiación.

radiobiología: Estudio de los efectos de las radiacio-

nes ionizantes en los organismos vivos.

radionudeidos (naturales o art i f iciales): Deno

nados también isótopos radiactivos, son átom

inestables que emi ten radiaciones a med

que se de sintegran hasta alcanzar un estadotable.

vida media: Es el tiempo que tarda unradionucle

en desintegrarse hasta que su radiactividad dis

nuye a la m itad de l nivel que tenía inicialment

2.1. Tipos de radiación

La irradiación se utiliza como un método deconservación de los alimentos en que se proce-de a la destrucción de los microorganismos m e-diante k energía de las radiaciones ionizantes.

Se la conoce también como esterilización enfrío, porque a los niveles de energía que se tra-

baja no hay au mento de te m pera tu ra .Aparte de destruir los microorganismos en

alimentos envasados o a granel, altera el sis-tema enzímático que gobierna la evolución

bio ló gica de l alimento , im pid iendo la germ i-nación de brotes o tubérculos en el almacena-miento de patatas, cebollas y ajos, o retardan-do la maduración de las frutas y, por ejemplo,

pre vie ne de perdid as im porta nte s de alimen-tos eliminando insectos y otras pestes en semi-llas, cereales, etc.

El proceso de irradiación no altera física-mente la apariencia, forma ni temperatura ysólo produce cambios químicos equiparables alos de cualquier otro método de conservaciónde alimentos.

La irradiación en condiciones controladastampoco hace que los alimentos se vuelvan

dades indiciarías de radiactividad, lo que sigfica que esta cantidad indiciaría (unos 15200 bequerelios) de radiactividad natural, pcedente de elementos tales como el potasioo el carbono14, e.s inevitable en nuestra ddiaria.

Los tipos de radiación que inLeresan enirradiación de alim entos son las llamadas radciones ionizantes porque son capaces de cvertir átomos y moléculas en iones. Tamb

pueden pro ducir radicales libres por ro tu ralos enlaces entre los átomos. Estas accionesionización y radiolisis se debe n a la interaccde la radiación con los electrones de la cortde los átomos. Solamente son fenómenossuperficie y no afectan a los núcleos.

No todos los tipos de ra dia ció n io nizason apropiados para la irradiación de alimtos. Es necesario además que i a radiac ión netre en el alimento lo suficiente para llevaracción al pu nto deseado.

Ruthcrford (1903) descubrió que la ración emitida po r los isótopos radiactivos al dintegrarse podía ser de tres clases: alfa, betgamma.

La radiación alfa (ct) está formada por



nes. Ello significa que tiene una masa atómicade 4 unidades y una carga eléctrica de 2 unida-des positivas. Estos protones y neutrones for-

maban antes parte del núcleo que, al desinte-grarse, eyecta el ion H e " .

La radiación beta (/J) está constituida porelectrones, lo que significa que es también denaturaleza corpuscular, en la que cada cor-

púsculo ti ene u n a m asa ató m ic a de 171.800apro xim ada m ente y un a carga de 1 unidadnegativa. A diferencia del caso anterior, elelectrón emergente no existía anteriormenteen el núcleo sino que procede de la transfor-

mación de un neutrón en un protón, que que-da dentro del núcleo, y nn electrón, que eseyeclado.

T.os fotones gamma (y) son paquetes de on-das electromagnéticas que se mueven a la velo-cidad de la luz. En el espectro de radiaciónelectromagnética se sitúan en la zona de altasfrecuencias y energías. La radiación yes portanto de naturaleza ondulatoria, carente demasa y de carga, semejante a la luz ordinaria

pero con menos longitud de onda. La energíadel fotón es proporcional a la frecuencia de laonda y la relación de proporcionalidad es laconstante de Plank (h 6,62 • 10~27 ergios ■seg). Esta radiac ión tam po co existía antes en el

núcleo, sino que es energía que se emiteconsecuencia de un reajuste energéticomismo.

Las radiaciones a y j3 de los isótopos tivos o radionucleidos tienen muy pocode penetración en la materia por ser d e nleza corpuscular, lo cual motiva que la ionizante de estas radiaciones sólo tengaficación en la superficie de la materia irraSin embargo la radiación /3 es más peneque la a por su menor tamaño. Los elec

pued en llegar a pene trar unos centímetla materia si se consigue aumentar su e

cinética.Por el contrario, la radiación electrom

tica y que emiten los radioculeidos es mnetrante en la materia. La penetración de de la energía de la radiación incidentla propia n aturaleza del material irradiaddiéndose llegar a atravesar cuerpos de dad alta y muchos centím etros de espesor

Como se ve en el espectro de radelectromagnética de la figura 2.1, la ban

frecuencias de la radiación y coincide conde la banda correspondiente a los Rayos lo que éstos tienen propiedades irradiguales a las de los Rayos y Los Rayos ron descubiertos po r Roen tgen (1S95) y

Á Radiación ionizante

O n ° ^ Q ^ >

M A )W

I0 4 103 l t f 10' 0 10 ' ÍO 'CO '3 10"4 ÍO'MO

•u (Hz)

j L

Ultravioleta

Vis ib le

E (Mev)

j ^ u i . i.1

10,!

I I J L

Royos y

Rayos X

T10“

Radiación cósmica------------------ f.

i — i—‘n—‘t— i----1— r—i— i— r~



ducen por el bombardeo de electrones anima-dos de alta energía cinética sobre un metal co-mo el tugsteno,

Así pues, los tipos de radiación apropiados pa ra la irradiación de al imentos son:

1, La radiación gamm a, pro ced ente de ladesintegración de radionucleidos, como

pueden ser el Coba ltc60 y el Cesio137.2, Los Rayos X, que se gene ran en los lla-

mados “tubos de Rayos X”.3, Los electrones acelerados. Cuando se

trata de irradiar alimentos de pequeño

espesor (máximo de 5 cin) pueden utili-zarse haces de electrones cuya energíacinética se aumenta en un acelerador deelectrones. Esto equivale a incrementarel pequeño poder de penetración de laradiación /J,

Cuando la energía de la radiación electro-magnética o de los electrones acelerados esmuy alta, la irradiación puede alcanzar al nú-

cleo de los átomos, dejando de ser solamenteun fenómeno superficial en la corteza electró-nica para ser un fenómeno que afecta al nú-cleo. En este caso, un protón o un neutrón puede ser expulsado del núcleo , in duciéndoseasí la formación de isótopos radiactivos, conlo que podría aparecer radiactividad en el ali-mento irradiado. Esto ocurre cuando la ener-gía de los Rayos X alcanza 14 Mev (1 eV =1,602 ■10 12 ergios) y la de los elec tron es ace-

lerados 20 Mev. En consecuencia, como nor-ma de seguridad, la energía máxima que per-mite el Código Alimentario es de 5 Mev parala irradiación con Rayos X y de 1.0 Mev paralos electrones acelerados. En el caso de lairradiación con isótopos radiactivos, la ener-gía de la radiación que em iten al desintegrarselos isótopo s artificiales que se utilizan es siem - pre in ferio r a 5 Mev.

La radiación ultravioleta es ionizante, pero

toria, donde descarga toda su energía, pudienutilizarse como agente de acción superficial.radiación cósmica nos llega del Universo c

fotone s y de energías superiores a 14 Mev, aque con dosis bajas, y es una de las causas dradiactividad natural que tienen los alimenal convertir el Nitrógeno14 en Carbono14 HidrógenoÍ en Hidrógcno3 (Tritio).

2.2 . Interacciones de la radiación

ionizante con la materia

Las radiaciones ionizantes son capacesoriginar una am plia serie de cambios químien la materia irradiada. Refiriéndose sóloagua, que constituye por sí sola el 80% dem ateria celular, y por tanto es parte de los mentos, es de gran importancia su ionizacy su radiolisis, que dan lugar a iones y radiles libres, que a su vez pueden ser causamúltiples reacciones entre sí o con el sustracuyo estudio forma parte de la denomin

química bajo irradiación, que es una disciplcompleja.

En el caso del agua pura los mecanismson los siguientes:

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

Aquí hace su aparición el radical hidrox(el punto indica el electrón desapareado) el

drogenión y los electrones secundarios, angos a la rad iació n J3:

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

Aquí hace su aparición el radical hidrógnaciente, de gran p od er reductor, y el ion hidxilo.

Además:



E! asterisco indica excitación disociativa, o sea, electrones de valencia excitados que pue-den acabar produciendo d isociación de l enlace:

OH» + O H * > H , 0 2

Aquí aparece el agua oxigenada de fuerte poder oxidante:

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

Aquí 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 de 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 componentes de los alimentos 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 de nuevos compuestos por recombinación de radicales.

El cuadro se completa si se tiene en cuenta que la radiación en cierta medida actúa tam-bién directamente sobre los nutrientes de los alimentos ionizándolos y rompiendo las molé-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 ion izante, 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

que la atraviesa va interaccionando con átoy moléculas y la energía se va atenuandoforma que después de atravesar un espesor

energía inicial va disminuyendo a un valsegún la ecuación exponencial:

siendo u un coeficiente de absorción quepende de la frecuencia de la radiación y dnaturaleza de la materia irradiada, siendo e

mayoría de los casos directamente proponal a la densidad de dicha materia.

gura 2.2. tenuación de la radiación.

La redacción de la intensidad del haenergía guarda relación con el espesor densidad del material atravesado.

La diferencia EQ E = A E correspondeenergía A E absorbida por la materia y gasen producir los efectos estudiados. De acucon la ecuación [2.1] la energía absorbida tanto mayor cuanto mayor sea la densidadespesor del cuerpo atravesado por la radiac

Esa energía absorbida referida a la unde masa de materia se define como dosiirradiación:

Dosis = m



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

RA D (Radiation Absorbed Do se) que equiva-lía a 100 ergios absorbidos por gramo, luego

1 Gy = = 100 R A Dkg 103g

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

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

(3Anteriormente se utilizaba el Curio (Ci). que e quivate a:

3,71 010j ^ J

y corresponde a la radiactivdiad de 1 g de radiopuro.

Existe una relación entre la actividad de la fuente radiactiva y la dosis que recibe un cuer-po que se expone a la radiación a una determi-nada distancia. E sta relación se puede expresar mediante la ecuación siguiente para el caso de la dosis recibida durante la exposición de una hora

[23]d 2

siendo Dlk la tasa de radiación, A la radiactivi-

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

2.4. Aplicaciones en la industriadetrimentos

La radiación ionizante es potencialrnentetal tanto para los microorganismos contanantes de los alimentos como para el restolos seres vivos. La dosis requerida para la ción letal depende de la complejidad del or

nismo expuesto a la radiación: cuanto mcomplejo es, más sensible se muestra a ta irdiación. En la figura 2 3 se expone una comración de dicha sensibilidad.

La irradiación es uno de los dos métoque existen de conservación de alimentos destrucción de la población microbiana.otro es la destrucción por el calor. La irradción se utiliza además para inhibir la germición de brotes y para evitar pérdidas media

la desinsectación.

2 .4 .1. Destrucción tic microorganismos

Cuando la radiación ionizante es absorben un material biológico, actúa directameionizando las moléculas del ácido dexosi(rinucleico (ADN) y del ácido ribonucleico □údeo celular, dando lugar a cambios que cducen a la muerte de la célula. Ta radiación ne así un efecto diretío de destrucción demicroorganismos. Éste es el efecto que premina cuando se irradian microrganístnos esrulados, con muy bajo contenido en agua.

Además, la radiación intcracciona otros átomos y moléculas de la célula, enellos el agua, dando lugar a las reacciocomplejas de la “química bajo irradiaciónlos radicales libres que se generan se difuny alcanzan y dañan el ADN. Esto se con



microorganismos

Letal paraparásitos

Letal parainsectos

Se inhibe la germinaciónde brotes

400RAD:Dosis letalmedia para los sereshumanos Y

i— 1— r 10' 10? 10* ÍCT 105 10a K í Dosis [RAD)

FtGUEA 2.3 . C om pa rac ión de las dosis letales pa ra distintos organism os [1 G y = i 00 RAD).

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

Adicionalmente, se pueden considerar losdaños a la membrana celular y el deterioro de

las actividades enzimáticas y metabólicas, peroel punto más sensible de las células ante la irra-diación ionizante es el ADN. Una dosis de 0,1kGy dañaría el 2,8% del ADN en células bac-terianas, mientras que sólo afectaría al 0,14%de las enzimas y al 0,005% de los aminoácidos,E sto es lo que explica qu e la radiación ionizan-te tenga un efecto letal sob re los microorganis-mos sin causar apenas cambios en la composi-ción química de los alime ntos.

Al igual que para la destrucción térmica delos microorganismos, se puede definir una mag-nitud, en este caso la dosis de radiación ,Din, quese requiere para destruir el 90% de ía poblaciónmicrobiana, o sea, para reducir la población mi-crobia na al 10% de la original. Si A/,, es el núme-ro inicial de microorganismos presentes y N elnúmero que queda después de una irradiacióncon una dosis D, la relación entre ellos es de or-den logarítmico según la ecuación

El valor de D 10 se pu ed e de term inar gmente como se indica en la figura 2.4. neas de destrucción no son siempre recocasiones aparece una zona curva en l

de dosis más bajas antes de empezarla re pen diente :

1

A o

Esta zona curva se excluye para el cde D 10

La dosis de radiación que se requier

un determinado proceso de conservacalimentos depende de la especie de micrnismos presentes en d alimento y de locon que se realiza el tratamien to.

Respecto a los fines, los expertos identres tipos de tratamiento:

a) Radapertización. Irradiación conde radiación ionizante suficienteinactivar esporas y reducir el núm



Dosis (kGy)

FlGSJRA 2.4. Efecto de la irradiación sobre Sa/mone//a

typhimuríum en come de buey.

lízación comercial del producto. Las do-sis que se requieren son muy elevadas,entre 25 y 50 kGy, porque las bacteriasmás resistentes a la radiación son las especies Hormadoras de esporas, por ej,, el

clostñdium botulinwn. Para lograr 12 re-ducciones decimales en un cultivo de C.botulinurn hacen falta cerca de 50 kGy.Como la dosis permitida actualmente esde 10 kGy la radapertización no es toda-vía un proceso industrial.

b) Radicidaúón. Irradiación con dosis sufi-cientes para reducir el número de bacte-rias patógenas no espo ruladas específicasviables en el alimento, por ejemplo las

salmoncllas, hasta un nivel no detecta ble. Las dosis que se requie ren oscilanentre 2 y 8 kGy.

c) Raditr17 ,ación. Irradiación con dosis sufi-cientes para causar una destrucción sus-tancial de microorganismos contaminan-tes específicos de fo rma qu e se mantengala calidad del alimento. Las dosis varíanentre 0,4 y 10 kGy.

ces. Por el contrario, la irradiación sobrementos congelados exige dosis superiores conseguir el nivel de reducción microbian

querido.Cuanto se ha dicho anteriormente pu

aplicarse a la destrucción de todos los micrganismos, sean bacterias, levaduras, mohvirus. Sin embargo la sensibilidad ante la ración ionizante varía según sea una dase u y dentro de una clase, cada especie present¿) 10 difere nte. As í, las levadu ras y ios moexigen en general dosis de radiación menque las bacterias para ser destruidos, y de

de esto, las levaduras son más resistenteslos mohos. Los virus son muy resistentes radiación. La dosis límite actual de 10 kGy

pone ta n sólo dos reducc iones decimales eecuación logarítmica de destrucción, o seareducción del 99% del total de virus preseEsto significa que en los alimentos radicidy radurizados se puede esperar encontrar vinfecciosos. El hecho de que los virus seancilmente destruibles por el calor aconsej

proceso com bin ado irra diació ncale facsuave para asegurar la ausencia de los vviables.

2 .4 .2 . Interrupción de procesos biológicos

La radiación ionizante interfiere fundamtalmente con las funciones mctabólicas detejidos vivos, al incidir sobre enzimas, ho

nas, vitaminas, etc. En el cuadro 2.1 se inserutilización de la radiación para inhibir la genación de brotes en ios tubérculos y bulbo pata ta s, cebollas y ajos durante su alm acmiento, que se debe a una reacción enzimresidual, y, asimismo, para inhibir la madurade la fruta y verdura, causada por accionenaturaleza hormonal. En estos tratamientodosis necesarias son bastante más reducidas

para la destrucción de los microorganismos.



que se almacenan en los graneros y que soncausa de pérdidas importantes de alimentos.Las dosis dependen de la especie, del estado

mctamóríico y de la edad.La irradiación es también un método que

perm ite inactivai: a) algunos parásitos que pue-den vivir en el cuerpo de los animales y se pue-den transm itir al hom bre enq uistado s en los ali-mentos, po r ejemplo, la triqu ina del cerdo y lastenias de los cerdos y el buey, b) el pro tozoo toxoplasma gondii, productor de la toxoplasmosis, grave enfermedad de origen parasitario queal menos en un 50% de los casos se atribuye al

consumo de carne de cerdo infectada, pudientotambién estar presente en las verduras.

2.5 . Estado actual de la tecno logía

No ex iste ningún otro proceso tecn ológicode conservación de alimentos que haya sidomás controvertido, ni se haya sometido a estu-dios tan exhaustivos, ni se haya cuestionado

tanto su seguridad. Sin em bargo, tras la eviden-cia de los ensayos que se han ido realizando,los más prestigiosos organismos de la Saludhan ido autorizando su uso y reconocen estatecnología como un m étodo eficaz y seguro p a-ra conservar los alimentos. Se puede asegurarque la irradiación de alimentos va paulatina-mente ganando más y más adeptos en todo elmundo a pesar de la controversia que ha sufri-do en los últimos años.

Los primeros estudios se inician en 1954 enEstados Unidos en un programa de investiga-ción donde se busca la posibilidad de la utiliza-ción de los isótopos radiactivos para esterilizary conservar alimentos. En 1958, cuando se reú-ne en G inebr a la “11 Con ferencia Internaciona lsobre la Utilización de la Ene rgía Atóm ica confines pacíficos”, los representantes rusos sor- prenden al mundo comunicando que en su paísse ha autorizado ya el consumo de p atata s irra-

gar en Stuttgart (Alemania) en 1957, doncomerciante de especias comenzó a irradi productos a fin de asegura r su calidad h

ca. La operación de la instalación no durcho, fue clausurada dos años más tarde aque algunas otras plantas de irradiacióCobalto60 que habían comenzado a fun

por aquel en tonces.La razón de estas clausuras fue la ale

la PDA de Estados Unidos (Food and Administration) contra la irradiación dmentos en 1958, basándose en que cuaninduce un conjunto de cambios químico

complejos, en un producto de composiciómismo muy compleja, la recombinación dicales y moléculas generales podría orcompuestos cancerígenos en los alimentosería necesario identificar y demostrar sencia. Con las técnicas dei análisis químla época era imposible.

La alerta de la FD A su puso para esta logía un f renazo de más de veinte años, alarma que, no por infundada, dejó meno

lla. Muchos países, entre los que se encuEspaña, que habían autorizado esta técncomenzado experiencias a nivel de inveción, dieron carpetazo a este proyecto.

Pero no todos los científicos estabacuerdo con la FDA y primeramente de aislada y posteriormen te en reuniones incionales se lúe llegando a la conclusión qta tecnología ofrecía unas enormes ventacjue no podía ser desechada por unos e

mentos a los que, por otra parte, no concrigor científico.

La primera reunión internacional paradiar de nuevo este tem a tuvo lugar en '196ciudad de Bruselas, convocada por tres ormos de la ONU, el Organismo para la Agtura y la Alimentación (FAO), la OrganizMundial de la Salud (OMS) y el Organismternacional de Energía Atómica (OIEA ).

En esta reunión a la que asistieron



inocuidad de la irradiación de los alimentos.Nació así el Comité de Expertos en Irradiaciónde Alimentos (JECFI) que coordinó ios resul-

tados de la investigación internacional en estetema, que se fue aprovechando de los grandesavances en la Química Analítica.

En 1970, el JECFI, en colaboración con laOCDE. planea un proyecto de evaluación dealimentos irradiados, con estudios que se pro-longaron a lo largo de diez años, al final de loscuales se pudo demostrar que en ningún ali-mento irradiado de los estudiados se habíanencontrado residuos tóxicos o carcinogenéticos. Como colofón a este trabajo, el JECFI sereúne en Ginebra en octubre de 1980 donde,

basándose en la evaluación de los estudios rea-lizados hace público un comunicado en el queconcluye textualmente que “La irradiación decualquier alimento con una dosis inferior a 10kGy no presenta ningún peligro toxieológico ylos estudios realizados son tan evidentes quenn son necesarias más prueb as”.

Todavía tarda tres años más el Código Ali-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 “Co dex Alimentanus 1984”.

En 1986 la FDA se desdice por ñn de sus observaciones anteriores y legaliza en EstadosUnidos la irradiación de alimentos, principal-mente frutas, vegetales, carne de cerdo para

control de triquina, pollos y huevos para con-trol de salmonelosis.

La UE todavía busca nuevas pruebas conun Comité Europeo de expertos que estudialas 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-

correctamente etiquetados”. En dicha normva se propone el logotipo para los alimeirradiados, que se muestra en la figura 2.5.

regula la concesión de plantas de irradiacidosis para los distintos alimentos.

# • 4

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

En 40 países, las autoridades de salud guridad han aprobado colectivamente la diación de más de 40 alimentos diferentes,to de origen animal como vegetal. Treinta yde estos países, entre los que se encuenFrancia, Holanda, Bélgica, Dinamarca, EstUnidos, Rusia, Japón, Argentina, Brasil, Mco, Sudáfrica, etc. están aplicando actualmel proceso a escala industrial y otros ocho een vías de ponerlo también en explotacFrancia ha rechazado el logotipo y se comelizan con el nombre genérico de alimentos

zados y en Holanda con el de tramradkiExisten más de 150 instalaciones de irradiade alimentos con fines industriales en eL mu

2.6. Instalaciones

En el caso de la irradiación de alimecomo en cualquier instalación industrial, equisito esencial que el proceso sea viable nóm icamente, permitiendo la com petí ti vdel producto en el mercado.

Las fuentes de irradiación de que se disse pueden dividir en dos grandes grupos



isótopos radiactivos emiten radiación gammacomo consecuencia de su d esintegración, por lotanto su acción irradiante no puede detenerse a

voluntad. Los o tros ap arato s pueden desconec-tarse y conectarse a la red eléctrica según seconsidere oportuno, y cuando se desconectandejan de ser radiactivos, lo cual representa unaventaja operativa.

Hoy día sólo hay dos fu ente s de irradiaciónque cumplen el requisito de permitir una pro-ducción económica: los isótopos radiactivosartificiales y los aparatos generadores de elec-trones acelerados. Sin embargo, ya se ha men-

cionado que éstos tienen una penetración li-mitada, Los aparatos de Rayos X que podríanobviar esta limitación tienen el inconvenientede que son muy caros, porque la conversión dela electricidad en Rayos X es un proceso de es-caso rendimiento, al menos en los modelosque se han pretendido utilizar hasta ahora pa-ra irradiar alimentos, que son una adaptaciónde los tradicionalmentc empleados en la ra-diografía médica. Por ello, se están diseñandoy probando nuevos tipos de generadores deRayos X para ver si se consigue que sean ca-

paces de sum in is tr ar la energ ía que se requie-re en un tratam iento indu strial a precios acep-tables.

2.6. I. Irradiadores con fuentes Isotópicas

Los dos radi o nuc leídos artificiales con quese fabrican las fuentes isotópicas radiactivas

son el cobalto60 (Co60) y el Ccsio137 (Cs137). Los isótopos radiactivos se caracterizan

por su vida media y la energía de los fotonesgamma que emiten. Se conoce por vida mediael tiempo que tarda la radiactividad de un isó-topo en reducirse a la m itad.

El Co60 tiene una vida media de 5,27 años.Decae en el Níquel60, isótopo estable, y en ca-da desintegración emite 2 fotones gamma, unode 1,17 Mev y otro de 1,33 Mev, y radiación b e-

Co59, que es un metal abun dan te en la nleza, al bombardeo de neutrones (activneu trónica) en un reacto r nuclear especia

te diseñado para la producción de isótopdiactivos. Una vez activado el cobalto, qgue en forma metálica insoluble, se mecápsulas de. acero inoxidable que se cherméticamente por soldadura. Se las ccon el nombre de agujas de cobalto y lmensiones estándar de la aguja son 45 mlargo y 12,5 mm de d iámetro. Esta forma la autoabsorción de la radiación gamma pmaterial de la propia fuente al 5%. La

ción beta qu eda detenida.El Cs137 tiene una vida media de taños. Decae en el Bario137, isótopo estaen cada desintegración emite un fotón gade 0,66 Mev y radiación beta. El Cs137

producto de la fisión nuclear, po r lo que stención está ligada al reproceso de los cotibles nucleares gastados, que es una opermuy laboriosa. El Cs137 se puede separla mezcla de productos de fisión en formCICs muy soluble. Esta sal tam bién se encla, como en el caso del Co60 pero por su

bil idad y facilidad de dispers ió n se exigencapsulación doble o triple y el espesor tante da lugar a una autoabsorción de la ción gamma del 30%. Esto, unido a la menergía de la radiación que emite, ha llevque la mayoría de las instalaciones de irción de alimentos utilicen fuentes de Co pesar de la may or vida med ia del C's13form a de las fuentes radiactivas se haresu

en la figura 2.6. En el caso de la fuente lalas agujas de Co60 se sujetan al bastidoun mecanismo que permite el recambiaagujas pueden estar más o menos separadgún se requiera mayor o menor intensidradiación. Pueden llegar a juntarse formauiodo de lámina continua. Cada aguja una radiactividad de 5.000 Ci. En la fuenlindrica para irradiación de granos, el grahace descender por la zona anular a la v



cables deelevación

agujas de

bastidc

___

FIGURA 2.6. Forma de las Fuentes radiactivas: a) fuente la-

minar, b¡ fuente ci l indrica para irradiación de granos oproductos granulados.

En la figura 2.7 se presenta el diseño concep-tual de una planta de irradiación o irradiado!'.La tasa de radiación necesaria en la cámara deirradiación para destruir microorganismos, pa-rásitos, etc, en los alimentos es alta, luego paraimpedir la exposición del personal de operacióndebe disponerse de un recinto blindado. Gene-

ralmente se utiliza el hormigón (densidad 2,50,3) como blindaje radiobiológico. La utilizacióndel hormigón tiene la ventaja de proveer solidezal conjunto. P ara calcular el espesor del blindajese utiliza la ecuación [21.1] teniendo en cuentaque la tasa de radiación en la pared externa del

blinda je tiene que se r inferior a la dosis madmisible para el personal que, de acuerdla directiva de protección radiológica de l

es de 50mSv/año. [Para seres humanos se el Sievert (Sv) en vez de el Gray, siendo 1 SGy en la irradiación gamma.]. Con esta rción el espesor suele estar entre 1,5 y 2 dosis de 50 mSv/año está en vías de revisiómSv/año.

Cuando la fuente radiactiva es un radclcido, la radiación se produce continuam por lo que es necesa rio tener otro recintodado donde guardar la fuente cuando se

necesaria la entrada del personal para lade man tenimiento. E n la mayoría de irrares se construye un pozo profundo, que noce como “piscina", donde se sumerfuente radiactiva. El blindaje a la radiac

proporc iona el agua (densidad 1), y dadel espesar necesario es aproximadamenversamente proporcional a la densidad, lcina deberá tener suficiente profundidadque queden varios metros sobre la fuen

mergida. También se puede construir unma en seco de profundidad igual a la altula fuente utilizando para el aislamientcom puerta correde ra de plomo (densidad

Los alimentos entran y salen de la cde irradiación a través de un laberinto (

FIGURA 2.7. Diseño conceptual de una planta de irradiación isotópica (sección vertical): 1: nave. 2: recinto blindcámara de irradiación, 4: laberinto, 5: acceso de intervención, ó: piscina, 7: fuente radiactiva, 8: elevador de la



2.S). El mecanismo de transporte puede seruna cinta sinfín o un monocarril con platafor-mas o sistemas de cambio de dirección. Los ac-

cesos auxiliares, mirillas, tubo s de ventilación ycableado que atraviesan el hormigón tienen un perf il en escale ra para evitar que la ra dia ciónencuentre caminos sin blindaje.

La radiación electromagnética se propagaen línea recta. Con el laberinto la radiación en-cuentra el blindaje adecuado en cualquier di-rección.

Las operaciones en el interior del recinto blindado se dir igen por co ntrol rem oto . Desde

una consola exterior se hace subir o bajar lafuente, se accionan los mecanismos de trans- p o rte y se regula su velo cidad. El si stema decontrol se diseña con una serie de redundan-cias que impiden el acceso del personal al inte-rior del recinto blindado si la fuente radiactiva110 está sumergida. Todo el equipamiento des-crito está contenido en una nave, a la que seaccede por esclusas para mantener operativo elsistema de ventilación en cascada de depresio-

nes. En ia nave entran los alimentos a la zonade carga, donde se colocan en el sistema detransporte, y una vez irradiados salen a la zonade descarga, desde donde se distribuyen parasu consumo.

La radiación que emiten las fuentes isotópi-cas está regulada por las leyes de la desintegra-ción radiactiva y no es susceptible de variación

Fuente radiac tiva

I t

a voluntad del operador. Por otro lado, la tancia del producto a la fuente se fija en eseño y sería muy complicado variarla, po

que la única variable que q ueda par a contrla dosis es la velocidad del mecanism o ele atre de los contene dores.

La figura 2.9 representa un modelo de diador industrial de Co60 que trab aja en ración discontinua. La planta está divididael centro por una valla longitudinal que no mite el paso ni de alimentos ni de personauno a otro lado. En la zona de carga los mentos se colocan en los contenedores co

ayuda de un carro con grúa elevadora, ya la altura de cada contenedor es de 5 metrtienen una cabida de dos toneladas de caCuando están cargados, el operador respo

ble acciona un dispositivo unid o a un orddor donde introduce una clave, que sólo elnoce, con la señal para que se ponga en marel tren de arrastre en que van colgados los tenedores que van lentamente desplazándhacía la cámara de irradiación. La puert

abre automáticamente y los contenedores penetrando en el laber in to . La estru ctu ra ehormigón armado con paredes de dos mede ancho.

Cuando han llegado ya los contenedore bord e de la pisc ina y las puerta s están hermcamente cerradas, mediante control remdesde la consola situada fuera de la cám araeleva la fuente y los contenedores van deszándose lentamente a su alrededor a un ri

controlado con precisión para que absorbacantidad de radiación precisa. Operadores pac itados controla n y vigilan este tr ata m iedando a la fuente la orden de inmersión e

piscin a cuando la opera ció n está term in aLos contenedores con los alimentos tratasalen a la zona de descarga. La operación

por tandas . M ientras una ta nda de conte neres está en irradiación, otra tanda se está gando y otr a descargando.



FIGURA 2.9. rradiador industrial de Co-60 JNORD ON nternational nc, 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 pro tecció n radiológica para impedir 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. El Co60 emite en cada desintegración dos fotones, uno de1,17 Mev de energía y otro de 1,33 Mev. En to-tal 2,5 Mev por desintegración. Una fuente de1 millón de curios (3,5 • 1016 Bq) emitiría:

10sCi .3,7.1o 10 ^ .2 , 5 — = sCi d

= 9,25'1016 Mev

s

Teniendo en cuenta que un Gy = 6,24 Mev/kg, la tasa de radiación teórica máxdebida a la fuente , expresada en Gy/b sería

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

6,2 4.1012 Mev h

= 5,33 107 % = 5,33 • 10“' kGyh

Esta energía equivale a la necesaria pirradiar 5.330 K de producto por hora condosis de 10 kGy.

En ia práctica no se consigue una eficdel 100%. La energía de la radiación que r

después de atravesado el alimento ecua[2 .1], se absorbe en el blindaje y otra parabsorbe en el propio bastidor de la fuente los materiales de las estructuras cincundatales como los mecanismos y contenedoressistema de transporte, aparatos de control,En general, la eficacia en los jrradiadoresfuente isotópica es inferior al 35% de la teó

La radiactividad de la fuente disminuye latinamente. En el caso del Co60 se reducemitad en 5,27 años. Esto significa una pér



CUADRO2.1

Dosis necesarias en distintas aplicacionesd e ta irrad iación de alimentos

Propósito Dosis (kGy) Productos

I. En dosisreducidas(hasta 1 kGy)

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

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

<=} Retrasar procesosdem aduración 0,5-1,0 (frutas,verduras)

2. Endosis medias(de 1 a 10kGy]

a ] Prolongarel tiempodeconservación 1,5-3,0 (fresas, setas, pan molde)

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

5a/morie//o, Campyiobader (carnes, huevos y ovoproductos)

ListerÍQ (aves, lechey lácteos)

Vibrio (pescadosy mariscos)

c j [nactivar parásitosToxoplasma, Tenia, 1,0-3,0 (carnescrudasyverdura)

Jrichinelta (carnescrudas]

d} Mejorar propiedades tecnológicas 2,0-7,0 (reducirtiempo de coc inado deverduras,

aumentarla cantidad dezum oen uvas, e

3. En dosis elevadas [> 10 kGy). Esta dosisse esasóloconfinesespeciales, la Comisión FAO/OMS delCó digoAliment

ha respaldado aún lasaplica ciones dedosiselevadasconcaráctergeneral.

&I Esterilizardietas especiales para hospitales.

Esterilizarenvases.

El t ranspor te se hace en contenedorel indricos de plomo de 30 cni de espesor s idad 1 2 ) , diseñados según especificacioneternacionales y sujetos a r igurosos contque aseguran su hermeticidad, aun en el del accidente más severo. Más de 25.000

ja s de p lo m o se han exped id o así en losmos t re in ta años dent ro de las regulaciinternacionales para el t ransporte de las

tancias radiactivas.La OMS y la FAO consideran que, aula mayoría de las plantas de irradiación dmentos funcionan en un lugar fijo, sin embhay casos en los que resulta útil un irradimóvil. Por ejemplo, los alimentos de temda pueden estar disponibles para el t ratamto en una región determinada sólo durantt iem po l imitado. E n esos casos, puede serfer ib le l l evar e l i r radiador has ta e l prod

es necesario reponer esta pérdida mediante unasustitución escalonada de las agujas. Éstas suelen tenerse en el irradiador durante un tiempoequivalente a 3 vidas med ias, o sea, unos quinceaños, y después se retiran y envían al productor

para que las reactive, ya q u e ti enen una cantidad grande de Co-59 susceptible de activarseneutrónicamente, siendo sustituidas en la fuentedel irradiador por agujas “frescas".

La susti tución escalonada perm ite m antenerla capacidad de irradiación dentro de un mar

gen de variación aceptable, y en todo caso, lavariación posible se corrige actuando sobre lavelocidad del mecanismo de transporte de losalimentos a fin de que la dosis sea la adecuada.El principal sum inistrador de Co-60 es Canadá,de] que proceden más del 80% de las agujasque se instalan en los irradiadores y a él retornan para su reactivación. Cuando alguna razónaconseja no reactivarlas, las agujas pasan a



Con cier tos mariscos, por e jemplo, la i r radia

c ión debe l levarse a cabo tan pronto como sea

posib le después de la c ap tu ra . L o s g ra n o s de

los cereales se desinsectan colocando nn ir radiador po r tá t i l por e l que se hace f luir e l grano

según va entrando en el silo. En la f igura 2.10

se muestra e l camino recorr ido por e l producto

en la cám ara de ir radiación.

Blindaje

Fuenteradiactiva

C á m a r a d e

irradiación

Contenedora

Figura 2 .10, I t inerar io del productoen la cám ara

de ¡ rrodiación.

Los cambios de d i recc ión pe rmi ten ho

geneizar la dosis. Los lados A-B y C-D se

p o n e n p o r ig ual a la fuen te ra d ia ctiva.

2,6 .2 . Aceleradoresdeelectrones

Los ace le radores de e lec t rones son má

nas q ue se conec tan a la cor r ien te e léc t rica

esq ue m a de la insta lación se m uestra en la

r a 2 . 1 1 y bás icamen te cons ta de :

1. U n a fuente de e lec t rones , que puede

una resis tencia e léctr ica en la que elor apor ta la energía para romper la

dura de los e lec t rones o una cámar

un gas donde un a rco e léc t r ico prov

la l ibe rac ión de los mismos (cañón

electrones) .

2. U n gen erador de a lto voltaje que pr

ce la aceleración de los e lectrones etubo de vacío a cuyos extremos se ap

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 % 5 c t I— ~Alimento

Cinta transportadora

Movimiento perpendicular



la diferencia de potencial que ciea el generador , aumentando progres ivamentesu ve loc idad y consecuentemente su

energía cinética. A m ayo r voltaje aplicado mayor velocidad final.

3. U n electroimán que crea fuerzas perpe ndiculares (campo magnético) a la dirección del movimiento de los electrones.Las fuerzas resultantes expanden el hazde electrones, que es un chorro con sólouno o dos centímetros' de diámetro, enun abanico de más longitud.

4. U na cam pana t roncopiram idaL muy es

trecha (uno o dos centímetros) por cuyaventana sale el haz de electrones expandido directamente sobre el producto.

5. Una cinta t ransportadora del productoque se mueve en dirección perpendicular

al lado largo de la base de .la campana.

El haz de electrones se caracteriza por lossiguientes parámetros: intensidad, energía y

potencia .

La intensidad es el número de electrones por segundo que in c id en en e l p ro d u cto . Launidad de med ida es el am perio y en esta operación lo usual es t rabajar con mil iamperios(mA). La intensidad del haz determina la tasade radiación.

La energía se refiere a la energía cinéticacon que incide el electrón. La unidad es elelectron-voltio (ev). La energía del haz determina la penetración en ei producto y por tanto

la dosis.La potencia resulta de multiplicar La intensi

dad por la energía. Por ejemplo, un haz de 10Mev y .5 m A sign ifica 50 Kw (10 ■10s x 5 ■10-3)de potencia. Multiplicado por el tiempo de ex posición daría la energ ía te óric a absorb id a por

el prod ucto . •La pen etración en la ma yoría de los alimen

tos, con densidades q ue no se alejan d e 1 g/cm3,es aproximadamente de 0,5 em por Mev. Cómo

cinta transportadora, que no podrá sobrelos 5 cm si el tratam iento se basa en irradilo por un lado. Si se irradia consecutivam

por un lado y luego por el opuesto el es puede llegar a 1 0 cm.

Los aceleradores de electrones t ienventaja sobre las fuentes con isótopos rativos de que cuando se desconectan de leléctrica dejan de emitir radiación. Tamla eficacia es mayor, hasta un 55% fren35% de las fuentes de Co-60. Sin embar pre cio de la energía elé ctr ic a suele resu ltun coste más alto.

Hay varios diseños de aceleradores detrones aparte del descrito, como son los radores lineales y el Rhodotrón. Aunqutualmente el número de estos apatrabajando en la conservación de alimenescala industrial no llega a la decena, ptener gran futuro, porque al no utilizar fcon isótopos radiactivos artificiales la op

pública los s epara de la proble m ática nucl

2.6.3. Capacidaddeproducción

Interesa conocer la capacidad de prción de un irradiador en función de los metros que se han ido describiendo a lo de este capítulo. Para su cálculo se utilecuación

.mi. 3.600 i Fp

donde P es Ja poten cia de la fu ente , m es lsa de alimento irradiado, t es el tiempo d posición en h, D es la dosis de tratamienKG y y Fp es la eficacia del irradiad or.

La potencia de una fuente de Co-60 14,82 kW/MCi. La de un acelerador de elnes se calcula corno en el ap artad o 2 .6 .2 .



de electrones. La diferencia se justifica porquelas fuentes isotópicas emiten radiación en todasdirecciones, mientras qu e el haz de electrones se

enfoca directamente sobre el producto,

2.7. Dosimetría

El control y la medida de la dosis de radiación absorbida por un alimento es importante

para asegurar la calidad de éste y el cu mpl imiento de las regulaciones legislativas. Al industrial que irradia ios alimentos se le exige

que disponga de controles que aseguren quelos alimentos no han recibido más radiaciónque la autorizada.

Los dosímetros de control son pequeñosdispositivos que se colocan a diversas profu ndidades dentro del alimento, o bien entre las ca

jas, si se tr ata de alimentos em paqueta dos. Losdosímetros pueden ser de 3 tipos. Ninguno deellos vale para todos los casos. Su elección de pende de los tipos de ra dia ción, pro ducto irra

diado y diseño del irradiador,

2.7. I. Dosímetros líquidos

Este tipo se usa fundamentalmente parairradiadores isotópicos, ya que por su mayortamaño no resultan adecuados para aceleradores de electrones. Consisten en líquidos, sellados en ampollas de vidrio, a los que la radia

ción induce cambios en su estructura químicaque resultan fácilmente detectables.EJ más usado es el dosímetro de Fríekc, ba

sado en que la radiación transforma el hierro delas formas ferrosas (Fe2+) en formas férricas(Fe3+). Posteriormente se mide por espectrofo-tometría a una X 305 nm el increm ento de la concentración de Fe3+, que estará en función de laintensidad de radiación recibida. Para radiaciónyse producen 15,6 iones cieFe3+ por cada 100 ev.

2.7.2. Dosímetros sólidos

Estos son los más usados. Se prepar

forma de varillas flexibles o de fina pelícu puede cortarse de la form a más convenExisten finas películas de metacrilato de potilmetacrilato (PMMA), triacetato de celualanina (esta última también existe dispoen forma de varilla). En estas sustancias diación induce la formación de radicales estables que pueden ser cuantificados p

pectrosc opia de Resonanc ia Magnética.Se prep ar an también películas de mate

radiocrómicos (se llama así a las sustanciacambian desde incoloras hasta coloracionya intensidad depende de la dosis de radabsorbida). Sustancias químicas de esteson las que impregnan también las etiq“eligarn”, que con un error del 5% indicdosis recibida, y tienen la ventaja de que gan sobre el envase del alimento y permiconsum idor con trolar esta dosis, ya que e bio de colo r e s fá ci lm en te vis ible.

2.7.3. Dosímetros calorimétricos

Son c alorím etros de agua o grafito qutienen su stancias químicas cuya tem pe rateleva sensiblemente con la radiación. Lade radiación absorbida puede calcularse plicand o su calo r espec ífico por el incremde temperatura.

2.8. Calidad de los alimentos irradi

El tamaño del ADN y su complejidad cen especialmente sensible a la radiación otro lado, contiene los datos genéticos qhacen esencial para la vida, Por ello, la irción de alimentos es un proceso selectivtiene un efecto letal para los contaminant



Los al imentos so m etid os al proce so de irra-

diación son equ ivalentes, desde el pu nto de vis-

ta nutritivo, a los sometidos a otros procesos de

conservación para alcanzar los mismos objeti-vos. La esterilización por el calor causa perdi-

das de nutr ientes a menudo mayores que la

irradiación. Por otro lado, la irradiación es el

único proceso que p e rm ite la esteri l ización de

algunos p ro d u c to s , p o r e je m p lo las tisanas.

En el caso de los macronut r ientes , só lo los

a l im e n t o 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 oc o

adecuados para es t e p roceso de conservac ión .

La p r o d u cc i ó n d e r ad i ca l e s l i b r e s p u ed e co l a

b o ra r a la ra n c id e z o x id a t ív a de lo s lípid os.P r o t e í n 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 r á c t i

camente es tables a dosis de 10 kGy.

En el caso de los m icro nu t r iente s , as í como

la sensibi lidad al calor de las v i tam inas es va

r iable, tam bién lo es su sen sibi l idad a la radia

ción, y depende del t ipo de al imento , de la v i ta

mina en cuest ión y de la dosis . En general lasvi tam inas D , K y vi fu m inas del com plejo B co

mo l a r i bo f l av ina son es t ab l es y l as A, E y B j

( t iamina) son más lábi les .La s en s i b i l i d ad d e l a s características orga-

no lép t i cas es también importante . Colores ,

a romas y sabores pueden ser afectados. Así , la

i r radiación no es acon sejab le con las carnes ro-

ja s porque las blanquea, mientras se usa cre-

c i en t emen t e con carnes blancas com o el pollo y

el cerdo. Con la irradiación ocurre como con

cualquier otro método de conservación, que va

me j o r con unos al imentos q u e con otros.

C u a n d o l o s a l i m e n t o s s e i r r a d i a n envasa-d o s d e b e n t e n e r s e e n c u e n t a l o s e f e c t o s de la

r a d i a c i ó n e n lo s m a t e r i a l e s e m p l e a d o s en el

en v as e q u e , p o r u n l ad o , p u ed en dar lugar a

p ro d u c to s r a d io l í t ic o s c o n ta m in a n te s y, p o r

o t r o , p u e d e n p e r d e r c o n s i s te n c i a , h a ce rs e

q u eb r ad i zo s y ex p e r i m en t a r cam b i o s d e co lo r

o d e t r an s p a r en c i a .

Por ú l t imo , conv iene r ecordar que l a r ad i a

ción inact iva los microorganismos, pero no el i

vios a f in de alargar al máximo el perío

latencia.

Resumen

1. La conservación de al imentos por i rción es una técnica emergente. Junto ctratamientos térmicos es la única que ce a la destrucción de los microorgancontaminantes de los alimentos. La ición no sube la temperatura de los atos, por lo que pueden seguir manten

la categoría de frescos.2. La radiac ión ionizante interac cion a materia. En el caso de los seres vivos rza slls componentes, entre ellos el aguduciend o radicales libres que pued en r bin ars e, tiene un efe cto d ir ecto soA D N del nú cleo c elular y radio liza lasculas responsables del metabolismo cEstas acciones son causa de la destrude los microorganismos que son monlares sin afectar apenas a tos aliment

irradiación no aumenta la radiactividlos alimentos.3. Los tipos de radiación utilizados en l

servación de al imentos son la radia(gamma) proce dente de la desintegraclos radionucleidos, que es muy peneen la materia, y los electrones aceleque alcanzan sólo una pen etración de ó

4. El Co-60 es el isótopo radiactivo másralizado en los irradiadores de alimTiene una radiactividad específica de

1013 Bq g-1, un a vida m edia de 5,3'añosenerg ía de emisión y de 2,5 Mev.5. La intensidad cíe la emisión de ener

mayor cuanto mayor es el número dmos que se desintegran por unidad de

po (radiactividad de la fu ente ). Los irdores de Co-60 suelen tener radiactiventre 3,6 ■1016 y 1,08 ■10 !7 Bcp La rad7 del Co-60 atraviesa grandes espesoalimentos, dependiendo de su densida

pueden ir ra dia r alimentos a gran el en



tador (cintas sinfín, monocarriles en el techo,

etc.) a una distancia mínima de la fuente ra

diactiva. El tiempo de exposición para recibir

la dosis prescrita se regola variando la velocidad del sistema transportador.

7 . Los aceleradores de e lect rones se const ru

yen con energías cinéticas en el haz de hasta

10 Mev, que es el límite permitido. Con ello

só lo pueden penet rar 5 cm en e l a l imento ,

po r lo que se suele em plear p a ra p ro du c to s

envasa dos en cajas de ese espesor.

8 . Las dosis máximas permitidas a los al imen

tos en e l cód igo a l imentar io in ternacional

son de 10 kGy. Con este limite la irradiación

p u e d e ap li carse a in h ib ir la germ in ació n de bro te s en el alm acenam ie n to de p ata ta s, ce

boll as y ajo s, a re tra sa r pro cesos de m ad u ra

ción de frutas, a el iminar microorganismos

p a tó g en o s en especia s, ti sanas, carn es, ov o-

p ro d u c to s , lá cte os, pesc ados y m aris cos, y a

in activar pará sitos.

9. En la conservación por irradiación lo

p o n en tes de lo s a lim ento s se a lte ra n

que con ios tratamientos térmicos a ig

vel de esteri l ización. Con dosis de 1los cambios químicos no son signific

no se alteran la forma ni la temperatu

se afectan las proteínas ni los carbohi

ni se induce la formación de producto

cos. No se deben irradiar los al imento

grasos porque la irradiación genera o

po r ra dio li sis del agua y ha y p é rd id a d

dad por oxidación, y lo mismo pasa c

gunos colores.

10. En el . mundo se irradian más de un

de toneladas de a l imentos a l año , cto t a l d e 4 0 p a í ses u t i l i zan d o es t a

c ión , en t re e l los Estados Unidos , F

B é l g ic a , C a n a d á , D i n a m a r c a , J a p ó n

landa, Noruega, Sudáfr ica y Rusia . E

más de 150 i r rad iadores indust r ia les

m en to s en el mu n d o .



3

CONSERVACIÓN

DE ALIMENTOS

POR EL FRÍO. CONGELACIÓN

3.1. Aplicaciones del frío3.2. Producción de frío mecán ico

3.3. Frío criogénico3.4. Congelación

3.5. Cá lcu lo de )a carga de refrigeració

3.6. Tiem po de congelación

3.7. Descongelación

3.Í1. Métodos e instalaciones de congel



E l frío inhibe el crecimiento de ios microorganis-

mos tanto por la disminución de las velocida-

des de reacción del metabolismo como por lo

disminución de la actividad de agua resultante de

la congelación.

Como en la mayoría de las operaciones de con-

servación de los alimentos, los logros en la congela-

ción se han conseguido por la aplicación combina-

da de diversos saberes. En el caso de la

congelación, la termodinámica, la química física,

los fenómenos de transporte de calor y materia, la

cristalografía y la ingeniería mecánica se unen a la

microbiología y al estudio de la composición y es-

tructura de los alimentos para definir tratamientos,

donde el papel principal lo juega la conservación

de la textura original del alimento en el producto

descongelado. Para ello, el objetivo técnico suele

ser siempre la consecución de una velocida

congelación suficientemente rápida.

Desde su inicio como op eración industrial y

de lo implantación de la cadena del frío la con

ción ha ido incorporando nuevos conceptos y

cas novedosas en el diseño de los aparatos.

hay toda una ndustria de bienes de equip o al

cio de la congelación y la producción de alim

congelados se ha multiplicado por un factor de

en los últimos 15 años.

En este capítulo se desarrollan los princ

que rigen la congelación tanto por frío mecá

como criogénico, se introduce al cálculo del

po de congelación, se explica la casuística d

descongelación y se clasifican y detallan los

todos de co ng elac ión y los distintos modelo

aparatos.


A S up erf ic ie d e c on ta c to p a r a e l in te rc am b i o de 9 c Energía que devuelve el refrigerante calor (m2) caloren e l condensador (kJ s _1 o kW)

Cp Calor específico det alimento (kJ kgp1 X " ') Energía a elim inar del alim ento para cong

CPc Calor específico del alimento congelado (kJ lo (kJ s -1 0 kW )kg-1-c-1) En ergía qu e introdu ce el com presor (kJ

E Energía de las moléculas (k.J) kW)

t í Entalpia (kJ kg-1) R Coeficiente de forma

K Coeficiente de transmisión de calor entre la T Temperatura absoluta (K)

superficie del alimento y el foco frío (kcai nr 2 C Temperatura ambiente (“C)h“l ÜC-'1) lc Pun to de congelación (ÜC)k Conductividad térmica del alimento congelado t

cTemperatura def foco caliente (°C)

(kca! n r 1 h _1 r’C~l) h- Temperatura del foco frío o temperatura K C onstan te de Boltzm an de congelación (°C)k ’ Cond uctividad del m aterial de embalaje h Te m pe ratu ra inicial del alimen to (UC) L Espesor dei al imento (m ) u Coeficiente global de transmisión de calom Flujo másico del refrigerante (kg s_1) n r 2 s- 1 X - 1)

M ■ Masa de alimento a congelar (kg) V Velocidad de congelación (°C niin-1)P Coeficiente de forma X Espesor del embalaje (m)0 Calor removido en la congelación del alimento 6 Tiempo efectivo de congelación



GLOSARIO

carga de refrigeración: Se denomina así tanto parala refrigeración (capítulo 4) como p ara la conge

lación y representa las necesidades energéticas

de la m áquina frigorífica para ob ten er el alimen

to congelado en un determinad o tiempo,

centro térmico; Punto del alimento que más tarda

en enfriarse.

convección forzada: Mecanismo de desplazamiento

del aire por aporte de energía m ediante una m áquina.

convección natura): Mecanismo de desplazamiento

de aire debido a las diferencias de densidad pro

vocadas por diferencia de temperaturas entre las

distintas zonas.

evaporador: Es la part e de la m áquin a fr igorí fica

donde el refrigerante líquido toma calor y pasa a

vapor (hierve).

punto de congelación: Temperatura a la cual eza a congelarse el agua del alimento. Debid

pre sencia de so lu tos es siem pre infe rior a 0

punto crítico: También se llama así al centro tér

temperatura final de congelación: Es la tem pe

del punto crítico del alimento cuando se

rrumpe la operación de congelación. Com

nimo debe ser de -18 °C. A ía temperatu

-18 °C prácticamente toda el agua coagudel alimento ha pasado al estado de hielo

razones de seguridad en el almacenamient

tem pera tura final suele ser más baja de -18

tiempo de congelación: Tiempo que media en

inicio de la operación de congelación de u

mento y el momento en que su punto críticanza la temperatura final de congelación

°C). También se define como el tiempo re

do para que se forme una determinada cande hielo.

3.1 . Aplicaciones del frío

E l e m p l e o de l a s ba j a s t e m pe r a t u r a s pa r a

re f resca r o re t a rda r e l de te r ioro de los a l imentos viene de ant iguo. Conocido es e l uso en s i

g los pasad os de los neveros, o pozos profundos

que s e e xc a va ba n e n z ona s m on t a ños a s c om o

la A l pu j a r r a (G r a na da ) y la S i e r ra de G ua d a

rrama (Madrid) , que se l lenaban de nieve en e l

inv ie rno y a c tuaban de nevera du rante e l es tío ,

o de l a s fr esqueras domést icas , que eran a lace

nas con una cara externa de re j i l la or ientada a l

no r t e . S i n e m ba r go l a a p l i c a c i ón t e c no l óg i c a

f oc o c a l i e n t e y s u e n f r i a m i e n t o t e nd r á

p o r la cesió n de c a lo r q ue o rig in a el g ra d

de t empera turas en t re ambos focos .

E n e l c o n t a c t o , la te m pe r a t u r a i n ic iaa l imen to i rá d i sminuyend o a lo l a rgo de l a

rac ión h as ta a l canzar e l va lor deseado , q ue

m a y o r e n c u a l q u i e r ca so q u e la te m p e r

c ons t a n t e , tp de l foco f r ío pa ra que ex i s

g r a d i e n t e t é rm i c o .

E l f r ío se apl ica a los a lime ntos en dos

da l idad es , l a re f rige rac ión y la conge lació

l a r e f r i ge r a c i ón e l a l i m e n t o de be m a n t e

e n t r e - 1 ° y 8 °C. En la conge lac ión , l a t em



Desde el punto de vista microbiológico, e lcrecimiento de los microorganismos patógen osse inhibe a -4 °C y el crecimiento de los altera

tivos se inhibe a - 1 0 °C.Desd e el pu nto de vista de las alteraciones por

reacción química, a -18 °C se anula la velocidad

de las reacciones posibles en los alimentos, comolas de Maillard (pardeo químico). Por último, sise sigue bajando la temperatura, a -72 °C se anulan las velocidades de las reacc iones cnzimáticas.

Teóricamente, -72 °C sería la tem peratura decongelación ideal de los alimentos, pero es tecnológicamente inasequible a precios aceptables,

difícil de mantener en las etapas de distribucióndel alimento (cadena del frío) y sólo necesaria

cuando se esperan reacciones enzimátícas residuales. P or to do ello se ha elegido -1 8 UC como

temperatura de congelación de los alimentos.Cuando son posibles reacciones cnzimáticas

residuales se destruyen las enzimas por escaldado antes de la congelación y, si no pudierahacerse, el alimento no sería apropiado para suconservación p or congelación.

Si la temperatura de congelación es de -18 °C, p ara llevar a cabo la opera ció n se deb erá disponer de un foco frío a temperatura inferior. Lageneración del foco frío tiene lugar en las instalaciones frigoríficas que, según los métodos que

utilizan para la cesión y eliminación de calor, pueden se r de fr ío m ecánic o o criogé nicas.

3.2 . Producción de frío mecánico

La producción de frío mecánico se basa enla utilización de Quid os refrig era nte s, que son

fluidos condensables cuyo punto de ebullicióna la presión de una atmósfera está por debajode 0 °C y, en el caso particular de la congelación de alimentos, por debajo de -18 °C. En lo

que sigue el fluido refrigerante se denominarásimplemente refr igerante.

Los p r inc ipa les e lementos de que consta

dor (3) y la válvula de expansión (4). En el p o rad o r ( 1 ) entra el refrigerante en estadquido y a baja presión y se evapora a tem p

tura y presión constantes, tomando el clatente de vaporización del cuerpo que s

sea enfriar. El refrigerante en estado de v pasa a un com p resor (2 ) movido por un m(5) donde se comprime hasta una presiónalta, suficiente para que su punto de ebullaumente de forma que sea posible su consación en el condensador (3). El refriger

nuevamente en estado líquido y a presiónse dirige desd e el con den sado r a una válvu

expansión que regula el f lujo y reduce lasión del refrigerante, entrando éste en el

p o rad or de nuevo p a ra repe ti r el ciclo.

Condensador:

elrefrigerantecedecalor

Evaporador:

elrefrigerantetomacalor

FIGURA3 d . Diagram a defuncionam ientode una in

ción de fríomecánico.

En la producción de frío mecánico el rgerante recorrerá continuamente este circ

cerrado. Mientras el sistema funcione habr p u n to fr ío esta b le y perm anente . Si el sisse para basta ponerlo en funcionamiento repro duc ir el punto frío.

En la instalación hay una zona de baja

sión y otra de alta presión. El elemento pr p al de l sis te m a es el ev ap o rad o r (o serp e



energía qe¡ juntamente con la energía qw que introduce el compresor, la devuelve el refrige-rante en forma de calor qci en el condensador.

<?c = <7e + 9lv t3-1]

Con este sistema se consigue tomar calor a baja temperatura y cederlo a una temperatura superior. Esto no es lo normal en la naturaleza y se consigue pagando un precio: el trabajo del compresor, es decir, aportando un trabajo q w.

Por razones ambientales y de economía energética puede ser importante la recupera-

ción del calor q c en otro pun to de la factoría.Este procedimiento se conoce desde el siglo

XIX; las 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 i m i e 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. 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, aumentando su entalpia, hasta que llega al punto “b” en cuyo momento empieza a hervir, encontrándose el sistema en una situación en que de estar en es-tado líquido pasa a estar parte en dicho estado

de fluido que va pasando a la fase vapor hllegar al punto “c” en el cual todo el fluidencuentra en estado de vapor.

Ein el tramo “be”, por tanto, el sistemaconstituido por una m ezcla de fase líquidase vapor. En esta región se cumple la llam“ley de la palanca”, de forma que en un pb' se cumpliría:

Porcentaje en estado líquido ■ x l == P orcentaje en estado de vapor ■x ,

Siendo el porcentaje en estado líquidoel porcentaje en estado de vapor igual a 10

A partir del punto “c” todo el sistemaen forma de vapor y cualquier nuevo aporenergía sirve para recalentar (aumentar laperatura) del vapor.

xi Entalpia, H (k

FIGURA 3.2, Diagrama entálpico de un fluido con

ble: L: región defase liquida; V: región de fase vapo

V; región donde coexisten las dos lases, a: puntozonade liquida subenfriado, b: puntodo ¡a curva d

llición, c: punto de la curva d e vapor saturado, d:

en lazon a de vaporrecalentada,

3.2.2. Refrigerantes

Las características que hay que considusualmente a la hora de seleccionar un rerante son:



— Punto de congelac ión bajo. — Temperatura crítica alta. — Baja toxicidad.

— Baja inflamabilidad. — Baja corrosividad. — Estab le químicamente. — Bajo coste. — Bajo impacto ambienta].

Los refrigerantes más usados han sido el amoníaco y los compuestos dorofluocarbona dos (CFCS). Sin embargo, éstos últimos pueden emigrar a las capas altas de la atmósfera, y su

molécula puede liberar cloro por efecto de la alta tasa de radiación electromagnética 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 compuestos 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 delfríomecánico eneldiagramaentálpico

Si se tiene un fluido refrigerante, por ejem-plo el NH3, en estado líquido y a la presión de

1 atm, su temperatura será de 33,3 °C (de ebullición del NH3 a esa presión). A de estas condiciones podemos estudiar e

de refrigeración en las distintas etapas dtema de producción de frío.

A ) Evapom dor

En la figura 3.3 se utiliza el diagrama pico del amoníaco. Se supone que en emento de entrar el amoníaco en el evapoestá en forma líquida a la temperatura d

llición. Tendrá una entalpia H 0 y el puntlo define en el diagrama será el punto 0.

Si se pone en contacto el evaporador sistema de frío mecánico con un medio mliente (sea el alimento directamente o un intermedio) se va produciendo un paso degía (calor) desde esc medio al NHVque lozará como calor latente e irá cambiando dbasta evaporarsetotalmente y llegar al pusin que haya variado la presión ni la temp

ra. Así pues, en el evaporador se tiene ufrío permanente de 33,3 °C. La entalpNH3aumenta hasta 1/,.

En el evaporador el refrigerante circuel interior de serpentines, placas huecas, tos impresos o tubos de aletas construido

CUADRO 3.1

Algunas característicos de losrefrigerantes más usados

Refrigerante Puntodeebullición

a 1 aim (°C]

Colorlatente fkjkg~'a

kcalkg_l

Puntodecongelación

r qTcrítica (°C) Fórm

Amo niaco -3 3,3 1.328

31 7

-7 8 138

Freón 12 -2 9 ,8 163

39

- 1 5 8 112 CC

Freón2 2 -40,8 221

53

- 1 6 0 96 CH



NH j líquido

Entalpia,H0

NHj vapor

Entalpia, H2

T, = -33 °c

BQ P7 = I atm

r , - - 3 3 ° c

FIGURA3.3. Laetapa deevaporación en eidiagra ma

entálpico.

materiales buenos conductores. La transmisión

del calor a través de las paredes tiene lugar se-

gún la ecuación general:

q = U A ( t e - t f ) [3.2]

donde q es la cantidad de calor transmitida por unidad de tiempo, U el coeficiente global de transmisión de calor, A la superficie de contac-to, f. la temperatura del foco caliente y tj. la temperatura del foco frío.

B) Com preso r

En forma de vapor el amoníaco ha pe

su capacidad de “producir frío”, por lo qresto del circuito debe servir para devolvsus condiciones iniciales.

Para ello se comprime a una presión locientemente alta como para que su temperde ebullicióncondensación sea bastante rior a la del agua corriente. Por ejemploatm, la temperatura de condensación es 3Esta compresión no se realiza sin el consigte aumento de entalpia, ya que debido a l

zamientos y fricciones con las paredes y pmóviles del compresor el NH 3 recibe calomen tand o su entalpia a H v Se alcanza el C qu e corresponde al refrigerante comprimen estado de vapor recalentado (figura 3.4)

El compresor realiza un trabajo sobre frigerante que s e puede calcular a partir dmento de entalpia l l y / / , y conociendo

jo másico m del refrigerante, por la ecuaci

q w = m ( H 3 - H 2)

C) Condensador

Si en las condiciones de C el refrigerapone en contacto a presión constante confluido mas frío, perderá calor, se eníriará

P,= 15atm

Tj > 39 °C NHjvapor

Entalpia, H3

" F * P2- 1 atm

Tj = 33 °C NH,vapor

Entalpia, Hj



NHj líquido I

Entalpia, H,

12 °C 1 6 ° c t NHivapor

Entalpia, H3 D

¿ = 15 atm

T. = 18 °C

Q,c15 otanP,

r' > 39 °c

FIGURA 3.5. La etapa docondensación eneldiagramaentálpico.

minuirá su entalpia alcanzando la curva de sa-

turación (figura 3.5). Si esta pérdida de calor es suficiente, c] NH3 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, por un serpentín enfriado con agua o aire a temperatura ambiente, enfriándo-

se el NHj por debajo de 39 °C, que es sufte para que a 15 atm condense y vuelva aldo líquido.

En el condensador, el flujo de calor qc el refrigerante al agua, siendo m e l flujo mdel refrigerante y II la entalpia, será igual

D) Válvula de expansión

La válvula de expansión permite el flu

refrigerante líquido desde la zona de altasión a la de baja y lo regula. La expansiiscntálpica (figura 3.6). Al expansionarsequido se encuentra a una temperatura supa la que le corresponde en tal estado y se liberando un calor que es utilizado por elpio líquido en evaporarse parcialmente. caso del amoníaco se enfría a 33,3 °C azando el punto A del diagrama isoentáque corresponde a un punto en la zona L

al ser un proceso isoentálpico H l H 4.Se puede observar que nunca se lleg

las condiciones del punto O, en el cual tofluido estaba en forma líquida. Ahora se ne una mezcla de liquido y vapor cuyas prciones quedan bien definidas por las distaentre el punto A y las dos ramas de la cur

K l

Pt «« 1 5 ahnTJ = 18 cCN K l íquido

Entalpia,H,

Pi = 1 atm

T, » -33 CCNHjlíquido+vapor

Entalpia,H, = H4



cam pana y de acue rdo con la l ey de la pa l anca .

En co n s ecu en c ia , ex cep t o en la p u es t a en m ar

cha del s i s tema, el c iclo de producción de f r ío

mecán ico co r responde a l l imi t ado por l os punto s A B C D .

Te n iend o en c uen ta es tos l ími t es , e l fl u jo de

ca lo r en e l ev apo rado r se rá

q e = m ( H 2 - H , ) [3.5]

s i endo , como se ha ind icado an ter io rmen te , m

el f lujo másico y H la e ntalp ia .

Las , d im ens iones de q son de po tenc ia, y se

p u e d e n a c e p ta r co m o la m ed id a de la p o te n c iaen f r iad o r a d e la m áq u i n a .

A l a d i f e renc i a de en t a lp i as de l r e f r igeran te

en t re l a sa l i da y l a en t rada de l evaporador (H 2

- se le l lama efecto de ref r igeración o ca r

ga de r e f rigerac ión . C arga de f r ío o carga de r e

f r igeración q es la c ant idad to ta l de calor que el

r e f r i g e r an t e t i en e q u e r emo v e r p o r u n i d ad d e

t i e 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 i r u n

e f ec t o d es ead o . E l f l u j o n eces a r i o d e r e f r i g e

r a n te v e n d r á d a d o p o r

P o r ú l t i mo h ay u n co e f i c i en t e d e f u n c i o n a

mien to de l a máqu ina que se mide por l a r e l a

ción

C F - W

H 3 - 1 I 2

o s ea ca lo r r em o v i d o en e l ev ap o r ad o r en re l a

ción con el t rabajo del compresor .

E je m plo 3.1. Uso del diagrama del ciclo de com pre sión en co nd ic iones de sa tu ra ción.

Un almacén se mantiene a 3 °C usando un

La carga de refrigeración es de 25 toneladafrío (1 tonelada de frío = 80.000 kcal). Supuque la unidad opera en condiciones saturadque el rendimiento del compresor es del 8calcúlese:

a) El flujo másico de refrigerante.b) La potencia consumida por d com prec) El coeficiente de funcionamiento.

Solución

R epresentació n del ciclo de com presióun diagrama presión-entalpia. El primer consiste en trazar dos isóbaras (paralelas alde abeisas) que pasen por las temperaturaevaporación (-5 °C) y condensación (40 °Cintersección de ambas lincas con el eje de nadas permite establecer las presiones de ración correspondientes a estas dos etapaeste caso 260 y 950 kPa, respectivamentesalida del condensador se identifica por ltersección de la línea debida a esta fase (ira superior) con la curva del líquido satuDesde este punto se t raza una perpendic(etapa de expansión) al eje de abeisas haslínea de evaporación (isóbara inferior). Ltersección establece la entrada al evaporaque cu este caso está constituida por una cla l iquido-vapor. Como quiera que la exsión es isoentálpica, la entalpia a la salidexpansor es igual a la de la entrada at evador (Hj) . Su valor se determina prolonganlínea de expansión hasta el eje de abeisas. cerra r el ciclo basta con trazar el tramo de

pre sió n, q u e part e de ia sa lid a del evapor(EL), intersección entre la línea de evapory la curva de vapor saturado, para llegar, vés de la curva de compresión isoentróhasta la linc a de condensación ( //-), ya en na de vapor sobrecalentado.

A partir del diagrama se obtienen loguientes valores de entalpias en kd/kg: H l =

H 1 = 350 y = 375. Se entiende , asimism oestos valores se pueden obtener con mayorcisión a partir de la tabla que recoge las pr



a) El flujo másico de refrigeran te(m)

se puedeobtener a partir de la siguiente expresión:

m=q /(H 2- 71j)

donde q representa la carga de frío o de refrigeración, cantidad total de calor que el refrigerante elimina por unidad de tiempo en eievaporado r, y H 2

H x la variación de ental pia en tr e la sa lida y la entrada de l ev ap orador p or unidad de m asa de refrigerante, tam

b ié n conocid a por' efe cto re fr ig era nte .Sustituyendo,

m = [(80.000 kcal/T) ■(4,187 kJ/kcal) ■■(25 77día)]/[(24 h/dia) - (3.600 s/h) ■

■(350 - 238) kJ/kg] = 0,865 kg/s

b) La potencia consum ida po r el compresor viene da da po r la siguiente expresión:

CIM = m '( ^ -¡ _ = [0,685 kg/s ■■(375 - 350) kJ/kg ]/0 ,8 5 =■■' 25,4 kW

cj El coeficiente de funcio nam iento se definecomo:

C.F. =

(H 2 //L)/ (// 3

H 2)

Así pues, sust i tuyendo las entalpias porsus respectivos valores se obtiene que dichocoeficiente asciende a 4,48.

E jem plo 3.2 . Uso del ciclo del diagrama en lazona de vapor sobrecalentado.

R epe tir el problema anterior suponiendo queel vap or ab andona el evapo rador sobrecalentadoen 10 °C y el líquido el condensador subenfriadoen 15 QC.

Solución

El vapor sobrecalentado abandona el evaporador a -5 + 10 °C, es decir, a 5 °C. El líquido su benfr iado, por su p arte , deja el co nden sa dor a 40

la de evaporación, hasta su corte con la isde 5 "C. De sde este pu nto se asciende porentrópica que lo contiene hasta intcrseisóbara superior, la de condensación. Se llai punto 3 (entrada del condensador o salcompresor). El punto 1 corresponde a lasección entre la isóbara de condensació

perp endic ula r al eje de ab eisas que pa sa isoterm a de 25 “C del líquido saturado.

A partir del ciclo representado se tien//, = 225, H 2 = 355 y = 380 kJ/kg. Apllas mism as expresiones que en el caso ante

M = 0,775 kg/s; c¡w = 22,8 kW; C.F.

E je m plo 3.3. Interrelación entre parám etciclo de compresión.

Una máquina frigorífica que desarrollaneladas de frío y en la que el finido refriabandona el evaporador y el condensadorvapor y líquido saturados, respectivamentsenta las siguientes características:

— P o te nc ia consum id a por el com8,05 kW.

— R endim iento de l compre so r: 0,85. — C alo r específico del vapor sobre c

do: 0,667 k.T/(kg ■('C). — T em peratu ra del vapor so bre cale

36 "C. — C alo r la te nte de condensació n a

136 kJ/kg.

Calcúlese:

a) La carga de refrigeración.b) El coeficiente de funcionam iento.c) E l salto entálpico del refrigerante

a la condensación.d) El salto entálpico del. refrig eran te

a la evaporación.e) El flujo másico de refriger ante./) El salto entálpico del refrigerante

a la compresión. g) El incremento de temperatura de

de refrigeración empleada en la c



Solución

a) Ca rga de refrigeración:

q = [(80.000 kcal ÍTf ) - (4,187 kJ/kcal) -

• (10 7 yd ía)]/[(24 h/día ) ■(3.600 s/h)] = 38,8 kl/s

b) D e la com binac ión de Las siguientes ex presio nes:

q „ ■ t j = m ( H , - H 2)

se obt iene que:

7/(7,, ■V) = [H ,~ - HC = C.F. == 38,8/ (8,05 ■0,85) = 5,67

c) La entalpia a la entrada del con den sado r vie

ne dada por la suma de la entalpia a la en tra

da del evaporador, el calor sensible del vapor

sobreca lentado y e l calor latente de conden

sación del vap or saturado y com primido. A sí,

H , = H^ + \cp - ( T - T 0) + A] =

= //, + [0,667 kJ/(k g °C) ■(36 - 30) °C] ++ 136 k.T/kg = H, + 140

H j - H ^ 140 k.T/kg

d) l/C.F. = (Tí. - H 2) /(H2- H í) -

= [(H 3 - / / l) - ( / Jr 2 : / / , ) ] / ( / Jr 2 - f - v

( h 2~h;) = ( r 3-e /1)/(i r i/c.F) -- 14 0/( 1 + 1/5,67) = 119 kJ/kg

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

f ) ( H ^ I I I) = ( H J - H j - Í M 2 - H 1} =

= (H2 - H J í C.F. = (q !v ■Tí) / m = 21 kJ/kg

g ) m - ( / / 3 - f / j ) = m a ■cp *AT

0,326 kg/s ■1.40 kJ/kg =

= 1 kg/s ■4,187 kJ/( kg ■°C) ■& T nC

AT = 10,9 °C

Considérese un sis tema de refr igeración

elimina 300 kJ/s de calor y opera según un idea l de vapor con e l re f r igerante R-134a

niendo en cuenta que e l re f r igerante entcompresor como vapor saturado a 140 kPacomprime hasta 800 kPa, calcular:

a) C an tidad de refrigerante liquido a l

da de la válvula de exp ansión.

b) C oeficiente de op eració n del ciclo.

c) Con sum o de energía del compresor .

D a to s

Tablas del refrigerante 134a saturado y lentado.

Soluc ión

En primer lugar se calculan las propie

termodinámicas de interés en ios puntos carrísticos del ciclo:

1. Salida del evapo rador = entrad a al comprA la salida del evaporador se tiene u

p o r sa tu rado y seco a 1.40 kPa, con lo c

entalpia y entropía serán las correspon

tes a un vapor saturado y seco. En la

del vapor saturado, no hay valores para

kPa, por lo cual hay que interpolar entr

valores m ás cercano s a 140 kPa:

P (k P a ) F("C) /7,,s(kJ/kg) A,,s(kJ/

132,99 -2 0 235,31 0,93

144,83 -1 8 236,53 0,93

e interpolando para 140 kPa:

Tj - -18 ,8 °C; ! i \ - 236,03 kJ/kg;

S, = 0,9322 kJ/kg K.

2 . Sa l ida de l com preso r = en t rada a l co n



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) ífra(kJ/kg) Jre(kJ/kgK)

31,33 264,15 0,906640 273,66 0,9374

c interpolando , para S, = 0,9322, se obtieneuna entalpia H 2= 272,05 kJ/kg.

3. Salida del condensador = entrada al expan sor.

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: H3a 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 = H2 = 93,4:1. kJ/kg

A partir del dato del caudal de calor de refrigeración, qF = 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

Los valores del líquido y vapor saturse obtienen de la tabla correspondienteinterpolación, para una presión de 140 k

H u = 25,74 kJ/kg; 236,03 kJ/k

con lo cual, despejando de la ecuación rior:

x4 = (H4 -l-{ lJ I(H y S- H LS) == 0,322 (kg de vapor / kg de refrigerante

y la cantidad de refrigerante líquido;

m ( l .t 4) = 1,424 kg/s

El coeficiente de funcionamiento secula como la relación entre el frío produy el trabajo de compresión necesario:

C.F. = [m ( / / , - H 4)]l[m (/ /, = 3

y el trabajo necesario en el compresor:

W = m{í12 / / , ) = 75,64 kJ/s

3.3. Frío criogénico

El frío criogénico se produce por e l conto directo del prod ucto a congelar con un ldo cuya temperatura de eb ullición es muy El efec to refrigerante lo prop orciona e l líqcriogénico como consecuencia del cambi

fase al tomar el calor latente de vaporizacimuy baja temperatura y pasar a gas, que pobaja temperatura puede absorber tambiéncantidad relativamente significativa de c

sensible hasta alcanzar la conducción de saque lo manda a la atmósfera.

Los refrigerantes criogénicos pueden seprincipio todos los líquidos refrigerantes, los utilizados son el nitrógeno y el dióxidcarbono líquidos, en particular el nitrógen



ropiedodes criogénicas

CUADRO 3.2 rincipales propiedades criogénicas del nitrógeno y del dióxido de carbono

CO,

Liquido Sólido

presión de 1 afm -1 9 5 ,8 ’C —78 ,5 “C -7 8 ,5 *Cación o sublimación 6 9 ,4 kcai kg'1 8 3 ,3 kcai kg*1 14 7,6 kcai kg"

0 ,2 51 kcd (kg "CJ ■ 0 ,1 9 1 kcai (kg aq - '

Punto de ebullición a la \

Calor latente de vaporiz Calor específico del gas

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

3.4. Congelación

La congelación es una operación de 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 aumenta 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. Formacióndecristales

En estado de líquido puro, las moléculas de agua están animadas de libre movimiento con una energía

donde K es la constante de Boltzman y Ttemperatura absoluta. A medida que dismi

ye T, disminuye la energía de movimientocuando se liega a T = 273 K (0 °C) la velocidde las moléculas se ha moderado lo suficiepara poder incorporarse a una red cristalinaberando el calor latente de congelación atemperatura constante de 0 °C.

El fenómeno de cristalización tiene dos ses: nucleación y crecimiento de los a ísla lEn un líquido puro a 0 *C puedeo empezaformarse uno o más mídeos de cristalizaci

En la figura 3.7 la curva 1 representa la velodad de formación de núcleos en función detemperatura en el caso de agua pura. Una que varias moléculas se han reunido para cotituir un núcleo, el resto de las moléculas se posita sobre él preferentemente y lo hace ccer. La velocidad de crecimiento del crisaumenta al disminuir la temperatura hastapunto en que se estabiliza como puede veen la curva II.

En condiciones especiales de reposo y dminución muy lenta de la temperatura se pde llegar a temperaturas muy por debajo punto de congelación sin que se produzcacristalización. El fenómeno se conoce comobreenfriamiento.

En los alimentos el agua no está como liqdo puro, sino como solvente de distintas sociones o formando parte de emulsiones, poque la temperatura de congelación es siem



n°c)

FIGURA 3.7. Nu decc ión y crecimienlci de cristales.

cha a otra o incluso de una pieza a otra. En general los alimentos empiezan a congelar entre-0,8 °C y -2,8 °G

Si e studiamos la c ong elación a nivel celular,la concentración de las disoluciones es siempre

mayor en el citoplasma que en los líquidos ex-tracelulares, po r lo que el pun to de congelaciónserá más alto en éstos. Si se va disminuyendolentamente la temperatura se alcanzará el punto de congelación de los líquidos entre las células y a pare cerá u no o un os pocos núcleos en losintersticios entre células.

D e acu erdo con la figu ra 3.7, si seguimos baja ndo la tem p eratura len tam en te los cristalescrecerán preferentemente sobre los núcleos

formados disminuyendo el contenido de agualíquida de la disolución cxtracelular y, para recuperar eí equilibrio osmótico, pasará agua delcitoplasma al exterior de la célula, lo cual servirá par a aum entar el tam año de los pocos cristales existentes. Por otro lado la concentración enel citoplasma habrá aumentado y el punto decongelación será cada vez más bajo, alejándosela posibilidad de formación de núcleos de cristalización en el citoplasma. La congelación se

muy grande en lo que fue un pequeño es

extracclular a costa del agua citoplasmátlas células aparecen a su alrededor escurLas avistas del cristal pueden dañar o rolas membranas y puede derramarse par t

contenido ci toplasmático. Además, cuan pro cede a la descongela ció n, hay una his tde las membranas que las impide absorblíquido perdido para recuperar su antigu

tura.Si la velocidad de congelación es rápi

cual significa como mínimo conseguir unada de temperatura de 5 °C por minuto centro del alimento, se entra rápidam entezona de velocidad de nucleación alia, y

de que pueda n crecer los núcleos en el lícxtracelular se alcanza el punto de congel

en el citoplasma, con velocidad de nuclegrande, con lo que aparecen mil lones dcleos que se reparten en el agua dando lumicrocristales inofensivos en todo el conLa situación se ha representado también figura 3.8, Las células no han sido dañadagua en forma de microcristales de hielomanece donde antes estaba en forma l íq



□ □

□ □

z'Qu3LUOzo(Jin

CONGFIACION

LENTA

0 O

O■ 1

¡<Z

CONGELADOS

□ □

□ □ CONGE ACIÓN

RAPIDA

Desciende más

d e 5 " C / m i r

<O

ULTRACONGELADOS

FIGURA 3.3. Efectosdelavelocidaddecongelaciónenlatextura.

Para algunos alimentos la congelación rápidao ultracongelación es la única que puede utilizarse para garantizar que la textura no experimenta daños significativos y para muchos supone una mejora notable de la cal idad. Existenotros alimentos que tienen una estructura quese afecta poco por la velocidad de congelación y

no se justifica el increm ento de coste asociado ala congelación rápida. Finalmente, hay productos que por su tamaño o su configuración geo

transm isión de calor entre el centro térm ico alim en to y el foco frío. A -18 UC no cong elada el agua contenida en el alimento y sóloaquellos casos en que el porcentaje de cristzación es muy al to puede entrar en juego

transferen cia de m asa, debido a tas dificultade movimiento de las moléculas de agua ha

ios cristales, al estar los solutos muy concendos al final de la operac ión.

En general los solutos no cristalizan con



FIGURA 3 . 9 , Z o n a s e n ; a c u r v a d e c o n g e l a c i ó n .

l u t o s q u e d a n o c l u i d a s e n l o s c r i s t a l e s . E n l a

m a y o r í a d e l o s a l i 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 ua q u e c o n t i e n e n p e r m a n e c e e n f o rm a lí

q u i d a p o r d e b a j o d e - 1 8 ° C.

3 .4 .2 . Curvas de congelación

S e c o n o c e c o m o c e n t r o t é r m i c o d e l a l i m e n t o e l p u n t o d e l m i s m o q u e c o n g e l a m á s t a r d e .

S i s e 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 i c a d e l a

t e m p e r a t u r a d e l c e n t r o t é r m i c o e n f u n c i ó n d e l

t i e m p o d u r a n t e la c o n g e l a c ió n s e o b t i e n e n

c u r v a s c a r a c t e r ís t ic a s d e c a d a a l i m e n t o q u e s e

l l a m a n c u r v a s d e c o n g e l a c i ó n . E n e l l a s p o d e

m o s d i s t in g u i r tr e s z o n a s ( f i g u r a 3 .9 ) . L a p r i

m e r a e s l a 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 l a z o n a d e c o n g e l a c i ó n y l a t e r c e r a l a z o n a

d e e n f r ia m i e n to a la t e m p e r a t u r a f in a l d e a lm a c e n a m i e n t o . E n l a p r i m e r a z o n a A B s e e l i

m i n a e l c a l o r s e n s i b l e d e l a l i 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 t e s d e

q u e c o m i en c e la c o n g e l a c i ó n e n t r 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 fo r m a r s e l o s

c r is 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 l i

m e n t o . A s í , p o r e j e m p l o , a - 1 0 ° C h a b r í a c r i s

t a li z a d o u n 7 5 % , a - 1 2 ° C u n 8 5 % , a -1 .6 ° C u n

b le d e l a lim e n to (7 4% e n e l v a c u n o , 82%

p e sc a d o , e tc .) .

Según s ea l a ve loc idad de l a t r ans mis i

ca lo r l a s cu rvas t endrán d i s t in t a pend ien t

g u r a 3 . Í 0 ) . A l g u n o s a u t o r e s t r a z a n u n 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

m i tan una zon a ( f igu ra 3 ,11 ) que l l am an c

E n e s a z o n a e s d o n d e s e f o r m a t o d o e l

que va a c r i s t a l i z a r en l a ope rac ión , cua lqq u e s e a l a p e n d i e n t e d e la c u r v a d e c o n

c i ó n . E l p u n t o d o n d e l a c u r v a c o r t a a í a

c rí ti ca m a r c a el ti e m p o q u e h a n t a r d a d o e

m ars e tod os lo s c ri s ta l e s pos ib le s , g ra nd es

curv a I y m ic roc r i s t a le s en l a I I I.



0

F I G U R A 3.11 . Zonacr it ica.

3.4.3 . La cadena de! frío

La cadena del f r ío es una expresión quecomprende la secuencia de instalaciones, ve

hículos y aparatos desde la producción del alimento congelado hasta el consumidor. Esta cadena se establece en función de que el

prod ucto congela do debe m an ten e r una te m pera tu ra < - 1 8 °C a lo la rg o de to do c] pro cesode distribución comercial.

Los p r inc ipa les es labones de la cadena

son;

• La instalación frigorífica pro du cto ra del

a l imento congelado a una tempera turade 18 °C.

• El alm acé n frigorífico hasta la expedic ión

del producto congelado, que se efectúa atemp eraturas entre -25 y -30 °C.

• Los vehículos frigoríficos p ara el trans porte a los depósitos de dis tr ib ució n. El

transp orte se efectúa a -25 °C.• Los dep ósi tos de d is t r ibuc ión ( tem p.

-20 °C).• Los vehículos distribu idore s a los cen

tros de venta. El t ransporte se hace a

-2 0 ÜC

• Tam bién debería considerarse el t ra p o rte y el frío dom éstico com o esla bode la caden a.

• La cadena del frío debe asegurar qutemperatura del a l imento congeladosube por encima de -18 °C. Si esto orre se pu ed e dañar la textura del a l imto por recristalización.

3.4.4. Recrisfalización

El agua cristaliza en el sistema hexagona

los cristales están sujetos a una evolución el t iem po en su forma y tamaño gen eralme

en relación con su energía libre superficial.la naturaleza todos los sistemas evoluciocon disminución de energía libre.

Hay var ios t ipos de recr is ta l izac ión sceptible de darse en los alimentos. La más

p o rtan te es la re crista lizació n em ig ra toria , tiene lagar cuando hay oscilaciones en la t

p eratu ra de congela ció n a lo la rg o de la cad

del frío.

A ) Recris ta li zació n em igra toria

Si por una entrada de calor en algún e bón de la cad ena del fr ío , o en tr e eslabones, be la te m p e ra tu ra de l congelado, una p arte hielo volverá al estado líquido, según ia cude congelación correspondiente. El tamaño

ios cr istales es l igeramente diferente auntodos sean microcr istales y cuando se re

p e ren los -1 8 °C , el agua fundida v o lv ercongelar, pero lo hace depositándose prefetemente en los microcr istales más grandesvoreciendo u na recomposic ión m asa-vo lum

tendente a la disminución de energía libre perf ic ia l. Si la ro tu ra de la cadena del fr ío se pite se p u ed e ll egar a una situació n de m ocr is ta les g randes por desapar ic ión de



□ □□

□

□

□□

□

- 1 8 0C -12 °C - 1 8 ° C

□

-1 8 °C ” T 2 “C

FIGURA 3.1 2 . Secuencia de recristalización emigratoria.

B) Recris ta li zació n tsornáisica

Se da cuando un cristal tiene una forma enque presen ta una relac ión superficie-masa muygrande y se establece un fenómeno natural que

tiende a disminuirla, conservando la masa inicial. En la figura 3.13 se ha representado la secuencia con disminución de energía libre (F).Las moléculas de agua se difunden dentro deimismo cristal y éste pasa a una forma con relieves menos pron unciados.

>h > h

F. > F,

FIGURA 3.13. Secuenciade recristalización ¡sam

Cuando es te movimien to ocur re en tin te rs t ic ios ce lu la res e l cambio puedeocasionalmente una membrana celular.

C) Recrista I l z í i ción p or presión

Si se aplica una fuerza a un conjunto d

tales, el cristal cuyo plano basal está percular a la dirección de la fuerza tiende a a expen sas de los otros.

En la figura 3,14 la fuerza Filaría crecristal 1 a costa de las molécu las de los cr

2 y 3 .Este tipo de recristalización se puedeno amontonando los p roductos congunos encima de otros para su almacenam

sino disponiénd olos en bande jas, vasarestidores.



D) Rec ris ta lizació n p o r con ta do

Ocurre cuando se forma un aglomerado de

cristales que tienen entre ellos puntos o superficies de contacto. También en este caso buscando la disminución de energía libre, las su

per fici es li bre s se van fu sio nando p ara te rm inaren un cristal único y más redondeado, pudíen-do incluso quedar huecos en el cristal único resultante.

Los microcristales se convertirían así en unmonocristal peligroso. Este tipo de recristalización se da en algunos alimentos sin que se

pueda evitar, si bie n su velo cid ad es m uy p e queña.

E) Var iaciones de volu m en

Cuando el agua pura congela hay un aumento de volumen del 9%, sin embargo en losalunemos congelados el aumento de volumenno es notable debido a que hay una compensa

ción po r los sigu ientes factores:

a) No congela toda el agua presente en elalimento.

b) Los tejidos pue den tene r un cierto contenido en aire que ejerce un efecto de colchón.

c) Todas las sustancias se contraen con elf r ío , las grasas, los te j idos, incluso elhielo que se forma inicialmente se con

trae a medida que desciende la temperatura.

El contenido de agua, aire, grasa, tejidos,etc. es distinto de un alimento a otro, por loque la dilatación es muy variable.

3.5. Cálculo de la carga de refrigeración

que hay que remover del a l imento por unide tiempo para conseguirlo.

En lo que sigue M es la masa del alime M a la masa del agua que contiene, Ms la mdel resto seco, Cp el calor específico del mento y Xc el calor latente de congelación agua (o de fusión del hielo).

De acuerdo con la curva de congelaciónracterística del alimento, la operación se pudividir en tres partes a efectos de cálculo.

17 Enfr iamiento del a l imento desde la t p e ra tu ra am bie n te ta a la temperatura de cgelación -í . Tramo AB en la curva de cong

ción. En el cómputo calórico no es necesatener en cuenta el sobreenfriamiento. La cadad de calor Q a rem over será

<2, - M C p[ía - ( - g j = M Cp (ta +• te) [

El calor específ ico del a l imento se puencontrar en manuales especial izados o deminarlo en el laborator io . En pr imera aprmación se puede usar el del agua, dado el

con tenid o de ésta en los alimentos.2.° Formación de los cristales de hielo,

em pieza a la tem peratu ra - í y se completa largo del tram o B C en la zona crítica. C om oel caso de la congelación los calores la tenvarían muy poco con la temperatura, podemsuponer a efectos de cálculo que todo el hse forma en B a la temperatura -í. . La cantide calor Q 2 a remover será

0 2 - M n ( % ) c - T [

s i en d o (% ) e l po rcen taje del agua total congela hasta -18 °C y A, el calor latente atem pera tura de congelación.

37 Enfriamiento del alimento desde la t p e ra tu ra de congelac ió n - t c hasta -18 °C, p u esta ésta la tem peratu ra de alm acenam ieEl calor específ ico del a l imento congelaCpc, q ue se puede buscar en manuales espe



za r 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 = M Cpc\- 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 remo-

ver puede ser mayor que el calculado debido

a pérdidas de efectividad no deseadas,ejemplo, entradas de calor incontroladavalor

Q l

9

representa la potencia de frío de la máqucomo se ha señalado en el apartado 3.2.3.

En algunos catálogos y manuales estatencia de refrigeración se refiere a toneladafrío, expresión que también se escucha e

jerga profesional de los (rigoristas aunque

vez con menos frecuencia. La tonelada dese define como la cantidad de calor queque quitar a 1 m3 de agua a 0 °C para qucongele.

Como el calor latente de congelaciónagua son 80 kcal/kg, una tonelada de frío evale a 80.000 kcal.

En el cuadro 3.3 se incluyen los valorelas propiedades frigoríficas de diversos alimtos que pueden ayudar en los cálculos d

carga de refrigeración.

CUADRO 3.3

ropiedades frigoríficas de algunos alimentos

Calor especifico

roducto

Contenido

en aguo

[% en peso)

unto

de congelación

ÍP-c. X ]

or encima

dei p.c.

kJ |kg X ) - '

Par debajo

del p.c.

t í (kg "C)-'

Color loti

de fusii

t í

M -

Pollo 74 - 2 , 8 3 ,53 1,77 2 4 8Pavo 6 4 - 2 ,8 3 ,28 1,65 2 1 4Carne buey (magro 60%) 4 9 - 1 , 7 2 , 9 0 1,46 164Merluza 78 - 2 , 2 3 ,63 1,82 26 1Salmón 6 4 - 2 , 2 3 ,28 1,65 2 1 4Bonito 7 0 - 2 , 2 3 ,43 1,72 2 3 5Gambas 83 - 2 , 2 3 ,75 1,89 2 7 8Espinacas 93 - 0 , 3 4 ,00 2,01 3 1 2Guisantes 74 - 0 , 6 3 ,53 1,77 2 4 8Coles de Bruselas 85 - 0 , 8 3 ,80 1,91 2 8 5Brocoli 9 0 - 0 , 6 3 ,93 1,97 3 0 2Zanahorias 8 8 - 1 , 4 3 ,88 1,95 2 9 5



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 PlanckEnde 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:

_ K P t f — t t

LP ü r \

“ J[3.12]

siendo O el tiempo efectivo de congelación, Xc el calor latente de cristalización, tc el punto de

mento y el foco frío, k la conductividad térdel alimento congelado y L el espesor demento. Si éste tiene forma cilindrica o esfé

se utiliza el diámetro. P y R son unos coefictes de forma que corresponden a:

p - K 2

— Para cilindros

4 16

— Para esferas y cubos

6 ’ 24

La ecuación de PlanckEnde no tiencuenta la temperatura inicial del alimento temperatura final de congelado». Pero inccon estas limitaciones representa un momuy utilizado en los cálculos predictivos psencillez y por lo cercano de sus resultadorealidad. Esto no es de extrañar si se consique lo que no tiene en cuenta esta ecuason los calores sensibles de enfriamient

alimento hasta la temperatura de congelacde enfriamiento del producto coogeladovez que abandona la zona crítica, que sonpequeños comparados con el calor latentehay que remover para formar los cristalhielo en la zona crítica. Por cDo, en la utdon de este modelo se da por sentado qtemperatura final del alimento congeladcanza como mínimo los —18 “C de la cadenfrío.



Ende a fin de superar sus limitaciones y que,ev iden temente , son expres iones más comple

jas, com o es el ca so de la s re señadas p o r Sing y

Dermis (1993).En el caso de que el alimento esté envasado

la ecuación de P lanc k-E nde toma la forma:

donde x y k ' son, respectivam ente, el espesor yla condu ctividad del ma terial del envase.

Observando la ecuac ión de Planck-Ende ,resalta la influencia de tre s factores en el tiem

po ac tivo de congela ció n y, p o r ta nto , en la ca pacid ad de conseguir u n a congela ció n rápida .

Estos tres factores son:

a) El sa lto térm ico (í_ —í ) en tre a lim en to y

foco frío. Cuanto más baja sea la temperatura de l foco frío, más pe que ño será 6.

b) El coeficiente de transmisión de calor h

entre el alimento y el foco frío. Cuantoinás grande sea h más pequeño será 9.

c) E l tam año L del a l imento. Cuanto más pequeño sea L m ás pequeño será 6.

Estos tres factores son variables tecnológicas de los procesos de congelación de los alimentos y se pueden tratar de modificar favora

b le m ente al d is eñar un s iste m a de con ge lación,de forma que la velocidad de congelación re

sulte la más apropiada para la buena cal idaddel producto congelado.

A modo de ejemplo se pueden hacer algunas ref lexiones en el supuesto de la congelación de un bonito en un congelador de placa(figura 3.15). El líquido refrig era nte circula porel interior de la placa hueca removiendo el ca-lor.del bonito hasta congelarlo. El pescado descansa sobre la superficie de la placa. La superficie de contacto es pequeña, el calor tiene que

[3.13]

o)

/$*l \ / t * | i \ u TQ

-33 aC Q, Q 2 Q ’ - 3 3

Refrigerante

bl FIGURA 3.1 5. C ong elación sobre placas: a) product

ro sobre la placa, b] producto en rajas presionado

iaplaca.

La situación puede cambiar si se conge bo nit o partié ndolo en ra jas p re v ia m ente ysionando las rajas sobre la placa. Se habrcho más pequeña la d i s t a n c i a x , ha aumenla superf icie de contacto del pescado c

pla ca y han desaparecid o las bolsas de a íconductividad baja al apretar las rajas sob

placa .La velocidad de congelación habrá au

tado notablem ente, porque se ha aum entacoeficiente de transmisión de calor entre l

perf ic ie del alim ento y el foco frío , h , y p ose ha disminuido el espesor del a l imentcon la correspondiente disminución de 9 ecuación de Planck-Ende.

El concepto más utilizado de velhcidacongelación viene ex presado en la ecuació

V = * ! ^ f - [6

donde tj significa la temperatura inicial dem ento, ¡y la tem pe ratu ra final de cong elac0 el tiemp o que se tard a en que el centro té



pidez o lentitud de la operación podría en prin-cipio anotarse que valores de la velocidad su-periores a 5 °C min1 suponen una congelación rápida, valores inferiores a 1 °C min1 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).

Ejemplo 3.5. Cálculo de la carga de congelación y aplicación de la ecuación de Planck.

Una carne de vacuno cortada en bloques de 30 cm x 10 cm x 10 cm se congela desde +10 °C hasta 18 °C en un congelador de aire forzado a 25 °C. Calcúlese:

a) La variación de entalpia música del vacu-no durante la congelación.

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

nima del congelador para tratar 1 1de 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?

Datos

Calor latente de fusión del agua: A. =■335 IcJ kg1.

Calor específico del agua: Ct = 4,18 kJ (kg °C)‘,

Calor específico del liieto: Ch =0.5CB.

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

Peso específico del vacuno congelado1000 kg m3.

Ecuación de Planck para un alimento e

ma de placa:

Solución

a) Variación de entalpia o carga de congel(Ac) y calores específicos del pro ducto

congelado (C+) y congelado (Cp )

Jc =C M 10 (l)] + (yWan) + 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 • 0,0,74) + 03 ■(10.74)] = 1.95 kJ^gX

Xc - (3,4211) + (035 0,74335)+(1,95 • 17) = 306 Id kg'1

b)t = {(1.000 306 10¡*)/[(1 (25)]

{[0,1 / (2 • 30)) + [0,12/ (8 • 135)]} =31.70

r = 8£ h

c)q = (m- Xc)it= (1.000 306,8^31.70

9,68 kW

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

3.7. Descongelación

El proceso de descongelación no es exmente el inverso del proceso de congeladebido a las diferentes propiedades físicahielo y el agua: la conductividad térmicahielo es aproximadamente cuatro veces mque la del agua, la difusividad térmica och



t é rmico y a medida que se va hac iendo másgruesa la velocidad de transmisión de calor aumenta. Por el contrario, en la descongelación la

capa de hielo se va fundiendo desde el exteriorhacia dentro, y a medida que va creciendo elgroso r de la capa de agua la velocidad de transmisión de calor se reduce. Por ello, a igualdadde salto térmico la descongelación es más lenta.

En la figura 3.16 se ha representado la variación de la temperatura del centro térmico enun proceso típico de descongelación con aportede calor desde un foco caliente convencional.En una primera fase sube la tem pe ratura hasta,

un valor cercano al pun to de con gelación en unt iempo relat ivamente corto debido a que latransferencia de calor se hace a través de la entera capa congelada. Al fundirse el hielo latransmisión de calor se ralentiza, y el alimentose mantiene durante un tiempo prolongado enesa temperatura próxima al p.c., hasta que finalmen te alcanza la tem pera tura am biente.

En la fase BC, con temperaturas entre -5 y-3 UC pueden aparec er efectos de deg rada cio

nes microbiana o química, tanto en la descongelación doméstica como en la industrial. Tam bién, en el caso de que la congela ció n hubie rasido lenta o se hubiese dado lugar a recristalización con rotura celular, en esta fase apareceun exudado formado de líquidos celulares, quecontiene nutrientes y agua no re abso rbida en la

a

descongelación por la histéresis y pérdid perm eabil id ad de la s m em branas celu launque no se hayan roto.

En la descongelación a escala industria pro ducto s congelados no se llevan a desc olación completa en aquellas ocasiones en sólo se persigue prepararlos para operaciocomerciales subsiguientes. Enton ces se hacatemperado, que es una descongelación hque el producto se ablanda y se puede corttrocear con los equipos apropiados, lo cua

puede hacer aunque to davía haya hie lo econgelado, por ejemplo en un punto A',

En la descongelación no se pueden utilfocos calientes con temperaturas muy a pues, aunque se favorecería el salt o té rmlos alimentos podrían precocinarse.

Este inconveniente existe también en el pleo de los m ic roondas para estos fine s, porel hielo es prácticamente transparente a ladiación electromagnética de baja frecuencisi se funde es por la acción del calor que gran las microondas en el material no cong

do, que se transmite al hielo. El materiacongelado puede sobrecalentarse y para evlo la descongelación con microondas se hcon descargas intermitentes en la banda decuencia más b aja del aparato.

Cualquier sistema de descongelación drá evi tar sobrecalentamientos, prccocinaddeshidratación. Respecto a la velocidad de congelación debe atenderse a la cal idad producto co ngelado. Cuando es un ultra con

lado conviene una descongelación rápidcuando es un congelado normal una descolación más lenta, que p erm ita una cierta abción del agua citoplasmática perdida para tau rar parcialme nte la textura,

3.8. Métodos e instalaciones de congelación



siglo XIX. Hacia 1860 comienza a comerciali-zarse la congelación como un método de con-servación de alimentos y en 1890 existió un co-

mercio 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 yla 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 mecánico en lechos fluidizados e inmediata-

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. Métodos de contacto del producto (en-vasado o sin envasar) con la superficie del evaporador de 1.a máquina frigorífi-ca. La superficie actúa de foco frío. El re f r igeran te 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 re circula a través del evaporador.

3. M étodos de inmersión. Éstos pueden ser en mezclas frigoríficas (enfriadas por frío mecánico) o en gases licuados (frío criogénico), que actúan de foco frío y entran en contacto directo con el producto. Las mezclas frigoríficas líqui-

f r ías

En el cuadro 3.4 se expone una clasificageneral de los métodos de congelación. Ahora de decidirse por alguna de las opcio

plausibles habrá que tener en cuenta el tipalimento, la calidad requerida, la produchoraria, la operación continua o por cargas coste final del producto congelado. Tambhay que considerar la congelación del produantes o después de ser envasado.

CUADRO 3.4

Métodosdecongelación

Congelador de unaplacaCongelador dedosplacas

Congeladorcondosplacas

a presión

Congelador de escarcha

Túneldecongelación

desuperficies

Méto do de cómoras:• convección natural• convección forzada

Método d e túnel

Método de cinta sinfín

Métodos de lechos Fluidizad

En gases licuodosEn mezclas frigoríficas

Conviene recordar que la transmisión delor desde el alimento hasta llegar a temperras de congelación tiene lugar generalme

mediante la ecuación general [3.2], En estatuación, para llegar a un producto ultracolado es necesario que la cantidad de calor se transfiere por unidad de tiempo (<7 ) tevalores elevados para alcanzar velocidadecongelación de cinco grados por minuto cmínimo, por lo que al menos dos de .los factores del segundo termino de la ecuac[3.2j deben ser especialmente favorables, el coeficiente global de transmisión de c

Contocto

con superficie Frió

Contactodirecto

conoiréfrío

Inmersión



ria en este tema es concebir sistemas con estascaracterísticas.

Solamente conducen a productos ul tracoa-

gelados los métodos de congelación con lechosfluidizados, con gases licuados (líquidos criogénicos) o alguna variante de los métodos de cinta sinfín en casos especiales.

3.8. J. Méto dos de contacto con superficie fría

A ) Congela dores de pla cas

Se basa en el sistema descr i to dentro delapartado 3.6 y que se ilustra en la figura 3.15.El más utilizado es el de dos placas a presión.Las placas van alojadas en un armario y el Huido refrigerante fluye en paralelo y por el interior de ías placas. El conjunto de placas constituye el evaporador de la máquina frigorífica.

Las placas se presionan sobre el producto pa ra m ejo rar el con tac to m ed ia n te un to rn il loaccionado mecánicamente o un émbolo. Unos

espaciadores ajustablcs limitan la presión al va

lor requerido según el producto. En la f3.17 se da un esquem a del aparato.

El conge lador de placas de la figura tra

ría en forma discontinua. La carga y descdel producto se hace por unas puertas qune el armario en su parte delantera. La clac ión es len ta y puede ta rdar horas , dediendo del espesor y naturaleza del prodLas p lacas pueden d isponerse en sen t ido

rizontal o vertical. Estos congeladores se plean usualm ente para p roducto s envasad

cajas rectangulares.

B ) Congela dor de escarcha

Se utilizan pa ra la congelación de alimlíquidos, por ejem plo en la preparación dlados . Genera lmente e l p roducto se con

hasta que adquiere una consis tenc ia pa p e ro que aún p erm ite un tran sp o rte p or beo. En el caso de los helados el p ro d u ctotoso se mezcla con aire durante el transpo

se lleva a una cámara frigorífica de almac



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 FRTGOSCAN DIA, se congela la base del producto basta una

profundidad de 1 rom en 1 inmuto. El prodconformado con la base endurecida conservforma y puede pasar a una segunda etapa

la congelación total en un congelador concional con cinta de malla metálica sin ninriesgo de marca o deformación por adhereSe construyen en módulos de 3 m de longitanchura variable con capacidades de conción superficial desde 50 a 2.500 kg h l.

3.8,2. Métodos de contado directo con oiré

La congelación por contacto con aire frpracticó desde el principio de la introducindustrial de la congelación en la conservade los alimentos. En este método se encualas cámaras de congelación, los túneles, lostemas de cinta sinfín y los lechos fluidizaTodas estas instalaciones trabajan generalmte en forma continua.

A) Cámaras de congelación

El representante genuino de conveccióntural son las cámaras de congelación, que sisten en un recinto construido y equipado evitar la entrada de calor del exterior. Laredes interiores están protegidas con aislque se coloca entre el material estructuralrecubrimiento interior de la cámara, que s



ser una lámina con tinua de m ater ial fáci lmentedescontaminablc, como los esmaltados, e l ace

ro inoxidable o algunos plást icos r ígidos. El

suelo debe también ser aislado y la puer ta t iene q ue ten er cierre hermé tico (figura 3.19).

E n el in ter ior de la cám ara debe ir e l evapo-

rad or de una m áquina fr igorífica (M F). La convección natural del aire establece una corriente

transportando el calor del alimento al evapora-dor, como se señala en la figura 3.1.9 medianteflechas.

E l mé to d o d e co n g e lac ió n en cámaras d econvección natural es el más antiguo en la con

gelación industrial y ya se utilizaba en 1860. Elvalor de V en la convección natural es muy ba

jo y ta m bié n lo es el salto té rm ico q ue pued eofrecer este t ipo de instalaciones, que suelen

operar a temperaturas entre -20 y -30 "C. Enconsecuencia, la velocidad de congelación eslenta y se favorece la formación de m ono cristales, con ia consiguiente perdida de calidad del

producto. A sí y to d o , to davía se usan en la ac

tua l idad para cana les de vacuno , aunque los

tiempos de congelación son muy largos, del orden cíe 1 - 2 días.

Si se instala un sistema de circulación de aire en el interior de la cámara, corno puede ser

un ven t i lador convenien temente d i r ig idefec to de convecc ión forzada d isminutiempo de congelación, pasando la velo

de lenta a intermedia.Se puede concluir que las cámaras de

gelación no son buenos congeladores p baja velo cid ad de congela ció n pero son como cámaras frigoríficas para almacena

producto s prev iam ente congela dos p o r técmodernas , ya que su tempera tura de t restá e ntre -20 y -30 °C.

B ) Túneles de congelación

Los túneles de congelación com ienzan talarse en la industria alimentaria alreded1950, cuando empezó a Lomar cuerpo elcepto de la cadena del frío.

Re sponden a los d iseños básicos rep rtados en la f igura 3 .20 o com binaciones dmismos. El aire incide sobre los al imen

tem pera turas po r debajo de -30 ÜC y v

dades de has ta 600 m por minuto y segúsis tema de operac ión en comentes c ruzA esta velocidad del aire disminuye la c

pe lí cu la de convecció n, con lo que a u m e n



FIGURA 3,20 . Sección vertical de túnelesde congelación: I:Flujo descendente, una fila de corrillos. II: Flujo ascen

dos filas de corrillos: 1. carrillos con bandejas. 2.evaporcdorde lo máquina frigorífica. 3.ventilador. 4. bastidor p

retomo del aire.

coeficiente 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 extremo del túnel portando el producto y salen por el otro extremo con el producto congelado y a la temperatura de al-macenamiento. 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-

carga. Tanto una como otra son manuales se pueden hacer automáticas cuando inteque la instalación opere en línea con to d adena d e p roducción. E l aire frío por con

con la superficie del evaporador pasa a tde las bandejas, disminuyendo la temperadel producto y calentándose él y es dirigievaporador donde se enfría nuevamente, tiéndose la operación durante Lodo el procConviene que la carga de las bandejas no huecos que sean caminos preferentes paaire.

Cuando los alimentos no están envaspueden experimentar una pequeña pérdid



ra a costa del alimento, t iene una mayor capacidad de humidificarse. El aire cede esta agua

en el evaporador al enfriarse nuevamente y se

va formando una capa de nieve o de escarchasobre la superficie deí evaporador que disminuye el coeficiente superficial de transmisiónde calor, restando potencia frigorífica a la instalación. P ara evitarlo, los mo dern os túneles decongelación están dotados de un sis tema quedesprende la capa de nieve cuando es necesario por proyección del aire seco a 30 °C sobrela superficie del evaporador. La nieve cae alsuelo dc.1 receptáculo, de donde se retira. Esta

operación se llama desescarche. También se hausado el rociado de un anticong elante sobre los

evaporadores, que es recogido sobre una bandeja que se vacía automát icamente pero es te

p ro cedim iento p u ed e in troducir olo re s y sabores en los pro du ctos sin envasar.

El sistema es muy flexible y se puede util izar para congelar una amplia gama de al imentos de origen vegetal o animal, envasados en

pequeños p aq u e te s o en g randes cajas de car

tón y también sin envasar, enteros o en formatroceada o reban ada . Incluso se pueden congelar canales de vacuno, y entonces se sustituyen

los carril los por un monorraíi en el techo delque se suspenden ganchos.

La capacidad de producción de estas inlaciones es variable, pudiendo l legar a vartoneladas de producto /hora . En la ecuac

[3.2] el va lor de O es mayor que en las cámy el salto térmico también pero la velocidadcongelación depende mucho de la superf iespecífica. A título de ejemplo para produccomo filetes de carne o pescado sobre bandeel t iempo de congelación es de 2 horas , p

canales de vacuno pued e alcanzar 2 días o my para guisantes a granel (con aire a 5m/mín) se reduce a 20 min. La velocidad de so de los carri l los es regulable, dependien

del t iempo de congelación del producto,

C) Túne les de congelación de cinta sinfín

Son una modalidad de los túneles de conlación descr i tos anter iormente en los quevez de utilizarse carrillos se utilizan cintas fín de rejillas metálicas. A fio de evitar una cesiva longitud de los túneles se util izan d

ños que permiten que la instalación tenga uocupación superficial pequeña en la plantafabricación. Los modelos más utilizados son de bandas superpuestas y los congeladoresespiral.



FIGURA 3. 22 . Túnelesde cong elació n de cinta sinfín. I: Sección longitud inal. II: Sección transversal.

D ) Túnele s de con gelación de ba ndas su perpuesta s

En la figura 3.22 se presentan las seccioneslongitudina l y transversal de un túnel de co ngelación de este tipo.

El aire a temperaturas inferiores a -30 °C ygran velocidad incide en corrientes cruzadas so

bre la banda superior y consigue fo rm ar una p rimera capa de congelación que protege al pro

ducto de la deshidratación en las bandasinferiores, dond e el aire llega a tem pera turas su

periore s y con más ca pacid ad de deshid ra ta ció n

por ende. Conviene re cordar que la pro ducció nde canales preferentes para el paso del aire puede agudizarse en estos modelos donde el aireatraviesa menos capas que en el caso de los carrillos con bandejas múltiples. Para evitarlo con

viene distribuir la carga de forma homogénea ycubriendo el máximo porcentaje de rejilla de las

cintas. Tam bién pu ede ayudar un flujo parcial deaire la tera l como en el diseño de la figura 3.23.

La velocidad de las bandas puede regularse

de forma independiente. Generalmente la banda in ferior se mueve m ás lentam ente que las dos

superiores, acumulando una mayor cantidad de pro ducto , una vez que és te se ha confo rm ado yendurecido en las otras bandas. Esto permitema yor producción ho raria con m ejor calidad del

caída l ibre del producto de una banda a

fe r io r y as í ev i ta r que e l p roducto puedñarse .

Lo dicho para la velocidad de congel

en túneles con carrillos sirve también pade bandas superpuestas y depende muchtamaño y espesor del producto a congelarla velocidad del aire, que disminuye la caconvección aumentando el coeficiente sucial de transmisión de calor . Buscandoefecto en algunos diseños se ha conducaire por toberas que lanzan el aire sobre mento directamente desde encima y deb

b an d a , lo cual dismin uye el ti em po de coc ión pero in t roduce una c ie r ta compl ic

mecánica.



E ) Tún el de co nge lación de cinta sinf ín en espiral

Se trata de un modelo de túnel de congela

ción de cinta sinfín que tiene menos ocupaciónen planta que cualquier otro túnel de congelación de igual capacidad.

El hecho diferencial es que la cinta se apila

enrollándose sobre sí misma en espiral comose muestra en el esquema de la figura 3.24. En

los pr imeros modelos el cuerpo central , c i l indr ico, necesi taba guías y raí les como soportede las espiras, pero actualmente el soporte hasido sustituido por el empleo de cinta autoapi-

lable.El cuerpo central tiene dos componentes: el

sistema de accionamiento y tracción y el con

ju n to de espira s fo rm ado p o r la cin ta sin fín au-toapilable.

Ei sistema tractor es circular y está situadoen la base del cuerpo central. Está formado por

una cadena que se desliza sobre un soporte de bola s de acero , accio nada por ü iia iu e d a d en ta

da acoplada a un motor de baja tensión.

La cinta es de malla de acero inoxidable ylleva barandillas en sus dos lados. Ed ancho ele

la cinta y la altura de las barandillas pe

congelar cualquier tipo de producto y conna la capacidad máxim a de producción.

En cada momento, una sección de lallega a la base del cuerpo central, y sube

pora lm ente a la cadena de l sis te m a trac to

la em puja y la eleva de forma que se va judo a la espira superior por contacto del de sus barandil las con la base de la supdonde hay un pequeño resalte. El empuj

sistema tractor a la cinta que va entrandoduce el movimiento circular del cuerpo cde forma compacta, sin que las espiras qu

ascendiendo se muevan unas respecto a b as ta que ll ega a la p a r te su p e rio r y la

abandona e l cuerpo cen t ra l por tando e lducto congelado. Finalmente la cinta re

hacía la entra da c errand o el lazo.Las barandillas laterales y la malla de

se de la cinta se construyen de forma qajustan al trazado del recorrido sin perdetinuidad, curvánd ose p ara forma r el espira

Al acoplarse la cinta con la espira sup

se delimita una zona de congelación, de serectangular, cerrada y libre de atascos, que



deja pasar el aire frío a través de rejillas y ba-randillas.

El aire circula en contracorriente respecto

al movimiento ascendente del cuerpo central yen corrientes cruzadas respecto al movimientocircular de la espira, consiguiéndose una tu rbu -lencia que aumenta U, disminuyendo el tiempode congelación respecto a otros equipos decongelación. Esto acelera también la formaciónde un a primera capa de congelación al ent rar elalimento que lo protege de la deshidratación,con lo que las pérdidas de humedad son míni-mas. Se construyen de diversos tamaños y ca-

pacida des. En el cu adro 3.5 se incluyen carac-terísticas de un modelo de gran capacidad de producc ión pate nta do por FRIOO S CANDIA .

Los túneles de congelación en espiral, comoel que se muestra en la figura 3.25, son muyversátiles respecto a los productos a congelar,

pudie ndo utilizarse para alim entos muy diver-sos, de los que son ejemplos verduras, frutas,filetes de pescadn, gambas, chipirones, ham-

burguesas, albóndigas fritas, pollo (filetes, pe-

chugas muslos, frescos o cocinados), pan y bo-llería sin hornear comidas preparadas, de todo

tipo, alimentos envasados a vacío y agua bolsas de plá st ico. A tí tu lo com para tivo pueden congelar hamburguesas en 1215 m

CUADRO 3.5 .Característicasde un túneldecongelacióndecintas

en espiral

Anchuradelacinta 1.000 mmSuperficieútil porespira 15,5 m5Alturadelabarandilla 80-220 mmVelocidadde la cinto:

— alta 3,5-30 mm — baja 2,0-20 mmNúmeromáximode espiras: — de 80 mm 40 — de220 mm 25Alturamáxima 7,7 mOcupaciónenplanta <7A m1Capacidaddeproducciónmáxima 8 t h -

Fuente; Datosde PRIGOSCANDIA: GirccompactM I0 6.

C) Túnel de congelación de lecho fluid izado

Es un método de contacto con aire en éste entra por la cara inferior de la cinta si



con suficiente velocidad para suspender los ali-mentos y hacerlos flotar formando un lechoíluidizado entre 10 y 20 cm de espesor que

avanza en la dirección de la cinta.Los lechos fluidízados se caracterizan por su

gran turbulencia, que permite obtener coefi-cientes superficiales de transmisión de calormuy elevados, lo cual se traduce en una veloci-dad de congelación mayor. Además, se pone en

juego toda la superf ic ie del alimento , puestoque éste se separa del conjunto y flota indivi-dualmente en el aire, que le hace subir, bajar ytropezar continuamente con ¡os elementos ve-

cinos. Por eso se ha ba utiza do a esta técnica co-mo IQF (Individual Quick Freezíng) y es el

procedimiento más rápido de congelar despuésde los congeladores criogénicos.

La velocidad de congelación es muy rápida{U y A elevados) y depende del tipo de pro-ducto. Para co nge lar guisantes bastan 3 min.

La velocidad del aire tiene que ser sufite para mantener el alimento en suspensidepende de la densidad de éste, el tamaño

forma. Suele estar alrededor de los 30040min1. De las características del sistema sduce que se debe utilizar con alimentos dqueño tamaño o troceados, como guisamaíz, coles de Bruselas, judías verdes, frgranos de arroz cocidos, gambas y compotes para las menestras, etc.

En la figura 3.26 se incluye un esquemun túnel de congelación de lecho íluidique responde básicamente a un modelo a

zado de FRIGOSCANDIA. Se construyencapacidades en tre 3.000 y 12.000 kg h1.

La cinta está dividida en dos zonas. Emento pasa de la primera a la segunda zonyendo libremente para impedir el apelmmiento de los productos húmedos o pegajoPara impedir este posible apelmazamient

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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

del producto en el líquido. En la figura 3.

presenta un diseño común de túnel de con

ción criogénico de N, líquido. El nitróge

quido procedente de un tanque de alma

miento o de una batería de botellas se

sobre el producto, que entra en el túnel t

portado por una cinta de malla. En el con

con el producto hierve a 196 °C tomando

lor latente necesario del alimento que se c

la a una gran velocidad, y convirtiéndose e

trógeno gas a 196 °C, que constituye un

frío excelente para seguir robando calor a

mento de acuerdo con la fórmula general [3

Aproximadamente un 50% de la capa

cougeladora del nitrógeno líquido viene

ebullición en contacto con el producto y e

to viene del calor sensible potencialmen

juego en el paso de N, gas a 1 96 “C a N2

temperatura ambiente. Por esa razón el N

se rccircula sobre el alimento en la zona d

trada, donde sube su temperatura a cos

disminuir la del alimento, que se enfría y e

preenfriado, como pasa a la zona de con

ción. El N2 gas a temperaturas ya más cer

a las del medio ambiente se vehicula a

mósfera ya que no se recupera.

La recirculación del N2 gas se hace me

te un ventilador que lo proyecta encima d

mento a gran velocidad, con lo que se aum

el valor del coeficiente superficial en esa

del túnel criogénico.

Una parte del nitrógeno líquido rociad

bala a una bandeja desde donde se rcci

nuevamente a los rociadores.El alimento llega a la zona de congel

enfriado a temperaturas cercanas a la de

gelación pero, a pesar de ello, en el con

con el nitrógeno líquido puede experim

un choque térmico, capaz de producir te

nes internas derivadas de contracciones

pansiones rápidas y desiguales en los alim

con distribución zonal muy heterogénea

díendo llegarse a cuartear.



Figma 3.27. Túnel de congelación de nitrógeno líquido: 1 entrada del producto, 2: rociador de N? líquido, 3: reción de N2 líquido, 4: recirculadón de Nj gas, 5: solida del producto congelado, ó : depósito de N2 líquido, 7:

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 min1, 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 superficievolumen 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-

de menor consumo energético que las d

mecánico, pero el refrigerante no se recu

y esto tiene influencia negativa. En la f

3.28 se comparan los costes de congelació

ra instalaciones de frío mecánico y criog

de la misma capacidad (3.000 kg Ir1) en

ción de la ocupación o factor de carga anu

partir del 20% de ocupación los costes s

vorables al frío mecánico. Es obvio que laparación debe hacerse obteniendo prod

de igual calidad.

La inmersión directa en nitrógeno lí

se ha utilizado como etapa inicial de cons



ción para algunos productos. Primero 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 milímetros que conforma el pro-ducto y lo protege, y se sigue después laoperación por métodos de frío mecánico hastala congelación total.

El nitrógeno gas que se origina se evacúa alexterior. La calidad aumenta, pues en nitróge-no líquido no hay deshidratación y la cortezacongelada formada mitigaría una hipotética

deshidratación en Ja operación posterior.Un sistema de inmersión directa parecido al

anterior utiliza freón con buen resultado desdeel punto de vista de ía velocidad de congela-ción. Además el freón se recupera en un 97%,

por lo qu e el coste es menor. Sin em bargo, elfreón no goza de la falta de sabor y olor del ni-trógeno o del anhídrido carbónico y puede co-municárselo a los alimentos, por lo que sólo serecomienda para productos envasados,

El anhídrido carbónico licuado tiene un punto de ebullición de 78 °C a la presión at-mosférica, más alto que el del nitrógeno líqui-do, y esta circunstancia le hace preferible cuan-do el alimento es lábil al choque térmico.Cuando el C 0 2 liega a los rociadores un 50%forma una nieve carbónica y el otro 50% pasaa gas. El gas se utiliza para el preenfriamientoy la nieve carbónica que cae sobre el productolo congela sublimándose. En estos congelado-

res la zona de congelación debe ser algo máslarga porque la nieve carbónica no cambia deestado tan deprisa como el N2 líquido. En la su-

blimación se po ne en ju ego el 85% de la capa-cidad congelante total del C 0 7 licuado. El an-hídrido carbónico gaseoso tampoco serecupera y es conducido a la chimenea para suliberación a la atmósfera.

Los túneles de con gelación criogénicos pue-den congelar tanto productos a granel como

fresas, frambuesas, pasteles, panes, hambguesas, taquitos de pescado, verduras y otr

pro ductos.

B) Túneles de congelación por inmersiónen mezclas frigoríficas

Con el nombre de mezclas frigoríficas se nocen líquidos como la salmuera (23% de cloro sódico en agua), propilenglicol, disoluciónsacarosa (60% en agua), que tienen un puntocongelación por debajo de 0 °C, la salm uera

ÜC, el propilenglicol 4 5 °C y la disolución de carosa 15 °C, y que pueden servir de vehícde transpo rte del calor del producto al ev apodo : de una m áquina frigorífica. El mé todo sura al de placas por el contacto íntimo entre

pro ducto y la mezcla frigorífica, que favorecetransmisión de calor, y porque mantiene la cdad en alimentos sensibles a la oxidación y adeshidratación. Salvo el empleo fie la salmu

para congelar pescado y la sacarosa para con

lar frutas, no tiene aplicación pata productogranel por el sabor que comunica, y si los pductos se envasan se pierden parcialmente ventajas del sistema respecto a los alimensensibles a la congelación con aire frío.

Se construyen modelos variados pero fdamentalmente consisten en una cinta sinque transporta el alimento en contracorriecon la mezcla frigorífica en un depósito lontudinal, como se muestra en la figura 3.29.

Figura 3.29. Esquema de un túnel de congelación po



Resumen

1. La congelación es un a op eración de conser-

vación de los alimentos que se basa en redu-cir su temperatura por debajo de 18 “C. Aesta temperatura se inhibe el crecimiento delos microorganismos tanto patógenos comoalterativos y se anu la l a velocidad, de las reac-ciones de pardeo químico (Maillard). La ve-locidad de las reacciones enzimátícas se redu-ce pero no se anula, siendo éste el casotamb ién de los proceso s oxidativos.

2. Intern acion alm ente se ha fijado en 18 °C latemperatura máxima de la cadena del frío.

Esta es una expresión que comprende la se-cuencia de instalaciones, vehículos y apara-tos, desde la producción del alimento conge-lado hasta las vitrinas de los centros de venta.La cadena del frío debe asegurar que la tem-

pera tu ra del alim ento no sube por encim a de1.8 °C, pues podría dañarse su textura porrecristalización.

3. La cong elación indu strial supon e la capaci-dad de disponer de un foco frío de tempera-tura inferior a 18 °C fácil de obtener y re

producible . Esto se ha co ns eguido con el fríomecánico, que se basa 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 mecán ico el refrige-rante recorrerá con tinua mente un circuitocerrado. Mientras el sistema funcione habráun foco frío estable y permanente. Si el siste-ma se para basta pon erlo en marcha para re-

p roducir el foco fr ío . En la pro ducció n de

frío criogénico el efecto refrigerante lo proporc iona un líquido con te m peratu ra de ebu-llición muy baja (el Ni, hierve a 195,8 °C, elCO, a 78,5 °C) que en el contacto con losalimentos cambia al estado de gas.

5. Ln principio, sólo el agua pres en te en el ali-mento congela a temperatura de 18 °C. To-dos los conocimientos químicofísicos y cris-talográficos de la congelación del agua sonaplicables. La velocidad de congelación con-diciona la formación de microcristaics en el

cuando el alimento se descongele no rrará la textura original.

6. Cu anto más rápida es ía congelación m

asegura la formación de microcristaics nor es la pérdida de humedad. La velode transmisión de calor entre el foco fralimento se rige globalmente por fa ecuq = UAAt. La congelación rápida exige menos dos de los factores del segundo

bro sean aítos. E l obje tivo tecnológ icodiseño y la fabricación de bienes de e

para la cong elac ión de al im en tos es conaltos valores de q.

7. Pa ra calcular una opera ción de conge

es necesario conocer en prim er lugar lade refrigeración, que es la cantidad deque hay que remover del alimento podad de tiempo y que nos dará la potenccesaria de ía máquina frigorífica y, en do lugar el tiempo de congelació

prim era se deter m ina a part ir de la cahoraria de alimento a congelar y de ade sus características como conteniagua, porcentaje de agua que congela, de congelación, calores específicos y ca

tente del cambio de estado. El tiemcongelación se puede ca lcular por la ecude PlanckEndc, que da resultados satisrios tanto para productos a granel comenvasados.

8. Los aparato s para la congelación evonan al ritmo de las nuevas tecnologíasnuevos materiales y suelen tener un elgrado de tecnificación informática. Sden clasificar en tres grandes grupos ención con e! tipo de contacto entre el a

to y el foco frío. Así, hay congeladocontacto directo del alimento con la sucie fría del e vapor ado r d e la máq uina rífica, congeladores de contacto directaire frío qu e hace de fluido interm ediael transp orte de calor del alimento al erado!' y congeladores de inmersión. Lomeros son los congeladores de placas, carcha y de túnel de congelación superlos segundos son los túneles de congelde cinta sinfín, bien en bandas superp



dos distintos a! aire para transportar el ca-lor, tales como la salmuera, soluciones de sa-carosa o el propilenglicol En algunos casos

de alimentos preparados se emplean combi-naciones de dos túneles de congelación enserie, el primero para hacer un conformadosuperficial y el segundo para congelar todala masa.

9. Ha y que en ten de r la descongelación como lafase final del proceso congelador. En condi-ciones equiparables el tiempo requerido en ladescongelación es mayor que en la congela-ción, porque el calor específico del agua quese va formando en la fusión del hielo es do-

ble que el de l hielo y su conductiv idad es lacuarta parte. La descongelación puede acele-rarse utilizando un foco caliente de tempera-tura alta, siempre que no importe, o inclusoque se busque, el cocinado del alimento.También se pueden utilizar los microondasen su frecuencia más baja y por impulsos in-termitentes. En general, cuando la congela-ción ha sido rápida conviene una descongela-ción rápida y cuando ha sido lenta convieneuna descongelación lenta. En la industria

transformadora se descongela en algunos ca-sos sólo hasta 3 “C (alem perardo ),


1, D eterm ine el coeficiente de funcionam ientode un ciclo de refrigeración por compresiónque emplea amoníaco en condiciones de sa-turación. La temperatura de evaporación esde 10 UC y la de cond ensación 20 °C.

2. U na cám ara de refrigeració n de alimentos pre cisa 10 to nela das de frío, para lo cual lamáquina frigorífica opera con un evaporadora 5 °C y un co nde nsad or a 20 UC emplea ndoamoníaco saturado. Calcúlese:

a) El coeficiente de funcionamiento.h) El flujo másico de refrigerante.c) El flujo de calor retirado por el condensa-

dor.

ción) y 30 °C (condensación) un aument5 "C en el evaporador en relación a la pcia de refrigeración, el coeficiente de fu

namiento, el consumo de potencia pocompresor y el calor el iminado durantcondensación.

4. Se dispone de una unid ad de frío que prextraer 140 kJ para que tenga lugar la densación de 1 kg de fluido refrigerante

po te ncia co nsu m ida por el com pre so r, tiene un rendimiento del 85%, es de 8,05y el coeficiente de funcionamiento vale 5Calcúlese:

a) El salto entáípicn del refrigerante dea Ja evaporación.

b) El salto entálpico del refrigerante dea la compresión.

c) Flujo másico de refrigeran te,d) Potencia de refrigeración en kW.e) Carga de refrigeración en toneladas de

5. U n sistema de refrigeración basado efreón R12 opera con un evaporador a 2

y un condensador a 40 °C. Las necesidfrigoríficas ascienden a 15 toneladas de Calcúlese:

a) El caud al másico de refrigerante,b) La poten cia consum ida por el comp r

el cual presen ta un rendimiento del 80c) El coeficiente de funcion am iento o

ciencia.

Si se modifica el sistema introduciend

el ciclo una segunda expansión a 400 kPatre la salida del condensador y la expan

pre via al ev ap ora dor, es tablezca:

d) Los caudales músicos de refrigerante los dos compresores de este nuevo cic

e) ¿Qu é sistema (el convencional o el mficado) es más conveniente atendiendla potencia consumida en cada caso

pues to que todos los compreso res tieel mismo rendimiento?



7. Se congelan fresas mediante un congelador delecho fluidizado de potencia frigorífica 200 k\V

basado en el freón R12. La humedad de lasfresas 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 laevaporación y condensación son, respectiva-mente, 3 0 °C y 40 <JC. Ambas unidades ope-ran en condiciones de saturación. Asumiendo,1) que todo el agua congelase, 2) que las pro-

piedades térmicas de las fresas descongeladasy congeladas coinciden, respectivamente, conlas del agua y el hielo y 3) que la temperaturade congelación coincide con la del agua y novaría a lo largo del proceso, calcúlese:

a) La variación de la enta lpia música de lasfresas durante la congelación.

b) Las condiciones de presión, temperaturay entalpia de las corrientes de entradasa-lida a cada una de las unidades del siste-ma de refrigeración, así como la fracciónde vap or a la ent rada del e vapor ador. Di-

buje un esquema que re pre sente el siste-ma de refrigeración.

c) El caudal másico de refrigerante que cir-cula po r el sistema.d) La potencia del compresor si su rendi-

miento es del 85%.e) El coeficiente de eficacia del sistema de

refrigeración. f ) La capacidad de conge lación diaria del

congelador.

Datos

— Calor la te nte de co ngelación del agua:A. = 80 kcal/kg. — Calor específico de l agua: Cp+ = 1

kcal/(kg°C). — Calor específico del hielo: Cp" = 0,5

kcal/(kg °C).

8. Se prete nd e congelar 600 kg/li de carn e de va-cuno, cuya temperatura es de 18 °C, por in-mersión en una sal muera a —21 °C. Ksta tem

pieratura se alcanza mediante un sis tema de

ambas etapas trabajan en condiciones ración, que el sistema de refrigeración

porta adiabáticamente, que el productza el equilibrio térmico con la sal mue

el rendimiento del compresor es del 90

a) Dib ujar el ciclo de refrigeración gráfico PH y un diagrama de bloqlas distintas corrientes y etapas dma, así como las condiciones (P,Tentrada y salida de cada operación

b) Calcular la potencia de refrigeracióc) Determ inar el flujo másico de ref

te, el coeficiente de funcionamien po tenc ia consumida po r el compre

d) Si quisiéramos reducir en 2/3 la fde refrigerante vapor que entra en

pora dor mediante una segund a sión, ¿cuáles serían las cond(P,T,H) del refrigerante en esta uqué caudales másicos de freón lleglos compresores primario y secund

Datos

Calor latente de fusión del agua: Akcal/kg.

CaloT específico del producto descon

Cf; = 4,1.8 (0,7W + 0,3) kJ/(kg °C).

Calor específico del producto congela

= 4,18 (E f 0,5G + 0,3S) kJ/kg °C), si

el agua sin congelar, G el hielo y S la

seca.

Humedad: W = 75% (b.h.).

Proporción de agua congelada a 21 95%.

Temperatura inicial de congelación: T ■

9. Una cámara frigorífica opera con 0,

del refrigerante Rl 34a entre las presi

0,12 y 0,7 MPa en evaporador y conde

respectivamente. Calcular:

a) Los caudales de calor intercambia

el evaporador y condensador.

b) FAcoeficiente de operación del sist

c) Consumo de energía en el compres



4.1. Refrigeración

4.2. Atmósferas protectoras

REFRIGERACIÓN

Y ATMÓSFERAS

PROTECTORAS



El almacenamiento da los productos frescoshas

ta su consumo si éste es ráp ido o hastasu paso

a la etapa de conservación puede hacerse me

d ian te re fr igerac ión en cámaras f rigorí ficas con

temperaturas entre -1 y 8 °C, cuya técnica general

se ha descritoen el cap ítulo 3, Los productos vege

tales se han venido almacenando para retrasar su

maduración en cámaras con atmósfera controlada

donde se mantiene un bajo nivel deo xígeno y

no. Los conocimientos obtenidos en esta técn

han t ransvasado a un moderno métodode c

vación individualizada porenvasado en atmó

protectoras que retrasan el deterioro microbiol

y metabólico de los alimentos. Finalmente, la

geración combinada con el envasado en atm

raspro tectorasconduce a losmejores resultado


Cf Energía necesaria para condensar '1g de agua 21 Pérdidas por transmisión de calor/día en= 2,55 kj g1 des y techo (k.T día1)

Cp Calor específico del producto (kJ kg1 °C'!) 2 4 Pérdidas totales por transmisión de calo

c p«h Calor específico medio del aire húmedo (k.T día1)n r 3 X M ) 2 5 Pérdidas de calor operacionales (k J día1

C, Calor desprendido en la cámara de refrigera- Q r Necesidades energé ticas to ta les de una cáción (kJ t"1día 1) de refrigeración (kJ día1)

M Masa del alimento (kg) S' Superficie de paredes y techo (rrv2) M, Contenido de producto de la cámara de refri- S" Superficie del suelo (m2)

geración (l.) h Tem peratura inicial (X )

Qi Cantidad de calor a remover en la cámara fri- h Temperatura final (°C)

gorífica (kj día1) A t‘ Diferencia de temperaturas exteriorinL2 , Calor de respiración y maduración (kJ día1) (°C)0 , Necesidades en ergéticas por renovación (kJ . Al" Diferencia de temperaturas interiorsuelo

día1) U‘ Coeficiente global de transmisión de caloo .:■— 's»

Necesidades energéticas por enfriamiento cleí pared es y techo (kJ h1 m2 “C"1)aire (kJ d í a 1) U" Coeficiente global de transmisión de calor

¡23 Necesidades energé ticas po r variación de la el suelo (kJ h1 n r 2 °C1)humedad absoluta del aire (kJ día"1) V Volumen de aire renovado (m3díai)

2 4 Pérdidas por t ransmisión de calor/día a través 7 ir

Masa de agua a eliminar por volumen dedel suelo (kj día1)

5

(g n r 5)

GLOSARIO

acumulador de frío: Sistema en que se almacena en

forma de hielo el frío que producen equipos que

funcionan de forma continua a potenc ia baja y

que pueden atender una demanda punta de re-

frigeración por fusión delhielo acumulado.

atmósfera controlada (MAS): Atmósfera cuya

posición es regulada dentro de cier tos límite

rante la operación del almacenamiento y m

ración de productos vegetales en cám

frigoríficas.



de oxígeno, que sustituye al aire en el envasadohermético de un alimento fresco.

atmósfera protectora: Mezcla de gases o condicio-nes de vacío que constituyen mejores oportuni-dades que el aire para el mantenimiento de la

calidad de los alimentos frescos envasados.

cámaras frigoríficas: Recintos térmicamenlados en cuyo interior se mantiene una tratura entre 20 “C y 30 °C en el caso d

gelación y entre 1 y 8 °C en el caso refrigeración.

4.1. Refrigeración

Los al imentos congelados (capítulo 3) seconservan y manipulan a la temperatura míni-ma establecida internacionalmente, de 18 °C,

p ara la cadena del frío . E n lincas genera le s to -da instalación de conservación de al imentos

p o r co ngela ción d eb e in c lu ir un s is te m a decongelación propiamente dicho, que debe l le-

var el alim ento a 18 GC lo má s rápid am en te

posib le , y un siste m a de a lm acen am ien to del p roducto congela do que lo m ante nga a la te m - p era tura de referencia de form a consta n te . E s -te almacenamiento puede prolongarse durantemeses, por lo que hay que disponer de cámarasfrigoríficas ad ecuadas .

Sin embargo existen productos que sólo ad-

miten temperaturas de enfr iamiento por enci-ma del punto de congelación, como es el caso

de las frutas, algunas hortalizas, la leche, el

queso, algunos embutidos, efe. El empleo delfrío, aunque sea con esta limitación, constituyeun medio importante de conservación de estetipo de alimentos po r unos días o semanas.

Se define así la refrigeración como una ope-ración que se aplica a los alimentos perecederos

para pro lo ngar el tiem po que perm anecen hig ié -

nicamente seguros y organolépticamente acep-tables m ediante su conservación a tem peraturassup erior es a 1 °C e inferiores a 8 GC. Los ali-

alm acena dos a esa temp eratura sin que n p u n to del alim ento haya llegado a congeen ningún momento. La conservación setambién en cámaras frigoríficas que en es

so mantienen la temperatura del productre 1 y 8 °C. Tam bién pa ra los alime ntos

gerados existe una cadena del f r ío des p ro d ucc ió n h asta el consum id or con una p e ra tu ra de referencia cercana aO “C (almfr igor í f ico , t ranspor te , depósi tos de d is

ción, centros de venta, vitrinas y neveramésticas).

También son cámaras refrigeradas lasde e laborac ión manten idas a 12 °C don

p ro ced e al despie zado, tr oceado y file te a

aves, vacuno y porcino y a la salmorizacenvasado. En general, las operaciones enin te rv en g an man ip u lad o res d e a l imen to

b en ser rea li zadas en cám aras re fr ig era das

La acción conservadora del frío en l

maras f r igor íf icas se puede potenciar csustitución del aíre de la cámara por gasetectores como el nitrógeno o el anhídrid

bónic o , co n lo que se pro lo nga aú n más ríodo de conservación, manteniendo la ca

4.1 .1 . Efectos deldescensode temperatura

Lo s efec tos son los siguientes:



los. Entre estos últimos se encuentranlos patógenos más caracterísitcos (géne-ros sa lm ón ella, s taphi lococi ts aureus , es-

cherichia culi) en los alimentos.b) Alargar el período de íatencia de los mi-

croorganismos psicrótrofos (género pseudom onas fla vobacterium ), que sonlos principales causantes de alteración enlos alimentos refrigerados (flora banal).La mayoría de los mohos y levaduras son

psicró trofo s asimismo.c) Disminuir logarítmicam ente la velocidad

de las reacciones bioquímicas (tiansfor,

maciones enzimáticas, respiración de losalimentos frescos).

d) Disminuir logarítmicamente la velocidadde las reacciones químicas que puedentener lugar en los alimentos (oxidaciónde lípidos, desnaturalización de pro Ler

nas, degradación de pigmentos).

T o d o e l l o conduce a mantener la salubri-dad, las cualidades organolépticas, el poder

nutritivo, la textura y la apariencia de los ali-mentos, dando una buena imagen de produc-tos frescos y naturales, por lo que la conser-vación por refrigeración es una operación enauge.

Sin embargo, la refrigeración no destruyeios microorganismos, cuya clasificación enfunción de la temperatura se da en el cuadro4.1, ni anula las veloc idade s de reac ción bio -químicas y químicas, por lo que los alimentos

refrigerados no se conservan indefinidamen-te y tienen una vida útil relativamente corta(días o semanas), si bien superior a la que al-canzarían almacenándolos a la temperaturaambiente. Desde el punto de vista sanitario esimportante asegurarse de que los signos dedeterioro o alteración del producto puedanser percibidos por el consumidor antes de queningún organismo patógeno alcance nivelesde 10ú microorganism os o anidado s form ado

CUADRO4.1Clasificaciónde losmicroorganismos en func

de sus temperaturasóptimas

Termófilos 45 /55 °CMesófilos1 10/45 °CPsicrótrofos2 25 /35 °C (puededescenderaPsicrófilos3 -5 /+ 15 °C

1 Enfreellosseencuentran los patógenos importunes en los a

Algunos deellospueden actuarcomopsicrótrofosentre 3 y 2 Principalesalterativos. N o patógenos.

JAlterativos. No patógenos.

4.1.2. Factores que determinan la vida útidelos alimentos refrigerados

Para el diseño de una instalación de cvación por refrigeración conviene idenlos factores que pueden condicionar ía cy la vida útil del producto, A continuacreseñan los más importantes:

1. El tipo de alimento de qu e se trate.

2. El almacenam iento previo a la refrción.

3. Que el alime nto sea fresco o proces4. Que sea sólido o líquido.5. La hum edad relativa de la atmó sfe

almacenamiento en refrigeración.

Se pasa a glosar cada uno de los apaanteriores.

1. Respecto al tipo de alim ento con

ñalar que cada alimento tiene una tempede refrigeración óptima. Generalizand

pueden conte mpla r dos grandes grupos:

— Tejidos an im ales, huevos y leche rren temp eraturas bajas en tre 1 y 1

— Verduras y fruta s tienen un in te rvvariabilidad más amplio, que puede1 a 5 °C.



de refrigeración, incluida la doméstica, con unavariación máxim a de ±1 °C.

Algunas frutas y verduras procedentes de

regiones tropicales sufren alteraciones si serefrigeran a las temperaturas habituales de sugrupo. El frío las “daña” por alteración metabó lica y es tructu ra l, com o es el ca so de iosplátanos, cuya piel se pone negra y se pudre ninteriormente cuando se almacenan a tempe-raturas in feriores a los 12 °C.

Finalmente, si se quiere tener un productorefrigerado de calidad hay que partir de unamateria prima de calidad. La refrigeración no

se plantea para introducir mejoras en la cali-dad, sólo trata de conservarla.

2. La opera ción de refrigeración deberíarealizarse inmediatamente tras el sacrificio delos animales, la pesca, la recolección o el proce-sado de los alimentos. El transporte lejano y elalmacenamiento a temperatura ambiente au-mentan la probabilidad de deterioro químico yenzimático y de contaminación microbiana,

tanto más cuanto mayor es el retraso en procder a la refrigeración.

3, Respecto a los alimentos frescos verdur

y frutas, hay que tener en cuenta su actividmetabólica después de ía recolección. La refgeración ralentiza la respiración aerobia, peno la elimina, por lo que hay que tener cuenta la generación de CO, y el calor de lreacciones de oxidación de los carbohidratosácidos orgánicos. El calor generado en la resración debe tenerse en cuenta en los cálculde refrigeración.

Cuando las verduras y frutas han sido p

cesadas o forman parte de alimentos prepados la actividad respiratoria ha desaparecido.

4, En el caso de alimentos sólidos o líquidenvasados el almacenamiento refrigerado hace en cámaras frigoríficas. En ei caso de quidos a granel la refrigeración se hace pcambiadores de calor, siendo necesario en osiones la utilización do un acumulador de fr(agua helada).

CUADRO4.2Datospora loscálculos frigoríficosde alimentos refrigerados

Producto

Puntode

congelaciónp.c. r e )

Calor especifico porencimo delp.c.

(klkg“T "C- ')

Temperatura

de

almacena-

miento

r o

Humedad

relativo

IV

Tiempo

de

almaceno

miento

Calorde respiración |kjhg"1 día ’ 1)

c o 2

desprendi(mgkg_1 dí

Aves Frescas -2 ,7 3,40 0 85-90 1 semana

Carnebuey(magra) -1,7 2,90 -5/+1 90-95 5-10 días

Carnecerdofresca 2,13 -1/+185-90 3-7días

Jamón fresco -2 ,0 2,50 0 /- I 85-90 7-12 días

Queso en maduración -1,7 2,09 -1 / -2 65-70 0,75

Pescados frescos -2 ,2 3,40 +0,ó/+2 90-95 5-10días

Pescados ahumados -2,2 2,92 +4/+10 50-00 ó-8meses

Lechepasteurízada -0,6 3,76 +0,ó — 7días

Huevos frescos -2 ,2 0 — 1 añoEspinacas -0,3 4,00 0 90-95 10-14días 11,07

Guisantes -0 ,0 3,53 0 90-95 1-3 semanas 9,61

ColesdeBruselas -0 ,8 3,80 0 90-95 3-5 semanas Ó,Ó8

Alubiasverdes -0 ,7 3,80 +4/+7 90-95 7-10 días 11,57

Patatas nuevas -0 ,0 3,63 +10/+13 90 2-4 semans 3,00 to o

Tomatas -0,5 3,97 +7/+10 85-90 4-7días 7,18



5. La hum edad relativa en las cámaras tienetambién valores óptimos para cada alimento ydebe mantenerse entre márgenes muy estre-chos durante todo el período de almacena-miento. Si la humedad relativa es alta se pue-den producir condensaciones en las superficiesfrías de los alimentos con Jo que puede aumen-tar el crecimiento de los microorganismos enlos productos no envasados. Por el contrario, si

baja la hum edad rela tiva, el alim ento pie rd eagua para restablecer el equilibrio, deshidra-tánd ose y perdien do peso y calidad.

En el cuadro 4.2 se adjuntan datos relativosa los factores que determinan ía calidad y la vi-da útil de los alimentos refrigerados. Se han ex-tractado de Mallet (1993) y GarcíaVaquero yAyuga (1993).

4.1.3. Cálculos frigoríficos en la refrigeración

Como en el casó de la congelación hay unacarga de frío asociada a la operación, que tiene

dos fases. La primera es la disminución de latemperatura del alimento hasta su valor ópti-mo de refrigeración. La segunda es el trasladoinmediato del producto a una cámara frigorífi-ca donde se va a almacenar refrigerado.

La primera fase puede realizarse mediantealguno de los métodos descritos para la con-gelación, Con este fin se utilizan métodos decontacto directo en túneles de refrigeración decorrientes cruzadas con aire a 0 °C, para garan-

tizar que el producto no va a alcanzar en nin-gún caso el punto de congelación. También seutilizan métodos de inmersión empleando co-mo refrigerante agua fría a 0 "C o cercana a üc0 y mezclas de hielo y agua, así como mez-clando el producto con hielo picado como es elcaso del pescado. Cuand o se requiere u na velo-cidad de refrigeración rápida el método másadecuado es el de túnel.

También se puede obtener una refrigera-

líquidos en armarios o túneles, regulando yección del gas licuado de forma que no sgue a la temperatura de congelación en emento.

La segunda fase es el almacenamiento rífico de los alimentos refrigerados. Se entcomo tal su permanencia en cámaras frigoren las condiciones de tem peratura, humedalativa, circulación de aire y, eventualmcomposición de la mezcla gasesambienteadecuada para el mantenimiento durante eyor tiempo posible de las características dalimentos en el momento de ser introducidlas mismas. Para esta segunda fase se utilmétodo de cámara frigorífica con aire en mmiento a una temp eratura de 0 °C.

Cuando no se requiere una velocidad rde refrigeración ambas fases pueden realien una cámara frigorífica. En lo que sigdan las pautas para el cálculo de la cargfrío total en este caso.

Enfriamiento de l producto

En la refrigeración sólo interviene el sensible del alimento, que se pone en juedescender su temperatura hasta el valoconservación en el interior de la cámarcantidad de calor a remove r será:

Q\ ~ M Cp [q q j

siendo M la masa del alimento, Cp el cal pecífico de l pro ducto, q ía te m pera tu ra io de entrada del producto y q la temperfinal (tem peratura interior de la cámara).

Como se ha indicado anteriormente esveniente mantener la temperatura interila cámara cercana a los 0 °C, por lo que pgla general q 0 °C, salvo en casos espede daño po r frío.



riesgo de alteración, por lo que será necesariouna mayor potencia del equipo de frío que enel caso de alimentos que permiten un enfria-

miento más lento. Si los alimentos están enva-sados o colocados en cajas u otros recipienteshay que tener también en cuenta su enfr ia-miento. Según algunos autores esto aumentaQ t entre un 5 y un 10%. La etapa de enfria-miento de producto es la que consume másenergía en el proceso total.

Calor de respiración y maduración

Como se ha indicado, algunos productos al-macenados en refr igeración continúan des- prendie ndo calo r por su ac tividad m eta bólica(frutas, verduras, quesos). El cálculo en estecaso se establece en función del contenido entoneladas de producto de la cámara de refrige-ración (M () y el calor despren dido p or toneladay día (Cr). A efectos de simplificar los cálculosse considera que la actividad respiratoria del

alimento se m antiene constante. A sí se llega a:

Q2- M £ r [4.2]

Renovación del aire de la cámara

En las reacciones de respiración y madura-ción se produc e C 0 2 y se des prend en algunosotros gases volátiles y asimismo los productos

en refrigeración pueden desprender aromas ca-racterísticos, por lo que es necesario la renova-ción de la atmósfera de la cámara periódica-mente. La frecuencia de las renovaciones esvariable según el alimento de que se trate.

El aire entra en la cámara a la temperaturay humedad relativa exterior y hay que llevarloa la temperatura y humedad relativa que rigeen el interior de la cámara, para lo cual hayque enfriarlo y variar su contenido e n agua, ge-

& _ h \CPah

siendo V el volumen de aire renovado,

temperatura del aire de entrada, q la temtura in terior de la cámara y Cpah el calor cífico medio del aire húmedo referido a m3

Las necesidades energéticas por variade la hu m eda d absoluta del aire serán:

Q > C c Y s

donde C'c es la energía necesaria para consar un g de agua y V es la masa de agua a

m inar po r volumen de aire renovado.Las necesidades energéticas por renova

serán:

0 3 = o ; + Q"

El agua de condensación formará escaen los evaporadores, por lo que habrá quetalar un sistema para su eliminación.

Aparato s auxiliares

En el interior de la cámara funcionan atos cuyo desprendimiento de calor tiene qutenido en cuenta en el balance total de necedes energéticas. Tales son los ventiladores convección forzada del aire entre los evadores y los sistemas de iluminación y controse conocen las potencias y tiempo de func

miento de estos equipos se puede hacer el clo de calor disipado, que tiene que ser elimide la cámara. Las necesidades por este conson muy bajas respecto al total de necesidenergéticas y algunos autores estiman que una cifra aproximada, que suele estar entre

y 200 k j n r 3 de cámara d ía'1.

Pérdidas p o r transmisión 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¡ = 24(horas/día"1) U'S'At' [4.6]

donde Q' son las pérdidas por transmisión de calor/día en paredes y techo, f/'el coeficiente global de transmisión de calor para paredes y techo, S ' la superficie de paredes y techo y A f

la diferencia de temperaturas exteriorinterior.Por otra parte, las pérdidas por transmisión

de caior/día a través del suelo (Q'f) serán:

Q l~ 24(horas/día1) 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-

riorsuelo.

Las necesidades energéticas totales por este concepto serán:

Q<=Q¡+Q' a (4.8]

Pérdidas operacioncdes

Se refiere a la apertura de puertas para la entrada y salida de producto, circulación de personas, arreglo de averías, etc. Las pérdidas deben minimizarse con la construcción de es-

clusas y la Instalación de cortinas automáticas de aire frío alabrir las puertas. Se valoran en

un máximode un 25% de laspérdidas por

transmisión de calor:

G; <O ,2504 [4.9]

Necesidades energéticas to tales de una cámara

El máximo valor de necesidades frigo

corresponde a la etapa de llenado de la c

que corresponde al enfriamiento del pro

Qx puede ser el 80% de Q T: Una vez enel producto, Q r disminuye en Q v pero el

lo de los equipos frigoríficos tiene que h

para la máxima demanda de frío 0 T Po

se instalan varias unidades en cada cá

aunque sólo funcionan todas en la etapa

nado. En los cálculos hay que tener en c

las posibles variaciones estacionales de l

peratura y humedad del aire exterior.

Ejemplo 4.1. Cálculo de las necesidades

ficas de una cámara.

Calcular las necesidades frigoríficas

cámara de 20 x 10 x 7 m que almacena ma

desde octubre hasta julio con un período

nado de 7 días.

— Condiciones de conservación de la

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 k

cC)h

— Calor específico del aire: 0,307 k

cc)-1. — Tiempo de enfriamiento de 22 a 2 °C

— Pérdidas frigoríficas en las cond

más desfavorables: 10 kcal (m2 h )1

— Renovación del aire: una al día.

— Calor de respiración de la fruta: 2(t día)1.

— Pérdidas por servicio: 15% de las to

— Calor desprendido por los ventila

15 kcal (m3 día)"1.

— Resistencia del embalaje al enfriam

10% de las necesidades de enfriam

— Capacidad de refrigeración de los e

estándar: 0,6 Tf h_1.



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 día1.

OCTUBRE (semana de recepción):

— El aislamiento en las condiciones más desfa-

vorables ( jul io) arroja unas pérdidas de 10

kcal (i t í 2 ■h)_1, En octubre las pérdidas (fun-ción del AT) ascenderán a:

(10)(222)/(322) = 6,66 kcal/(m2 ■h)

Pérdidas por aislamiento: Ql = [6,66 kcal (m2h)1] (820 m:) (24 b día1) = 131.069 kcaldía1.

— Necesidades de enfriamiento desde 22 a 2 “C: Enfr ia m ie nto : Q 2 = [1,1 (10% embalaje.)](50.000 kg ■día'1) [0,9 kcal (kg ■día)1] (222)

°C = 990.000 kcal día1. — Conservación:

Carga media de llenado: (50 + 100 + 150 + 200 4 250 i 300 + 350) /7 = 20 01.

Calor por conservación: Q3 = 200 x 200 kcal (í • día)1 = 40.000 kcal día1.

— Renovación del aire:

El volumen húmedo o específico del aire vie-

ne dado por la siguiente expresión:

v n = [V n J {W M K ■I atm)] •

• (273,15 + Ta "C) K ■[(1//W kg¡E(molkgM) 3))]

+ W/PMw kgv (molkgv ■kg^)1]

VH = [(22,4 m3 (molkg^.)1)/(273,15 K •1 atm)] • (273,15 + 2 °C) K • [(1/28,84 kgas

(molkgj1) i 0,003/18 kgv (molkgv • kgas)1] = 0,786 m3 k 19 AS

Aunque la densidad del aire es la inversa de su volumen específico, es más sencillo pres-

cindir del cálculo de VR. Así, directamente:

w »<( ^ = 80% y 'i' = 2 °C) == 3 g HjO kg.;1;3,864 kg agua mís"3

WfVt (H}{ = 7°% y T = 22 °C) = =13,234 kg H20 mas3

Calor cedido por la deshunridificación del ai

Como el vapor de agua del aire conden

hay que tener en cuenta el calor latente

rrespondiente a 2 °C, a saber: 500 kcal kg

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 a

(húmedo) asciende a:

(1.400 m3 aire día1) (0,307 kcal (m3“C)'

(222) °C= 8.596 kcal día"1

Calor por renovación: Q4 = 6.559.000 + 8.

= 6.567.596 kcal día1.

— Servicio: Qs ~ (0,15)(Q,) (0,15)(131.069

19.660 kcal día1

— Ventiladores: Q6 = 15 kcal (m3día)"1(1m3) = 21.000 kcal día1

TOTAL (semana recepción octubre)

= 7.769.325 kcal día1

JULIO:

Oj = (131.069) (32 2)/(22 2) = 196.

kcal día1.

0 2 = 0 (El producto ya está a 2 °C).0 3 = (350 t) [200 (kcal(T día)1] = 700.

kcal día1.

Q a = (6.567.596)(32 -2)1(22 2) = 9.851

kcal día1.

Qs = (0,15) Qj = 29.535 kcal día1.

Q 6 = 21.000 kcal día"1.

TOTAL (julio) = 10.798.532 kcal día"1.

OCTUBRE (una vez está lleno el almacé

TOTAL = 7.769.325 - Q2 = 6.779.325 (k

día1).



991/[(7 unidades) (0,6 tf (unidadh)*1) = 23,6 horas

Resto octubre:

6.779.325/80.000 = 84,7 tf 84,7/(6 x 0,6) = 23,5 horas

Julio:

10 .798 .532/80 .000= 135 t.

1 3 5 / ( 1 0 x 0 , 6 ) = 2 2, 5 h o r a s

En el caso más desfavoable (julio) se preci-san 10 unidades de frío funcionando 22,5 horasal día. En octubre bastan 6 unidades, excepto enel período de carga de ese mismo mes, en el quese necesitan 7.

Refrige ración de líquid os

La refr igeración de l íquidos se hace con

agua fría a 0 °C circulando en un intercambia-dor de calor que puede ser exterior o estar su-me rgido en el interior del depós ito isotermo dealmacenamiento. La carga de refr igeración secalcula como en el caso de refrigeración de só-lidos (E [4.11]) y pa ra el balan ce ene rgético fi-nal habrá que tener en cuenta las pérdidas portransmisión de calor del depósito.

En algunos casos es necesar io estar prepa-rado para disponer de la carga de refrigeración

en un plazo muy corto, como ocurre en dustrias lácteas, donde es necesario enfrda la lecbe que llega en el períod o de rece(34 horas) . Esto puede hacerse d ispon

de máquinas frigoríficas de potencia supelas que habría que instalar si la refrigeracrepartiera a lo largo de la jornada (182ras/día). T ambién es posible utilizar un a

lador de frío para el momento de la receen el que se ha ido guardando el frío quducen equipos que funcionan de forma

nua a poten cia más baja.En la f igura 4 .1 se representa una in

c ión para re f r igerac ión de l íqu idos a gco n u n s i s t ema d e acu mu lac ió n f r ig o rSe trata de un depósito de agua en el qt á s u m e r g i d o e l e v a p o r a d o r d e l a m áf r igor í f ica , donde duran te e l func ionama lo la rgo de la jo rnada se p roduci ránques de h ie lo que permanecerán mezccon agua l íquida de refr igeración a 0 °Crec ibe e l nombre de agua he lada . Estoq u es co n s t i tu y en l a r e se rv a f r ig o r í f i c

ced e rá e l c a lo r l a t en te acu mu lad o an td eman d a p u n ta y cu an to may o r sea l a

p o rc ió n d e l h ie lo m ay o r será la d isp o

dad de f r ío .Dada la imposib i l idad de que en un

cambiador de ca lor e l foco ca l ien te a lla tem pe ra tura del foco f río , el agua h

no podr ía ac tuar de re f r igeran te secunsi se necesi tara refr igerar el a l imento l í

a 0 °C.



4.2. Atmósferas protectoras

La tecnología de la conservación de alimen-

tos con gases protectores consiste en sustituirel aire que rodea al producto por un gas o unamezcla de gases que ofrecen mejores condicio-nes para el mantenimiento de la calidad quími-ca, microbiológica y estructural del alimento.También puede eliminarse el aire haciendo elvacío en la cám ara o en el envase que mantieneel alimento.

Nace así la conservación en atmósferas pro-tectoras, bace unos treinta años, que tiene dos

vertientes de aplicación importantes: la conser-vación de alimentos a granel en cámaras acon-dicionadas y la conservación individual de losalimentos envasados. Este último método estáencontrando numerosas aplicaciones.

4.2. ?. Tiposde atmósferasprotectoras

La definición anterior conduce a cuatro ti-

pos de té cnic as basadas en la uti lizació n de pro te c to res: envasado a vacío , envasado enatmósferas modificadas, almacenamiento en at-mósferas controladas y almacenamiento enatmósferas hipo bóricas.

El envasado a vacío consiste en la elimina-ción de la atmósfera de aire en el recipiente quecontiene al alimento. Las paredes del envase secoiapsan sobre el alimento y la presión en el in-terior del recipiente es inferior a la atmosférica.

Con ello se consigue fundamentalmente evitarque haya oxígeno en contacto con el alimento, porque el oxígeno es uno de los principa les fa-vorecedores de la alteración. Con el oxígenocrecen las bacterias aerobias, que en el caso dela refrigeración son fundamentalmente las alte-rantes, y asociados a la presencia de oxígeno es-tán los problemas de oxidación de las grasas ytambién diversas alteraciones enzimáticas, asícomo el ataque de parásitos e insectos.

conservación o envasado de fruta y verque, una vez envasadas continúan tenienmetabolismo y necesitan oxígeno para

que maduren rápidamente y se pudran. b ié n es necesario el oxígeno para mantecolor de las carnes rojas, que se debe amento mioglobina, que en presencia de no está en forma de oximioglobina que nn color rojo brillante, que es ci que quiconsumidor. Cuan do la presión de oxígenminuye, la oximioglobina pasa a la metglobina que tiene un color pardo marrónes reversible, y cuando aumenta la presi

0 2 vue lve el color rojo. Sin embargo, aldentro de un envase, el consumidor, que b e de la revers ib ilidad, no lo coge , ya qmetamioglobina también se forma cuancarne envejece y el consumidor asocia elor marrón con carne pasada. Por último

b ién es necesario utilizar atm ósfera s cocierta proporción de oxígeno en el caso conservación de productos en que pueda microorganismos patógenos anaerobios

el Costridium. Botulinum. Por estas razonhan implementado los otros tres tipos mósferas protectoras.

El envasado en atmósferas modifi(MAP) es una técnica en que se sustituyere del recipiente por un gas o una mezcgases conteniendo cierta cantidad de oxíIbas modificaciones en la composición demósfera del envase que se puedan producrante el almacenamiento debido al meta

mo del alimento o de los microorganismocrezcan en el no se corrigen, por eilo la cotrac ión de C 0 2 aumenta durante el tiempta su consumición. También se p ueden alnar los productos a granel en atmósmo dificadas (MAS).

El almacenamiento en atmósfera contrse hace de forma que se pueda corregir la posic ión de los gases manteniéndola conmente entre unos valores prefijados. Es



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 eiempleo de atmósferas protectoras.

CUADRO4.3Aumentodeladuracióndelaconservación

Temperatura

(°qDuracióndeb vida

(días}

Producios

Aloiré

Bajo

atmósfera

protectora

Buey 4 4 10-12Cerdo 4 4 8-9Carnepicada 4 2 4

Despojos (hígado) 4 2 óPescados 4 4 8-10Pizzas 4 ó 21

4.2.2 . Envasado a vacío

Consiste simplemente en extraer el aire del envase para evitar que haya oxígeno alrededor del producto. Las particularidades de este tipc de envasado se pueden equiparar a las del 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

evitar el colapso del envase sobre el al

que se da en el envasado a vacío, aunq

algunos gases sigue existiendo un c

parcial. Esto se debe a que algunos gsolubilizan en la fracción líquida del

to, reduciendo el tamaño del envase al

nuir el volumen del gas libre. También

el envasado se hace generalmente a te

turas superiores a la de refrigeración e

so superiores a la temperatura ambien

mal, debido al calor de fricción

máquinas envasadoras, y al recuperar

peratura de almacenamiento disminuy

lumen del gas con el consiguiente cparcial. En el estudio del envasado en

feras modificadas hay que tener en cue

siguientes factores:

1. El gas o la mezcla de gases que

emplear.

2. Los envases.

3. La forma de introducir el gas.

4. El equipo de envasado.

5. La temperatura de almacenamient6. La calidad del producto a envasar.

A ) Mezcla de gases

Es uno de los factores más importan

gún su concentración en la mezcla los g

clasifican en gases componentes o gases

Se utilizan como gases componentes el n

no, el oxígeno y el dióxido de carbono, ygases traza el monóxido de carbono y el

xido de nitrógeno. Los tres primeros so

ponentes normales del aire en propor

respectivamente de 78% ,21% y 0,03.

El nitrógeno (N2) se utiliza como atm

para desplazar el oxígeno evitando así l

raciones que puede producir este gas de

anteriormente. El nitrógeno es incoloro,

ro, insípido, químicamente inerte y pr



El oxígeno ( 0 2) es tam bién incoloro, inod o-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. Essoluble en agua y grasas, originando un ligerosabo r ácido, aum entando su solubilidad a bajastemperaturas. Es bacterostático, aunque nocon todos los microorganismos, y fungicida,con acción mayor a medida que desciende latemperatura. Estos efectos se deben a la sumade varias acciones. Una de ellas es su carácter

ácido, que unido a su solubilidad en el agua ylas grasas produce una disminución en el pHdel alimento. Los microorganismos crecen peoren los pH extremos, por lo que al aumentar laacidez se impide su crecimiento. También in-fluye el posible paso del ácido carbónico a bi-carbonato, que es capaz de producir daños enla membrana celular de los microorganismos.En cualquier caso la acción inhibidora del CO,2es mayor que la del N, aunque las razones no

sean totalmente conocidas.El monóxido de carbono (CO) inhibe elcrecimiento de algunos microorganismos pató-genos y estabiliza los pigmentos, por ejemplo,en el caso de la mioglobina da lugar a carboximioglobina que también tiene un color rojoatractivo. Es altamente tóxico por lo que suconcentración está limitada y hay países quetienen prohibido su aplicación a la conserva-ción de alimentos.

El monóxido de dinitrógeno u óxido nitroso(Nz0 ) previene oxidaciones y suprime la activi-dad enzimática evitando alteraciones por estacausa.

Para comprender en toda su extensión laconservación con atmósferas modificadas con-viene explicar los efectos de los gases de la at-mósfera modificada en términos de su acciónmicrobiológica. Cuando se tiene un alimentoconservado en refrigeración y aerobiosis (at-

ración, por ejemplo las pseudomonas. Econdiciones no son buenas para el desarrde los microorganismos anaerobios o micr

rófilos, como son los lactobacilos. Por coguiente la flora mayoritaria serán las pseumonas y éstas serían las responsables dalteración final del alimento. Si este mismomento se envasa en atmósfera modificada CO,, anaerobia o microaerófila, se produccambio drástico en la flora mayoritaria yalas pseudomonas no crecen tan rápidamentconcentrac iones bajas de 0 2y en cambio crrían los lactobacilos, que además necesitan

tiempo para llegar al umbral de alteracAm bos pseudo m onas y lactobacilos son morganismos alterativos no patógenos.

Si se rep rese nta la curva de desarrollo ediagrama de unidades formadoras de colofrente al tiempo se obtiene la típica curva dfigura 4.2 con la fase de latcncia en que ecroorganismo se acostumbra al nuevo mela fase exponencial de crecimiento, la fasena de estabilidad y la fase de decrecimien

declive. Se llama umbral de alteración dalimento al tiempo transcurrido cuando se ciben los signos de alteración (olor repugnalimo superficial) debidos a los diversos m

boli tos (tr im etilam in a, am oníaco, sulfur



carbono, esteres de ácidos grasos de cadenacorta) resultantes de la metabolización de los

nutrientes por los microorganismos. El umbral

de alteración suele coincidir con cargas entre10e y 107 ufe cm2.

En la figura 4.3 se representa el crecimientode la microbiota de un alimento durante su al-

macenamiento y el retraso dei umbral de alte-ración al ut i l izar atmósferas modif icadas, así

como el increm ento del tiem po de latericia.

Tiempo dea lmacenam iento (días)

FIGURA 4 ,3 . Crecimiento de la microbiota en almacena

miento en refrigeración. A, en aerobiosis; B, enatmósfera

2 0% C 0 2 - 80% a ire; C, en atmósfera4 0 % CO , - 60%aire; P, umbrales de alteración. Fuente: López Gálvez, 0.

y col. para f ile tes de a tún {Agr ie . Food Chemisfry 43,483490 , 1995) .

Se puede suponer una situación en que un

alimento esté contaminado con dos géneros demicroorganismos alterativos R ¡ y R 2 en que el

prim ero cre ce en aerobio sis y el segundo es ini

croaeróíilo. La situación se ha plasmado en lafigura 4.4. El género R l s up era el umb ral de al-terac ión (107 ufe cm2) en ae rob ios is y en at-mósfera de CO, no lo alcanza nunca, mientrasque el R , no lo alcanza nunca en aerobiosis y sílo alcanza en atmósfera de CO, pero llega a élmás tarde que el R 1 en aerobiosis. No se está

1 2 -

1 0 -

u3 Ó “U)

■2 4 -

2 -

O 0 3 ó 9 12 15 18 21 24

Tiempo dealmacenamiento [días)

FlGU.RA4 .4 Crecimiento de microorganismosen refrige

Ata, microbiota en aerobiosis; Ale, microbiota en atm

CCq-aíre; P]t el género Jt, alcanza el umbral de alt

(107 ufe cm-2) en aerobiosis; A,, el géneroP2 alcanza

bral de alteración (107 ufo cm-2) en atmósfera COFuente: López Gólvez, D y col. para filetes de sal

Agrie.FoodChemiilry 4ó, 1 143-1149, 199 8],

p ro d u cir ía un retraso en alcanzar la carg107 ufe cm2, y un alargamiento de la láse d

tcneia.La refrigeración no destruye los micro

nismos y con las atmósferas modificadas está aplicando tampoco un tratamiento fde destrucción, sino que se está permitque c rezcan unos microorgan ismos en mento de otros, de forma que la sustituciófavorable a alargar la conservación. En condiciones una situación que podría plase es la de un alimento en refrigeración con

m ayor de 4,5, cuya co rrespond iente acidemite el desarrollo de microorganismos panos en coexistencia con los alterativos R LEn ausencia de 0 2 (atmósferas de C 0 2 o Nfavorece el crecimiento de los anaerobioforma que un género patógeno anaerobio pu ede alcanzar una carga in fe ctiva sin h p o r ello a lterad o el a lim en to o rg an o lé p

mente y ni R l ni R 2 han provocado aún lotomas del umbral de alteración, tal como



corr espo nde con valores altos de ufe cm2, po r-que el estómago destruye gran parte de los mi-croorganismos, el intestino también y son losque 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 deesporular puede ocurrir también que si alcanzauna carga elevada la forma vegetativa de losmicroorganismos se agoten los nutrientes y

procedan a esporular li berand o una toxina quesea tóxica para el hombre. Este es el caso delClostridium Botulinum que libera una toxinaexógena. cuya dosis letal es 10"7g, 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 cuand o puede habe r presencia de pa-tógenos anaerobios y por ello se utilizanatmósferas con cierta concentración de Or Siesto no conviniera a las características del ali-mento o de la operación, hay que tener un granrigor en el mantenimiento de la refrigeracióndurante todo el almacenamiento siempre pordebajo de una temperatura determinada, dis-tinta para cada microorganismo, habiendo de-

Tiempo de almacenamiento (días)

mostrado que a valores inferiores a esa ratura el microorganismo no crece. PClostridium Botulinum este valor es 3,3 °

El envasado en atmósferas modificadrelacionado generalmente con el crecimmicrobiano. Sin embargo hay casos en

persiguen ot ros fines, como puede ser evenranciamiento de productos grasos endolos en atmósferas de N,. Como ejemplde ponerse el cacahuete, que tiene una dad d e agua tan baja que no pr eo cucrecimiento microbiano, pero por su gratenido en grasa se llega a enranciar en pcia de 0 2, por lo que se conserva rá enl atatmósfera de N2, sin ser necesario refción. Con productos frescos o con activde agua suficientes para que crezcan los organismos, la conservación en atmósferdificadas se hace en refrigeración. Así lafruta, verdura y productos como pastel

bollería. Hay mucha variedad de alimecada producto exige un estudio de la atmque necesita, como se deriva del exam

cuadro 4.4 tomado de Gilbranel Salazamentación, Equipos y Tecnología , 4, 11986).

CUADRO4 .4

Mezc l a d e gases con ni trógenocornogas deb

Producto %o2 %co2 % Ga

Carnero¡a 5 0,0 15-25

Pescadoblanco — 40,0

Pescado azul (graso) — 20,0

Pescadopigmentado 5,0 30,0 f , Ü

Aves — 25,0Vegetales verdes >ó,0 2,0 1,0

Coliflor, etc. 7 ,0 10,0Champiñones 7,0 — 5 ,0

Frutos cítricos 25,0 10,0 1,0

Fresas 2,5 15,0Tomates 4,0 4,0Manzanas 1,5-2,5 0,1Peras 2,0 10



Conviene recordar que la buena práctica aseguir es envasar productos de buena calidad,idealmente sin contaminación, o con ésta al

princ ipio del perío do de latencia.

B) Tipos de envases

Se utilizan tres tipos de envases construidosde materiales plásticos, además de latas metáli-cas para casos especiales. A continuación sedescriben los de plástico y se representan en lafigura 4.6.

a) Envase tipo N Fnvnsf!tipo

almohada bandeja

c) Envasetiposobreosaco

FIGURA4.6 . Diversostipos de envases deplástico

utilizados.

Envases tipo almohada o con cabezal , quetienen un sellado de solapa o de rebaba longi-tudinalmente en la base y dos transversales aambos lados. Envases tipo sobre o saco, con unsellado de rebaba por cuatro lados o por tresdependiendo de que se doble por un lado. En-vases tipo bandeja o barqueta, que tienen una bandeja infer ior rígida te rm ofo rm ada y se cie-

ducto. Para contener se utilizan plásticostengan buenas características de resistencimo copolímeros de cloruro de vinilideno

etileno y alcohol vimlico y si se busca rigidusan copolímeros de etileno y acetato de vPara proteger o preservar se buscan plásque sean barrera para el 0 2, como el poliel cloruro de polivinilideno o el poliacrilolo. Para identificar el con tenido y estimudeseo de compra se emplean plásticos trarentes, como la poliamida o el cloruro de vinilídeno, e imprimibles, como el mismoruro de polivinilideno o el polipropilen

además antiempañables en cierta medidque tratándose de productos frescos su hdad puede producir condensaciones. Los mriales empleados deben ser además inocuotables, 'relativamente reciclables, permi por la le sg ilación y fáciles de trabaja r emáquinas para la soldadura, el termoformel sellado. Como es imposible reunir en un polímero to das esta s propie dades se uti plásticos obtenidos por laminación o coe

sión de varios polímeros.En el cuadro 4.5 se especifican las venta

inconvenientes de los tres tipos de envasescritos y los productos para que se usan. Elumen de la mezcla de gases que constituyatmósfera modificada debe ser como míigual al volumen neto del alimento. Se llamar espacio de cabeza a la diferencia el volumen del alimento y el volumen del se. El vacío puede hacer colapsar los enva

esto se notaría especialmente con el enva po bandeja.

C) Introducción de la mezcla de gasesen el envase

Hay cuatro métodos de crear la atmómodificada; barrido gaseoso o pu rga con gacío compensado, modificadores de atmósfer



CUADRO 4.5

Ventajas e inconvenientesde¡osdiversos tiposd e envases

Ventaje Inconvenientes Productos

Máquinas relativamente si mpías y costesda envasado relativamente bajos.

Bueno relación volumen de producto(VP) tamaño de envaso [TE|.

Permite velocidades elevadasde producción.

Ajuste Fácil para amplia gama

de tamaños de producto.

Ideal para el envasado a vadode productos voluminosos.

Trpo almohada ocon cabezo/

Llenado y sellado del paquete porel mismo lugar, de marera que los polvosfinos pueden interferir en el sellado.

La lámina especial constituyela totalidad del envase:

- Mayor gasto en plásticos especiales.-Aumenta el riesgo de ruptura.

No recomendado para productosen polvo.

Difícil llenado de multicomponenfes.

Aperitivos: patatas chips, cacahuetes,

Productos de pastelería y panadería.

Productos a granel para distribuciónal por mayor, verduras para ensalada

mozza relia para pizzas, etc.

Cornos, calé, mejillones, etc., envasad

al vado (Productos "sous vide").

Buena contención de productosen polvo fino, Generalmentelos más populares paro la vento

depequeñascantidades

deproductos deestetipo.

La rigidez del paquete es superior

aladel envasealmohada.

Máquinas simples. Velocidades

elevados de producción.

Tipo saquilo o sobre

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

Llenado y sellado del paquete por

el mismo lugar.

E llenado de multicomoonentesusualmenle tío es posible.

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

Salchichas y embutidos en lonchos.

Llenado y sellado del paquetepor lugares distintos. Menor riesgode sellado defectuoso.

Sólo la tapa del envase es plásticoespecial:

- Menor gasto en plásticos especiales.

- Disminuye el riesgo de ruptura.

Fácil sellado de muIticomponentes.

Permite compartimentación,

Horquetaconcede gran rigidez al envase.

Tipobandejaobarqueta

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

Relación VP/TE muy pobre, inadecuadopara productos muy grandes.

Inviable para el envasado a vacíopor colapso fácil.

E producto puede desplazarse en el interiordel envase.

Carne y pescados crudos.

Platos preparados. Frutas.



FIGURA4.7. Envasado por barrido gaseoso en una máquina í.f.s. horizontal automática concepto L'AIR LIQUIDE:mento, 2: rollode lámina deplástico flexible, 3: envaseformateado, 4: tubo inyector de la mezclade gases, 5: m

bula lermoselladora, ó: cortepara salidodeenvasesindividuales,7: salidadeaireygasexcedente.

el interior del envase mediante un flujo conti-nuo de gas que arrastra el aire que contenía elenvase hasta conseguir la atmósfera deseada.Las máquinas pueden ser de flujo horizontal(figura 4.7) o vertical. Esas máquinas permitenaltas velocidades de producción (1.20 envases

po r m in uto ) y sólo pueden empicarse con en -vases flexibles tipo almohada, tipo sobre o tiposaco. El formateado y corte del envase se hace

po r calo r, Se las co noce com o m áquin as f.f.s.

(form, fill, seal).En el método de vacío compensado se hace

primero una evacuación to tal de la atmósferainicial del aire y después se rompe el vacío me-diante la introducción del gas o mezcla de ga-ses deseados. Al h acerse la operació n d entro deuna cámara de vacío se pierde menos gas quecon el método de barrido. Este sistema es elmás idóneo para envasar productos no unifor-mes o muy grandes, por ejemplo jamones coci-

dos estilo Sajonia. Se usa con envases tipo bar-queta o tipo sobre o saco, tanto flexibles comorígidos. Las máquinas se llaman envasadoras decampana o envasadoras “chamb erí’ (cámara)(figuras 4.8 y 4.9).

Otra forma de introducir la atmósfera esutilizar productos capaces de absorber o gene-rar gases, que se colocan en el interior del en-vase y una vez cerrado éste van modificandoactivamente la composición del espacio de ca-

de C 0 2 y absorbentes de humedad. Se pretan e n s aquí tos de m ateria l perm eable a loses que generan o absorben. Los absorbedde O, son productos químicos de naturaoxidable. El más usado es polvo de hierro,en presencia de humedad utiliza el O., queen el interior del envase para oxidarse, cguiend o niveles de 0 2 muy bajos (< 0,0que no se consiguen con el envasado po r bdo o por vacío compensado. Los generad

de etanol contienen alcohol microencapsucon dióxido de cinc en cápsulas de dióxidsilicona, con contenidos entre 1 y 3 g por sato. Con la humedad del alimento las cápsul

beran etanol en el espacio de ca beza quefectivo para inhibir el crecimiento de moh

bacte rias como estaf ilococo s, salmone.Ua cherichia coli. Los modificadores descritoemplean ampliamente en Japón en la consción de productos de la pesca. Como ab

bedore s de COz y humedad se pueden utihidróxido calcico y cloruro cálcico respecmente.

La cuarta forma de modificar la atmósen el espacio de cabeza del envase es a pdel metabolismo del producto envasado. Se

plea con frutas y verd ura s en países en queda en llegar la fruta importada y el preciose paga por ellas es alto y permite un envaen atmósfera modificada, como es el cas



CapítuJo 4: Refrigeración y atmósferas protectoras

( I I

(3)

(2 )

[4]

r i f -

j d l

(5) (6|

FIGURA4 ,8, Envasado porvacioc ompensad o. Secuenciade ope ración en una envasadoradecam pana semiautom

1:colocacióndefa limentoenvasado, 2: c ierrede campana.Evacuación dela ire porvacío, 3: roturadelvacíopor

ducc ión de la a tmósfera deseada, 4 : actuación de la mand íbu la se lladora , 5: comunicación con el ex te rior , ó :

turadelacámara.

Film

f

Vacio A A tmósferamodif icada

A A1TT1'

moc

h

tttt¿A' i i i

\ I A o / "\o/"

t .

w



Dióxido de

FIGURA4.10.Modificacióndelaatmósferaapartirdelmetabolismodelproductoenvasado.

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

permeabilidad selectiva del envase se difunde C 0 2 del interior al exterior y entra O,, aunque

más lentamente porque la permeabilidad es menor (figura 4.1.0).

En la gráfica de la figura 4.11 se presenta la variación de las concentraciones de C 0 2 y 0 2 después de sellado el envase. Al principio la concentración del C 0 2 es la normal en el aire

FIGURA4.11. Variación de lo composición dol espacio decabeza con el tiempo" en el caso en que el producto crea

0,03% y la del 0 2 21%. Según va respira

vegetal va aumentando la concentració

C 0 2, y parte se difunde al exterior, mie

que la del 0 2 va disminuyendo. No int

que el 0 2 desaparezca totalmente porq

alimento debe seguir respirando, ya que

llegara a la situación de un metabolismo

robio se produciría etileno, con lo que el

tal madura más rápidamente y se estropeteresa mantener el metabolismo aerobio

ralentizado. Por consiguiente, la permeab

del envase para el oxígeno debe ser tal qu

se mantenga a niveles bajos pero llegand

equilibrio en que el Oz que entra en el e

sea el necesario para mantener una respir

ralentizada del vegetal retrasando la ma

ción y consiguiendo además una concentr

elevada de C 0 2 que impide el crecimien

crobiano.Conviene recordar finalmente que l

mósferas modificadas se suelen utilizar

alargar la vida de los alimentos en alma

miento por refrigeración, y que las tem

turas de trabajo son las convenientes pa

te fin, según se ha tabulado en el cuadr

Asimismo, las atmósferas modificadas n

joran la calidad original del alimento en

do, sólo tratan de conservar esa calida



CUADRO4.6

Ventajas e inconvenientesdelasatmósferasmodificadas

Vento/cu inconvenientes

- Previene lo a lterac ión de - Puede promover el creci

alimento: miento de bacterias pató* Microbiana genas

• Química - El d ióx ido de carbono es* Snzimátka solubleenaguaygrasa:• Biológica • Cambios en e! sabor y• Física aroma

- Mant iene ca lidad de! a l i * Colapso delenvase

mento sin necesidad de: - Neces ita un espac io de

• Tratamiento fuerte cabeza grande• Adit ivos - Genera cambios en el co

• Pesticidas larde lo5 carnesrojas

- Aumenta la vida útil: - Genera un valar añadido:

• Mayo r radio de distribu • Equipamiento

ción • Filmsde envasado* Más tíompo en el mer - Problemas de intoxicación

cado por mal uso de modifica

• Mejora ¡a presentación dores

delalimento

4.2 .4. Almacenamiento en atmósferas controladas

Se hace en cámaras frigoríficas con produc-tos a granel controlando la atmósfera para quesu composición se mantenga dentro de límites

pre fij ados. C on las atm ósferas con tro lad as setrata de regular el proceso de maduración paraque el producto pueda ir saliendo al mercado

pau la ti n am en te y de acuerd o co n la ca pacid ad

de absorción de dicho mercado. Unas vecesconviene retrasar la maduración y otras acele-rarla. Algunos frutos tienen un proceso de m aduración muy rápido tras ser cosechados.Otros siguen un proceso a la misma velocidadque si se mantuvieran en el árbol (figura 4.12).Los primeros se llaman frutos climatéricos (pe-

ras, albaricoques, melocotones, ciruelas, man-zanas, plátanos) y los segundos no climatéricos(cítricos, cerezas).

En e l p roceso de madurac ión los f ru tos

i 1 1 r----- 1-----1 — " i— i------- ]----e— 4 8 12 16 20

días demadurac ión

FIGURA 4.1 2. Variaciones de la intensided respiratori

rante la maduración: i: Frutos c limatéricos. II: Frutaclimatéricos.

t imulan la maduración, y también pierden

medad .Para retardar la maduración de los fruLo

disminuye la concentración de 0 2 y se aumla de C O , según proporciones adecuadas a

p ro d uc to . P a ra acele rarla se aum enta la centración de 0.2 y se introduce etileno (h

10%) mezclado con N2para evitar la inflamlidad del primero. En cualquier caso se mane una humedad alta en las cámaras (909

para evit ar la pérd id a de hum edad de ios frEl contro l d e las cámaras es autom ático

atmósfera se puede rccircular a través de dores o a bso rbed ores de 0 2 o de C 0 2 según

casos.

Resumen

1. Para conservar un producto fresco, tal sale después del. faenado de su pesca, su captara, o después de su cosechaddispone de pocas técnicas de conserv

porq ue se necesita mantener las ca racticas del producto fresco y la mayoría dtécnicas no lo hacen. Sólo, en principiodrían usarse tres, la radiación ionizanaplicación del frío, que se denomina re



2. La refrigeración es la más conocida y acep-tada socialmente, pero da al producto unavida útil y una vida comercial bastante cor-

ta, máximo 2 semanas dependiendo de lascaracterísticas del producto, de su composi-ción química y de la flora microbiana inicial(microbiota) de ese producto. Así pues, se

buscan tr ata m ie nto s coadyuvante s de estarefrigeración, intentando aumentare! incre-mento de la vida útil que se produce contratamientos añadidos, que condujeron a laentronización de las atmó sferas protectoras,

3. La conservación en atmó sferas protectorasconsiste en controlar las reacciones quími-

cas, enzimáticas y microbianas que puedensuceder en un alimento minimizando o evi-tando las principales alteraciones que pue-den ocurrir durante su almacenamiento. Sehace mediante la eliminación de la atmósfe-ra de aire que rodea al producto, haciendoel vacío, o mediante su sustitución por otraconstituida por un gas o por una mezcla degases adecuados para cada producto. Esto

pro lo nga la vida útil de l al im ento fresco porun tiempo mayor que la refrigeración.

4. La refrigeración pro lon ga el tiem po que losalimentos perecederos permanecen higiéni-camente seguros y organolépticamenteaceptables mediante su conservación a tem-

pera tu ra s entr e í . C'C y 8 °C. Los alimentosrefrigerados se lian enfriado sin que en nin-guna zona del a limen to se haya alcanzado el

punto de congelac ión.5. Tam bién para los alim ento s refrigerados

existe una cadena del frío, que en este casotiene una tem per atura de referencia de 0 CC

y debe mantenerse en todas las instalacio-nes y vehículos de la cadena, incluyendo lasvitrinas de los centros de venta al consumi-dor.

ó. La hum edad relativa en la atmósfera de lacámara de refrigeración juega un papel im-

portante en la ca lid ad del al im en to re fr ige-rado cuando este no está envasado. Cada

alimento tiene un valor óptimo de humerelativa en la cámara y se deben tenecuenta los datos climatológicos.

7. En el cálculo de las necesidad es energétde una cámara de refrigeración hay considerar ei calor de respiración y ma dción y la renovación del aire, que se ence con los productos del metabolismo de

pro ductos re fr ig era dos veg etales o conolores típicos de cada producto.

8. El envasado a vacío consiste en la elimción del aire en el recipiente que contienalimento. Las paredes del envase se cosan sobre e) alimento y la presión en el

rior es inferior a la atmosférica. Con ellconsigue disminuir la concentración de geno que es un factor de deterioro.

9. El envasado en atmósferas modifica(MAP) sustituye el aíre del envase porgas o una mezcla de gases. Se utilizan ngeno, dióxido d e carbono , monóx ido de

bono y óxido nitroso . La co nce ntrac iónría según los casos, y también puede ll

part e de oxígen o, dependie ndo de losmentos y de la flora microbiana,

10. Para crear la atm ósfera pro tecto ra se uzan máquinas de purga con gas o de vcompensado, o se colocan en el interiorenvase productos químicos modificadde atmósferas. En ciertos casos los gasesmetabolismo del producto crean despuésellado el envase la atmósfera convenien relación con la permeabilidad selecdel film de l envase.

11. El almacen am iento en atmósferas contrdas se refiere al cuso de cámaras frigoríf

con productos a granel en las que se conla la composición de la atmósfera para se mantenga dentro de unos límites predos para la conservación del productorante un tiempo determinado. En este cse combinan la refrigeración y el controla atmósfera en el recinto interior de lamara.



5

CONSERVACIÓN

DE ALIMENTOS

POR REDUCCIÓN

DE SU ACTIVIDADDE AGUA. SECADO

5.1. Psicrometría5.2. Actividad de agua

5.3. Secado con aire caliente5.4. Secado por contacto con una superf

caliente

5.5. Equipos de secado convencionales



E

l ob je t ivo de las ope rac iones que conducen a

la desh idra tac íón de los a limentas consis te en

reduci r su contenido deog ua hasta un valor tal

que inh iba todaact i v idad microb iana o enz imát ica .Estas técnicas permi ten, pues, prolo ng ar la v ida útil

de los a limentos, lo que supone en e l caso dec ien

tos productos a l iv ia r su carácter es tac iona!. En ge

nera l, la desh idra tac íón de un a l imento lleva consi

go, además , una no tab le r educc ión de su peso y

vo lumen, venta ja nada desdeñable a e fectos de a l

macéna le y t ransporte . Los p r inc ipa les p rob lemas

asoc iados a este t ipo de operaciones de conserva

ción son la al teración del valor nutr it ivo y de las ca

racterís ticas organolépt icas de l a limento , as i como

el consiguiente consumo energético.Si e l a l imento es fundamentalmente l íquido, éste

puede serobjeto deuna concentración previa al se

cado f ina l. Las ope rac iones de p reconcen tr ac íón

más extendidas son la evap oración, centri fugación,

f il trac ión, u í tra f il tradón, osmosis inversa, escurr ido

por graved ad y prensado. La desh idra tac íón poten

c ia l de l a limento se encuentra res tr ing ida a su f rac

c ión de agua lib re . Por o tra pa rte, se ha de tener

presente la ba ja se lec tiv idad de estas operac iones

de p reconcen tr ac íón , que compo r ta la lix iv ia c ión

parcial del sustrato seca del a l imento, excepción he

cha de la osmosis inversa, sumamenteselectiva res

pectoal agua. Desde el punto de vista del consumo

energét ico, éstos son po r [oge neral moderados, ya.

que el agua que se libe ra del a limen to no se en

cuentra li gada a í m ismo po r fue rzas de conside ra

c ión . La excepción v iene dado , en este caso tam

b ié n, p or la osm osis inversa, cu yo consum o

ene rgé tico es in te rmed io entre los deb idos

procedimientos mecánicos y los correspondien

los procesos térmicos, y por la evaporación, s

da la más costosa al respecto.El secado del a l imento, preconcentrado o n

ult ima mediante un proceso térmica, e l cual se

f ica por ofrecer una mayor selectividad respec

agua e lim inada. La ope rac ión p resenta , pues

mo p r inc i po I inconven ien te , un e levado cons

energé tico . Eí secado té rm ico es muy ve rsá

cuanto a pos ib i li dades dea p l icac ión se ref ie r

da vezque su campo deactuación comprende

de alimentos mayor i íar lam ente sólidas hastaal

tos l íqu idos, pasando por pap i llas y suspens

en general.Las técnicas desarrol ladas al efecto son, s

e l caso, e l secado con a i re o por contacto con

p laca ca lien te, la desh idra tac íón porcongelac

subsiguiente sublimación [ liofi lización) y la co

t rac ión por congelac ión. Si el a limento es de

raleza l íquida, la el iminación de aguo puede [

se a cabo tam bién po r concen trac ión

evaporac ión, b ien como proceso de preconce

ción, b ien como operación Final de secado.

Antes depasar a exponer las princ ipa les c

teríst icas de los distintos procesos térmicos de

do de al imentos, seda cuenta de dosaspectos

c ionados con los mismos, a saber: la ps ic rom

de lasm ezclasva por deagua -aire, agentede

do por antonomasia , y la a c tiv idad de agua,

piedad intrínseca del a limento que informa sob

g rado de fija c ión deí agua y, par ende, sob

apt itud hacia el secado.


A Á ren (m2)

A ' Á ren po r un idad de masa de só lido seco (m2

k 1)

aw A ctividad de agua

C E U C o n su mo en erg é ti co u n i ta r io (kJ kg'1)

cH C a lo r h ú m ed o o esp ec í f ico de l a mezc la

ai.re/vapor d e a gu a (k J kga1 K1)

cpa Calor específico a presión cons tante dei aire

cPc0 Ca lor específico a presión co nstante del

seco a la entrada (kJ kg1 K3)

cyv Ca lor específico a presión constan te del v

de agua (kJ kg1 K1)

Difu sívidad efectiva intern a (m2/s _))

D D iám etro medio de go ta ( |im)

D q Parámetro es t ructu ra l det a l imento re laci

do con su difusívidad (ni2s"f)



G Velocidad másica del aire (kg m 2s'1) f ía Entalpia del aire seco (kJ kg1)

HoX Entalpia del aire seco a la salida (kJ kg'1)

Ha. Entalpia del aire seco a la entrada {kJ kg1) Hw Entalpia del vapor de agua saturado (kJ kg1) h Coeficiente individual de transmisión de calor

(W nr2 K1)

hr Coeficiente superficial de radiación (W m"2 K_l) K Constante de equilibrio k Conductividad térmica (W ■m 1• K”1) ka Conductividad térmica del alimento (W m"1

K’1)

kp Conductividad térmica de la pared (W n r1K_1) k Coeficiente global de transferencia de materia

(kg s"1o tu s1) kc Coeficiente de transferencia de materia de difusión externa (kg s_1 o m s_l)

L Perímetro del disco de un atomizador centrifu-

go o espesor de pieza (m) la Espesor de la película de alimento (m)

lp Espesor de pared (ni)

Ms Peso molecular del aire seco

Mw Peso molecular del vapor de agua

m Pendiente de una recta o caudal másico (kg/s1) ma Peso de aire seco (kg) o flujo másico de aire

seco (kg s_1)m Flujo másico de producto (kg s"'); referido al

perímetro del disco de un atomizador centrífu-

go (kg nr 1s1) m. t Flujo másico de producto a la entrada (kg s_1) m 2 Flujo másico de producto a la salida (kg s_1) mw Peso de vapor de agua (kg)

N Velocidad de giro del disco de un atomizador centrífugo (rpm)

O Cantidad de calor (kcal o kJ)

F Presión total de la mezcla aire/vapor de agua

(atm) pa Presión parcial del aíre seco en la mezcla

aire/vapor (atm) p vv Presión de vapor del agua a la temperatura de

la mezcla aire/vapor de agua (atm)

Presión de vapor del agua en un alimento (atm)

P to Presión de vapor del agua superficial de un ali-

mento (atm)

p w Presión parcial del vapor de agua en la mezcla aire/vapor (atm)

r Radio del disco de un atomizador centríf

(m)

T Temperatura (°C o K)

T Tempemtura del aire seco (°C)

T ! Temperatura del aire seco a la salida (°C)

Ta, Temperatura del aire seco a la entrada (°C

Ta. Temperatura del aire húmedo (”C)

Thh Temperatura de bulbo húmedo (°C)

Tb¡ Temperatura de bulbo seco (°C)

Ta Temperatura de referencia (°C)

T0 Temperatura de la pared o del producto (°

Tpl Temperatura del producto a la entrada (°C

T 2 Temperatura del producto a la salida (°C)

T Punto de rocío o temperatura de saturació

la mezcla aire vapor de agua o temperatrelativa a una superficie (°C)

Tv Temperatura de ebullición (”C)

T_ Temperatura de saturación adiabática d

mezcla aire/vapor de agua (°C)

T , Temperatura de saturación del vapor de

(DC)í Tiempo total de secado

t Tiempo de secado para el período de velocid

constante (s)íF Tiempo de secado para el período de veloc

decreciente (s)U Coeficiente global de transmisión de calor

nr2 K J)

V Volumen de la mezcla aire/vapor de agua

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 me

aire/vapor de agua (m3 hg^)

W Humedad absoluta o específica del aire (k

vapor de agua/kg de aire seco) o contenid

agua de un alimento referido al peso de su fción seca (kg de agua/kg de alimento seco)

Wbh Humedad absoluta o específica del aire

temperatura Tbh (kg de vapor de agua/k

aire seco)

We Contenido de humedad en equilibrio de un

mento (kg de agua/kg de alimente seco)

W. Contenido critico de agua de un alimento

de agua/kg de alimento seco)

W0 Contenido inicial de agua de un alimento

de agua/kg de alimento seco)



vapor de a gua (kg de va po r de agua /kg de aire A P Caída de presión {Fá)seco) U Rendimiento térmico (%)

w Can tidad de agua del alime nto (kg), que puede X Calor latente de evaporación (kJ kg1)

estar referida o no a su extracto seco P Viscosidad (kg m 1 mi ir 1) x Fracc ión molar del aire seco en ia mezcla P Densidad (kg n r 3)aíre/vapor de agua r Tensión superficial (kg min2)

x,v Fracción m olar del vapo r de agua en la mezclaaire/vapor de agua

GLOSARIO

actividad de agua: Es la can tida d de agua disponible

para la actividad m ic ro biana, bioq uímica o enzi

mática. La reducción del contenido de agua del

alimento, que implica una disminución paralela

de su actividad de agua, justifica el desarrollo y

empleo de procesos de deshidratación tales 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 alimento y la presión de

vapor del agua pura a la misma temperatura.

consumo energético unitario: Se define como la

energía consumida por unidad de masa de agua

eliminada. Se po ne de m anifiesto la necesidad de

aprov echar en lo posible la e ntalpia de salida del

fluido calefactor. Un ejemplo al respecto podría

ser la re circuí ación de p ar te del aire de salida de

un secadero.

contenido de humedad en equilibrio: Si se pone en

contacto un alimento con aire de una humedad

relativa y una temperatura dadas acaba por al-

canzarse un equilibrio entre la presión de vapor

del agua en el alimento y la presión parcial del

vapor de agua en el aire, F,n estas condiciones, el

alimento adquiere una determinada cantidad de

agua, que se define como el contenido de hum e

dad en equilibrio, mientras que el aire ambiente

queda, por su parte, con una humedad det

nada, la denominada humedad relativa en e

brio. La diferencia entre ia humedad inicia

pro ducto y so co nte nid o de hum edad en e

brio se conoce por humedad Ubre o en exce

no confundir con el termino agita Ubre, que

referencia a la fracción de agua más débilm

ligada al alimento.

proceso adiabático de secado: El secado de al

tos con aire se puede considerar un pr

adiabático, aunque en realidad este comp

miento se circunscribe ai período de velo

de secado constante. El aire cede calor sen

al alimento recuperándolo como calor late

través de la incorporación, como vapor, del

eliminada, Du rante este proceso, la temp er

de bulbo seco del aire disminuye, permane

do constantes su entalpia y temperatura de

bo húm edo.

rendimiento térmico: Se define como la relació

tre la cantidad de energía teórica necesaria

eliminar el agua y la cantidad de energía c

mida en la práctica. Interesa que la temper

a la salida del secadero sea io más baja po

lo que se opone a la conveniencia de que es

rriente no se sature en humed ad, que se evi

me ntando su temperatura.



5.1. Psicrometría

La psicrometría, en su sentido más amplio,se encarga de ia determinación de las propie-dades termodinámicas de las mezclas entre ga-ses y vapores. Su aplicación más frecuente secentra en el sistema airevapor de agua. La in-dustria alimentaria no es una excepción. Así, elcom portam iento de estas mezclas bajo distintascondiciones determina, entre otras cuestiones,el diseño de los secaderos de alimentos y de losequipos para su almacenamiento frigorífico. Secomienza con la exposición de las principales propiedades de cada uno de los componentesde la mezcla para, posteriormente, proseguircon el análisis y características del conjunto aireva por de agua.

5. /. 1. Propiedades delaire seco

a) Calor específico. El calor específico delaire seco a 1 atm de presión varía, en ei inter-

valo de temperaturas 40/60 °C , entre 0.997 y1,022 kd/(kg K). Para cálculos rápidos se suelead op tar un valor prom edio de 1,005 kJ/(kg K).

b) Entalpia. Dado el carácter relativo de es-ta propiedad se han de fijar unas condicionesde referencia que, para cí caso del aire seco,coinciden con las normales: ü "C y 1 atm. Cajoesta premisa, la entalpia del aíre seco viene da-da por la siguiente expresión:

H a =cPJ T bs~ T Q) ^ l ,m 5 T bs [5.1]

donde H represen ta la entalpia en cuestión, enkJ/kg, Tbs su temperatura de bulbo seco (se ex- plicará seguidamente) y TQla temperatura dereferencia, ambas en °C.

c) Temperatura del aire. También llamadade bulbo seco (7) = T ), nom bre que toma delsistema de medida empleado. Se trata de latemperatura medida por un sensor al efecto sin

medo, que define una nueva temperaturacual se tratará más adelante en relación con

propiedades de las mezclas airevapor de ag

5. ].2. Propiedadesdelvapordeagua

a) Calor específico. La variación del cespecífico del vapor de agua (saturado o socalentado) con la temperatura puede consra rs e nula en el intervalo 71/124 ÜC. Se stom ar el valor de 1,88 kJ/(kg K).

b) Entalpia. La entalpia de un vapor sat

do es la suma de dos contribuciones: el csensible necesario para llevar el agua desdtemperatura de referencia a la temperaturasaturación de! vapor y el calor latente de vapzación (2t ), función de esta última tempera tu

H w = cPw( T „ - T f¡) + XT [

5 .1 .3 . Propiedadesdelasmezclas airevapo

deagua

Las mezclas aírevapor de agua presenun comportamiento asimilable al de los ga

perfec to s, sie m pre que el sistem a no supuna presión total de 3 atm. Por otra pacumplen la ley de GibbsDaiton, a saber presió n to ta l de la mezcla (P) es igual a la sde Jas presiones parciales del aire seco (pdel vapor de agua (pw)-

a) Humedad. Para definir el estado dhúme do se requiere conocer su contenido en por de agua. Se introduce así el concepto demedad, que puede adquirir distintos valoresgún la designación que se adopte en cada caso

■— La humedad absoluta o específica (Wel peso del vapor de agua (mw) preseen la mezcla por unidad de peso de seco (m ). Se expresa en kg de agua kg de aire seco.



Aplicando la ley de los gases perfec-tos a los dos componentes de la mezclaconsiderada,

P„VM„ [5.4] R T

= [5.5] R T

donde M w y M a representan, respectiva-mente, los pesos moleculares del vaporde agua y de! aire seco. La combinación

de las ecuaciones [5.3], [5.4] y [5.5] con-duce a las siguientes expresiones:

M wP,

W =

Mwpw _________

K P c M J P - p w)

M w x ÍV M w $

[5.6]

[5.7]

siendo y x las fracc iones molares del

vapor de agua y del aire seco, respectiva-mente. La hum edad de sa turación (14^) corresponde al máxim o conte nid o posib le devapor de agua en la mezcla para unatemperatura dada. En estas condicionesse dice que el aire se encuentra saturado,siendo la presión parcial del vapor deagua (pw) igual a la presión de vapor delagua a la temperatura del aire (p )■Por

tanto, de la ecuación [5.6]:

W r = M. Pv» M. x [5i81 K ( P ~ P VJ M.a xü L J

La humedad absoluta porc entual (W ) esel cociente entre la humedad absoluta dela mezcla a una temperatura dada y la desaturación a esa misma tem pera tura.

— La humedad relativa (Wjj) se expremo la relación porcentual entre lasión parcial del vapor de agua en e

húmedo y la presión de vapor del ala temperatura de dicho aire.

■x 100

El valor de W p es menor que WR, excepto para el 0 y 100% de hdad, que coinciden. Para estableccontenido de vapor de agua de un

respecto al que tendría en estado sdo a la misma temperatura se suel plear la WR.

b) El punto de rocío o temperatura deración (T.) es la temperatura a la cual se la mezcla aírevapor de agua conforme sfría a presión y humedad constantes. En punto se igua la la presión parcial del vapagua en el aire (que permanece constan

rante el enfriamiento) con la presión de del agua (que ha ido disminuyendo al dder la temperatura). Si se fuerza el enfriato por debajo de dicho punto, como la prde vapor del agua continúa reduciéndoigualdad se mantiene a expensas de la cosación de parte del vapor (menor presióncial del vapor de agua en el aire).

c) El calor húmedo o específico (cH) sene como la cantidad de calor necesaria

elevar la temperatura de la mezcla, referla unidad de masa de aire seco, en un Kelvin. cH se puede expresar, pues, en fude los calores específicos de los dos comptes de la mezcla,

c« = cp., + c ^ lV = l , 005+1,88

donde c.H está en kJ/(kga; K), cp y cp



de agua, referido a la unidad de masa de aireseco, a una atmósfera de presión y a una tem pe-ratura dada. Su cálculo se efectúa com o la suma

de las con tribuciones de los volúmenes específi-cos de los dos constituyentes de la mezcla. Así,aplicando la ecuación de los gases perfectos,

^ , . = 2 2 , 41 (Tbl+ 273)

29 273[5.12]

Vw - 22,4 JL (Tfa + 273) w [5.13]18 273

22 4

V H = Vas. + V» = + 273) 29

f 1 W'

-~ + l&[5.14]

siendo 29 y '18 los pesos moleculares del aireseco y del vapo r de agua, respectivamen te.

e) Temperatura de saturación adiabática (Tw). Supóngase una cámara adiabática comola que se muestra en la figura 5.1, donde se po-ne en contacto una c o r r i e n t e de aire que entraa Tbs ( Tbs = 7'J con una gran cantidad de agua

a Tw. Una vez alcanzado el equilibrio, la co-rriente de aire abandona la cámara a una tem-

peratu ra T w (temperatura de saturación adia- bática), como resultado de que la pérdid a decalor sensible por parte del aire húmedo secompensa con la ganancia de calor latente pro-cedente de la vaporización parcial del agua. Setrata, pues, de un proceso isocntálpico, repre-sentado por la siguiente ecuación.

Aireseco

Tbs'W Evaporación

7bAíre húm

Tb. v

Agua

L,Aislamie

FIGURA 5.1. Cám ara para la determinación de la te

raturadesaturaciónadiabática.

f) La temperatura de bulbo hú medo (determina mediante un termómetro cuyo b

bo es tá recubie rto por un trapo perm anenmente satu rad o con agua, Al circular el airesaturado a través del termómetro húmetiende a ganar humedad, con lo que la temratura medida disminuye. Esta situacióncompensa por la cesión de calor sensible

parte del aire. Se alcanza el es tado es tacionacuando el calor sensible cedido por el aire

igual al que toma como latente. La temperara correspondiente a este equilibrio es la deminada temperatura de bulbo húmedo. Diequilibrio se puede representar también coel punto en el que la velocidad de transmisde calor desde el aire a la sonda se iguala velocidad con que se transfiere el vapor dela sonda hasta el aire. Surge así la siguieecuación:

cu (Tbs Tw) ~ Xjw (Wj W ) [5.15]

donde XT es el calor latente a la temp eraturade saturación adiabática.

Una simple transformación de la ecuaciónanterior permite establecer una relación linealentre la humedad y temperatura del aire du-rante su enfriamiento adiabático, conocida co-mo línea de enfriamiento adiabático.

h (T bs- T b/:) - k l TJ W bh- W ) [5

que expresada de forma análoga a la deduc para la línea de enfriamiento queda como:

(Wbh-W ) = - ! LT (r t¡- T bk) [5

siendo h y k, respectivamente, los coeficien



Se ha demostrado experimentalmente quelas mezclas airevapor de agua presentan unosvalores de Twy Tbh muy próximos entre sí, pu-diéndose utilizar indistintamente. No sucedeasí con otros sistemas gasvapor, donde las di-ferencias pueden ser más que apreciables.

5.1.4. Diagramapsicroméifico

A la vista de lo expuesto, queda patente quelas propiedades de las mezclas airevapor deagua están interrelacionadas entre sí, pudiéndo-se determinar aplicando la expresión matemáti-ca al efecto. Sin embargo, para determinar lasdistintas propiedades se suele recurrir al empleodel diagrama psicrométrico a la presión baromé-trica correspondiente (figura 5.2). A partir delconocimiento de dos de las propiedades de lamezcla, el diagrama permite, merced a la interrelación existente, la determinación casi inme-diata del resto de prop iedades psicrométricas.

Las coordenadas del diagram a son tempera-

tura, ya sea seca, húmeda o de saturación (abeisa) y la humedad absoluta o específica (ordena-da), La familia de curvas de tipo exponencialrepresenta la variación de la humedad relativa,la cual aumenta de derecha a izquierda hastaalcanzar su valor de saturación (WR = 100%).Es en esta última curva, por tanto, donde se po-drán establecer las temperaturas de saturación

(tanto el punto de rocío como la de saturadiabática, coincidente en este caso con

bulb o húm edo). Am bas te m peratu ras seen abeisas. La de bulbo húmedo se deter

pro longando la linca de enfriamiento adiaco que pasa por el punto considerado hascanzar la humedad de saturación, mientrael punto de rocío surge de enfriar la mezhumedad específica constante hasta satura

Existen dos familias de rectas que cruzdiagrama. Las de mayor pendiente correden al volumen especifico del aire seco, ento que las otras representan procesos adiacos de enfriamiento o calentamiento

pro long ac ión de estas líneas hacia la izqu ihabida cuenta que estos procesos son isoe

pieos, conduce a una escala de enta lp ias.

Ejemplo 5.1. Manejo del diagrama psictrico.

Se tiene l i l i a i re cuyas tem pera turas de

seco y húm edo son, respect ivam ente , 60 y

D etermine , con ayuda de l d iagrama ps ic romco, su humedad absolu ta , humedad re la t iv

talpia, volumen específ ico y pu nto de rocío.

Solución

La in te rsecc ión de la l ínea de enf r iam

adiabático que pasa por 35 °C (T bh) con l

Llnea deenfriamiento



pendicnlar al eje de abolsas que parte de 60 °C(Th'í) determina las coordenadas del aire proble-ma en el diagrama psícrométrico.

a) Humedad 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 lahumedad absoluta. Su lectura arroja unvalor de 26 g de vapor por kg de aire seco.

b) Humedad relativa. El punto correspon-diente a las coordenadas del aire estácontenido en la curva de humedad relati-va del 20%.

c) Enta lpia. La prolongación de la línea deenfriamiento 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 interpolarentre las dos rectas de volúmenes especí-ficos adyacentes al punto de identifica-ción del aire problema, esto es, entre 0,95y 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 temp eratura de satu-

ración. .Desde las coordenadas del aire prob lema se traza una paralela al eje deabeisas 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

una perpendicular al eje de abeisas. Elor determinado es de 29 °C.

5. 1.5. Procesospsicroméiricos

El diagrama psicrométr ico, además de m itir la caracterización de un aire húm edocilita el seguimiento de los cambios qu e se pducen en determinados procesos. El análisis

la evolución de las condiciones de) aire a lo go de la operación constituye una herramie

b á s ic a p a ra el d is eño de equ ipos en lo s aq ué l juega u n pa pel relevante, tai es el casosu acondicionamiento, calentamiento, secaenfriamiento por vaporización, humidificacy deshumidificación. En relación a los alim

tos, las operaciones donde el aire tiene una yor participación son ei secado convectivo

almacenamiento frigorífico.a) Calen tamien to o enfriamiento de ai

ra 5.3). El proceso transcurre en condiciones

humedad absoluta constante. Por el lo , la cripción de dicho proceso a través del diagr

psicrom étr ico vendrá dada p or una línea par

la al eje de abeisas que una las coordenadasaire de partida con las del aire final, cuyo sedo será de izquierda a derecha, si hay ap ortecalor, o viceversa para el enfriamiento. El cá

lo del caudal calorífico necesario para pasa

, 0 ,|

/

X

1

X

X

*\ /

< \ B V



Figura5.4.Mezcladedoscorrientesdeaireal50%.

aiie desde su estado inicial (A) al final (B) se re-

alizará a partir de la siguiente ecuación:

Q = t519]donde ma es el caudal másico de aire y H n y HA las entalpias de] aíre a la salida y entrada del proceso, las cuales se pueden obtener a partir del propio diagrama prolongando las respecti-

vas lincas de enfriamiento adiabático hasta al-canzar la escala en cuestión.

b) Mezclas de aire (figura 5.4). En algunasocasiones es preciso mezclar dos corrientes deaire de propiedades diferentes. En tal caso, eldiagrama psicrométrico permite establecer lascaracterísticas del aire resultante. El procedi-miento es sencillo: una vez identificados en el

diagrama los dos puntos de las corrient

partida, se unen por medio de una rect

mezcla de aire estará contenida en esta

en un punto determinado por la regla de

lanca. Lógicamente, el aire problema e

tanto más cerca de uno de los puntos c

mayor sea la contribución del aire de pa

representado por ese punto.

c) Secada de sólidos con aire (figurtrata de un proceso de saturación adiabát

el que el aire ccdc calor sensible al sólido

perándolo como calor latente a través del

de agua captado. Como se aprecia en la f

5.5, la temperatura del aire (Th¡) dismi

permaneciendo constantes su entalpia y te

ratura de bulbo húmedo.



E je m plo 5.2, Aplicación del diagrama psicrorné-trico al secado de alimentos con aire.

Se proce de a secar un alimento sólido con oncontenido de humedad del 70% (b.h.). El aire desecado, qu e se toma del am biente a 30 °C y WR =

30% y se precalienta hasta reducir su humedadrelativa al 1%, entra al secadero con un caudalde 800 m3/h. El alime nto se obtiene con una hum edad final del 157o (b.h.), mientras qu e el airede salida presenta una humedad relativa del607o. Determine:

a) La tem pe ratu ra del aire a la entrad a y sa

lida del secadero.b) La hum edad abso luta del aíre a la entrada y salida del secadero.

cj El volumen hú m edo del aire de entradaal secadero; com prueb e su valor analíticamente.

d) El flujo músico de aire a la en trad a del secadero.

e) El caudal volum étrico de aire a la salidadel secadero.

f ) La gana ncia entú lpica del aire debid a a su

calefacción. g) La capacidad de tratamiento del secade

ro.

Solución

Los contenidos de humedad del a l imentoen kg referidos a la unidad de masa de su fracción seca (kg) son: wq ~ 0,7/0,3 = 2,33 para laentrada y vu, = 0,15/0,85 = 0,1765 para la sali

da. El aire de partida, qne se identifica en eldiagrama por su temperatura de bulbo seco(30 °C) y por su humedad relativa (30%), secalienta a humedad absoluta constante (paralela al eje de abeisas) hasta alcanzar una humedad relativa del 17o . Desde este punto se sigue la línea de enfriamiento adiabático que locortt ieue hasta que su humedad relativa seadel 60%.

a) Atendiendo al diagrama psícrométrico, las

b) Las hum eda des absolutas del aire a la en tda (W?) y salida (Wt) del secadero son, r

pec tivam ente , 0,008 y 0,035 kgv/kg .c) El volum en h úm edo o específico del aire

entrada es, gráficamente, de 1,092 m3/kgaí comprobación analítica exige aplicar la guiente expre sión (ecuación 5.14):

VV = (7^ / (273 ,15 K - l a tm) l '■(273,15 + T& °C) K ■[(1/A4 k g jm o l- k g

+ W 2/M w kgv/(mol-kgT*kgas)]

V m = [(22,4 m7mol-kg¡iJ/(273;15 K ■1 atm• (273,15 + 107 °C )K ■

■[(1/28,84 kg Jm oI -k gH) ++ 0,008/18 kgv/(moI-kgv- kgJJ ==1,094 m:’/kgas

d) El flujo músico de aire seco a la entra da secadero viene dado por el cociente entrecaudal volumétrico (800 in7h) y su volumespecífico (1,092 m-Vkg ). Su valor asciend732,6 kg as/h. Com o en realidad se pide el

jo músico de ai re, a esta cifra hay que sumle la contribución del vapor de agua qne ll

consigo; se requiere la operación siguiente

= 732,6 (1 + W2) = 732,6 (1 4- 0,008) = 738,5 kg /h

e) En prim er lugar, hay que establecer el vomen específico del aire a la salida del secar° (V^j): 0,946 m3/kgas. A continuación bacon multiplicar este dato por el flujo músde aire seco, 732,6 kg /h, determin ado enapartado anterior. El caudal volumétrico

dido re su lta ser de 693,04 m3/h. f) El aire tien e una ganancia entálpica deb id

su precalentamiento, operación previa aempleo en el secadero, que se calcula cola diferencia de entalpias entre el aire de sda y de entra da en esta etapa: 135 - 50 -k.í/kgas.

g) Se parte d e un balance de agua alred edo r sistema, es decir, la cantidad de agua q

pie rd e e l alim ento es igual a la can tidad vapor de agua que toma el aire:



Despejando mp y sustituyendo,

mp = 732,fi ■(0,035 - 0,008)/(2,33 - 0,1765) =

9,18 kg fracción seca del alimento/h

Corno quieta que falta por contabilizar el agua del alimento,

m'p = mp ■(1 + wL) = 9,18 ■(1 + 2,33) == 30,6 kg de alimento/h

Si el equipo de secado del sólido con aire es

en cascada, intercalándose entre las bandejas que lo soportan los sistemas de recalefacción precisos para el aire, la representación del proceso e n e l diagrama psicromctrico se ajustará a una función escalón, del tipo de la que se muestra en la figura 5.6.

Ejemplo S.3. Secado de alimentos con recalefac-

ción del aire entre bandejas.En un secadero de alimentos constituido por

cuatro bandejas dispuestas en serie se introduce aire a 52 °C con una humedad absoluta de 0,005 kg de vapor de agua por kg de aire seco. Para evitar una p recalefacción excesiva del aire de entrada, éste se calienta después de cada paso a través de las distintas bandejas (excepto en la úl

tima) hasta alcanzar de nuevo los 52 °C. niendo que el aire abandona las bandejauna HR= 60% y que las pérdidas de calo

despreciables, calcúlese:

a) La temperatura de bulbo húmedo da la salida de cada bandeja.

b) Los caudales másicos de aire húmesalida y de agua eliminada del alimedel secadero salen 5 mJ de aire/s.

c) ¿A qué temperatura sería preciso tar el aire de entrada para efectuarcado en una sola etapa, es decir, sinlefacción entre bandejas?

Solución

Una vez identificado el aire de entradacadero, se toma la línea de enfriamiento atico hasta alcanzar la función de la humedlativa del 60%. Este punto corresponde ade salida de la primera bandeja. Seguidamaire se rccalienta hasta los 52 °C antes de ptravés de la segunda bandeja. Este proces

representado por una línea paralela al eje cisas, que se interrumpe cuando se alcanzatada temperatura A partir de aquí sten sucesivamente estos pasos hasta que abandona la cuarta bandeja.

a) A partir del trazado efectuado en el dma psicrométrico se determinan las p



dad es del aire a ía salida de las sucesivas bandejas:

1.a bandeja: Tbh = 22,5 UC; Ths = 28 °0;

Wl = 14,5 g vapor/kgsJ.2." bande ja : TWr = 28 °C; Tbs = 35 °C;

W¡ —21,5 gvapor/kgB5.3.a ban deja: 7 ,, « 31,5 °C; 7. = 39 °C;

Wl = 21 g vapor/kg1¡3.4.a bandeja: 7 W, = 34 °C; 7 ^ = 42 “C;

^ = 31 gvapor/kgas;b) El volumen específico del aire de salida del

secadero es, a tenor de la interpolación efectuada en el diagrama psicrométrico, de 0,938m3/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: 5,33k i j s ■(1 + 0,031 kg¥/ k g j = 5,5 k g j s .

Agua eliminada del alimento en forma devapor: 0,031. - 0,005 - 0,026 kgv/kgas.

Caudal másico de vapor de agua: 0,026kgv/kga? ■5,33 k g j s = 0,139 kgv/s.

cj A la vista del diagrama psicrométrico, si sedesean alcanzar Jas condiciones del aire desalida del secadero en una sola etapa, es pre

ciso calentar el aire de partida hasta una cierta temperatura (105 °C), la cual está definida

po r la intersección entre la línea de calentamiento del aire de entrada y la línea de enfriamiento adiabático que contiene las coordenadas del aire de salida.

En otras ocasiones se recircula parte del re de salida del secadero a fin de aprove charen talpia d e esta co rriente, la cual se mezcla caire am biente an tes de pas ar el conjunto al pcalentador. En la figura 5.7 se pone de mafiesto cómo la mezcla tiene una humedad sur ior a la que tendría el a ire en ausencia

recirculación, lo que supone un menor potcial de desecación, principal inconveniente

sistema. La identificación de los puntos es la guiente: B y B ' corresponden a la entrada dsecadero en ambos casos (p roceso normalcon recirculación, respectivam ente), C y C a

den a la salida del secadero, y A y A" a la en tda del precalentador.

E jemplo 5.4. D iferencias entre la recirculacióno del aire de salida de un secadero.

E n un secadero con recirculación de aire ésale del mismo a 60 °C y con una tem pera tura

bu lbo húmedo de 50 °C. El 75% de esta corrite se mezcla con aire ambiente, el cual se cuentra a 20 °C y tiene una W¡{ = 30% y una H

30 kJVkg.ls. La mezcla resultante se conduce a precalentador, desde do nd e se envía al secadeque opera sin intercambio de calor con el exrior.



a) Determine gráficamente las temperatura sdel aire a la entrada y salida del precale ntador.

Si se suprime la recirculación, supuesto que la temperatura del aire a la entrada del secadero es la misma que en el caso anterior y que su temperatura de salidaes 10 °C superior a la de bulbo húmedo,establezca a partir del diagrama psícro-métrico cuál de los dos sistemas de secado, con y sin recirculación, es el que:

b) Consume menos calor por kilogramo deagua evaporada en el secadero.

c) Presenta mayor potencial de secado por

kilogramo de aire seco.

Solución

Con los datos de partida se pueden localizaren el diagrama psicrométrico los puntos corres

pondientes al aire de en trada (A) y al aire de salida (O') del secadero con recirculación. Así, enel primer caso se conoce su Tbs (20 °C) y su(30%), mientras que en el segundo se posee suTbs (60 "C) y su Tbh (50 °C). Las humedades es

pecíficas respectivas son: WA = 0,0042 kgp'lcg^ yWc = ü,082 kg/k g^ .

a) El aire de entrada al precalentador (A'), resultante de la mezcla de A y C7, se localiza enla linca A-C ' a una distancia de C' tres vecesmenor (25%) de la existente hasta A (75% ). El aire de salida del precalentador ( B ') se sitúa en la intersección entre la línea de humedad específica de A' y la línea de entalpia (ode enfriamiento adiabático) de C. Las tem

peraturas de bulbo seco determinad as gráficamente son: T/V = 50 °C y TB. = 100,2 °C.WA, = WB, tom a un valor de 0,06255 kgv/kg8¡¡ y

Ha. y Hfr son iguales a 214 y 275 kJ/kgas, res pectivamente.

El aire de entrada al secadero sin recirculación (5) se identifica en la línea de humedad específica de A para una Tg (igual a TB) de 100,2 UC. H1 aíre de salida del se cade ro

Esto sucede para una Tc de 43 °C. W c un valor de 0,0282 kgv/kg,s y H B (igual ade 117 kJ/kgas.

b) Consumo de calor por kilogramo de evaporada en el secadero:

QA,B ( l l li. - H A) l (Wc - W B)

= (275 - 214) kJ/kgas / (0,01945) kgv/kg= 3136 kJ/kgv

Q a _ b = (H b - H a )!(W c - W b) =

= (117 - 30) kJ/kg* / (0,024) kgii/kga= 3625 kJ/kgv

c) Potenc ial de secado por kilogram o deseco

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 capaeliminar un 23,4% más de agua (00,01945 = 1,234), supuesto que la cantidaaire introducida sea la misma en ambosos. En contrapartida, este secadero conun 15,6% más de energía (3.625/3.11,156).

5.2. Actividad de agua

El principal factor que condiciona el gde al teración de un al imento es su contede agua. Dicha alteración puede ser debida

p resenc ia de m icroorg anis m os, p roceso revamente rápido, o merced a las reacciones

químicas y enzimáticas que tienen lugar dute su almacenamiento, considerablemente

lentas. La estabilidad de un alimento no asegurada, sin embargo, para un determincontenido mínimo de agua. Existen numer



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 enzimáti- ca. La reducción del contenido de agua del alimento, que implica una disminución paralela de su actividad de agua, justifica el desarrollo y empleo de procesos de deshidratación tales como el secado, la evaporación, la liofilización o la concentración por congelación. La actividad de agua (au) se define mediante la siguiente ex

presión:

— P vivaaw-------

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 estructura y composición del producto y, por otra parto, de la temperatura y humedad relativa del enlomo ambiental. Si se ponen en contacto ambos medios a una temperatura dada acaba

por alcanzarse un equilibrio entre la presión de vapor del agua en el alimento (pvwa) y la presión parcial del vapor de agua en el aire (pw). En estas condiciones, el alimento adquiere una determinada cantidad de agua, que se define como el contenido de humedad en equilibrio, mientras que el aire ambiente queda, por su parte, con una humedad dada, la denominada humedad relativa en equilibrio.

La diferencia entre la humedad inicial del

significado se expone en el siguiente subapatado.

De la igualdad entre y p w en el equil

brio y teniendo en cuenta la definición de lWRdel aire (ecuación [5.10]), surge una nuevexpresión para definir la actividad de agua,saber:

Pw _ W* (%)

Pvw 100[5.21

5.2.2. Isotermas de sorción

Si se representan distintos valores de la hmedad relativa en equilibrio del aire frente correspondiente contenido de humedad eequilibrio del producto a una temperatura dda, se obtiene una función sigmoide (figur5.8), denominada isoterma de sorción, la cuvaría según el alimento considerado. Se tratpor tanto, de una característica propia de cad

alimento, consecuencia básicamente de cómse encuentre ligada el agoa al mismo y de su etructura y composición.

El análisis de la figura 5.8, donde se reprsenta un comportamiento isotérmico típicpermite distinguir dos clases de isotermas, s



gún el equilibrio se alcance a través de un proceso de humidificación del alimento (adsorción) o mediante el proceso contrario, de secado (desorción). Se conforma así un ciclo dehistéresis, característico de cada alimento. Enla figura se diferencian, asimismo, tres tramos,que se corresponden con otros tantos estadosdel agua.

Tramo A. En esta zona el agua se encuentrafuertemente ligada al alimento por fuerzas deVan der Waals. cuando no formando parte dela propia estructura mo lecular del producto. Elagua puede estar asociada a, entre otros gru

pos, los hidróx idos de los po lisacá rido s, así co mo a los carbonilo y amínico de las proteínas.La totalidad del agua unida a estos puntos seconoce como agua munocapa (capa monomo-lecular de agua). Se trata de un agua con unaentalpia de vaporización muy superior a la delagua pura, sumamente estable y difícilmentecongelable o deshidratable. Se habla en estecaso, también, de agua rígida.

Tramo B. Corresponde esta fase al agua re

tenida en diversas capas (agua muíticapa), lacual ejerce como disolvente de solutos de bajo

peso molecular. Las fu erza s de unió n a la estructura del alimento o sustrato seco son bastante menos intensas que en el caso anterior.Presenta una entalpia de vaporización todavíasuperior a la del agua pura. Constituye un medio donde en ciertos alimentos pueden tenerlugar algunas reacciones bioquímicas. Se diceque el agua en esta zona se encuentra en esta

do pseudo-líquida.

Tramo C. El agua en este tramo está retenida por capilaridad o en las células del alimento.Su grado de fijación al alimento es en todo caso débil, de ahí el término agua libre, Sus características están muy próximas a las del agua

pura . Se deshid ra ta o congela con facilidad. Esel medio do nde se desarrolla el crecimiento microbiano, así como donde se dan las reaccionesenzimáticas y bioquímicas. Por ello, a veces, re

grandes posibilidades de que experimenteguna alteración.

El conocimiento de las isotermas de ción de los alimentos es fundamental p

pla ntear su co nserv ació n. Así, si se tra ta secado de un alimento con aire de una hudad dada, su contenido de humedad en elibrio es el contenido de humedad mínique se puede alcanzar para una determintemperatura. Si la operación es un almacemiento frigorífico del alimento, habrá

buscar a través del estu dio de su is ote rm asorción unas condiciones para el aire ambte tales que aseguren una actividad de adel producto capaz de preservarlo de posibalteraciones.

Los métodos utilizados para determinarisotermas de sorción pueden ser gravimétric

basado s en el se gu im iento de las va riac iones peso del alim ento, man om etricos , donde lariabie a medir es la presión parcial dei vaporagua en el entorno (igual a la presión de vadel agua en el alimento cuando se alcanza

equilibrio) o, higrométricos, en los que se mla humedad relativa en equilibrio del airecontacto con ci alimento.

5 . 2 . 3 . M od e l i z ad ón de i sot e rmas de so rc ión

Una vez se determinan experimentalmelas isotermas de sorción, el siguiente paso csiste en ajustar los datos a un modelo teór

(empírico en la mayoría de los casos) que criba el comportamiento del sistema bajo tintas condiciones. En el cuadro 5.1 se reclan los diferentes modelos al uso, así como

parti cula ridades e in te rvalo s de val idez . parám etros reseñados son: aw, actividadagua; W, contenido de humedad en el equ

br io (base seca); Wv humedad absoluta enmonocapa, W Q hum edad absoluta para un= 0,5, ¿?(1) y Í3(2), constantes determinadas



CUADRO 5 .1

Modelos de isotermas d e sorc/ón

Modelo Ecuación Observación

Langmmr (191 8]

Bradley (1936)

Bruna uer-Emmett-Teller.BET (1938]

Oswin (1946]

Smilh (1947]

Halsay (1948)

Henderson (1952]

Guggenhemr-Anderson-De Boer.GAB (I9ÓÓ)

Kuhn (1972]

Iglesíos-Chirífe (1 978)

Iglesias-Chmfe (1981)

W = W| _C W t¡ _ 1 + CVVfi

in—— = B(2J 8/1Jaw

1(1- a j w IV¡C W,C

r sBflW =B(2]!-SüA-

W - [6(2)-8(1 ]] in (1 -AJ

6(2 ) 1 'BIHJ

1 ■aiv, = exp

W

________

W] |1 - k a w) [ l t (C g -1 k o w ]

311]W =iff a.

- + 6(2]

Teoría de ¡a polar ización S 0,

Mono capa de agua > 0,4

Curvas sigmoides —

Biopolímeros y alimentos en gene ral > 0,

Multicapa de agua 0,1 -0

Proteínas y alimentos en gen eral —

Multicapa de agua ¿ 0,9

Alimentos con azúcares < 0,

ln [W + (VV5 + W y 0'3] - 6(1) + 6(2)

W=6(1) L f ^ - | + 6|2)

5 .2 .4 . Efecto de la temperatura sobre la a w

En general, la cantidad de agua adsorbida por el al imento disminuye conforme aumentala temperatura. Dicho de otro modo, si se desea que el alimento mantenga un determinadocontenido de agua en equilibrio a una nuevatemperatura, superior a la anterior, aumentarásu actividad de agua. En suma, un incremento

peratu ra so bre las isoterm as de sorción se ajuta a una ecuación análoga a la de ClausiuClayperon:

d (la g,v) d (1 I T ) ^

donde E b es la energía de enlace del agua

.Mk R

[ 5 . 2



Dicha energía se puede expresar como la diferencia entre el calor de absorción del agua y sucalor latente de vaporización. Si se integra la

ecuación [5.22] para un nivel de humedad dado, resulta una nueva expresión:

siendo rq y a2 las actividades del agua a T j T2,respectivamente.

La representación del in aw frente a 1 !T d e

termina una recta de pendiente -E b/R . Así pues, a part ir de los dato s experim entale s delas diferentes isotermas de sorción de distintosalimentos se pueden establecer las correspondientes energías de enlace. El conocimiento delas energías de enlace de los alimentos, la mayoría de las cuales se encuentran tabuladas, perm ite pre decir o extrapola r las isoterm as desoi don a otras tem peraturas.

5.2 .5 . Efecto de la a sobre los alimentos

Como norma general se puede indicar que por debajo de una ac tividad de ag ua de 0,6 seinhibe toda actividad microbiana. Los mohosse inhiben cuando a,v < 0,7, valor que se sitúaen 0,8 para las levaduras y en 0,9 para la mayor

parte de las bac terias . H abítualm ente se jueg acon el efecto sínérgíco que supone ia conjun

ción de factores tales como n PH- tem pe ratu ra, concen tración de 0 2 o C 0 2 y adición deconservantes en general. Esto permite que nosea necesario reducir en exceso la a , lo que redunda en una conservación del alimento sin

pe rd idas significativas de su valo r nutr it iv o nide sus características orga nolépticas.

En ciertos alimentos las enzimas no se desactivan durante su procesado térmico. Porello, las reacciones enzimáticas pueden tener

da movilidad de los sustratos potencialmreactivos, que dificulta su acceso a los ceactivos de la enzima.

Las reacciones bioquímicas que se proda valores de a bajos son el parde am ienMaillard y la oxidación de lípidos. A estveles de aw, al igual que en el caso anterilimitan los movimientos de las sustanciaceptibles de reaccionar, reduciéndose a

pardeamiento . Si ia a waumenta, se pasa pmáximo en el pardeamiento, cuya explicradica en que, por una parte, el agua deción llega a disolver los sustratos sujetos

posible al te ració n y, por otra, se acumulatringiendo la extensión de ia propia rea principal (ley de acción de masas).

La oxidación de lípidos a bajos valoresaw transcu rre m erced a la actuación de loscales libres. Si aumenta la a , los secuest(coloides y quelatos) de los cationes metresponsables de la catálisis de la oxidacisolubilizan, reduciéndose ésta. Superadcierto nivel de los catalizadores se hid

llegando a precipitar como hidróxidos si del medio lo permite, lo que supone una pda-de actividad. Si el contenido de aguasigue aumentando, el alimento se exp

presen ta ndo los líp idos un m ayor riesgooxidación.

Las alteraciones de Ja textura en un alto se pueden dar, más que en el secado cotivo, durante el almacenamiento de prodliofiíizados. Una baja actividad de agua p

también ayudar a desorber las sustanciastiles responsables del aroma. Este extremsulta especialmente relevante durante el cenamiento conjunto de diferentes alimeÉstos deben ser compatibles entre sí, dmodo que no se produzcan intercambioaromas. La selección se basa en el conocito de las respectivas isotermas de sorciócomo en la determinación de la aw por dde la cual comienzan a resentirse las prop



ria es aquel que se ocupa de establecer la influencia de la aw sobre las propiedades del alimento; se trata de relacionar las posibles alte

raciones de alime ntos de características parejasen función de su composición, procesado y almacenamiento.

5.3. Secado con aire caliente

Cuando un alimento se pone en contactocon aire de una temperatura y humedad 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 difusión, a través de la película de aire en reposoque rodea a la superficie del prpducto, hasta alcanzar la corriente de aire en movimiento, quese encarga de arrastrarlo. La velocidad de eliminación de agua está supeditada tanto por latransferencia de materia (vapor de agua) entreel alimento y el aire, como por la transmisiónde calor, de signo contrario. La transferencia de

materia tiene lugar merced al gradiente existente entre la presión de vapor del agua del alimento y la presión parc ial del vapo r de agua enel aíre, fu erza impulsora de este movimiento.

La representación de la humedad del producto frente al tiempo de secado es el punto de

partida para establecer la evolución de ía ve locidad de secado a lo largo de la operación. Enla figura 5.9 se muestran las variaciones típicasde la humedad de un alimento y de su veloci

dad de secado frente al tiempo. Una terceragráfica informa sobre cómo varía la velocidadde secado conforme se reduce la humedad delsólido. Como puede apreciarse, se distinguentres periodos p ara la velocidad de secado segúnésta aumente (tramo A-B), permanezca constante (tramo B-C) o disminuya (tramo C-E).

El primer período, llamado de estabilización o de inducción, no es significativo frente altiempo total de secado. Corresponde al tiempo

FIGURA 5.9. Etapas de l secado de un a l imento con a i

manifiesta en forma de un aumento de su t peratu ra . Esta fase te rm in a cuand o la te m p

tura del alimento se iguala a la de bulbo húdo del aire. Durante este período, dado quealimento se encuentra frío respecto al aire, valece la transmisión de calor frente a la trferencia de materia, la cual se encuentra limda por la reducida presión de vapor del adel alimento a baja temperatura.

En el segundo período, de velocidad de s

do constante, el agua migra desde el interior alimento hasta su superficie con la misma v



flujo de calor y el flujo de materia, que permite que la superficie del alimento permanezca en

todo momento saturada de agua. El gradiente de temperaturas permanece, pues, constante a lo largo de este período; de lo contrario afectaría a la transferencia de materia. La temperatura del producto se corresponde con la de bulbo húmedo del aire, en tanto que la de este último es la de bulbo seco. La diferencia viene dada por el hecho de que la evaporación implica una pérdida de calor latente que enfría la superficie del producto. Esta diferencia tenderá a cero conforme el aire se satura de humedad, siendo, así, tanto más acusada cuanto más seco sea éste. Este período está regido por condiciones ajenas al alimento, como son la temperatura, humedad relativa y velocidad del aire. En concreto, el aire debe reunir los siguientes requisitos:

• Temperatura de bulbo seco relativamente elevada.

• Reducida humedad relativa.

• Velocidad de paso elevada.

Es evidente que si disminuye la temperatura del aire se resiente la velocidad de evaporación del agua y, por ende, se prolonga el proceso de secado. Lo mismo se puede afirmar si se aumenta la humedad relativa del aire, aunque en este caso la prolongación del tiempo de secado vendría dado por la reducción de la fuerza impulsora responsable de la transferencia de

materia. En relación a la velocidad de paso del aire, si ésta disminuye, aumenta el espesor de la película de aire en reposo, adyacente a la superficie del alimento, lo que supone una mayor resistencia al flujo de calor y de materia.

Por lo general, si se parte de un aire relativamente seco, como sucede en un proceso de secado, resulta más crítico el valor de su temperatura que e) de su humedad relativa. Durante esta fase, el control del proceso corre a cargo de la transmisión de calor, que regula la veLoci-

película de aire interpuesto entre la superdel sólido y la corriente de arrastre. La var

humedad relativa del aire, de menor influesobre la velocidad del proceso que su temptura y velocidad de paso, determina, eso contenido de humedad en equilibrio del ducto secado, aspecto decisivo en ío que aa la conservación del alimento deshidratado

El período de velocidad de secado conste finaliza cuando se alcanza fa denomin“humedad crítica” del producto, punto de tida del siguiente y último tramo. En la prca, esta división no es tan tajante, ya que hel final del tramo en cuestión comienza a aciarse una disminución de la velocidad de sdo, que enlaza gradualmente con el períod

velocidad de secado decreciente. La razóque la humedad crítica no esté claramente nida hay que buscarla en su dependencia pecto a la temperatura y velocidad de pasoaire, así como en relación al espesor, estrucy morfología interna del .sólido objeto de sdo. Si la humedad de partida del aliment

inferior a su humedad crítica, parece claroel período de velocidad de secado constanttendrá lugar; la difusión interna del agua hla superficie del producto no es capaz de rner todo el líquido que se evapora, por lo difícilmente ésta se saturará. En realidadperiodo de velocidad de secado constantcentra en la dcshidratación del agua libre

alimento, de ahí la importancia de conoceaw del alimento para unas condiciones de

ración dadas (isotermas de sorción).El período de velocidad de secado deciente comienza cuando la velocidad de mición del agua desde el interior del prodhasta su superficie decae respecto a la vedad de evaporación del agua, lo que conduuna desecación progresiva de la superficiealimento. Paralelamente, tiene lugar unmento de la temperatura superficial como secuencia del desequilibrio existente entrcalor suministrado por el aire y la cantidad



transferencia de ma teria. El tramo considerado presenta nn punto de inflexión cuando la super ficic se seca por completo, momento en el

que alcanza la temperatura de bulbo seco delaire. Se completa así el primer subtrarno del perío do de velo cid ad de secado decreciente ,controlado por la difusión interna del agua, adiferencia de lo que sucedía en el período anterior, donde el control corría a cargo del gradiente de temperaturas, a expensas de la difusión externa del vapor de agua.

Una vez se seca la superficie del sólido, seinicia el segundo subtrarno de este período,

que se caracteriza por el progresivo desplazamiento del frente o plano de evaporación delagua desde la superficie hacia el centro de producto conforme avanza el secado. En este caso,la operación está controlada por la difusión interna del vapor de agua. El secado se da porterminado cuando la humedad del alimento seaproxima a su contenido de humedad en equilibrio, mínimo valor posible para unas condiciones dadas del aire. No todos los alimentos

dan lugar a los dos subperíodos mencionados.Así, los no higroscópicos sólo manifiestan uno,con una definición muy nítida de su humedadcrítica, en tanto los higroscópicos se ajustan alos dos sub tramos expuestos par a el pe ríodo develocidad de secado decreciente, con las peculiaridades p ropias de cada caso.

En términos globales, se puede afirmar quela principal variable a controlar en el períodode velocidad de secado decreciente es, al mar

gen del espesor de la pieza, la temperatura delaire. Habida cuenta que la difusión es interna,la influencia de la velocidad de circulación delaire pasa a un segundo plano. Por otra parte,durante este período desciende la transferenciade materia debido a la menor presión de vapordel agua remanente (< aw) y a la resistencia queopone el propio alimento a la difusión interna.Si a esto se añade que se trata del período demayor duración y en el que menos cantidad de

riesgo de alteración de las propiedades dm en to po r sobrecalefacción. Otra posibilidllevar a cabo el proceso en su conjunto d

manera escalonada, en etapas, disminuygradu almen te la tem peratura del aire.

5 .3 . f . Cá lcu lo de l t iempo de secado

A ) Período de velocidad de secado consta

El cálculo para este período se basa equilibrio existente entre la velocidad de

ferencia de materia y la de transmisión dlor. Así, la primera puede expresarse podio de la siguiente ecuación:

d w , ,

t r í = - k - A Pv, r b a

donde w se refiere a la cantidad de agua dmento, kg es el coeficiente global de trans

cia de materia, A el área de la superficie cado, p la presión de vap or del superficial a )a temperatura T (igual a la pera tu ra de bulbo húmedo del aire) y p a lsión parcial del vapor de agua en el airetem per atura de bulbo seco (Ta).

La velocidad de transmisión de calor dada, por su parte, por la siguiente expres

= h A ( T a - T s)

en la que h es el coeficiente individual de misión de calor por convección y A elafectada po r dicha transmisión.

En el equilibrio, el caudal de calor sumtrado al alimento debe asegu rar la evapor(transferencia de materia) del agua superes to es:



siendo X el calor latente de evaporación delagua a la temperatura Tt . Sustituyendo en laanterior ecuación la expresión del flujo de ca

lor:

h A( T a - T ¡ ) {5.27]

Si se refiere la cantidad de agua del alimento (w) al peso de la fracción seca del mismo, lavelocidad de secado pasará a expresarse comola variación del contenido de h um edad (W) por

unidad de tiempo.

dW

dt [5.28]

en la que A ' representa el área de secado porunidad de masa de sólido seco.

Particularizando para ei caso de una piezade producto húmedo de espesor L , en la que la

evaporación se limita a su cara superior, sinque el proceso de secado dé lugar a retracciones significativas, A ‘ se pu ede relac ionar con ladensidad de la fracción seca del alimento (ps) según se muestra a continuación:

a ' = - L - 1

P s L

[5.29]

La velocidad de secado. R c, vendrá dada por:

= ( W o -W c ) p s* L _ (W g - W c )

íc h{Ta-T t ) Rc

La expresión establece la influencia pr incipales variables del proceso sobre el po de secado. Por lo general , se pre fiererrir a términos de transmisión de calor,determinación experimental es más sencfiable, que al empleo de coeficientes de ferencia de materia.

El coeficiente global de transferencmateria, k , está relacionado con el coefi

de difusión externa (/cc) y con la difusiefectiva intern a a través de esta esión:

k e

L

D,f = - + —

k se puede determinar experimentalm e part ir de los da to s del pro ce so de secad

estimación de kc se realiza mediante el emde correlaciones al cfeclo. De la expresióterior se deduce que para el período consdo, en el que controla la difusión externadebe tener un valor muy próximo al de l//

El coeficiente individual de transmisicalor se puede establecer bien experimmente, bien a través de la aplicación de laciones empíricas apropiadas al caso. Asíflujo de aire es paralelo a la superficie de

mento,

h = 0,0204 G 0,8

, 5 ' 3 0 1

La integración de la ecuación [5.30] entret = 0; W = WQy i = fc; W = Wc permite establecer el tiempo de secado para el período de ve

donde h viene dado en W m~2K_1 y G, lacidad música del aire, en kg m~2 s_1. Si eles perpen dicular a dicha superficie,

h = 0,0345 C7°'37

Cuando el calor que recibe el alimen



dejas, hay que sustituir el coeficiente individualh por el global, U, que considera los distintosmedios y mecanismos a través de los cuales se

pro pag a el calor. Esta vez, la te m peratu ra su pe rf ic ia l del só lido esta rá com pre ndid a en trelas temperaturas de bulbo húmedo y de bulboseco de l aire.

B) Período de velocidad de secado decreciente

Durante esta fase del proceso la velocidadde secado pasa a estar controlada por la difu

sión interna del agua a través del sólido. Losmecanismos por los cuales puede transcurrirdicha difusión son:

• Difusión del líquido p o r gradientes deconcentración de solutos.

• Difu sión del líquido por capilaridad.• D ifusión superficial del agu a adsorbida

por las capas super io res a la monocapa.• Difusión del vapo r de agua po r gradien

tes de presión de vapor.

En los sólidos granulares y porosos predomina el movimiento del agua por capilaridad,mientras que en aquellos que presentan una estructura más continua prevalece la difusión dellíquido por gradientes de concentración. Estosdos mecanismos se pueden dar en serie, según elorden citado. También puede darse en serie unadoble difusión por gradientes de concentración,

diferenciadas entre sí por el valor de la difusrvi-dad efectiva, función del contenido de humedad. Asimismo, pueden coexistir una primeraetapa de difusión del líquido con una segundade difusión del vapor desde un plano interiordel alimento. La difusión del vapor pued e darse,a su vez, según toda una gama de modelos pro

puestos al efecto. En suma, resu lta complejo discernir los mecanismos de difusión interna quetienen lugar en este período y su participación.

dW

dt [5

cuya integración entre los límites indicaconduce a:

f t = [5 Re W! W

(/ = ' - V = | r í " ( ^ r } [5

siendo tf el tiempo de secado correspondieneste período. El tiempo de secado total

proceso, a tenor de la s ec uacio nes [5.3[5.37], sería:

, = < E o Z j U ) + HV,n Rr Rr

[5

que expresada en función de los términos definen a ü r (ecuación [5.30]) quedaría com

p X L

¿ ( X - n )(Wa - W c) + Wc ln Wc_

w [5

Para la deducción del tiempo de secavelocidad decreciente se ha supuesto qu

velocidad de secado durante el primer subríodo de esta fase varía l inealmente cohumedad, tal como se representa en la fi5.9, Dicha variación, expresada mediantecuación [5.35], se establece a través de constante de proporcionalidad, R /W c, dminada, a su vez, por el valor de la velocen el período de secado constante. En iosmentos en los que prevalece la difusiónfuerzas capilares se suele partir de otra



d W

dt

Rc

( W c - W e)

ecuación que desarrollada para los dos p(W —We) [5.4Ü] ros término s de la serie conduce a:

función, asimismo, del valor de la velocidad desecado durante el anterior período, así comodel contenido de humedad en equilibrio, W . Siguiendo los mismos pasos que en el anterior

W - W .

cálculo de í ,

f' dt = — ( W í - W j f w dW

JVJ Rc

IV , ( W - W c)[5.41 j

t [5.42]1 Rc ( W c - W t)

íf = . (P¡XL — (W c ~ w j ln [5.43]( W c - W t )

En los sólidos de geometría plana en losque la deshidraíación se encuentra limitada auna sola de sus caras de mayor superficie y enlos que la difusión interna controla la velocidad

del proceso, el tiempo de secado para este período se puede establecer aplicando la ecuación de Fíele.

dW d w

^ ‘ D " l x r

[5.44]

donde W es el contenido de humedad sobre base seca, f el tiempo y x la coordenada espacial.La resolución de esta ecuación para un alimento

pasa po r suponer qu e la difusión in te rna es unidireccional (eje x) y que el contenido de humedad inicial es uniforme. Para una rodaja de es

peso r L, re la tivam ente pequeña frente a lasdimensiones de la superficie de secado, se tiene:

Wc - W e

^ -9Dcf tf (jrJZL)2

’ + 9 C

Es ta ecuación se simplifica de sprecianddos los términos de la serie, excepto el pro: la aproximación es tanto mejor cuantoyor sea el tiempo de secado.

W c - W ,e K

De spejan do de la ecuación anterior, tiene:

4 L2 í , W - W r , 8t f = ---- ;------ | l n —— — - l n — |

x 2D e ' W c - W e K~

Si se diferencia esta ecuación, se llegasiguiente expresión;

‘«ó »-rd<w-w,) dt ) 4 L2

análoga a la ecuación [5.40]. La integraciónecuación [5.49] conduciría, obviamente, a lla a partir de la cual se ha deducido (ecu[5.48]). Sin embargo, si se desprecia la conde integración, que vendría dada por el térIn 8/tc2, se llega a la siguiente ecuación:

= — Y .—

W - Wf

W c ~ W,

exp - ( 2 « +

41t f ~ z r ~ Z i

-ln-W - W .

Defx ( Wc - W e)



difusión por capilaridad (ecuación [5,43]). Nótese que si el secado es por ambas caras, L correspondería al semiespesor de la lámina de

alimento.El estudio experimental del período de velo

cidad de secado decreciente se lleva a cabo re pre sentado en papel semilogarítmico el valor de(W - W J /(W{ - W J en ordenadas frente a t¡. E sta represe ntación perm ite conocer o descartar elmecanismo de difusión que controla el secado,según se ajusten o no los resultados experimentales a las ecuaciones anteriormente deducidas,así como relacionar estos resultados con los que

cabe espe rar para el secado del mismo alimento ba jo otras condiciones de operación.

Si los datos se ajustan a una línea recta, porcomparación entre el significado físico de su

pendie nte y las ecuaciones [5.42J y [5.43], dicha pendie nte ha de se r pro porc ional al espesor dela pieza. Se confirmaría, así, que en el períodode secado estudiado controla la difusión porcapilaridad.

Si el mecanismo de secado está regido por

la difusión interna del líquido, situación que se puede dar para cualq uie ra de los dos subperío -dos del tramo analizado, la representación delos puntos experimentales dará lugar a una recta después de un corto período inicial de levecurvatura. En este caso, por comparación conla ecuación [5.50], la pendiente será inversamente proporcional al cuadrado del espesor ydirectamente proporcional a la difusividadefectiva del líquido, sin que dependa, a diferen

cia de la situación anterior, de la velocidad desecado antecrítica. Esta representación permite, asimismo, deducir el valor de la difusividadefectiva. Ea pendiente del tramo recto de lafunción, teniendo en cuenta el cambio de baselogarítmica, será igual a:

las características del sólido tratado, lo sucede en el período previo, condiciona

bre todo por las cond iciones del aire de s

El tiempo de secado para el período condo puede ser directamente proporcional

pesor del al im ento , cuan do controla la cadad, centrada preferentemente en el psubperíodo, o al cuadrado del espesor strola la difusión interna, situación que sedar para cualquiera de los dos subperíodo

C) Determ inac ión de la difusivid ad efec

La difusividad efectiva del agua en erior d e un alime nto depende tan to de lasterísticas estructurales del mismo, comovariación de su contenido de humedad

pera tura a lo largo de l pro ceso de secavalor se puede establecer para determalimentos aplicando la correlación apropcaso. Sin embargo, normalmente se ha drrir a una experimentación que permit

b le cer una corre la ció n espec ífic a para mento y sistema de secado en cuestióinfluencia de la temperatura sobre la didad se cuan tífica por medio de la ecuacArrhenius:

Def = A¡ exp ( -E J R T)

donde E a es la energía de activación y T peratu ra . D 0 depende de la estructura d

mento, en tanto que E a de los contenisolutos en el agua.

En lo que concierne a la humedad dmento, se aprecia que la difusividad auconforme aquélla es mayor, estabilizándvalor a partir de un determinado grado medad, distinto según el alimento considSe trata, pues, de una función de tipo satucuya asíntota corresponde ai valor de la ddad para altos contenidos de humedad. U



A ¡ f _ - E J R T jC g

A 1+ K e '£‘/Rr [5.53]

La aplicación de esta ecuación para predecir la variación de D^ con la humedad y temperatura exige la determinación experimental do D0, Ea, Eb y K. Como se ha indicado antes, Def se puede establecer a partir de la representación de (W - We)/(W e- WJ frente ai tiempo desecado. La energía de activación se obtiene también gráficamente representando ln frente a 1/7. La energía de enlace del agua Eb se calcula, tal

como se apuntó en su momento (ecuación [5.23]), representando ln nH>, lo que implica la determinación de las isotermas de sorción a distintas temperaturas, frente a 1/7. Por último, la constante K se establece ajustando los datos experimentales de Def ala ecuación [5.53] para distintas humedades y temperaturas.

AireTo,.W,

mo/dfcVV*Producto

TP2 ,W 7 mp/ 7"pi

Figura 5.1 0. Balance de en ergía en un procejo

de secado con aire.

donde el producto de los factores entre patesis corresponde al calor húmedo de la me

(<*)■Considerando que la entalpia del produ

carece de peso frente a otros términos del baoe energético y teniendo en cuenta la expreanterior, la ecuación [5.54] quedaría como sig

tñaCj>mj T a2 r t l a C p ^ T al + WlC p „. T o l

~ W z c F„ T a2 + W i X Tal - W i Xr , t t 5

5.3.2. Consideraciones energéticas

Si el aire entra a temperatura 7a2 y sale a 7fll, con un caudal másico sobre base seca ma, mientras que el producto se introduce a la temperatura Tpl y se retira a 7 2, con un caudal másico sobre base seca el balance energético para un sistema adiabático, representado en la figura 5.10, quedaría como sigue:

maH + mp Hpi = r r t n H m ¡ , H pi [5.54]

La entalpia Hta corresponde a la suma del calor sensible de la mezcla aire-vapor de agua y del calor latente del vapor de agua. El calor sensible se calcula como el producto del calor húmedo de la mezcla (ecuación [5.11]) por la diferencia de temperaturas entre la de saturación del vapor y la de referencia (70 = 0 °C). El valor del calor latente se toma de las tablas de vapor de agua saturado. Así pues, Ha2 se expre

El rendimiento térmico de un secadero

define como la relación entre la cantidadenergía teórica necesaria para eliminar el ay lá cantidad de energía consumida en la ptica. Así pues, la aplicación al caso conduuna expresión en función de las temperatude entrada y salida del aire, en la que seconsiderado que el calor específico del airevaría con la temperatura, lo cual no deja deuna simplificación:

_ m nH a i - m aH a i

m a l í ai

muCpa1Tai -ma Cp ^Taj 7 at [5

ntaCp^T al Tal

El análisis de esta expresión es inmediinteresa que la temperatura del aire a la sade la instalación (7al) sea lo más baja posilo que se opone a la conveniencia de que



El consum o energético unitario, por su parte, se define como la energía consumida porunidad de masa de agua eliminada.

la corriente depurada por intercambio conaire seco de entrad a al secadero, que resulta

precalentado.

CEU =(W2- W i)

[5.58]

En definitiva, se pone de manifiesto la necesidad de optimar el aprovechamiento de la entalpia de salida del fluido calefactor, limitándose así el coste energético. Un ejemplo alrespecto podría ser la recirculación de parte

del aíre de salida de un secadero convectivo,aun cuando esta alternativa se encuentre supeditada a la pérdida de capacidad de secado por

par te de la corriente de aire de enriada, merced al consiguiente incremento de su humedadrelativa (véase el ejemplo 5.4).

La recuperación de la entalpia del aire desalida resulta deficiente por diversas razones.El aire presenta un calor específico moderado,sobre 1 kf kg-1 K-1. Su entalpia se debe en gran

par te al ca lo r la tente del vapo r de agua, muydiluido en la corriente. Por otra parte, su coeficiente individual de transmisión de calor esmuy bajo. Por tanto, la recuperación de su entalpia pasa por la impulsión de un considerablecaudal, con el consiguiente consumo eléctrico.El intercambio de calor se ve dificultado tam

bién por este caudal, así como por el bajo coeficiente convectivo, factores que determinanuna gran superficie pa ra 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 laformación de depósitos sobre la superficie delintercambiad or.

A pesar de lo expuesto, el futuro de las técnicas de secado con aire pasa por el desarrollode procedimientos de recuperación del calordel aire húmedo. Además de lo apuntado acerca de una posible recirculación, algunas instala

5.4. Secado por contactocon una superficie caliente

Esta técnica de secado se aplica preferenmente a alimentos de consistencia fluida, desitándose una fina película de! mismo soun a superficie metálica caliente. El equipo mhabitual consiste en un tambor por cuyo in

rior circula vapor de agua. La transmisión calor al producto se efectúa, pues, fundamtalmente por conducción. Habida cuenta que su superficie externa se encuentra en ctacto con el aire ambiente, se ha de considetambién la contribución adicional que supoel secado por arrastre, convectivo. Las etade que consta el proceso de secado son lasguientes:

• Calen tamiento de la película de prodto hasta alcanzar su temperatura de ellición. Se trata de un período muy cor

• Eb ullición del prod ucto . Su fracciónquida pasa gradualmente a estado vapLa superficie externa del cilindro se fría como consecuencia del calor latede vaporización que se consume. Estase de secado, rápida, se puede asimila

período de velocidad de secado co nst

te con aire caliente.• A um ento de la temperatura de! pro dto hasta alcanzar un valor próximo alla temperatura de la superficie extedel cilindro calefactor. Es una fase de cado len ta, donde sobrevienen los mares riesgos de alteración del produ po r so breca lefacc ión, que guarda cie pare cido con el per íodo de velocidadsecado convectivo decreciente.



dratación como en el caso convectivo. Lasetapas dependen fundamentalmente de las

condiciones de operación y del equipo, y menos de las características del producto a secar.Por ello, se suele considerar la velocidad desecado desde el punto de vista de la transmisión de calor. Las principales variables que rigen el proceso son:

• Presión del vapor. D etermina la temperatura de la superficie de calentamiento.

Nótese que si se emplea un vapor de alta presión, al margen de los posibles riesgos

de alteración del producto, habrá que aumentar el espesor de la pared del cilindro, lo que lleva consigo, además de unamayor inversión, una disminución delrendimiento térmico del proceso. El límite para la temperatura del vapor saturado se establece en torno a los 130-150 °C.

• Velocidad de giro del cilindro, Pija eltiempo de secado del producto. Por otra

parte , está relacionada con el coeficiente

global de transmisión de calor; en concreto, conforme aumenta la velocidad degiro disminuye el coeficiente individualde transmisión de calor entre la paredexterna y el alimento en contacto conella a través de la capa límite de aire interpuesta.

6 Espesor de la película de producto. Aligual que en el caso anterior, esta varia

ble influye sobre la transmisión de calor.Así, si se reduce su espesor, disminuye laresistencia que ofrece el alimento a latransmisión de calor. Ahora bien, si la

película adherida al cilindro es excesivamente delgada, se resiente el tamaño de

part ícula del sólido obtenido, aspectoque puede ser importante a efectos de

presentación o, si es el caso, de su posterior rehidratación.

• Espesor y tipo ¿le material sobre el que se deposita el producto. D eterm inan el flujo

resa el menor espesor posible y un mrial con una elevada conductividad

mica.* Características del alimento. Las máteresantes desde el punto de vista proceso de secado son aquellas relanadas con su adherencia a la superf

del cilindro, a saber: viscosidad, ten.superficial y poder humectante. Lógmente, cuanto mejor se adhiera, mes el espesor de la capa límite de que se interpone entre el alimento superficie externa del cilindro.

Para salvaguardar las propiedades nutrity organolépticas del alimento frecuentemse opera a vacío, lo que permite reducir la t

peratu ra de ebullic ión del líquido, al tiemque se aumenta el gradiente de temperatuentre la superficie calefactora y el produtratado.

5.4. J. Cálculo del tiempo de operación

La velocidad de secado de un alimentoeste tipo de equipos está gobernada, comose ha dicho, por la velocidad de transmisióncalor desde el cilindro hasta c.l producto.

puesto que existe un equilibrio entre el cque se transfiere y la cantidad de agua queevapora, representado por la ecuación [5.26velocidad de secado vendrá dada, en este c

po r la siguiente ecuación, análoga a la [5.27

dw UA(Jp ~ TS)

dt X [5

donde dw/dt representa la cantidad de aguaminada por unidad de tiempo, U el coeficiglobal de transmisión de calor, A la superfdisponible para el intercambio de calor (áexterna del cilindro). Tp la temperatura su



potación y A el ca lor la te nte de vaporizació ndel agua a la tem peratura T

El coeficiente global de transmisión de ca

lor tiene en cuenta las resistencias en serie quese oponen al flujo térmico a través de los coeficientes individuales de los medios convectivos

y de las conductividades térmicas de los materiales sólidos existentes. Así, se tiene;

• Coe ficiente individual de transmisión decalor del vapor condensado sobre la pared interna del cilindro (hc).

* Conductividad térmica del ma terial de la

pared del cilindro ( k ) .• Coe ficiente individual de transmisión de

calo r en tre la superficie externa d el cilindro y la superficie del alimento en contacto con ella a través de la capa de aireinterpuesta (ha).

* Conductividad térmica del alime nto (/cjo coeficiente individual de transmisiónde calor si éste es líquido (h ).

* Co eficien te superficial de radiación (hr).

• Coe ficiente individual de transmisión decalor correspondiente a la evaporacióndel agua (he).

Si se considera que los cocientes entre lasáreas de los distintos medios y el área de referencia está próximo a la unidad, el coeficienteglobal de transmisión de calor se ajustará a lasiguiente expresión:

i — + — + — [5.60]h p ) h 2 K

en la qu e / y lp representan, respectivamente,los espesores de la pared del cilindro y de la

película de alimento.Los factores de mayor peso en el valor de U

son los términos debidos a la transmisión decalor a través de la película de aíre y a las pro

pie dades té rm icas del al im ento. Por ta nto . U

A = n L + A u K k.

V

\ ht>)

Si la operación de secado se complecon el paso de aire a una cierta velocidad

peratura, el coeficiente he debe considerael cálculo de U. A continuación se exponexpresión empírica para establecer el valor

h< =3 , 0 5 1 0 V ^ ( p ^ - p J A

T , ~ T a

donde h r viene en J/(h mJ °C), V es la dad de paso del aire (m/s), la presvapor del agua en la superficie de evapo(atm), p la presión parcial del vapor den el aire (Pa), A el calor latente de vapción (J/kg), 7\ la tem peratura reinante en

per ficie de evaporación (°C) y A la te m pra del aire (nC).

Otra cuestión a tener en cuenta es la

ción de las distintas temperaturas a lo lar pro ce so . D e partida, se ha co nsiderado temperatura de la pared (T ) es igual a l

pera tu ra de sa tu ració n del vapor de calefy que la temperatura de la superficie don

produce la evaporació n (Ts) se correscon la temperatura de ebullición (2'J. Pgeneral, tampoco se considera el posiblemento de Tv según aumenta la concentde solutos en la disolución. Ahora bien

que hacia el final del secado Ts tiendem entar por encima de Tv, aproximándoselor de T , se ha de introducir un coeficieque tenga en cuenta esta posibilidad,

/ =T p - T s

T n ~ T v

cuyo valor siempre será próximo (inferiounidad.



de an alimento por contacto con una superficie caliente está representada, de una manera aproximada, por la siguiente ecuación:

5.4,2. Consideraciones energéticas

El agente de calefacción en este caso suele ser vapor de agua. Dado que el calor latente de

condensación de este vapor se destina casi exclusivamente a evaporar el agua del producto secado, el rendimiento térmico del proceso es muy elevado. Así, si se parte de un vapor de calefacción de 100 °C (// = 2676,1 kJflcg), su condensado a la misma temperatura (H = 419,04 kJ/kg) asegura un excelente rendimiento térmico (ecuación [5 .57] ) : r j = 1 -

(419,040676,1) - 0,844En segundo lugar, el vapor procedente del

alimento tiene una entalpia considerable, próxima a la del vapor de calefacción. Por otra parte, no existe el problema de su dilución por parte del aire, aun cuando la economía de la recuperación de la entalpia se vea condicionada por su gran volumen específico: un vapor saturado a 90 °C ocupa 236 m3/kg. Esta afra se dispara conforme desciende su temperatura de saturación: a 40 “C la misma cantidad ocuparía casi 20 m3.

En tercer lugar, citar las facilidadesofrece la recuperación del condensado depor de calefacción. Se puede aprovechar s

lor sensible por intercambio con otro fluisimplemente, reutilizarlo como agua dementación de la caldera de producción depor de agua de calefacción. En principio, pce más lógica esta última opción, ya que seante un agua ya tratada, de cierto valor, para su empleo como materia prima en lneración de vapor. E n resumen, los procde eliminación de agua por contacto consuperficie caliente resultan más favora

desde el punto de vista energético, que los cesos puramente convectivos.

5.5. Equipos de secado convenciona

La selección de un secadero viene dfundamentalmente, por un compromiso eJa inversión precisa, los costes de operaciócalidad del producto obtenido, la segurasociada al proceso y la repercusión mediobiental. El emplazamiento se considera imptamente a través de su influencia sobre lopectos anteriormente atados. En el cuadrose establece una clasificación de secadatendiendo a su modo de operación, conto discontinuo, y al mecanismo predominde transmisión del calor, convección o conción. El cuadro 53 recoge, por su parte, cieaspectos económicos de algunos secaderos.

CUADRO 5.2 Clasificación ríe secoríetos

Convección Conducción

Discontinuos Continuos Discontinuos Confínaos

Dedos plantas De lecho Owduodo De bandejas a vacio D» tambores

De bande jas De túnel k) vacio o no)

De tolva De cinta sinfín De placas a vacío

Solar Decenal (ovado)

De lecho Ruidizado Rotatorio De dnta sinfín



CUADRO 5.3Costes de operac ión y consumos energéticos

de algunos secaderos

Secadera

Costesde

operoáóorelativos

Consumosenergéticos

(kWh/kg agua eliminada)

De lecho fluidizado 1,59 3,50 Convectivo convencional 1,00 _

Neumático — 1,80Por atomización — 2,50De tambor 1,65 1,25En continuo a vacio 9,29 _

Liofilizador 17,82 —

Hay una serie de casos en los que la selección es prácticamente inmediata. Así, si la ca

pacid ad de tratam ie nto previs ta es de pocaconsideración, la mayoría de los alimentos se

pueden secar medían te un equip o de bande jas(discontinuo), ya sea a presión atmosférica(por convección) o a vacío (por conducción).Cuando el alimento es muy sensible a la tem

peratu ra y su valor añad ido lo permite, se justifica su liofilización. Los calentamientos por radiación también se circunscriben a casos muyespecíficos.

5.5. /. Secaderos convectivos

Calentamiento del aire. El aire se puede calentar por métodos directos o indirectos. Et ca

lentamiento directo consiste en mezclar el airecon los gases de una combustión, sin que medieentre ambos fluidos resistencia alguna a latransmisión de calor, como es el caso de un in-tercambiador de calor. La exigencia de un fluido térmico no tóxico limita el tipo de combusti

ble a cie rtos gases co m o, por ejem plo, el butano . El equipo no requie re una gran inve rsión y su rendimiento térmico es excelente: todo c! calor de combustión del gas se transfiere

menor consumo de electricidad del sistemaimpulsión. La operación presenta, sin embgo, un inconveniente: el vapor de agua gen

do por la combustión del gas se incorpora corriente de aire, aumentando así su humed

Un segundo método de calefacción diredel aire lo constituye el basado en el empleoresistencias eléctricas. Como inconvenieprincipal reseñar su carestía, consecuencia bajo rendimiento de la producción de la etricidad, sobre el 40% en los procesos convcionales. No obstante, el uso de electricipuede llegar a resultar interesante según

fuentes de producción de energía primariapaís donde se radica la actividad industrial. ventajas vienen dadas por su elevado remiento térmico y por su disponibilidad, accbilidad, flexibilidad y fácil control. Su empasegura, además, una operación con bajosveles de riesgos de incendio y explosión y una higiene y limpieza más que aceptables.

La calefacción indirecta, es decir, a travéun intercambio de calor, se puede llevar a c

me diante gases de com bustión, vapor de agufluidos térmicos. Los gases se pueden obten part ir de una am plia variedad de combustibEl vapor de agua es el agente de calefacc

por anto nomasia. Posee un calor la tente eledo, así como una aceptable conductividad mica. Desde el punto de vista del alimento,rece de toxicidad, no presenta riesgos incendio o explosión y no da lugar a oloresempleo se restringe a temperaturas por deb

de los 200 °C, valor para el cual ya precisuna presión de saturación en torno a las 15 a para ev itar el sobred íinen sionam icnto de e pos en general. Cuan do se sobreca lien ta, seduce su conductividad térmica, de ahí quecampo de aplicación se circunscriba a unoscos casos. El vapor de agua, a pesar de lo

puesto , se encuen tra en re troceso respecotros sistemas de calefacción. Esto se expdebido al bajo rendimiento térmico global



alto punto de ebullición, cuyo calentamiento seefectúa por intercambio con los productos decombustión de un combustible, permiten calen

ta r aire por encima d e los 300 CC con un rendimiento térmico del orde n del 85%.

Secadero de dos plantas. Consta, como sunombre indica, de dos plantas: la baja, dondese aloja el horno en el que se calienta el airemediante los gases de combustión, y la superior, sobre la que se esp arce el alime nto a secarsin exceder los 20 cm de espesor. Las plantasse encuentran separadas entre sí por una rejilla que, además de sop orta r el alimento, distri

buye la corr ie nte de aíre que asciende por co nvección. Son de difícil control, los tiempos desecado prolongados y el coste de mano deobra considerable; la carga, volteo y descargadel alimento se efectúan manualmente. Auncuando dan lugar a un producto poco uniforme, resultan todavía interesantes por su elevada capacidad de tratamiento y sencilla utilización. Aplicaciones', lúpulo, malta y rodajas denaranja.

Secadero de bandejas (de cabina o de armario). El compartimento, conocido por cabina oarmario, está dotado de uno o varios ventiladores encargados de impulsar el aíre caliente através de la batería de bandejas que soportanel alimento. El sentido de flujo del aire, que seestablece mediante tabique s deflectores, puedeser transversal a las bandejas (1,5 m/s), secadoen paralelo, o ascendente (sobre 1 m/s). secadoen serie. En es te últim o caso la base de las ba n

dejas está con stituida p or una m alla. La carga ydescarga de las bandejas se efectúa por lotescon ayuda de un bastidor. El control del proceso, de existir, se limita a regular la temperaturay caudal de aire, así como su tasa de recirculación. Se emplean para pequeñas capacidadesde tratamiento (1.000 kg de producto/día y unidad), Su principal inconveniente viene dado

po r la hete rogeneid ad del producto seco. Susventajas se centran en su coste y sencillez de

Secadero de tolva. En estos equipos el mento descansa sobre una malla, a través dcual se distribuye el flujo ascendente de aire

liente (0,5 m/s). Si la instalación es de gran pacida d, caso hab itual, incorpora un sistemaimpulsión y calefacción de aire. De lo contrael equipo posee una toma para acoplar el secio de aire caliente. Esta operación se justicomo complemento al secado previo del mento en otro equipo. Su empleo en serie sune un ahorro del tiempo de secado total, cuando su velocidad de deshidratación resmoderada/baja. El alimento a tratar debe

nir, habida cuenta de su disposición en la touna gran resistencia mecánica a la compresiLa humedad del producto “acabado” está soeí 3-5% sobre base seca. Al igual que en el canterior, la inversión requerida es razonablsu funcionamiento sencillo. Aplicaciones', sdo final de productos vegetales.

Desecación solar . Se trata de un procesotural, que no requiere instalación, en el quradiación solar incide sobre el alimento.

operación se limita al volteo del alimento parcido hasta alca nzar el gra do de deshid rción deseado. E n algunos casos se aprovechenergía solar para calentar el aire que se vutilizar como age nte de secado. Se combinala desecación por convección natural con la

bida a la convección fo rz ada. Los dos sistemexpuestos son sumamente económicos; sin

bargo, la velocidad de secado es muy lenlos productos obtenidos heterogéneos. I-a o

ración, además, se encuentra supeditada aradiació n media solar de la zona en cuestión pesar de todo, la desecac ión so lar es la técnde conservación de alimentos más extendidescala mundial. Aplicaciones', productos agrlas en general.

Secadero de lecho fluid izad o. Consiste efluidización del alimento mediante una rriente de aire caliente que actúa simultánmente como gas fluidizantc y agente de se



metálica, perforada o provista de distintos accesorios para la difusión del aire. Si ia operación es en continuo, el sólido seco se retira del

sistema a través de un rebosadero, pasando al siguiente lecho. En estas condiciones, el producto obtenido no es tan homogéneo. Esta técnica se beneficia de las ventajas inherentes a la fíuidización, a saber: humedad uniforme del sólido, buen contacto sólido-fluido y condiciones de isotermicidad. La técnica, por tanto, permite una elevada velocidad de secado y un buen control del proceso, lo que redunda sobre la calidad del producto procesado. Aplica

ciones'. granos de cereales en general, puré y granulos de patata, alubias, guisantes, cebollas, zanahorias, café, carne en cubos, arroz y alimentos pulverulentos como harina, azúcar, cacao, sal y suero de leche.

El equipo, además del lecho propiamente dicho, incorpora un sistema de alimentación del sólido, un dispositivo de extracción del sólido seco una vez rebosa (normalmente un. tornillo sinfín), así como un medio de recolección de finos

del aire de salida (ciclón o filtro de mangas) (figura 5.11). La fracción de finos separada puede, bien devolverse al lecho, bien mezclarse con la alimentación a fin de facilitar su fíuidización por reducción de su humedad. El ventilador de aire

Salido de air

Alimentació n

Entrada de aireLámina

C ale nta do rt Tornillo n

de aire ’ sinfín Salid a de(v

se suele situar, al igual que en los atomizada la salida del equipo de filtración. La operatmosférica, se puede llevar a cabo tamb

presión o incluso a vacío, lo que supone ebos casos un encarecimiento del equipo.

El grado de fíuidización deseado seatendiendo al valor de la velocidad mínim

fíuidización , propiedad específica de cadmento y que se determina cxperimentalmNormalmente se opera con velocidades 2ces superiores a la de mínima fíuidizaciónencima de 4 veces el valor de esta última canza la denominada velocidad de arrast

decir, se pasa al transporte de sólidos erriente de aire (condiciones neumáticas).establecer los niveles de operación se parlas ecuaciones empíricas que correlacionpérdida de carga debida al lecho con la vdad mínima de fíuidización por medio dpropiedades físicas del sólido y de las prdades fluidodinámicas del gas fluidizantemo quiera que estas correlaciones sólo ten cuenta el efecto de ia temperatura a t

del valor de la viscosidad del fluido, por neral resulta imprescindible efectuar una rimentación previa al diseño de la instalac

Como comportamiento de carácLer gese puede señalar que el sistema no limita locidad de transferencia de materia ni la dlor entre el aire y el sólido, lo que conducisotermicidad del conjunto. Las burbujas re contribuyen decisivamente a la homogzación del sistema, siendo la velocidad de

cla más acusada vertical que horizon taimEsta técnica se encuentra limitada, lógicate, a alimentos susceptibles de ser fiuidizEn principio, un alimento que se desee fzar debe reunir los siguientes requisitos:

• Tamaño medio de partícula comprdo entre 20 pm y 10 mm para evpor una parte, el apelmazamiento nos y, por otra, la formación de capreferentes a lo largo del lecho,



• Distribución de tamaños de partícula estrecha para asegurar la íluidizacion de lamayor parte del sólido. Las pérdidas definos por arrastre serían en este caso mínimas.

• Si el material es pro penso a aglom erarseentre sí, la fluídizacíón debe garantizarsu fractura en partículas de menor tamaño, más fácilmente fluidizables.

• La forma más deseable^ desd e el puntode vista de la fluídizacíón es la esférica,que es la que ofrece mayor superficie

por unidad de volumen (m ejor contacto). Cuando el producto es de geometríairregular el corte más habitual es en forma de rodaja o de cubo.

• El sólido debe poseer una gran resistencia mecánica, a fin de que pueda soportar los impactos que implica semejantegrado de agitación,

• El producto final no puede ser de naturaleza pegajosa a la temperatura de salida del aire, por los inconvenientes queello plantearía.

Las características de algunos alimentos requieren la consiguiente modificación del equi

po con vistas a su fluidizacíón. Entre las distintas modalidades de lechos destacan lassiguientes:

Lecho fluid izado vibratorio. Se aplica a alimentos con escasa aptitud hacia la íluidización,esto es: amplia distribución de tamaños de par

tícula, moderada resistencia mecánica, untuosos, termoplásticos o de consistencia pastosa. Elalimento se sitúa en una cámara de secado rectangular, estrecha, sometida a una vibracióncomprendida entre 5 y 25 Hz. Este sistema secorresponde más con un suave transporte delsólido por vibración a lo largo de la cámara quecon una fluidizacíón convencional; de hecho, lavelocidad del aire se suele establecer por deba

jo del valor de la de mínima fluidizacíón.

do que permita la aglomeración de partentre sí, proceso simultáneo al secado. Lavas partículas, entre Ü,2 y 2 mm, deteruna mejor distribución granulométrica y dad aparente. Una ventaja adicional es sencia de finos en la corriente del aire de

Lecho flu id izado cónico giratorio (se

“Torbed”). Se emplea con alimentos de tde partícula superior a 5 mm cuya fluidiconvencional resulta deficiente. E l aire cse introduce por la parte central inferior cho troncocónico, de tal forma que las plas adquieren un movimiento centrífugo dente que las lleva al rebosadero perisuperior conforme se van secando (figuraEl excelente grado de mezcla alcanzado plita unas elevadas velocidades de transfede ma teria y energía, de ahí que el equipespecialmente indicado para alimentos tsensibles.

Lecho flu id izado agitado. Se trata decho fluidizado convencional provisto deción mecánica. La finalidad de esta agitacentra en la fractura de las partículas de tamaño para favorecer así su íluidizaciaplica a alimentos pastosos con un gran nido de hum edad.

Entrada prod ucto



CUADRO 5.4

Vente/as e inconvenientes de vn secadero convectivo convencional continuo según eisentido de l flujo de aire

Flojo de aire Venía/as inconvenientes

Paralelo Elevada velocidad inicial de secado.

Retracción moderada del producto.

Densidod moderado dd producto.

Ausencia de riesgos de deteriora

del producto por sobrecalefacción.

Secado poco exhaustivo.

Contracorriente Bueno eficacia energética.

Secado más exhaustivoi

Baja velotidod initial de secodo.

Retracción significativa del producto.

Producto de alto densidad.

Riesgo de sobrecalefocción del produ

Poralelo<on Iraeorri ente en serie Tiempos de secado eorlos.

Mayor capacidad de tratamiento.

Mejor control del proceso.

Mayor inversión.

Mayores costos de operación.

Transversal con control de los

condiciones del aire por secciones

Tiempos de secado muy cortos.

Grand capacidad de tratamiento.

Buen control del proceso.

Producto uniforme y de cal idad.

Gran inversión.

Grandes costes de operación

Lecho fluidizado rotatorio. En realidad consiste en una modificación de un secadero rotatorio convencional, en el que el aire se introduce por la parte inferior del cilindro rotatorio perforado, dispuesto horizoutalmente. El alimento en su paso por la cámaTa cilindrica se seca tanto en lecho fijo como en lecho fluidizado. Se aplica a alimentos pegajosos o a vegeta

les de geometría irregular, ambos difíciles de fluidizar en condiciones ordinarias, y que tampoco se pueden secar por un sistema de túnel o similar por su sensibilidad a la temperatura.

En los secaderos de túnel , cuyas dimensiones pueden llegar a ser de 2 x 2 x 25 ni, el alimento se sitúa sobre bandejas (espesor: 3-5 cm) dispuestas verticalmentc en vagonetas, que circulan con la velocidad que determine el tiempo de secado previsto. Los posibles sentidos de flujo del aire son (cuadro 5.4): en paralelo o concurrente, en contracorriente y transversal al alimento (3-6 m/s). Se pueden dar, además, distintas combinaciones entre los cita

en paralelo y la segunda, más prolongadacontracorriente. La salida de aire, común dos tramos, se encuentra en una zona interdia del túnel, por lo general más cercana entrada del producto húmedo (figura 5.13).

En otras ocasiones, se asocian hasta treneles en serie, cada uno con sus propias caterísticas en cuanto a sentido de flujo y cociones de! aire. Así, si el producto está eperíodo de velocidad de secado constantopera con aire en paralelo en torno a los°C, mientras que por debajo de su humecrítica se invierte el sentido de flujo del ase limita la temperatura a los 70 °C para prnir su deterioro por sobrecalefacción.

El secadero de cinta sinfín o de transp

d o r se diferencia del de túnel (también sec

ro convectivo convencional), más que en sumensiones, parejas, en que el alimentodeposita (espesor: hasta 20 cm) sobre una lla. Consta de dos etapas de secado: en lamera el aire circula (flujo cruzado o vert



Entrada devagonetas

Placas Ventilador deflectoras Calentador

v

Salida de vagonetas

Entrado de aire

FIGURA 5 .1 3 . Secadero de túnel con aire en contracorriente.

ñor densidad, se invierte el sentido de flujo del uire. I-a cámara incorpora a veces una tercera sección de enfriamiento, donde se mantiene el sentido de flujo de aire de la etapa anterior para evitar el arrastre neumático del producto seco. El espesor de producto sobre la cinta se va aumentando conforme éste pasa por las sucesivas etapas (figura 5.14).

Sentidodel

Alimentación flujo d e aire Producto

\ U * | j

FIGURA 5 .1 4 . Secadero d e cinta sinfín.

Este tipo de secaderos se utiliza también para la deshidratación de alimentos en forma de espumas. Con esta consistencia de partida se agiliza el proceso de secado, al tiempo que se alcanza un producto de estructura porosa. La preparación de la espuma consiste en añadir al alimento líquido una pequeña proporción de un agente espumante inocuo (1%), inyectando simultáneamente aire o un gas inerte. Se llega así a un producto voluminoso, de baja densidad, cuyo secado sobre cinta transportadora maciza se efectúa con suma eficacia. El secado

estado líquido, se conduce con aire en paralelo,seguido de aire en contracorriente. El productoseco, poroso, es por último triturado en polvo,fácilmente rehidratable.

Los secaderos de canal son una variante delos de cinta sinfín, en los que ésta, constituidapor una malta, se mueve merced a unos rodillos inclinados (15-20"), que configuran su forma acanalada. El sentido de) flujo es cruzadoascendente durante las dos etapas de que cons

ta la operación. El aíre cumple, además de sufunción primordial, agente de secado, una secundaria, cual es la de facilitar el volteo del alimento a lo largo de su recorrido. Este dispositivo de secado, muy eficaz, permite reducir eltiempo de secado a 1/5 respecto al preciso enun secadero de túnel convencional. El grado demezcla alcanzado permite, asimismo, reducir latemperatura del aire de secado, así como mejorar el aprovechamiento energético del proceso,a semejanza de lo que sucede en un lecho flui-dizado, donde el contacto sólido-fluido es todavía superior.

Los tres tipos de secaderos descritos dan lugar a un producto con un contenido en humedad suficiente (10-20%) como para justificar suacabado en tolva. Dentro de los secaderos detúnel, se impone el de flujo cruzado con control de las condiciones del aire de secado porsecciones que, como se indica en el cuadro 5.4,permite alcanzar un producto uniforme, de ca



•CUADRO 5. 5

Principales características y aplicaciones de los secad eros convectivos convencionales continuos

7?po d« secaderoProducios Característicos

De túnel Frutas y verdura» enteras, en rodajas

o picada».

Versátil.

Capacidad de tratamiento aceptable.

Tiempos relativamente cortos.

Control deficiente (excepto en los de flujo transverso!

Baja rehidralobilidad del producto.

De cinta sinfín Frutas y verdura». Gran capacidad de tratamiento. Calidad homogénea.

Mayor grado de automatización.

Control aceptable.

Baja rehid notabilidad.

(En espuma) Zumo» de fruta. Purés de patata.

Potitos para bebés.

Secado y calidad uniforme.

Tiempo de secado reducido. Producto poroso.

Buena refiidratabilidad.

De canal Patatas troceadas.

Guisantes.

Cebollas.

Pimienta,

Verduras picadas,

Gra n velocidad de deshidratoción.

Elevada capacidad de tratamiento.

Secado uniforme.

Calidad homogénea.

Buen rendimiento energético.

Buen control.

Baja rehidratabilidod

N o admite producto» pegajosos. Apto para productos termosensible».

A la visla de lo expuesto y de la información recogida en el cuadro 5.5, donde se sintetizan los principales aspectos de los secaderos convectivos convencionales, se explica el que los de túnel estén siendo relegados por los de cinta sinfín y, éstos, a su vez, postergados por los de canal y por los de lecho fluidizado.

Secadero rotatorio. Está constituido por un cilindro metálico rotatorio, dispuesto con una pequeña inclinación (5-10°), por cuyo interior circula por gravedad el producto sólido y el aire de secado, ya sea en paralelo o en contracorriente (cuadro 5.4). La cámara de secado monta en sn interior un sistema de agitación del producto (repisas, alabes, cadenas, etc.) que permite desplazar el alimento desde la parte in

una “cortina” normal al flujo de aire. E) grade agitación alcanzado mediante este sistemque origina un excelente contacto con el acaliente, determina una gran velocidad de sedo, así como la uniformidad del producto obnido. Aplicaciones: azúcar cristalizado, semil

de cacao, concentrados de carne en cubos.Ciertos equipos, provistos de una “cami

externa, complementan la acción del aire cla circulación de un fluido caliente por esta sción anular concéntrica. El secado en escondiciones se lleva a cabo, pues, tanto pconvección como por conducción. Estos sederos se pueden utilizar si el alimento:

• Incluso presenta tendencia a apelmazar



• Fluye razonablemente bien por gravedad.

Secadero neumático. Consiste en el transporte del alimento suspendido en una corriente de aire caliente a través de una conducción horizontal o vertical. El sistema, además de dar lugar al secado del producto, puede utilizarse como medio de clasificación de las partículas por tamaños. El aire de salida se conduce a un separador sólido-gas, normalmente de tipo mecánico, que permite la extracción del producto seco y, si es el caso, recircular parte dei aire ya depurado. La recirculación no puede ser en ningún caso completa, ya que como quiera que la eficacia de la separación no es del 100%, se daría un progresivo aumento de la concentración de sólidos en suspensión en la corriente de aire, amén de que ésta presentaría una considerable humedad relativa. Así pues, se requiereuna purga de aire en el circuito de rccircula- ción. El aire de reposición, cuyo caudal viene fijado por la purga, se debe ajustar a unas de

terminadas condiciones de humedad y temperatura, a fin de alcanzarse las especificaciones del aire de entrada.

El tiempo de residencia de las partículas, variable según su tamaño y el grado de secado deseado, se lija atendiendo a la velocidad del gas, al menos cuatro veces la de mínima fluidi- zación, y a la longitud de su recorrido. Para reducir en lo posible la temperatura de la operación en algunos equipos se prolonga el tiempo

de contacto recirculando el material a secar por espacios anulares concéntricos al conducto interior principal: son los llamados secaderos neumáticos anulares. Otra posibilidad es operar con dos o tres secaderos en serie, cada tino de los cuales funciona con su propia corriente de aire. Un tercer sistema, de tiempo de secado reducido, y que implica elevadas temperaturas, es en el que se provoca una brusca disminución de la presión durante el secado, como consecuencia de aumentar la sección de paso del

finalidad de esta práctica es mejorar su porior secado por convección o sus condicio

de rehidratabilidad. Se conocen por secadde expansión o de anillo, en referencia a la ma del conducto en su parte central.

Los secaderos neumáticos, baratos y de eficacia energética contrastada, presentanbuena velocidad de secado. En algunos cala simultaneidad secado-transporte supone apreciable ventaja adicional. Su principal conveniente reside en la dificultad de controel proceso, tanto más acusada cuanto más aplia sea la distribución granulométrica del sdo en cuestión. Aplicación: se limita a alimtos pulverulentos de características similarelas ya expuestas para los productos fluidizadSe emplea como sistema de deshidraciónalimentos procedentes de un secado previo atomización, para los cuales se desea un connido de humedad final muy bajo, próximo alequilibrio; es el caso de determinadas lechespolvo, de los huevos en polvo y de la patatagranulos. Como secadero único se aplica a g

nos de cereales en general. Secaderos por nebulización (atomizació

En estos equipos, el alimento de consistenlíquida (bombeable) se nebuliza por mediouna boquilla al efecto a la entrada de la cámade secado, donde se pone en contacto con ucorriente de aire caliente. La nebulizaciónuno de los aspectos críticos del secado, tovez que permite desarrollar una gran superfipor unidad de volumen de alimento. Las go

culas de la niebla (.10-200 pm) se evaporan mrápidamente bajo estas condiciones (3-30 dando lugar a un polvo seco que desciende pgravedad hacia el fondo cónico de la cámara

Las ventajas e inconvenientes de estas inslaciones se han resumido en el cuadro 5.6. Etre las ventajas, destacar que la conjunciótemperatura moderada de operación-tiempde secado muy rápidos, consecuencia del bucontacto líquido-gas que proporciona esta tnica, permite utilizar alimentos relativamen



pr incipales inco nv enientes figuran su elevadocoste y la necesidad de que el alimento sea líquido. Otro problema lo constituye la escasa

retención de componentes volátiles del alimento, que obliga a aumentar el diámetro de gota(mayor tiempo de secado), a disminuir la tem pera tura de la alimentación (m enor difusividadefectiva del vapor de agua) o a reducir la tem pera tu ra del aire de en trada (m enor capacidadde secado y rendimiento térmico). A continuación se da cuenta de los tipos de atomizadoresexistentes, los cuales deben, ante todo, asegurar una completa y uniforme nebulización del

alimento. Atomizadores centrífugos. El líquido se in

troduce próximo al eje de giro del disco, pordonde circula a velocidades crecientes conformeavanza hacia la periferia de la citada turbina. Eltamaño de la gota de la aspersión se controla variando la velocidad rotacional del disco. El líquido nebulizado se proyecta horizontalmente enla parte superior de la cámara de secado conuna velocidad comprendida entre los 100 y 200

mis. Como este atomizador no presenta problemas de atascos, se utiliza preferentemente conalimentaciones viscosas. El tamaño de la gota seestablece aplicando correlaciones empíricas como la siguiente, obtenida a partir de un análisisdimensional del sistema:

Atomizadores de presión. Es el de uso mextendido. Su principio se basa en hacer pasel líquido a presión (30-300 atm) a través de u

orificio (0,4-4 mm). La energía de presión quLleva el fluido se emplea en la nebulización dlíquido. Proporcionan una distribución de tmaños de gota más estrecha, un secado muniforme; su coste de operación es menor quel debido a otros tipos de atomizadores. Sembargo, presenta ciertos inconvenientes. Ael estrechamiento limita el flujo máximo d

produc to, lo que implica do tar al secadero cuantos atomizadores sean necesarios. Una s

gunda cuestión es la facilidad con que se obtran las boquillas (se limpian con agua a presien contracorriente), especialmente si el alimeto a nebulizar es viscoso (3particulado. Por úlmo, indicar que el líquido, sobre todo si contne partículas abrasivas, acaba por ensanchar diámetro del orificio, aumentando así el tamño de gota. Ante esta situación no cabe otsolución que sustituir la pieza afectada. El maño de gota producido por un atomizador

presión se puede calcular mediante esta senlla expresión:

{ \°'6 m P

/ - A 2 /" A0,1

xptL

A n Pj .. m p j

donde Dg es el diámetro medio de la gota(pm). r el radio del disco (m), m p el flujo másico de la alimentación referido al perímetro deldisco (kg/m min), p¡ la densidad del líquido(kg/m3), N la velocidad de giro del disco (rpm).

t

donde es el diám etro medio de la gota (pme A P la caída de presión debida al atomizad(Pa).

A to m izador de dos fluidos. Se fundamenen el aprovechamiento de la energía cinétide un segundo fluido (el aire caliente compmido normalmente), que circula concéntricola sección interior del flujo de líquido. La sada de ambos fluidos es conjunta. La nebulición se complementa por el estrechamiento dconducto central. Las presiones del fluido amentado a la cámara son menores que en el so anterior. Se utilizan muy poco, ya que, a



una dispersión muy heterógenea en cuanto atamañ os de gota.

La cámara de secado es el lugar de la instalación donde se produce la deshidratación propiamente dicha. Los flujos de alim ento y aire caliente suelen ser paralelos entre sí; de lo contrarioexistiría un claro riesgo de alteración del producto por sobrecalefacción hacia el final del secado(cuadro 5.4). La cámara, cuya primera parte escilindrica, termina en forma de cono, donde serecoge el polvo ya seco, que desciende por gravedad. Las dimensiones de la cámara están supeditadas al tipo de nebulizador que incorpora. Siéste es centrífugo, el diámetro de aquélla ha deser suficiente para evitar la proyección de gotassobre sus paredes. La relación altura/diámetrode la parle cilindrica se fija entonces en la unidad. Si el diámetro, como es habitual, es grande,se reduce la velocidad lineal del fluido en su paso a través de la cámara, lo que supone tiemposde residencia elevados. Cuando la cámara montaun nebulizador de presión no es preciso un grandiámetro, lo que se traduce en tiempos de seca

dos mucho más cortos. En esta ocasión, la relación altura/diámetro llega a ser de 4 a 1.

El grueso del polvo seco se extrae, por logeneral, por la parte inferior de la cántara conayuda de rasquetas, tornillos sinfín o válvulasrotatorias, mientras que los finos se recuperande la corriente de aire húmedo de salida mediante algún equipo al efecto. El más habituales un separador c ic lónico , constituido, bien poruna batería de 2-3 ciclones dispuestos en serie,

bie n por un mult¡ciclón (aso ciación de variosciclones de m enor tam año configurados en paralelo), Si el tamaño del polvo impide el em

pleo de es te tipo de se para dores mecánicos, serecurre a un filtro de mangas. Este equipo, querequiere una mayor inversión, precisa un control más exhaustivo de las condiciones del airede salida (IV), y T), a fin de asegurar una buenaeficacia de separación.

Un tercer sistema de recuperación del pro

vo fino, se desea concentrar y precalentar equido de alimentación a la cámara de secaPara ello, se utiliza como líquido de lavad

propio alimento . Las tr es técn icas de sepción indicadas ofrecen rendimientos de opción elevados, superiores en todos los caso95%, siempre que se opere en el intervalotamaños de partícu la ap ropiado al caso.

En la deshidratación de alimentos por bulizac ión el período de velo cid ad de secconstante es prácticamente instantáneo. Enta fase se da el grueso del secado, sin que elmento supere la temperatura de bulbo húmdel aire. Hacia el final del proceso se reduconsiderablemente los gradientes de temptura y de humedad entre el aire y el alimerespecto a sus valores iniciales. El aire va diendo temperatura merced a la transferende calor sensible al alimento, que aumentatemperatura superficial hasta alcanzar 1.0-20

por deba jo de la del aire de sa lida. En lo concierne a la humedad, el aire va ganandomedad a expensas de la del alimento.

En suma, el secado en paralelo pre senta etapas: una primera, rápida y eficaz, seguidauna segunda, lenta y de escasa contribució

proce so global de deshidra tación. La operacen paralelo permite, sin embargo, el contentre el aire más caliente y el alimento cuaéste tiene su mayo r contenid o de hum eda detapa). Por el contrario, cuando el productoencuentra seco, éste se pone en contacto conaire menos caliente (24 etapa). De este mo

se compensa la pérdida de eficacia en el sec po r La calidad del pro ducto re su ltan te , a sde posibles alteraciones por sobrecalefacción

El tiempo total de secado de un alime por atom izac ión se puede asimilar a la sigute expresión:

( pL , P*D%X (wc - w') f 8 k a (T a ~ T ÍV) + 12 k 0 A T



diámetro inicial de gota (m), k la conductividad té rmica de l a i re (W/m ■K) , Ta y T w las

temperaturas de bulbo seco y húmedo del aire

(ÜC), D sr el diámetro de gota cuando se alcanzala wc, humedad crítica (kg de agua/kg de sólidoseco), w contenido final de hum edad (kg deagua/kg de sólido seco) y AT valor medio de ladiferencia entre las temperaturas del aire y el

p ro d u c to tra tad o (°C). E l p rim er té rm in o corresponde al per íodo de velocidad de secadoconstante, mientras que el segundo se debe alperío do de velo cid ad decre cie nte . En el cuadro

5.6 se recog en las ventajas e inconven ientessecado de a l imentos por nebul izac ión a tdiendo a sus principales características,

Al tratarse de un método convectivo, enque el grueso del secado se lleva a cabo con locidad con stante, el control de la velocidad

p ro ceso g lo bal está d e te rm in ad o p o r la d i

sión del vapor de agua desde la superficie da l imento has ta la capa de a i re adyacen te

mismo. Para favorecer es ta t ransferenc ia mater ia se opera de tal forma qne la humeddel aíre de sa lida sea sustancialmente inferio

C U A D R C 5 . ó

Venía/as e inconvenientes de l secado d e a l imentos p or nebul izac ión

Configuración

Ato mi zado re s

Ventajas Inconv enien tas

Centrífugos

De presión

De das fluidos

Buen control de! tamaño de gato.

Gran cap acida d de ira ¡amiento.

A d m it e Flu idos visc os as .

Distribución de tamaños estrecha.

Secado más uniforme.Menores costes de operación.

Menor diámetro de cámara (menor tiempo

de secado).

Las mismas que para ei de presión.

Sis temos de recuperación

Ciclones

Filtros de mangas

A b s o rb . H ú m ed o s

Económicos.

Sencillez operativa.

Adm ite po lvo s < 50 mm.

A d m it o p o lv o s < 5 0 mm.

Concentración simultánea del alimento.

Precafefacción simultánea del alimento.

Gran diámetro de cámara (mayar tiempo de secado

Menor capacidad de tratamiento.

Tend encia al obturc m ien lo a:e boquillas.Tendencia al ensanchamiento de boquillas.

No admite fluidos viscosas.

Las mismas que para el de presión.

Costes de operación algo mayores.

Distribución de tamaños polidispersa (restringe muc

su aplicación).

Limitado a polvos > 50 mm.

Mayor inversión.

Mayor control VVt y T del aire.

Limpieza y reposición de filtros.

Gran inversión.

De índole ge neral Velocidades de secado muy rápidas.

Grandes capacidades de tratamiento.

Elevada inversión.

Exigencia alimento Fluido, bombeable.



su humedad de saturación. Esto se consigueaumentando el caudal másico de aire por unidad de peso de producto tratado, lo que supo

ne reducir el rendimiento energético de la deshidratación.

Dicho rendimiento, a tenor de la expresión[5.57], se puede m ejorar aum entando la temperatura del aire de entrada y/o disminuyendo sutemperatura de salida. El máximo valor de latemperatura de entrada está delimitado por lasensibilidad térmica del alimento hacia el finaldel proceso, mientras que la tem peratu ra de salida se encuentra condicionada por el conteni

do de humedad d eseado para el produ cto seco,tanto mayor cuanto menor sea este último. Esta relación trajo consigo un nuevo modo deoperación, el secado de doble, etapa, m uy extendido en la actualidad. Se trata de no apurar elsecado del producto por nebulización -bastacon alcanzar una humedad ligeramente inferioral '10%, para proseguir el proceso en un lechofluidizado, vibratorio o no, hasta obtener la humedad final requerida (sobre el 5%). Con ello

se consigue un doble objetivo: reducir la tem pera tu ra del aire de salida y aum enta r la tem peratu ra de l aire de entrada al esta r térm icamente protegido el producto final por sumayor contenido de humedad. Supuesto quelas temperaturas de entrada y salida de aire pasan, merced a la implantación de una dobleetapa de secado, de 165 a 215 °C y de 90 a 80°C, respectivamente, el rendimiento térmico dela operación aumentará (ecuación [5.57]) desdeel 55,5 hasta e l 62,8%.

La operación descrita presenta una limitación en cuanto al contenido máximo posiblede humedad del producto secado exclusivamente por nebulización. Por encima de unacierta humedad el polvo se vuelve pegajoso(sobre todo si es higroscópico y termoplásti-co), dificultándose su extracción por la parteinferior de la cámara. Este condicionante seha resucito satisfactoriamente acoplando aifondo de la cámara un lecho fluidizado que

siones se llega incluso a disponer de un sdo lecho fluidizado (normalmente vibrata la salida de la cámara que ultima la o

ción ( secado de triple etapa). La innova prese nta una ventaja añadida, cual es la meración de los finos arrastrados duranfluidizacíón interior por interacción con lnos de la corriente de aire primario, que vía conservan un cierto grado de humeEsta opción, que conduce a un producto pso, de baja densidad, fácilmente separablla corriente de aire de salida del atomiz por medios mecánicos, es una de las téc

utilizadas para mejorar la rchidratabilidalos alimentos pulverulentos.

5.5 .2. Secaderos conduct ivos

Los secaderos de tambor (de rodillos

pe lícula) son los equipos más representadel secado de alimentos por contacto consuperficie caliente. Están constituidos po

cilindro metálico hueco, en rotación, por interior circula vapor de agua. El líquido atar se extiende en forma de película sobsuperficie externa del tambor. El sistemalimentación, que debe asegurar la unifodad de la película en cuanto a composiciespesor, puede ser por inmersión parciatambor, por aspersión o con ayuda de unodillos secundarios, más pequeños y exentocalefacción. La velocidad de rotación del

bor se es tablece de form a que se complesecado en un giro (0,5-3 min). El producto se desprende de la superficie caliente meduna cuchilla o rasqueta. Algunos equipos,desarrollados, incorporan rodillos auxil

para la re tira da del pro ducto adherido a l perficie. En otros se potencia la calefacciónciendo pasar aire caliente entre la superexterna del tambor principal y una carcTambién se utiliza aire, esta vez. frío, parazar el enfriamiento del producto. A cont



Alimentaciór A lim enta ción

C uchilla \ | ^ C u c h i ll a

l O a -

oj Secadero de tambor único b) Secadero de tambor doble

FIGURA 5.15. Secaderos de tambor.

Secadero de tambor único (figura 5.15). Esel más indicado para productos en los que esdifícil conseguir un recubrimiento uniforme dela superficie calefactora. Tal es el caso de losalimentos con un contenido significativo de almidón. Un ejemplo al respecto es la preparación del concentrado (en polvo) de purés de

patatas .Secadero de. tambor doble. La distancia en

tre los dos cilindros determina el espesor de la

película. Es más ve rsát il en cuanto que admiteuna mayor variedad de productos: desde disoluciones diluidas hasta pastas viscosas. Puedetratar, asimismo, productos termosensibles (líquidos y pastosos), proporcionando un sólidode fácil rehidratación. Presenta el doble de ca

pacida d de tratam ie nto que el ta mbor simple. Aplicaciones: cereales precocinados, sopas, alimentos de frutas para bebés, etc...

Secadero de tambores gemelos. Los tambo

res giran en este caso en sentido contrario, a diferencia de lo que sucede con el sistema detambor doble. La alimentación se efectúa mediante sendos rodillos auxiliares. Se encuentraespecialmente indicado p ara alimentos tales como las disoluciones salinas, cuyo secado conduce a sólidos pulverulentos. En algunas ocasiones se utiliza como equipo de preconcentración.

Secadero de tambor a vacío. Se aplica a alimentos extremadamente sensibles a la temperatura. La operación a vacío permite el secado

sorbedor). un condensador del vapor de aguauna bom ba d e vacío. El sistema de recogida dsólido opera alternativamente; mientras en recipiente se va acumulando, en el otro se descargando mediante un tornillo sinfín, pservá ndose a sí el vacío de la instalación.

Secadero de placas (o de bandejas) a vac

En estos equipos el alimento se dispone sob bandeja s, soporta das por unas placas huec por cuyo in te rio r circula el ag ente ca lefact

vapor de agua o agua caliente. Desde cí punde vista de la transmisión del calor resulta crco el contacto bandeja-placa, lo que requieuna buena planificación de ambas superficmetálicas, así como el contacto bandeja-alimto, que se resiente hacia el final del secado pla retracción que experimenta el producto. sistema, a vacío (1-70 mm de Hg), está indica

para alimento s muy sensibles al calor, ya selíquidos o sólidos, por lo que se ha de controcuidadosamente la temperatura de calefaccióespecialm ente en la parte de producto seco.

Secadero de cinta sinfín a vacío (figura 5.1Sobre esta cinta se aplica por aspersión el mento líquido o de consistencia pastosa. cinta se mueve merced a dos rodillos huecde calefacción y refrigeración, situados en extremos de la cámara a vacío. El calor aporta a través de vapor o de agua calienPueden funcionar con otras fuentes de casuplementario como son los serpentines de



de enfriamiento, desde donde se retira de laeinta con ayuda de unas cuchillas rascadoras.El empleo de este tipo de equipos a vacío, ya

sean de placas o de cinta sinfín, dada la inversión que requieren, sólo se justifica para alimentos muy sensibles a la temperatura, comoes el caso de los concentrados de zumos de frutas y de tomate y de los extractos de café.

■Cuchille

Vacio/ ? ~ > ^ T a m b o r Tam bor

i) /'calie nte frío

Calentadorradiante Alimen tación Producto

FIGURA 5.16. Secadera de cin ta sin f ín a vac ío .

El secada espon jante o por explos ión (“ex plosión puff dry in g") parte de un producto só lido parcialmente deshidratado, el cual se introduce en una cámara cilindrica rotatoriasometida a alta temperatura. El alimento, quese ve así expuesto a una cierta presión, se descarga rápidamente a presión atmosférica, conlo que se consigue la “destilación súbita” oevaporación “flash” de gases, vapores y vapor

de agua del producto. La despresuri2ación, iso-entálpica, se ve acompañada por un brusco enfriamiento del producto. Este tipo de secado,expansivo, da lugar a un producir) poroso, es

ponjado, que perm ite com ple ta r su deshid ra tación muy rápidamente en una etapa posterior,y que presenta unas excelentes característicasde rebidratación (se puede llevar a cabo en tansólo 15 min). Las características nutritivas y organolépticas del alimento tampoco se ven alte

todos convencionales, proporciona prodcon propiedades semejantes a las que se odrían mediante una iiofílización, pero c

coste muy inferior. El secado esponjante e pecialmente indicad o para alimentos con dos de velocidad de secado decreciente scativos. La eficacia de esta técnica pastrabajar con sólidos de pequeño tamañomalm ente se disponen en forma de cubos más de 1 cm de lado. En o tras ocasiones seza vapor de agua de 4 kg/cm2, sobrecalentunos 260 °C, lo que evita posibles condennes por despresurizacíón del sistema, al ti

que asegura la misma presión y tem pera tura la totalidad de la superficie del sólido. A

ciones'. frutas, verduras y granos de cereal. El secado en form a de espumas, que se

ca a líquidos más o menos viscosos, se tiempos muy cortos, lo que permite redutemperatura de operación. Este compmiento obedece a que la espuma presentm a y o r superficie de contacto, así como utable tamaño de poro, que facilita la dif

interna del agua o del vapor de agua dura pro ceso de secado. Este último extremo rdecisivo por cuanto que, si bien la transmde calor en este tipo de estructuras no es buen a, el co ntrol de la velocida d de secadne dado por la propia difusión interna. Eldo en forma de espumas, además de facil

pro ce sado de producto s sensibles a la te mtura, da lugar a alimentos de fácil reconción (rchidratación).

Este tipo de secado se puede llevar aen distintos equipos. Así, ya se ha explesta práctica en relación a los secaderosvectivos de cinta sinfín. Otra posibilidforzar la disolución de gases en el líquido

presió n, de tal m odo que 1.a atomiz ació n te alimento, que implica una expansiómismo, dé lugar a un producto porosdensidad muy inferior (sobre la mitad

pec to a la que se obte ndría m edia nte un



CUADRO 5.7

Clasificación de equipos de secado atendiend o a las prop iedade s que debe reunir el al imento tratado

Equipo de seco do

Propiedades de l alimento

Consistencia Hum edad

inicia/ Tamaño

Velocidad

de secado

Humedad

f inal

Resistencia

térmica/mecán

De dos plantas s ma ma b mb ma/mbDe bandejas s ma ma m a /b mb ma/mb

De tolva s b ma b b m a/m aDesecación solar s ma ma b mb m a/m b

De lecho fluidizado s ma b ma mb m a/m a

De túnel s ma ma m a /b m b/b m a/m b

De cinta sinfín s ma ma m a / b mb/b ma/mb

(En espuma) 1 — — ma b b / -

De canal s ma b ma mb b / maRotatorio s ma fc ma b m a/m aNeumático s ma fc ma b m a/m aPor atomización i - _ ma m b / b b / -De tambor 1 — — ma b m a /—

De tambor a vacío 1 —. _ ma b b / -De places a vacío s /l m a / — b / - ma m b/b b /mb

De cinta sinfín □ vacío 1 — — ma m b/b b / -

Nota: s: óoíída; I: líquida; ma; me dia/o -allfl/o; b; bajo/ o; mb: me dio /o-b aja /o.

E n el cuad ro 5.7 se recoge la totalidad deequ ipos descritos, clasificándolos según las pcipales características que deben presentaralimentos en cada caso. Se trata, pues, de uncinto resum en de lo apuntado con anteriorid

Resumen

1. Se comienza con unas nociones básicas s

la psicrometría de las mezclas agua-vapoagua. Esta introducción es imprescindiblera entender el papel y comportamientoaire como agente de secado de los alimen

2. Lo mismo sucede con el concepto de acdad de agua, cuya reducción es la esencilos métodos de conservación de alime

por deshidratación.3. Ei secado de alimentos con aire calient

un proceso adiabático, en el que se diguen claramente tres períodos: el de esta

ración es la correspondiente a los secaderos avacío de placas y de cinta sinfín, donde la disminución de la presión origina, al igual que enel caso anterior, la expansión del alimento,con la consiguiente liberación de gases y va po res. E l p roducto resu lta n te reún e , asim is mo, las propiedades a ntes mencionadas.

En realidad, el principio de la formación deespumas en estos dos últimos casos es el mismoque el expuesto para el secado por explosión

(expansión por desprcsurización), aunque enesta ocasión se parta de un líquido, no de unsólido. Esto implica una cierta confusión al res pec to , reforzada si cabe por la posib ilid ad deutilizar un mismo equipo para ambas modalidades de secado. Así, eí secadero a vacío de placas, susce ptible de ap lic arse com o se ha visto a la formación de espumas, puede tambiénemplearse como medio de secado por explosión. La diferencia estaría en la consistencia del



tiempo de secado según el período considerado. El análisis de las cuestiones energéticas asociadas al proceso es otro aspecto fundamental para abordar con garantías el diseño de un secadero convectivo.

4. En el caso del secado de alimentos por contacto con una superficie caliente se ha seguido un esquema muy similar al del secado conaire. Se establecen las diferencias y analogíasentre los dos sistemas de secado estudiados.

5. Se concluye con una descripción de los secaderos de alimentos, así como con un estudio comparativo de los mismos, que incluye íacompatibilidad del producto y las caracterís

ticas más sobresalientes en cada caso.


L Un alimento con un contenido inicial de aguade 68% (b.h.) se introduce en un secadero de cabina con el fin de rebajar su humedad hasta el 5,5% (b.h.). El aire de secado entra con una WRdel .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 lechofluidizado un alimento con un contenido de

WR = 60%, se hace pasar a través del le120 °C con un flujo rnásico de 700 kg deseco/h. £1 alimento se obtiene con una hdad final del 10% (b.h.). El producto adona el secadero a la temperatura de bhúmedo del aire, mientras que el aire deda presenta una temperatura 10 °C porma de la del producto final. El calor espco del alimento, referido a base seca, 2,0 kJ/(kg °C). En estas condiciones, case la producción horaria resultante.

3. Se pretende secar un alimento desde untenido inicial de humedad del 65%

hasta uno final del 6% (b.h.). Su curva dcado determina que su humedad crítica20%, se alcanza a los 4 min. Calcúletiempo total de la operación.

4. Se desea secar un producto por atomizhasta reducir su humedad al 5% (b.hutiliza aire a 120 °C con una humedad rva del 7%. Se sabe que el calor latenevaporación, función de la temperaturaría atendiendo al período de secado con

rado: 2.150 y 2.375 kl/ kg para velocconstante y decreciente, respectivamentdispone, además, de los siguientes datos:

Densidad del producto líquido: 900 kgDensidad del producto sólido: 1.150 kDiámetro inicial de gota: 110 pun.Diámetro de gota cuando se alcanza

40 jum.Conductividad térmica del aire: 0

W/(m K).

Humedad crítica (wt): 0,8 kg de agude sólida seco.

5. En un túnel de aire en contracorrienprocede a secar un alimento desde unun 10% de humedad (b.h.). El aire en105 °C con una humedad relativa del 2sale a 45 CC. El producto, por su partmantiene durante la operación a 25 °Ccalor específico es de 2,0 kJ7(kg K). blezca el flujo másico de aire a la entrasn humedad relativa a la salida para un



En un secadero se introducen 100 kg/h de un prod ucto con un 50% de humed ad (b.h,). Seopera con aire a 60 CC y una hum edad rela ti

va del 15%. Su consumo, referido a base seca, es de 1.200 kg/h y su temperatura de salida de 20 °C. ¿Cuál es la humedad final del

producto y qué valor adqu iere su actividadde agua?

Un alimento se seca a velocidad constantedurante 15 min, de tal forma que su humedad

pasa del 70 al 20% (b.h.). Con esta información, determine su contenido final de humedad para un tiempo total de secado de 20

min.

8. Se desea secar a un alimento desde un 70 a10% de humedad (b.h.) procurando que temperatura se mantenga en 25 °C. Se dis

ne de un túnel de aire en contracorriente, dde éste entra a 25 °C y con una humedad retiva del 75%, lo que proporciona 65 kJ/kgaire seco. A la salida su humedad relativa canza el 90%, Se pide la temperatura y cauvolumétrico del aire a la salida para una cacidad de procesado de 50 kg/h de producto.

9. Si se quiere n rehidra tar 100 kg de un alimto desde un 5 hasta un 75% de humed(b.h.), ¿qué cantidad de agua es necesari

cuál será el peso final del producto?



6

CONSERVACION

DE ALIMENTOS POR REDUCCIÓN

DE SU ACTIVIDADDE AGUA.

OTRAS TÉCNICAS DE HIDRATACIÓN

6,1* Liofilización6.2. Concentración por congelación

6.3. Evaporación6.4. Técnicas avanzadas

6.5. Calidad de los alimentos deshidratado



En «I capitulo anterior se ha desarrollado b conservación de alimentos por secado con aire y

por contacto con una superficie caliente. En es

ta ocasión, se abordo su deshidratación por ftofili-zación, concentración por congelación y evaporación, yo sea como procesado final o comotratamiento previo. Se exponen sus fundamentos

respectivos, asi como los equipos correspondiSe citan a continuación las técnicas mós avdas, algunos en fose experimental, y las tende

ociuales. Se completa el capítulo con la descripde los efectos del conjunto de las operaciondesecación sobre la calidad y propiedades demento procesado.

Nomenclatura

A Área de transmisión de calor (m2)C¡ Concentración inicial de hielo (kg m"3)C f Concentración final de hielo (kg m~J)

C¡, Calor específico (kcal kg’1 “O 1)C pp Calor específico medio de la disolución diluida

(kcal kg-^C"1) D Difusividad interna del vapor de agua (m2 s_l)d¡, Diámetro medio de los cristales de hielo (cm)e Espesor de pared (m)F Caudal músico de disolución alimento ( tg tr~})

H Entalpias específicas de una com en te de vapor (kcal kg-1)

h Entalpias específicas de una corriente líquida(kcal kg-1) o altura hidrostática de la columna de líquido (m)

h p Coeficiente individual de transmisión de calor de la disolución (kcal hr1m~2 °C rI)

h w Coeficiente individual de transmisión de calor del vapor de calefacción (kcal h 1m 2 “C"1)

ka Conductividad térmica de la fracción seca delalimento (kcal h‘l m_1 °C~‘)

kF Conductividad térmica de la pared (kcal h"1m-1 °C ■*)

ks Factor de forma de los cristales de hieloL Caudal más ico de la corriente de disolución

concentrada (kg s-1) o espesor de la fracción seca del alimento (m)

M s Peso molecular del solutom Molalidad de una disolución (mol kg-')

P Presión total (atnj) o presión reinante en lazona 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

Q Caudal de calor intercambiado en d evapdor (kg h*1) o cantidad de calor (kcal)Qf Caudal másico de calor sensible de la di

ción de T f a Ts¡>(kg Ir1)^2 Caudal másico de calor latente de vaporiza

de la disoludón (kg h*1)Q„f Caudal volumétrico de la disoludón alim

(m3hrl) R Constante universal de los gases (kl kg*1K R a Resistencia a la trzusmtsióa de caloi por d

sitase inscrustaciones (raK W 1)T a Temperatura de congelación del alimento T m Temperatura de congelación del agua puraT£ Temperatura de ebullición del disolvente

C QTe0 Tempera tara de ebullición de la disolu

r oTp Temperatura de la disoludón alimento (*CTh Temperatura del frente de hielo (*C)Tt Temperatura superficial del alimento (®C)Tw Temperatura del vapor de calefacción (°C)r Tiempo (s)tR Tiempo de residend» medio de la disolu

en el evaporador (s)U Cóefidcnte global de transmisión de c

(kcal h_I 0C_1)V Caudal másico de la corriente de vapor gen

do (kg h-1)VL Fracdón volumétrica de liquido en una col

na de lavado de cristales de hieloV¡ Volumen de disoludón en el evaporador (mv Velocidad descendente de fracción líquida en

columna de lavado de cristales de hielo (m s-W Caudal másico de vapor de calefacdón (kg



w, Contenido de humedad de la fracción seca del AT Diferencia de tem peratura (°C o K)alimento a tiempo t (kg kg-1) AT£ Incremento de TE debido a la presencia

W Cantidad de agua en el alimento (kg) o frac solutos (°C o K)

ción másica de soluto V Rendimiento (%)Concentración molar de soluto en el alimento K Ca lor laten te de eva poración (kcal kg'1)(mol l-1)

bA s

Calor latente de fusión del hielo (kj/kg) x r Fracción másica de soluto en la disolución inicial Calor latente d e sublimación del hielo (kJ/k

x i. Fracción m ásica de soluto en la disolución final p Viscosidad (kg m-1 min-1)z Altura de la columna de lavado de cristales de p Densidad de la fracción seca del alime

hielo (m) (kg/m3)

GLOSARIO

calor latente: En evaporación, calor necesario pa

ra evaporar el disolvente de la disolución has

ta alcanzar el grado de concentración reque

rido,

calor sensible: En evaporación, calor necesario para

alcanzar la temperatura de ebullición de la diso

lución.

columna de lavado: Hace referencia al sistema de

lavado de los cristales de hielo que se producen

en la concentración de alimentos por congela

ción. Su objetivo es reducir las pérdidas de pro

ducto por impurificación superficial de los men

cionados cristales.

m ap orador de múltiple efecto: Sistema de ev apora

ción constituido por varios evaporadores o efectos, in terco nectados a través de las corrientes de

vapo r y/o disolución.

fracción o capa seca: Parte liofilizada del alimento

en un momento dado. Aumenta progresivamen

te con el tiempo de operación.

frente de hielo; Punto o puntos del alimento de

donde se sublima el hielo durante su lioñli

ción. Picho frente se desplaza hacia el inter

de la pieza conform e avanza la operación.

incremento ebulloscópico: Aum ento que se produ

en la tem peratu ra de ebullición de un disolve

como consecuencia de la presencia de uno o rios solutos.

punto euté ctico: Tem peratu ra de cong elac ión p

debajo de la cual la fracción sólida tiene la m

ma composición que la líquida,

re hidra tab ¡lid a d de un alimento : Capacidad de re

dratación de un alimento previamente deseca

Esta propiedad mide el grado y velocidad c

que el prod ucto ad quiere agua hasta alcanzarcontenido próximo al de su estado orinal. D

pende del tipo y condic iones de la té cnic a

deshidratación utilizada.



6.1. Liofilización

La liofilización, también llamada criodeshi- drcitación o secado en estado congelado, es otrade las técnicas de conservación de alimentos

por reducción de su actividad de agua. Deslacafrente a las restantes por respetar en grado sumo las propiedades organolépticas y nutritivasdel alimento procesado. Otra ventaja asociadaa esta técnica es la porosidad del producto tratado, que le confiere una muy buena rchidratabilidad, Sin em bargo, la operación , además deser lenta respecto a las de secado convencional,implica un coste considerable. Las instalaciones, complejas, requieren una gran inversión.Así pues, su empleo sólo se justifica para alimentos muy sensibles a la temperatura, perode alto valor añadido.

6.1,1 , Fundamento teórico

F.l proceso se basa en la sublimación a vacío

del agua del alimento previamente congelada.Las condiciones se fijan atendiendo a las características del producto y al diagrama del puntotriple del agua (condiciones de presión y tem peratura para las cuales co ex isten sus tres estados). A la vista de dicho diagrama (figura 6.1),la sublimación se de be efectuar al menos a 4,58rani de Fig y a 0 °C.

En realidad, como el agua está afectadala composición y estructura biológica de

mento y por su concentración en solutotem peratura de congelación se suele estab por debajo de los -10 UC. La pres ión de oción, por su parte, debe asegurar que el cristalizada no se funda a lo largo del proPara ello, se trabaja por debajo de los 2 mHg ele presión absoluta. A efectos prácticodesarrollo de esta técnica a escala industria

pone encadenar toda una serie de operacioenumeradas a continuación, algunas de lasles se dan simultáneamente:

• Pretratam iento del alimento.• Congelación del agua.s Vacío del sistema.• Sublimación del hielo,• Condensación del vapo r de agua e

nado.• Desorción de la fracción de agua no

gelada.• Ru ptura del vacío.

Pretratamiento del al imento. Si el produtratar es líquido, habida cuenta del costeciado a la eliminación de agua por liofilizaes conveniente efectuar una prccon ceñir adel mismo, siempre que la técnica al efectrantice su establidad térmica, motivo poque se ha seleccionado su conservacióncriodeshidratación. Cuando el alimento esdo, se reduce su tiempo de secado actuand

bre su forma y tam año, troceándolo, de taldo que desarrolle una mayor superficieunidad de volumen.

Congelación del agua. La velocidad de gelación del agua determina el tamaño decristales de hielo formados y. por ende, el tño de poro resultante de la sublimación dmismos. Dado que un excesivo tamaño decristales puede afectar irreversiblemente membranas celulares (con pérdida irrever



suponga limitar la difusión interna del vapor deagua a través de los poros formados, en este caso estrechos (menor velocidad de secado). Co

mo contrapartida, el secado del producto esmucho más uniforme, dando lugar a una distri bución de poro s final también más hom ogénea.

Esta práctica se hace asimismo extensiva alos alimentos líquidos. En ocasiones, cuando laestructura cristalina del líquido congelado esmuy tupida, se somete a una trituración posterior, con lo que se reduce el tiempo de secado,o bien se efectúa la congelación a partir del pro ducto en fo rm a de espuma. En genera l, la

congelación puede ser externa, en un equipoanejo al liofilizador, o interna, en el propio liofilizador, tendencia actual.

Vacío del sistema. El vacío contribuye a reducir los riesgos de fusión del hielo, al ser la

pres ión en la cámara directamente proporc io nal a la temperatura necesaria para que tengalugar este fenómeno. Esta posibilidad se acentúa al comienzo de la operación, cuando controla la transmisión de calor, situación que se

prolonga en tanto el sistem a no alcanza el régimen estacionario. Esto requiere efectuar uncierto vacío (1-4 mm de Hg) en un tiempo relativamente corto (5-10 min). En primer lugar seutiliza una bomba de gran caudal y vacío medio, que permite alcanzar las presiones necesarias al principio de la operación para, seguidamente, conectar el sistema a una segunda bomba, de m enor caudal pero de alto vac ío ,que asegura el mantenimiento del vacío prees

tablecido para el resto del proceso.La presión de operación en la cámara consti

tuye, quizás, la principal variable de un procesode liofilización. Cada alimento pre sen ta su p ro pio óp tim o en cuanto a la presión de operación(0,005-1,5 mm de Hg). El análisis del nivel de

presión más adecu ado se centra en la velocidadde sublimación del hielo. Así, si se aumenta la

presión en la cámara por encima de un determ inado valor se disminuye la velocidad de liofili

de vapor del hielo en su frente de sublimalo q ue dan a lugar a u na reducción del gradde presiones, fuerza impulsora de la transf

cia de materia. La situación implicaría asmo alcanzar una mayor temperatura para mar el hielo, lo que supone un menor gradtérmico en tre las secciones consideradas.

En el caso contrario, disminución de lasión de operación por debajo de su valormo en relación a la velocidad de liofilizaciexplicación no resulta tan obvia. Parece sea alto vacío, condiciones en las que se favla desorción de los gases y aire ocluidos

alimento, se resiente la conductividad térdel mismo y, por ende, la velocidad de trasión de calor. La pérdida de la compoconvectiva de la propagación del calor, qutúa como medio de cohesión entre las franes sólidas, supone un aumento “aparentla porosidad del producto (inversamente porc ional a su conduc tiv idad térm ica).

La presión óptima de operación no por qué co incidir con su valor óptimo a ef

de la economía del proceso. Nótese queforme se disminuye la presión (menor teratura de sublimación) menor ha de ser la pera tu ra precisa para condensar en formescarcha el vapor de agua eliminado. Por parte , el coste debido al vacío aumenta nenc ial men te. D e cualquier forma, los ede operación en su conjunto disminuyenlelamente a la reducción del tiempo de sec

Sublimación deí hielo. Al igual que e

operac iones de secado que ya se han tratavelocidad de eliminación de agua, en este

por sublimac ión del h ielo, está determ inadlas velocidades de transmisión de calortransferencia de materia. La transmisión dlor depende del foco utilizado. La discusiha centrado en un equipo donde el caltransmite por conducción a través de la fraseca o liofilizada del alimento, caso más tual. En estas condiciones, la velocidad d



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. Respectoa 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 ensibili dad 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

• Temperatura del condensador: se e

blece atendiendo a la temperatura de

blimación del hielo. De hecho, la eficade la operación se define en ocasio

como el cociente entre la temperatursublimación y la temperatura del refr

rante, que es la que determina la condensador.

• Espesor del hielo depositado sobre

condensador. La velocidad con que

acumula la escarcha sobre las pare

del condensador determina la frecuen

del desescarchado.

• Diferencia entre la temperatura del frigerante (interior) y la temperatura

perficial del condensador (exterior).

Es importante controlar la eficacia de

condensación del vapor de agua a lo largo

proceso. Si ésta disminuye, el excedente de resultante de la menor proporción de va

condensado se traducirá en un descenso (le

temperatura de la cámara de Iíofilización.

Desorción de la fracción acuosa no congda. En principio, la Iíofilización da lugar asublimación de todo el hielo. El agua resid

(15%), “ligada” al alimento, se elimina p

evaporación a vacío en el propio liofilizador

25%), a la misma presión de sublimación pa temperaturas superiores, de hasta 50/60

En estas condiciones de presión y temperatu

puede parecer que se encuentra favorecida

pérdida de volátiles. Sin embargo, la difusid

de estos componentes se reduce notableme

conforme disminuye la humedad del produc

Otra posibilidad es “acabar” el producto en

secadero de tolva. Ruptura del vacío. Una vez se ha secado

producto, el siguiente paso consiste en la dcarga del mismo. La operación implica u

ruptura progresiva del vacío (en 15 min apro

madamente), utilizando a tal fin un gas ine

N2 o COj. Se llega incluso a crear una leve

brepresión respecto a la barométrica, de mo



su afinidad hacia el agua, pasa p or un cuidadoso contro l 'de la com posición, te m peratu ra yhumedad relativa de la atmósfera de almacena

miento.

6.1 .2. Cálculo del tiempo de operación

Cuan do el secado del alimento tiene lugar através de la superficie de calefacción, la velocidad de transmisión del calor vendrá dada porla siguiente ecuación:

dQ _ M (T _ t

dt L s h[6.1]

donde k n corresponde a la conductividad térmica de la fracción seca del alimento, T a la tem

peratu ra de la superficie seca, Th a la temperatura del frente de hielo y L al espesor de lareferida capa seca (distancia entre su superficiey la del frente de hielo).

La transferencia de vapor a través del sólidoseco se puede expresar, de acuerdo con la leyde Darcy, como un transporte de cantidad demovimiento:

superficie del alimento, el incremento del gdiente de presiones se debe al aumento de

presión de vapor de l hielo como consecuen

del nivel térmico que se alcanza en esta zonmuy próximo al existente en la superficie. dan así unas condiciones propicias para la sión del hielo y posterior evaporación del agformada. El riesgo se limita aumentando, Lla presión en la cámara (mayor presión supecial), bien el espesor de la pieza (menor temratura en el frente de hielo). Ambas posibilides conducen a la disminución del gradiente

presiones .

En el caso contrario, alimento permea pero de conductividad té rm ic a deficiente , puede producir una acum ulación de ca lor ensuperficie del mismo, con la consiguiente aración térmica. El gradiente de temperatuserá sustancial, mientras que el de presionesresentirá debido a la baja temperatura enfrente de hielo. En esta situación, sólo se pde actuar sobre el foco caliente, controlandoactividad a partir de la medida de la tempe

tura superficial del producto.La transferencia de vapor por difusión mlecular interna viene dada, según la ley de Ei

por la siguiente expresión:

dw _ A p (p h —p iv)

dt L[6.2]

dw

dt

en la que dw/dt es la velocidad con que se

transfiere el vapor, p la permeabilidad de lafracción seca del alimento, p h la presión de va por del hielo en el fre nte de sublim ación y p w la presión parc ial del vapor de agua en la superficie del producto.

Si el producto es compacto, baja permeabilidad, se dificulta la difusión interna del vapor.Tendrá, por el contrario, una cierta conductividad térmica. En estas condiciones, el gradientede temperaturas será moderado en tanto el de

donde D representa la difusividad interna

vapor de agua.La velocidad de transferencia del vatambién se puede expresar atendiendo a la riación del contenido de humedad de la cseca conform e p rogresa el secado. Así,

~ ^ A p (ÍV0 - Wt ) ~ [dt dt



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.

dw

~dF ± d Q

X. di (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) . dt Xs L ’ h ) ' L

“ Í P * - p J = A p M >-W r) é r

¡6

.6 )

RTk dt

La integración de esta igualdad entre los límites: t = 0, L » 0 y t - t, L = L r permite esta blecer el tiempo de Iíofilización:

c K p O o - w,) ú _ P - Wt ) ¿?k a i T s - T h ) 2 P Í P h ~ P w ) 2

= RTl lP(W0 W t ) t f

D<Pk-P») 2

[6.7]

Del análisis de esta expresión se concluye que el. tiempo de operación es directamente proporcional al cuadrado del espesor del pro-

ducto. Esto viene a confirmar la conveniencia de operar con piezas delgadas y de poco tama-

por una única, que es el supuesto del que s

partido para deducir la presente ecuación

ese caso, habría que sustituir L por L¡2.Aparte de lo apuntado en relación a la

paración del producto, la velocidad de subl

ción del hielo se controla en la práctica act

do sobre las siguientes variables:

• Presión en la cámara de liofilización.

• Temperatura del condensador. Intela máxima condensación posible. P

ello hay que limitar la perdida de ca

entre la cámara y el condensador, d

forma que la presión en este últimopróxima a la de liofilización (de lo trario bajaría la temperatura de con

sación deí vapor). La temperatura

condensador debe ser lo suficientem

baja.• Temperatura de sublimación del hi

Interesa la máxima posible; el límite

perior admisible viene dado por la t

peratura de fusión del hielo.

Aplicaciones: aunque la relación de protos líofilizados a escala experimental es co

derable, la realidad es que su campo de ap

ción industrial se limita a unos pocos alimen

de alto valor añadido y que se verían muy atados por un secado térmico convencional

conservación por liofilización se aplica, setiende que no necesariamente siempre, amentos tales como: café soluble, extracto

café concentrado, ciertas setas, algunas frutverduras, carne en determinados casos, zude naranja, gambas o langostinos, etc.

6.1.3. Liofilizaclores

Las principales diferencias entre los lio

zadores existentes en el mercado son el t

de fuente de calor utilizada y, en menor mda, la disposición dei sistema de conden



mentó. El producto se extiende sobre bande ja s, que pueden incorporar re sis te ncia s elé ctricas o asentarse sobre unas placas calefacto-

ras huecas, por cuyo interior circula el fluidotérmico. Es la llamada liofilización por contacto directo . Si ei calor se difunde a través dela capa seca del producto, la velocidad conque se transmite es tanto menor cuanto mayorsea el espesor de la referida capa. Es decir, latransmisión de calor se resiente conforme

pro gresa la liofilización de l alim ento . Si por elcontrario el calor se transmite a través de lacapa de hielo, su velocidad aumentará con el

tiempo de operación. Se da, pues, una disminución gradual del espesor del medio a travésdel cual se transfiere el calor. En cualquier caso, la liofilización por conducción da lugar auna sobrecalefacción de la superficie calientedel producto, con formación de una “costra”que limita, a su vez, la transmisión de calor alfrente de hielo.

Algunos equipos incorporan una doble placa calefacto ra que, si bie n m ejo ra la uni

formidad del secado, no supone una reducción del tiempo de procesado. El contacto

pla ca-a lim ento dif iculta la evacuació n del va por de ag ua elimin ado, de ahí que hay a de reducirse la temperatura de calefacción hastaun valor que evite la acumulación superficialdel mismo. Este inconveniente se palia em

pleando unas pla cas m etá lic as sin te riz adas,de estructura microporosa, que permiten ladifusión del vapor. Es la denominada liofili

zación acelerada.También se utilizan fuentes de calor radian

te que, en principio, dan lugar a un calentamiento del producto más uniforme. Aun así, serequ ieren p iezas de poco espesor y controlar latemperatura superficial del alimento. Las bandejas en este caso actúan únicamente como so

porte, y no como med io de transm isión del calor, ya que la fuente en cuestión no precisa uncontacto íntimo con el alimento. Una práctica

cie superior. Se consigue así una velocidaliofilización considerable.

El calentamiento por microondas es un

las fuentes de calor con mayor futuro ecampo de la liofilización. Con este sistemcalor se produce en el propio frente de hcuyo factor de pérdida es muy superior al fracción seca del alimento, con lo que la vedad de sublimación es independiente del esor de la pieza tratada. Su principal inconiente viene dado por la relación existentre el factor de pérdida del hielo y la teratura, directamente proporcionales. As

puede llegar a da r la fusión de parte del hfavoreciéndose a continuación la brusca evración de) agua formada (con la consigu“explosión” del producto) merced a su fade pérdida, muy superior al del hielo. La cación de esta técnica a ia liofilización estácho más desarrollada que el calentamientoléctrico o que la radiación infrarroja, tamensayadas a escala experimental. Otra invgación reseñable al respecto es la liofilizac

presión atm osfé rica con corr iente de aire nitrógeno. Para ello, se precisa que la pre

parcial de l vapor de agua en el gas sea in fa la presión de vapor del hielo, lo que exigcar y enfriar el gas.

El condensador puede operar directamcon un fluido refrigerante, cediendo fríoevaporación del mismo, o a través de un cto secundario con un fluido de menor cadad frigorífica, como puede ser una disolu

acuosa glicolada. Su disposición en relacila cámara de liofilización puede ser interexterna. En el primer caso el vapor presentmenor recorrido hasta alcanzar el serpentícondensación. Otra ventaja de esta disposies la posibilidad de utilizar el condensadomo congelador dorante la primera etapa doperación. Si se sitúa fuera de la cámara, scilita su mantenimiento. Esta opción permasimismo, operar alternativamente con



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 68 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 factor as, 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 deunas 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

Descongelación Condensador endel condensador funcionamiento

(desescarchado)

Figura Ó.2. Liofilizador de túnel.

Resulta difícil establecer un consumo en

gético promedio para la liofilización de alim

tos en general. A título indicativo, ya que

productos so» de características muy dispase estima en unos 5.000 kW h por tonelada

agua eliminada. Tomando como referencia utaria el consumo debida a la etapa de con

lación (2,4% del total), el resto de consum

relativos serían: 10,6 para la sublimac

(25,9%), 5,9 para la condensación (14,4%),

para el desescarchado (3,2%), 1,5 para el va

(3,7%) y 20,7 para la desorción (50,5%). A

sar del carácter aproximado de estas cifras

pone de manifiesto que los cambios de estdel agua, esencia de la operación, no supo

más del 27% del consumo global, en tanto la desorción del agua residual, etapa marca

mente térmica, representa prácticamente

50% del consumo energético total,

6>2. Concentración por congelación

Esta técnica de deshidratación se basa enconcentración de los alimentos líquidos

cristalización controlada de su fracción acu



las ventajas derivadas de operar a bajas temperaturas: se puede aplicar a productos muy sensibles a la temperatura sin casi alterar sus ca

racterísticas originales. La calidad de losalimentos tratados es similar a la de los procesados por osmosis inversa, y superior a la delos productos concentrados por evaporación,operación en la que se resiente la retención devolátiles. La calidad debida a la cristalizacióndel agua del alimento se acerca más a la resultante de la liofilización del producto, donde lastem peratura s son también reducidas.

El principal inconveniente de orden técnico

de este tipo de deshidratación radica en la concentración máxima final que se puede alcanzar(40-50%), limitada por el aumento de la viscosidad de la disolución conforme se disminuyela temperatura y ligeramente superior a la quese obtendría por osmosis inversa (25-35%), pero muy inferior a las habituales en la evaporación de alimentos líquidos (75-90%). La inversión necesaria y los costes de f ab r i cac ión son

una desventaja económica frente a otros posi

bles méto dos de elim inación de agua. O tros inconvenientes reseñables son su capacidad de

pro ducc ión, menor que el de una evaporación,y su facilidad para adquirir aromas y saboresdel entorno de la instalación, cuestión que puede dar lugar, si no se toman precauciones alrespecto, al deterioro organoléptico del producto.

que los cristales formados son extremadame puro s, la co ncentració n del pro ducto final vdrá dada por el porcentaje de hielo separa

el cual se puede calcular mediante la siguieexpresión:

donde C¡ y represe ntan , respectivamente,concentraciones de hielo en la mezcla antedespués de su separación. Cuanto menor sea

cantidad de hielo residual (mejor 7} ) mayserá la conce ntración del producto final.

La principal variable del proceso es la t peratu ra de cong elación . La presencia de sotos tiene un efecto crioscópico sobre la fraccacuosa del alimento, tanto más marcado cuto menores son sus pesos moleculares y maes su concentración. Así pues, el punto de cgelación. de la fracción acuosa desciende alargo del proceso, al margen de la natural

del soluto considerado, hasta alcanzar el rrespon diente eutéctico del sistema. La temratura de congelación se fija atendiendo arelación con la concentración de solutos,cual se determina experimcntalmente. Co

primera apro xim ació n se puede recurrir a presio nes deducid as de la te rm odin ám ic a sistema. L a siguie nte ecuación:

6.2 .1. Fundamento teórico

El rendimiento de la operación es tanto máselevado cuanto mayor sea el tamaño de loscristales de hielo formados. Un cristal grandesupone reducir su impurificación por retenciónsuperficial del producto. Se trata, en suma, delimitar el arrastre del alimento por parte delhielo a fin de reducir sus pérdidas.

La eficacia de la separación de la masa cris

'V t a¡>

R T a ~TAo = ln ( 1 - ^ ) [

relaciona la temperatura de congelación para una concentración molar de soluto enmomento dado (XB) a través del calor latede fusión del hielo referido a moles (2f) , dconstante universal de los gases (R ) y del pto de conge lación del agua pu ra (T jD). S i lasolución de partida es muy diluida, el desce



Xf

donde la concentración del soluto (m) viene entérminos de molalidad y P M A representa el peso molecu lar del disolvente.

El conocimiento de la evolución del puntode congelación permite evitar un sobreenfriamiento innecesario de ia disolución que, en elcaso de rebasar su punto eutéctico, daría lugara un hielo impurificado, con la misma composición que la fase líquida. Además, conviene re

cordar que la viscosidad de la disolución aumenta conforme se disminuye la temperatura,lo que a su vez lim ita las velo cidades de nuclea-ción y de crecimiento del cristal. El incrementodéla viscosidad se ve asimismo favorecido porel aume nto de la concen tración de soluto segúnavanza la operación. Esta circunstancia incide,también negativamente, sobre la eficacia de laetapa de lavado de los cristales separados, fundamental para mejorar la concentración del

pro ducto final.En algunas ocasiones, como es el caso de

ciertos zumos de frutas, resulta convenienteacondicionar el producto antes de abordar suconcentración por congelación. Entre los posi

bles pretrata m ie nto s des taca la se parac ión, poruna parte, de la pulpa por centrifugación, que

palia el arra st re de pro ducto por par te del hielo y, po r otra, de de term inad as macromolcculas(proteínas, almidones, etc.) por ultrafiltración,

que afectarían desfavorablemente a la velocidad de cristalización del hielo. En ambos casos,los componentes separados previamente seañaden al alimento una vez se ha concentrado.La estabilización térmica es otra de las prácticas habituales en el pretratamiento de zumosde frutas. Su efecto se centra en la pasteurización del producto y en la inactivación enzimáti-ca de las pectinaesterasas responsables de suoscurecimiento. Así pues, esta operación per

azúcar (almíbares y '‘siropes”), leche y extos de aromas.

6.2.2. Concentradores por congelación

Aunque la gama de instalaciones que ofel mercado es muy amplia, el objetivo code las mismas consiste en alcanzar, a travéscontrol de la formación y del crecimientolos cristales, una distribución de tamaños forme, monodispersa, con un tamaño melevado. Los cristales de estas característ

facilitan su lavado, reduciéndose así las pdas de producto como consecuencia dearrastre por parte del hielo separado. Los talizadores se pueden clasificar atendiendtipo de contacto existente entre el fluido rgerante y el alimento que se pretende congdirecto o indirecto. Estos últimos se puedenvidir, a su vez, en internos, si el enfriamienla cristalización se dan en el mismo equipexternos, cuando la refrigeración del prod

se lleva a cabo en una instalación aneja a lcristalización.

Los equipos de contacto directo se basala expansión de un fluido refrigerante licua

presión sobre el alim ento líquido. La ev apción súbita del refrigerante proporciona efriamiento necesario para que tenga lugacristalización del producto. El enfriamitambién se puede conseguir vaporizando diante alto vacío una fracción del agua del

mento. Su aplicación al campo del procesadalimentos es muy reducida. A la dificultadisponer de un fluido refrigerante adecuadcaso, se añade el inconveniente que suponextracción de componentes volátiles del alimto por parte de la fase vapor, circunstancia

precisamente limita el em pleo de las técnicaconcentración p or evaporación.

La cristalización por contacto indirectsu modalidad interna puede ser superficial



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 líquidosólido 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 princip

veces se refuerza este reparto de funcion

circulando únicamente la fase líquida

mezcla. Las condiciones de subenfriamdel intercambiador originan la nucleació

pequeños cristales (<50 jxm), que se cond

al cristalizador propiamente dicho. Aqu

cristales mayores crecen a expensas de l

nos, que terminan por disolverse. En la f

6.3 se representa una instalación de conce

ción por congelación de contacto indirect

enfriamiento extemo, provista de recircul

parcial del concentrado obtenido en el cr

zador y de rccirculación de las aguas de lade la columna de separación del hielo.

En las unidades de separación del hiel

mado. el objetivo primordial que se persig

reducir al máximo las pérdidas de produc

bidas a su arrastre por parte de aquél

equipos a tal fin se pueden dividir, atend

a su principio de funcionamiento, en disp

vos de presión, centrífugos o columnas de

do. Los primeros tienen su campo de a

ción en los congeladores internos de conindirecto cuando el alimento se congela

la superficie interior de los tubos del inter



biador. Si bien re sultan econ óm icos, raram entese utilizan en la industria alimentaria; arrastranmucho producto.

En los separadores centrífugos, basados enia diferencia de densidades entre las fases im plicadas, el concentrado se hace pasar a travésde la cesta filtrante merced a la fuerza centrífuga reinante. La eficacia de la operación depende de la velocidad de giro de la centrífuga, dela viscosidad de la disolución con cen trad a y deltamaño medio, forma y distribución granulo-métrica de los cristales que se pretenden separar. El enjuague de los cristales, práctica nece

saria para reducir el arrastre de producto,origina su dilución. Se aprecia, asimismo, queel aire ambiente, sobre el cual se induce unacierta turbulencia durante la operación, contri

buye a la pérd ida de volátiles.Las columnas de lavado se están imponien

do al resto de sistemas de separación del hielo,sobre todo en la industria alimentaria, merceda los buenos resultados que arrojan: son capaces de disminuir la impurificación de los crista

les por debajo de las 100 ppm. Se ope ra en con tracorriente, el hielo se retira por la partesuperior con ayuda de unas rasquetas, mientrasque el concentrado se recoge por la parte inferior. En la figura 6.3 se puede apreciar que lacolumna de lavado está provista de un intercambiador de calor para fundir una pequeña

pro porc ió n del hie lo separado, lo que consti tu ye el líquido de lavado de los cristales que ascienden. En ocasiones este dispositivo de fu

sión se sustituye por una resistencia eléctricasituada en la zona superior de la columna.

El hielo puede ascender d efo rm a natural, alser su densidad menor que la de la disoluciónconcentrada. Dado que su velocidad ascensional está limitada por esta diferencia de densidades, se han desarrollado sistemas complementarios al efecto tales como la impulsión del hielomediante mezcladores estáticos de espiral, tornillos sinfín o pistones de cabeza porosa (filtro

La eficacia de separación del hielo encolumna de lavado está íntimamente relacida con la velocidad con que desciende el l

do, v, la cual se puede cuantificar, en m/sdiante la siguiente expresión:

v i (k \dp) dP

180 ( 1 - V¿) M d Z

donde V L es la fracción volumétrica de líqen la columna, dp (m) el diámetro mediocristal, k s su factor de forma, ¡i (kg/m ■s) l

cosidad deí líquido y dP/dZ (kPa/m) eldiente de presiones en sentido axial. A tde esta expresión, se pone de manifiesto qeficacia de la separación aumenta con el tño medio de los cristales y con el gradien

presion es a lo largo de la columna. Se re quasimismo, una viscosidad mo derad a, cuyo está determinado por la concentración yde soluto y por la temperatura de la me

para reducir el gradie nte de presiones ne

rio, así como una distribución de tamañohielo estrecha.

La operación en continuo se basa emantenimiento de una interfase concentragua de lavado (frente de lavado) en su rrido descendente. Su estabilización, poteda por la diferencia de densidades entre uotro lado de la interfase, que origina una crecristalización (mayor tamaño medio de tal), pasa por cum plir el siguiente requisito

¿L > 10" 7 P [

en la que el diámetro medio del cristal, d ne dado en cm y la viscosidad del prodconcentrado que se separa, p, en poises (P)

El consumo energético de los concentres por congelación se debe, por una parte



motores de bombas, agitadores, rasquetas, etc.Se trata de una operación con un consumoenergético ligeramente inferior al de una con

centración por evaporación y muy superior alde una osmosis inversa; puede llegar a ser hasta 10-12 veces mayor. Precisa, por otra parte,una gran inversión, sobre todo por el peso relativo del capítulo correspondiente a la adquisición de los intercambiadores de superficie rascada, muy costosos,

6.3. Evaporación

La evaporación es una operación de concentración de una disolución por paso de parte deldisolvente presente en la misma a fase vapor.Para ello, es necesario suministrar en forma decalor la energía asociada al cambio de estado líquido-vapor, A diferencia de lo que sucede endestilación, en evaporación no se produce unfracciona miento posterior del vapor generado yla volatilidad relativa disolvente/soluto es tan

grande que suele considerarse que la fase vapor producida está libre de soluto.La evaporación es la operación tradición al

imente más utilizada en la Industria Alimentaria como método de concentración de disoluciones. Entre las aplicaciones típicas de laevaporación en el procesado de alimentos cabecitar las siguientes fabricaciones: preparaciónde concentrados de zumos de frutas, obtenciónde diferentes productos derivados de la leche,

purificación y refino tanto de sal como de azúcar, obtención de purés y pastas a pa rtir de productos vegetales, etc.

La evaporación es una operación de transferencia de materia, ya que uno de los componentes, el disolvente, tiene que transportarsedesde el seno de la disolución hasta la fase va

por. Sin em bargo, previamente ha de producirse un transporte de calor desde el agente calefactor hasta la disolución. De los dos

es el transporte de calor. De hecho, tal y cose verá más adelante en este capítulo, la ección de d iseño de los evapora dores es simila

la de los cambiadores de calor.Comparada con otras operaciones de c

centración de disoluciones, como pueden las operaciones con membranas comentadasel volumen II, la evaporación presenta la dventaja de reque rir un mayor consumo en ertico, así como de poder provocar alteraciono deseadas en determinadas sustancias al meterlas a temperaturas relativamente altSin embargo, mediante evaporación es posi

alcanzar concentraciones de soluto muy eledas, hasta del 80-90%, lo que es inviablc en separaciones con membranas. Cuando se quiere un grado de eliminación todavía madel disolvente en el producto final, es necesacombinar la evaporación con operaciones mdrásticas como pueden ser el secado o la crilización. En este caso, la evaporación es remente una operación de pmnoncenlrncriónla disolución.

El objetivo fundamental de la evaporaces modificar la composición de la disoluciónque p ued e implicar beneficios adicionales. Ala evaporación de gran parte del disolve

permite dism inuir apreciablemente el volumque ocupa el alimento, lo que conlleva unaducción importante de los costes de envasatransporte y almacenamiento de ese producPor otro lado, la disminución de la concención de agua contribuye también a reducir

actividad, aumentando la estabilidad biológdeí producto.

6. 3. 1 En erg ¡a necesaria

Un evapora do r puede considerarse de ma simplificada como un equipo constitu

por dos zonas separadas por una pare d sóltal y como se muestra en el esquema repre



FIGURA ó.4. Esquema simplificado de un evaporados

calor necesario en la zona de evaporación ((3),lo que provoca su condensación. En la zona deevaporación, este calor se invierte en evaporar

parc ia lm ente el disolven te de la disolución diluida (F), extrayéndose como corrientes de salida, la disolución concentrada producto (L) yel disolvente vaporizado (V). En este esquema,

W, F, L y V simbolizan los caudales masivos delas diferentes com ente s, mientras qu e Q representa el caudal de calor intercambiado entrelas dos zonas del evaporado r.

El calor necesario para llevar a cabo estaoperación puede considerarse la suma de dostérminos:

• Calo r sensible (<2¡). Rep res en ta la energía necesaria para calentar la disolución

inicial desde su temperatura a la entradadel evaporador (TF) hasta su temperatura de ebullición (TED). Suponiendo uncalor específico medio (CPF) p ara la disolución diluida, este calor se puede estimar m ediante la siguiente expresión:

O ^ F C pr(TED- T F) [6.13]

• Calor latente (Q2). Es el calor necesario

ción del disolvente a la temperaturaebullición de la disolución (ÁeTED):

Q2 = le rED [6.

El calor latente de vaporización dedeterminado componente varía contemperatura. En el caso del agua, la

presión que proporc io na dicha re lacse denomina ecuación de Regnault;

Xe = 606,5 - 0,6957 [6.

donde el calor latente se expresa kcal/kg y la tem peratu ra en grados cegrados.

Finalmente, el caudal de calor totasuministrar sería:

Q = Qi+Q2 [6.

6.2.2 . Velocidad de intercambiode calor

La velocidad de transp orte de calor enlas dos zonas del evaporador se expresa diante ¡a ecuación de diseño del mismo, m

parecida a la pla nte ada con ante rio rid ad p



donde A es el área de transmisión de calor, U el coeficiente global de transmisión de calor y

AT la diferencia de te mperatu ra existente en tre

ambas zonas del evaporador, que actúa comofuerza impulsora del transporte de calor.

Dicha fuerza impulsora puede expresarsecomo:

ln P = 18,3036-

AT = T U ■Uü [6.18]

siendo Tw la temperatura del vapor utilizadocomo agente de calefacción. Cuanto mayor esla presión a la que se encuentra este vapor, ma

yor es su temperatura y, por tanto, su calidadtérmica, aunque también se produce un incremento en su coste.

Asimismo, desde el punto de vista del tra ns porte de calor, in te re sa que la tem pera tu ra deebullición de la disolución sea lo más pequeña

pos ible ya que, con ello, au men ta la fuerza im pulsora ex is tente entre la s dos zonas del evaporados A continuación se relacionan los diferentes factores que influyen sobre dicha

temperatura:

• Temperatura de ebullición del disolvente puro (Te). Es función de la naturaleza del disolvente y de la presión reinante en la zona deevaporación. Con frecuencia la evaporación selleva a cabo a presión reducida con objeto dedisminuir dicha temperatura, io que, ademásde favorecer la transmisión de calor, evita o minimiza el posible deterioro de sustancias sensi

bles a la te mperatu ra . Este últim o factor es de pr im ord ia l im portancia en el pro cesa do de alimentos. No obstante, existe un límite económico respecto de la disminución de la temperatura de ebullición por debajo de un determinadovalor (alreded or de 40 en el caso de disoluciones acuosas) ya que para ello han de conseguirse elevados niveles de vacío, lo que incrementa ios costes de operación y encarece elequipo de evaporación.

3.816,4

7V -46.13[6

expresión en la que la presión viene dadam m de Hg y la temp eratura en K.

* Presencia de solutos. Es un fenómenonoc ido que la existencia de solutos en una dlución provoca un incremento en el puntoebullición (AT£) respecto del disolvente pEste efecto es doblemente desfavorable ya aumenta la temperatura máxima a la que sometida la disolución, con el consiguiriesgo de degradación de determinados com

nentes, y disminuye la fuerza impulsora transporte de calor.

El valor de AT£ depende de la naturadel soluto y de su concentración. En generamayor cuando se trata de solutos iónicos de

jo peso molecular. En la Industr ia A lim entla elevación del pun to de ebullición es espemente importante en disoluciones de saleazúcares. En la bibliografía se pueden enctrar datos experimentales de la elevación

punto de ebullic ión para los sistem as más htuales, como es el caso de disoluciones acude diferentes sales. Es muy frecuente quedatos se presenten en forma de gráficosDuhring, que proporcionan directamentetemperatura de ebullición de la disoluciónfunción de la del disolvente y la concentrade soluto. En la figura 6.5 se recoge el diama de Duhring correspondiente a disolucioacuosas de CINa.

En el caso de disoluciones diluidas se propuesto la siguien te ec uac ión para es timaincremento en el punto de ebullición:

1.000 r m [6

siendo M s el peso molecular del soluto, mmolalidad de la disolución y R la constantelos gases. Se trata de la ecuación [6.10], p



T 200 *£D

1 80

lóO

140

120

100

80

FIGURA 6.5. Gr áfico de Duhring para disoluciones acuosos de CIN a.

por en un líquido en ebullición suele producir-

se mediante un mecanismo de nucleación hete-

rogénea sobre la superficie calefactor^. La presión real existente en esa superficie es mayor

que la correspondiente a la superficie libre dellíquido debido a la carga hidrostática ejercida

por la columna de líquido de al tu ra h situadasobre la superficie sólida. Como consecuencia,la temperatura real de ebullición de la disolución es algo mayor que la correspondiente a la

presión P de la zona de evaporación. No obstante, dada la dificultad de estimar con precisión un valor medio de dicha carga hidrostáli-ca, a efectos de diseño del evaporador se suele

obviar este fenómeno, tomándose como refe-rencia la temperatura de ebullición de la disolución a la presión reinante en la fase vapor dela zona de evaporación.

Otro de los parámetros que aparecen en laecuación de diseño del evaporador es el coeficiente global de transmisión de calor (17). Estavariable depende fundamentalmente de las resistencias al transporte de calor existentes en elsistema, tal y como se muestra en la figura 6.6:

• resistencia de la pared sólida que se

la zona de calefacción y de evaporac

• resistencia de la propia disolució

ebullición.

pista última suele ser la más im portantelo que los evaporadores se diseñan tratandmejorar el transporte de calor a través de solución, generalmente mediante un increto de la turbulencia existente en la mismneración de corrientes de circulación na(diferencia de densidades), agitación pro



da por la formación y desplazamiento de bur bujas o m edia nte una máquin a, como puedeser un agitador o una bomba (convección for

zada). La variable que más negativamente influye sobre el transporte de calor a través de ladisolución es su viscosidad. En este sentido hayque tener en cuenta que la mayor parte de losalimentos líquidos suelen ser muy viscosos, concomportamientos Teológicos en su mayoría nonewtonianos, por lo que la resistencia que opo nen al transporte de calor es bastante elevada.El incremento de la temperatura disminuye iaviscosidad, favoreciendo la transmisión de ca

lor pero, a medida que se produce la evaporación, la mayor concentración del soluto conlleva un aumento de la viscosidad y, por tanto, dela resistencia de la disolución al transporte decalor.

Otro factor a tener en cuenta es la formación con el paso del tiempo de depósitos sólidos sobre la superficie de calefacción, lo quecontribuye a aumentar progresivamente la resistencia al transporte de calor, provocando

disminuciones en el coeficiente global de transmisión de calor que pueden llegar a ser de hasta un 40%. Dichos depósitos pueden tener orígenes muy variados: precipitación de sales,cristalización de solutos, etc. En el caso de disoluciones de alimentos, la presencia de puntoscalientes en la superficie calefactora provocacon frecuencia la descomposición térmica dealguna de las sustancias presentes, generándose

pro ducto s de degra dación qu e se acum ulan so

bre la misma. La form ac ión de estos depósitoshace necesaria la limpieza del evaporador conuna cierta periodicidad, que puede oscilar entre días o meses, dependiendo de la naturalezade la disolución y del tipo de evaporador.

Teniendo en cuenta todos estos factores, elcoeficiente global de transmisión de calor delevaporador se puede relacionar con las diferentes resistencias mediante la siguiente expresión:

siendo hw y hD los coeficientes individualestransmisión de calor del vapor de calefaccióde la disolución, respectivamente, e el esp

de la pared sólida, ky su conductividad térmy R d la resistencia que oponen los diferedepósitos só lidos que se puedan formar.

La velocidad de intercambio de calor eevaporador determina el tiempo de residende la disolución a fin de alcanzar un d etermdo grado de evaporación. El tiempo de rdencia medio se puede estimar como el cocte entre el volumen de disolución presenteel evaporador (V,) y el caudal volumétrico

disolución alimento (O^), resultando invemente proporcional al área y al coeficiente

bal de tran sm isión de calor:

V,( [6* Qvf A U

Asimismo, hay que tener en cuenta qntodo evaporador existe una distribución

tiempos de residencia alrededor del tiemmedio. Cuanto mayor es el grado de mezclla disolución más amplia es esta distribuccon el consiguiente riesgo de degradaciónaquellas porciones de disolución que p ermcen más tiempo en el evaporador. La maymenor amplitud de la distribución de tiemde residencia depende del tipo de flujo, lo a su vez viene marcado por el tipo de evapdor. En eí caso ideal de flujo pistón todos

elementos de fluido tienen el mismo tiempresidencia.

6.3. 3. Evaporador de simple efecto

En este apartado se detallan los pasos guir en el diseño de un evaporador de simefecto, constituido por una sola unidad de

pora ción con las correspond ientes zonas d



de un condensador que permite licuar la corriente de vapor generado en el mismo, utilizando agua fría como ag en te de refrigeración.

Como datos de partida se suele disponer delcaudal, composición y tem pe ratu ra de la disolución inicial, siendo tam bié nconocidos lastemperaturas existentes en cada una de las doszonas del evaporador, la concentración de ladisolución producto y el valor del coeficienteglobal de transmisión de calor.

Planteando balances de materia total y desoluto en la zona de evaporación se obtienenlas siguientes expresiones:

F - L + V [6.23j

F xf ~ L xl [6.24]

donde xF y x¡ representan las fracciones mási-cas de so luto e n la disolución inicial y final, res pec tivam ente. Dichas ecuaciones permiten determinar: ios caud ales más icos ríe las co rrientes

L y V.

Suponiendo despreciable el calor de concentración, igual en valor absoluto pero de signo contrario resp ecto del calo r de disolución, lasiguiente expresión se corresponde con un balance entálpico en el conjunto del evaporador:

WH w A PhF = Wh w + V H v +- U i L [6.25]

representándose por H las enta lpias específicasde las corrientes en estado vapor y por h las

entalpias específicas de las corrientes líquidas.Reordenando dicha ecuación, se puede determinar el caudal de calor intercambiado entre las dos zonas como diferencia entre las entalpias de las corrientes que entran y salen decada zona, obteniéndose también el caudal má-sico de ía corriente de vapor de calefacción(fV): .

O = (Hw - hw) = VH v + Lh L - Fhp [6.26]

de transmisión de calor necesaria en cada la cual se corresponde con el área de la supcie calefactora existente entre las dos zona

evaporador.Ilabituaimenle, se denomina capacida

un evaporador al caudal másico de v apor grado en el mismo, mientras que se defineconomía del evaporado r como el cocienttre el caudal de vapor generado y el alimdo (V/W).

Si en el balance entálpico se tiene en cuque la entalpia de las corrientes en estadquido suele ser pequeña comparada con l

talpia de las corrientes vapor, se obtiene deforma apro ximada la siguiente relación:

Q = W H w ~ V H v [

Luego, la mayor parte de la energía sumtrada con el vapor de calefacción sale del porador con la corriente de vapor gener por lo que en numerosas ocasiones la rentadad económica de una evaporación es tá as

da a la posible recuperación de dicha eneEntre las diferentes alternativas existentes conseguir un may or aprove chamiento ene rco en la evaporación por reutilización de lrriente V cabe c itar las siguientes:

• Precalefacción de la disolución iniciagura 6.7a). El vapor generado suminel calor sensible necesario para calela disolución de partida hasta su te

ratura de ebullición, acoplando un bia dor de calo r co n el evaporadorobstante, dado que el mayor consenergético está asociado al calor latdel cam bio de es tado liquid o-vapoahorro energético que así se consigu

pequeño.• Recom presión mecánica (figura 6.7b

vapor generado se utiliza como agde calefacción del propio efecto, par



FIGURA 6.7. Aprov echa m ienb de energía en evaporadores: a) preca le facción de la disoluc ión inicial, bj recompre

mecánica del vapor, c) reccmpresión térmica del vapor.

evaporador se requiere una cierta cantidad de vapor de calefacción fresco, éstaya no es necesaria una vez alcanzado elrégimen estacionario . No obstante, a l

ahorro energético así obtenido es necesario restarle el consumo de energía mecánica de la etapa de compresión.

• Recompresión térmica (f igura 6 ,7c) .También en este caso se emplea el vapor

gen erado como agente de calefacción del propio efe cto , in crem entando su presió ny temperatura mediante mezcla con una

corriente de vapor fresco a alta presión.Con objeto de conseguir que el sistematrabaje en régimen estacionario y evitar

la acumulación de vapor en sucesivas re-circulaciones, es necesario extraer y purgar par te del vapor generado (corr iente

Vj), lo que disminuye la eficacia energé

tica de es ta alternativa.

Tanto la recompresión mecánica como latérmica se suelen emplear cuando el evaporador opera con A T moderados , hab i tua lmente

entre 5 y 15 "C, lo que hace posible que laenergía que hay que aportar por comp resión omediante la inyección de vapor fresco no seademasiado elevada. Una ventaja adicional de

estas alternativas es que se diminuye o se elimi

Finalmente, otra posibilidad para recup

la energía contenida en la corriente V es ll ización de un evaporador de múlt iple e

con varias etapas de evaporación. Dada su po rta n c ia , los d iferen tes aspecto s re la cio n

con esta alternativa se revisan por separadel siguiente apartado.

Ejemplo 6.1. Sistema de evaporación de sefecto.

Se desea concentrar una disolución de rosa del 30 al 70% en peso mediante un erador de tubos verticales cortos (un solo to). El caudal de disolución alimento a tratde 1.000 kg/h. introduciéndose al evaporauna temperatura de 15 °C. I.a evaporaciólleva a cabo a presión reducida (0,4 atin), zando vapor de agua saturado a 115 °CJ

agen Le calefactor. Calcular el área de trasión de calor y ei caudal de vapor de cación necesarios.

D a t o s

— Calores específicos:disoluciones de sacarosa (0,89 kcal kg-1 Xvapor de agua (0,46 kcalkg 1“C"1),

— Elevación del pu nto de ebullición de la



Solución

En primer lugar, planteamos los balances de

materia y de soluto alrededor del evaporador, ecuaciones [6.23] y [6.24]:

F + L + V :

F xf = Lxl

1.000 = L+ V

(1.000)(0,3) = L(0,7)

Resolviendo ambas ecuaciones, se obtienen los caudales másicos de disolución concentrada y vapor generado:

L = 428,6 kgh" V =571,4 kgh'3

La temperatura de ebullición del disolvente a la presión de operación del evaporador se puede obtener aplicando la ecuación de Antoine de! agua, ecuación [6.19J:

1nP L. 18,3036 7 3.816,4

ln[(0,4)(760)] = 18,3036

T e 46,13

3.816,4

Te ~ 46,13

El valor de TE que se obtiene es de 349,3 K, es decir 76,2 °C.

El caudal de vapor de calefacción que es ne-

cesario suministrar al evaporador, así como el caudal de calor intercambiado en el mismo, se pueden determinar planteando el balance entál pico, ecuación [6.26]:

Q = W(Hw f tw )= 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 = T e + = 76,2 e 5,5 = 81,7 “C

De acuerdo con el estado de referencia selec-

de calor latente, se obtiene la entalpia de la

ferentes corrientes que entran y salen del ev

rador.

H w h w = A<)rtv= ACiI15 = 606,5 (0,695)(1

= 526,58 kcal/kg1

//„ = rTED = ACi817 = 606,5 (0 ,6 95)(8l,7

= 549,71 kcal/kg1

hL = 0

hy = CpF{TF - Tref) = (0,89)(15 81,7)

= 59,36 kcal/kg1

Sustituyendo en el balance entálpico los v

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 cauda

vapor de calefacción y del en tidal de calor

W = 709,2 kg/h~l

Q = 373.464 kcal/h1

Finalmente, el área de intercambio de ca

del evaporador se puede determinar mediant

ecuación de diseño [6.17]:

Q = UAAT = UA(TW TFD)

373.464 = (2.246)A(115 81,7)

A = 5 m2

<5.3.4. Evaporador de múltiple efecto

El evaporador denominado de múlti

efecto consiste realmente en un sistema con v

rios evaporadores o efectos interconectad

En el primero de ellos se utiliza vapor fres

como agente de calefacción, mientras que



gundo, A su vez, el vapor generado en el segundo efecto es el agente calefactor del terceroy así sucesivamente. Para que esta configura

ción sea termodinámicamente viable es necesario que exista un escalonamiento de temperaturas de ebullición de la disolución al pasar deun efecto a otro, lo que permite establecer íasfuerzas impulsoras necesarias en cada efecto

para el transporte de ca lor. E ste descenso enfas temperaturas de ebullición se consigue, a suvez, mediante un descenso escalonado de la

presió n rein ante en la s zonas de ev aporaciónde cada efecto.

En cuanto a la circulación de las corrienteslíquidas a través de los efectos existen diferentes alternativas, tal y como se muestra en la fi

gura 6.8, según se opere en contracorrienteen paralelo respecto de las corrientes de vapo con alimentación de disolución fresca in

pendie nte a cada efecto. También existe la psibilidad de diseñar configuraciones mixtas pcombinación de las anteriores.

Los sistemas de evaporadores de múltipefectos con circulación en paralelo prese ntanventaja de no necesitar sistemas adicionales

bombeo para im pulsar las disoluciones de efecto a otro ya que se transportan en el sendo de disminución de la presión. El principinconveniente reside en que el vapor de may

calidad, es decir el vapor de calefacción fresse utiliza para concentrar la disolución de ptida que, debido a su menor concentración



solutos, es ía más fácil de evaporar. Lo contrario sucede en los sistemas can configuración encontracorriente: el vapor fresco es el agente decalefacción de la disolución más concentrada,

pe ro se requiere un si ste m a de bombeo paratransp ortar ía disolución de un efecto a otro.

Respecto del diseño de los evaporadores demúltiple efecto, ías herramientas que se utilizan son similares a las de un evaporador sencillo: balances de materia, balances entálpicos yecuaciones de transmisión de calor aplicadas acada efecto. A continuación, se describe el procedimiento a seguir y las ecuaciones a utilizaren el cálculo de un sistema de evaporaciónconstituido por dos efectos con circulación en

para le lo (figura 6.9). Com o dato s de par tida seconsideran disponibles los siguientes: caudal(F), composición (a f) y temperatura (T,,) de ladisolución inicial, concentración de la disolución producto final (x;i), temperatura del va

por de calefacción fresco (T\y), te mpera tu ra deebullición de la disolución en el segundo efecto(7^ 2) y valores de los coeficientes globales de

transmisión de calor correspondientes a cadaefecto (í/t y U2).

Desde un punto de vista económico, losevaporadores de múltiple efecto tienen un coste mínimo cuando todos los efectos tienen elmismo tamaño, es decir, el área de transmisiónde calor es también la misma. Impo niendo estacondición, el núm ero de variab les a determinaren el sistema de dos efectos representado en J.a

figura 6.9 es de diez: W , L ,, L 2, F 1S Vv xLV

Gv Q2 y a .En este caso se pueden plantear un tota

cuatro balances de materia independientes.expresiones de los balances de materia tode soluto alrededor de todo el sistema sonsiguientes:

F = V^ +V2 + L l [6

F xf = J-aX-12 [6

Asimismo, los balances de materia totde soluto alrededor del primer efecto se exsan como:

i7= L 1+V1 [6

F xf ~ d.^xLl [6

En cuanto a los balances entálpicos en efecto, mediante un razonamiento similar aun ev apo rado r sencillo las ecuaciones a las

se llega son:

Ql = W (H w - h w) =

= ViHVÍ + L¡hLÍ - Fhr

Qz= ~ ^Vi) ~= V2H V2 + L 2h L2 - L,hu



Finalmente , hay que considerar las ecuacio

nes d e diseño de ca da efecto:

Q y ^ A A T ^ U ^ T v - T ^ ) [6.34]

Q 2 = U 2A A T 2 = U 2 A (T E m - T ED2) [6.35]

Teniendo en cuenta que cada uno de los ba

lances eníá lpicos son realmen te dos igualdades,

el conjunto de expresiones [6.28] a [6.35] consti

tuye un sistema de diez ecuaciones con diez in

cógnitas . Sin embargo, su resolución no es di

r e c t a ya que a l de sc onoc e r se l a t e m pe r a tu r a

in te rmedia T rm no es posible determ inar var iasde las entalpias que aparecen en las ecuaciones

[6.32] y [6.33], Por ello, es necesario recurrir a

un procedimiento de tanteos en el que se- parte

suponiendo un va lor de d icha tempera tura deebullición y se resuelve el sistema anterior has

ta que en alguna de las iteraciones se obtengan

valores idénticos o muy próximos de las áreasde transmisión de calor de los dos efectos.

Ejemplo 6,2, Sistema de evaporación de dobleefecto.

Un evaporador de doble efecto con circulación en para lelo se utiliza para co ncentrar 10.000kg/h de una disolución salina del 10 al 40% en

peso. En el prim ero de Jos efectos, la disolucióndiluida se introduce a 25 aC, mientras que elvapor de calefacción se alimenta a 125 °C. En elsegundo de los efectos el vapor generado se encuen tra a un a tem per atura de 80,7 CC. D ete r

minar:

nj El área de calefacción en cada efecto, su puestos iguales.

b) Econom ía y capacidad del sistema de eva po ración .

Datos

— Coefic ientes globa les de transm isión de ca

— Eleva cione s en el punto de ebullición:Primer efecto: 8 °CSegundo efecto: 12 5C

— Calores específicos:diso luciones salinas: 0,85 kcal kg- 115Ovapor de agua: 0,46 kcal kg-1 °C 1

Solución

De acuerdo con ei esquema de evapode doble efecto con circulación en paralelse m ues tra en la figura 6.9, planteam os los bces de materia correspondientes al sistem

bal, ecuac iones [6.28] y [6.29]:

f = V1+ V2 + L , 10.000 - V, + V, + 1 2

I' xf = L 2 x L2 (10.000)(0,1) = L 2 (0

O perand o, se obtiene:

L 2 = 2.500 kg/h-1 \ \ + V2 = 7.500 kg

Asimismo, planteando los balances de ria alred edo r del prim er efecto, ecuacionesy [6.31]:

F = Lj -rVx 10.000 = L l + \ \

Fxp = Lxx lÁ (10.000)(0,i) = L {x a

Respecto de los balances entálpicos ssenta el problema de que la temperatura zona de evaporación del primer efecto no

nocida, lo que hace inviable su resolución ta. Por ello, resulta necesario resolver el pma mediante tanteos, suponiendo un valT£r Los pasos que se siguen son los siguien

1. E l vuloT inic ial de TfÁ se obtiene suponque los caudales de calor intercambiadcada efecto son iguales, aunque no searosamente cierto. Desarrollando las ecnes de diseño de los dos efectos:



ATj _ AT2 __ T w - T fdí _

1 " 1

Ul

Tgl ~ ?ED2 _ Tw ~ (?£1 + & J E l )1 1

u 2 112

u-1

TE\ ~ (T£7 + A.TF2 )J _

l¡2

El término anterior es también igual a iafracción que se obtiene como suma de numeradores y denominadores de los dos últimostérminos:

AT) _ A in _ Tw ~ T ¡22 — {ATEl + AT E2)

U,

í

'lh

1 1

u ¡ + u 2

1.a temperatura de ebullición del disolvente en el segundo efecto se puede obtenera partir de la de la disolución y del Increm en

to ebulloscópico:

r E2 = TED2 - A jf £2 =■80,7 - 1 2 = 6S, 7 °C

Sustituyendo en la ecuación anterior:

A T y _ A T2

2.000 1.800 _ 1 2 5 - 6 8 ,7 - (8 + 12)

1

= 38.610

2,600 1.800

A i \ - T w - (T eí + ATE1)

14,85 = 125 - (T£1 + 8)

Tn = 102,15 °C

2. Un a vez conocido el valor inicial de planteam os el bal an ce entá lp ico de cefecto:

— Primer efecto. Como es tado de referense fija agua líquida a la temperatura T£

Tref\ ~ T, + A T ci — EDI - T El- r m El

= 102,15 + 8 = 110,15 °C

La expresión del balance entálpicoel primer efecto viene dada por la eción [6.32]:

Qi = W ( H w - h w ) =

= + L ^ h u - FhF

Teniendo en cuenta el estado de r

rencia y la ecuación de Regnault parcálculo de los calores latentes de vapzación se obtienen los diferentes térmide entalpia:

H w - h v Xe J2 j = 519,63 kcal/.kg

H vi - rr¡.m - At, U0iJ5 - 529,95 kcal/k

hLt = 0

hF = CppiTp -T,e f l ) =

= 0,85(25 -110,15 ) =

= -72,38 kcal/kg i

Operando:

A7) =38.610/2.600 = 14,85 °C

A' i\ - 38.610/1,800 = 21,45 °C

Teniendo en cuenta el significado de ios

Sustituyendo en el balance entálpdel primer efecto:

& = VU(519,63) =

= Vj(529,95)-(10.000)(-72,38)



^re/2 “ T j ?D2 = í>0,7 °C

La expresión del balance entálpico en el segundo efecto viene dada por la ecua-

ción [6.33]:

Q 2 = v x( n v l - h v , ) =

- V2HiT2 + 2^1.2

Las diferentes entalpias se determinan de nuevo teniendo en cuenta el estado de referencia:

H V\.~ hyi = Cpy AT£1 + e,TEÍ =

= (ü ,46 )(8) + 535,5:1 =

539,19 kcal/kg1

Hvi ~ A,ri£), = A,t¡0,7 = 550,41 kcaj/kg 1

hL2 ~ 0

Í¡L1 ~ CP!. 1O f.Dl ~ l rc.fl ) =

= 0,85(110,1.5 80,7) =

= 25,03 kcal/kg_1

Sustituyendo en el balance entálpico del segundo efecto:

22 = ^(539,19) =

= V2 (550 ,41) L , (25,03)

3. Resolución del sistema de ecuaciones consti-

tuido por los balances de materia y los balan-

ces entáípicos, obteniéndose el valor de las siguientes variables:

V, = 3642,6 kg/h1 V2 = 3857,4 kg/h"1

xL1 = 0,157

T, = 6357,4 kg/IT1 W = 5107,9 kg/h1

Q¡ = 2.654.218 kcal/h-1

Q2 = 1.964.053 kcal/tT1

y [6.35], lo que permite obtener las corre

pondientes áreas de transmisión de calor:

a = f / 1A1AT12.654.218 = (2 .600)^ (14,85 )

Ai =68,7 m2

C?2 = k’zAjATj

1.964.053 = (1.800)^,(21,45)

A¡ =50,9 m2

La gran diferencia existente entre las ár

as de transmisión de calor de los dos efect

pone de manifiesto que la temperatura Tsupuesta inicialmente no es correcta, por

que resulta necesario llevar a cabo un segu

do tanteo con un nuevo valor de dicha te

peratura.

1'. Para obtener e l nuevo valor de TE, se tie

en cuenta la desviación obtenida en el ár

de cada efecto respecto del valor medio:

A i = A ± A

= 6s-7 + 50>9 =59|8 ¿

Los nuevos valores de las diferencias

temperatura se recalculan multiplicando p

la relación entre el área de cada efecto y

valor medio del área de transmisión de calo

A7? =. AT, A = (1 4 ,8 5 ) |^ || = 17,06 “C

ATi = AT2 A = (2 1 ,4 5 ) í§ £ = 18,26 °C

An (59,0)

La suma de estos incrementos de temp

ratura no coincide exactamente con la corre

pondiente a los datos del problema, por

que es necesario corregirlos:

AT,'+ AT{ = 17,06 +18,26 = 35,32 °C

AT, +A T2 *=T w ~TE2 - (A T e1-I- A7'E2) =



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/h1

j»£i = 0,157

Lj = 6.350,3 kg/h"1 W = 5.084,3 kg/h1

Ql =2.641.955 kcal/li"1

Qx =1.974.670 kcal/h1

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:

Economía: . m - M sW 5.084,3

6.3 .5. Tipos de evaporadores

En este apartado se pasa revista a los t

de evaporadores más utilizados a escala in

trial. La descripción se realiza, en general

guiendo un orden creciente de complejidad

equipo de evaporación:

• Evaporador discontinuo. Consiste en

recipiente calentado externamente por una

misa de vapor, que puede estar abierto a la

mósfera o cerrado y conectado a un conde

dor del vapor. Es un sistema que trabaja

cargas, es decir, opera en régimen no estacio

rio, utilizándose para pequeñas produccio

como puede ser ía preparación de sopas, salmermeladas, etc. La transmisión de calor a

vés de la disolución se desarrolla únicamepor convección natural, obteniéndose coefic

tes de transmisión de calor bastante bajos.

• Evaporador de tubos horizontales (fig

6.10). Al igual que los restantes evaporado

que se describen a continuación trabaja en

gimen estacionario, con una alimentación c

tinua de la disolución diluida de partida y

tracción continua de la disolución concentr

producto y del vapor generado. Está consti

do por un bloque de tubos horizontales,

cuyo interior circula el vapor de calefacción

que se encuentra sumergido en la disoluci

El grado de agitación y turbulencia existe

en el seno de esta última es pequeño, por

que también en este caso el transporte de ca

es lento. Se utiliza en la concentración de d

luciones de baja viscosidad.

En la parte superior del evaporador se d

un espacio lo suficientemente grande como

ra facilitar la separación entre las burbujas



| Vapor

Figura ó . 10, Evaporador de tubas horizontales.

ten la separación del líquido al chocar las bur bujas de vapor contra ellas. El arra stre de líquido por parte del vapor es un fenómeno no deseado ya que implica una cierta pérdida desolutos y disminuye la calidad del vapor generado con vistas a su posible re utilización. Es tearra stre se da en mayor medida cuando la ebullición do la disolución se produce a golpes ocuando en la disolución se produce la formación de espumas. En la Industria Alimentaria,

las disoluciones que contienen proteínas y car bohid ratos son las que presentan una mayortendenc ia a fo rmar espumas.

• Evaporador de tubos verticales cortos (figura 6.11). Respecto del anterior se diferenciaen la disposición vertical del bloque de tubos,denominado calandria, y en la circulación delvapor de calefacción que se produce externamente a dicho bloque. La disolución situada enel interior de los tubos es la que recibe el calor

concentrada

FiGURA ó . l 1. Evaporador de tubos verticales co

hacia arriba debido a su baja densidad,trando consigo a la disolución concentrla salida de los tubos se produce la sepadel vapor y de la disolución, de forma quúltima como consecuencia de su mayor dad tiende a caer por gravedad por el ecentral del bloque de tubos. De esta foconsigue crear una circulación y un demiento de la disolución por convección nque contribuye a mejorar aprcciableme

coeficiente de transmisión de calor. Comsecuencia, este tipo de evaporadores es ble para la concentración de med ios de vdad moderada como son disoluciones sade azúcar, zumos de frutas, etc.

* Evaporador de tubos verticales larg principio de operación de este evaporadomilar al caso anterior, aprovechando la agy turbulencia que provoca la formación y plazamiento de burbujas de vapor para m



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 líquidovapor 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. L

mación del vapor se produce no en el inter

los tubos, sino eu la cámara de expansión

tente a la salida de los mismos. Con objalcanzar elevados grados de concentración

Vapor de

a9ua _^[j-

Alimentación

r r

m m

NVapor de

agua

Condensado -o=

M -+Vapor

(vacío)

i Disolución



placas, estando constituidos por una serie

compartimentos a los que se alimenta altern

vamente vapor de calefacción y disolución

luida. La disolución puede dar varios pasosel evaporador, es decir, atravesar varios c

partimentos a fin de aumentar el grado de e

poración. Asimismo, el líquido puede hace

circular en sentido ascendente o descende

La formación del vapor puede producirse e

interior del evaporador o en una cámara de

pansión poster ior, al igual que en el evapo

dor de tubos de circulación forzada.

En los evaporadores de placas se obtie

elevadas velocidades de intercambio de caSon equipos compactos y fácilmente desmobles, lo que permite proceder a su limpieza cierta frecuencia. Por todo ello, este tipo de e poradores se utiliza bastante en la Industriamentaria. Como ejemplos típicos de sus ap

ciones cabe citar la concentración de extrade café, gelatinas, zumos de frutas, sopas, etc

• Evaporador de película agitada (fig

6.16). Consta de un único tubo calentado ex

namente mediante una camisa de vapor de

ree ¡rcu loción

Figura 6,14, Evaporador de circulación forzada,

te la posibilidad de recirculaí parte de la disolución concentrada de nuevo al evaporador,

• Evaporadores de placas (figura 6.15).

Son semejantes a los cambiadores de calor de



concentrada

FIGURA ó. i ó . Evaporador de película agitada.

lefacción. En la parte ce ntr al del tubo se dispone de una serie de paletas unidas a un rotorque gira a gran velocidad. La disolución diluidase introduce por uno de los extremos del tubo,

formándose tina película de líquido qu e se des plaza peg ada a la pared y cuya superf ic ie esagitada y barrid a con tinua m ente po r las paletasgiratorias. Con ello, se consigue un grado muyelevado de turbulencia en la película de líqui

do, lo que conduce a valores muy altos deficiente de transmisión de calor. No obsse trata de u n equipo caro con costes de o

ción elevados. Se suele utilizar en la e tap ade concentración de medios muy viscosotractos de c arne, miel, pasta de tom ate, et

• Evaporador cónico centrífugo (f6.17). Está constituido por un conjunto dnos invertidos apilados que delimitan unade espacios o compartimentos. Al igual qel evaporador de placas, en dichos commentos se alimenta alternativamente vapcalefacción y disolución. El conjunto s

cuentra unido a un eje central que gira determinada velocidad, de forma que la dción tiende a desplazarse hacia la periferacción de la fuerza centrífuga. También ecaso se obtienen elevadas velocidades de cambio de calor, siendo un sistema compaflexible. Basta con cambiar el núm ero de para modifica r el área de transm isión dey, po r lo tan to, la capacidad del evaporad principal limitación es su al to coste.

En el cuadro 6.1 se recogen los valorecos de tiempos de residencia y coeficiente

bales de tran sm isión de calor en función 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

Evaporador

U( W/|

So/o

viscosidad \

m2 K)

Alta

viscosidad

Discontinuo > 1.800 5001.000 < 500

Tubos horizontales > 900 600 1.500 < ó 00

Tubos verticales cortos > 300 600 2.800 < 600

Tubos verticales largos 560 2.0006.000 < 300

Placas 230 2,0003.000 < 300

Película agitada 2030 2.0003.000 1.500

Cónico centrífugo 110 8.000 3.000

6 .4 . Técnicas avanzadas

La deshidr at ación de alimentos supone, porlo general, un consumo de energía considerablecomo consecuencia de su limitado aprovechamiento. Además, la calidad final del productoestá supeditada al tipo de procesado seguido.

Las investigaciones actuales se centran precisamente en el desarrollo de técnicas alternativasque permitan mejorar los dos aspectos reseñados. A continuación, se da cuenta de algunas delas técnicas de deshidraíación de alimentos conmayores expectativas de aplicación.

El se cado p o r microondas se basa en elempleo de ondas radioeléctricas de alta frecuencia. Su penetración en el alimento, quedepende del espesor y características del mis

mo, se manifiesta, a través de la energía absorbida, en forma de calor, responsable a la postre de la evapora ción del agua . El secadono suele ser uniforme a causa de la penetración irregular de las microondas en el senodel producto. Aun así, resulta una técnica desecado prometedora, toda vez que el aprovechamiento energético se cifra en un 70%, valor más que aceptable. Se ha aplicado a patatas fritas y a coles.

surfactante/humectante dispersando el ag b re po r todo el producto, lo que aumentalocida d de secado en su primera fase. P a

mente, reacciona con la fracción cérea p ie l de dete rm inados frutos porosos, code la uva, disolviéndola, que de lo conofrecería una gran resistencia a la transfede materia. También es capaz de disolverre d celular de algunos productos. Se ha edo con almidones ricos en amilosa, con gde maíz y con uvas despepitadas por ingegenética.

E l seca do acús tico consiste en some

alimento a ondas de sonido de baja frecua temperaturas entre 60 y 90 °C. Esta praumenta significativamente las velocidadtransferencia de materia y calor a lo largo película de aire que rodea al pro ducto. Ltalación es similar a la de un secadero pomización pero con una cámara provista dfuente de ondas de sonido. Las velocidadsecado que se consiguen bajo estas condicllegan a ser hasta 10 veces superiores a l

rrespondientes a una deshidratación cocional. Dado que el proceso es rápido (se p le ta en segundos) y re la tivam ente frcalidad y textura del producto se ven afectadas. Su reconstitución es, asimismona. La técnica en cuestión se ha empleadLíquidos tradicionalmenle difíciles de seccanzándose contenidos finales de humedadebajo del 1%. Se ha ensayado tambiééxito con productos con contenidos en m

grasa superiores al 30%. Otros alimentosdos por vía acústica son los jarabes deFructosados, la pasta de tomate y los zumcítricos.

El vapo r de agua sobrecalentado se hazado como agente de secado de alimentotosos en lugar del aire. El secadero sueleconformado por dos cámaras en serie. p rim era el sentido de Lujo del vapor es do ascendente, en tanto que en la segun



sión del calor entre el vapor y el alimento, essuperior a la que tendría lugar con el aire. Esto

perm ite re ducir el tiempo de la opera ció n. H a

cia el final del secado, el vapor se difunde desde el seno del producto hacia el exterior conmás facilidad de lo que lo haría el aire. El va

por satu rado que abandona el equipo pro cedetanto del sobrecalentado, que al ceder su calorsensible al producto se satura, como de la eliminación del agua del alimento en forma devapor. La economía del proceso pasa por la re- compresíón mecánica del vapor saturado de salida. Esto supone aumentar la temperatura de

saturación del vapor, lo que se traduce, en condiciones ísoentálpicas, en la condensación de

parte del vapor a esa nueva tem peratu ra , elcual es capaz de sobrecalentar el vapor saturado restante, que es el que se introduce de nuevo en el secadero.

Además de las técnicas consignadas, existenotras que tamb ién presentan una aplicación po tencial muy interesante en el campo de la dcs-hidratación de alimentos. La ex tracc ión m e

diante fluidos supercríticos, explicada en elvolumen II, ofrece la posibilidad de deshidratar un alimento sin que el agua pase a vapor.Es decir, no se necesita calentar el producto enexceso, respetá ndo se a sí su calidad.

La tecnología de membranas, representadafundamentalmente por la osmosis inversa, también tratada con anterioridad (volumenII), permite la concentración de alimentos entre 20 y 40 °C, lo que siempre resulta benefi

cioso para la calidad del producto final. La radiación infrarroja se ha aplicado, asimismo, enla liofilización de alimentos, combinada conotra fuente de calor, para acelerar la sublimación del hielo.

Todas estas técnicas, por lo general muycostosas, sólo se justifican si el producto finaltiene un valor añadido suficiente para afrontar el coste de su procesado. Los esfuerzos actuales se dirigen, precisamente, a abaraLar di

to destaca la implantación de instalacionrecompresión mecánica del vapor utilizael empleo de desecantes p ara la deshum id

ción del aire de secado agotado, con su cguiente calentamiento adiabático. Es deccalor latente cedido se recupera como sensible. En este caso, el gasto energéticentra en el mantenimiento del deseca

baja te m peratura para facil ita r la condción de vapor sobre el mismo y en su prtérmico de regeneración.

6.5 . Calidad de los alimentos deshidratados

La conservación de alimentos por redude su actividad de agua lleva consigo la ación de la calidad original del producto do. El tipo de proceso seguido y ias connes de operación establecidas determinex t en s i ó n con que se desarrollan los facresponsables de su degradación, entre lo

cabe citar: las reacciones de pardeamienoxidación de lípidos, el deterioro de pigtos, la pérdida de componentes volátilesciados al aroma y sabor y la reducción de slor nutritivo. La retracción que pexperimentar el producto durante su deshtación. así como la migración de solutos rente a la operación, pueden dar lugar a ldificación de su textura. Todo ello condica su vez, la capacidad de rehidratación de

ducto procesado, especialmente en el calos alimentos pulveru lentos.

6. 5 .1 . Posibles alteracion es

Las reacciones de pardeamiento de m peso específico en la deshid ra tación de altos son ias no enzimáticas, representadascipalmente por la de caramelización y



humedad, pH y composición del producto.Conforme avanza el proceso se pueden distinguir tres fases en la velocidad de pardeamiento.

Una primera, correspondiente al período deestabilización, que se da fundamentalmente enla zona central como consecuencia de la migración de componentes solubles hacia el interiordel alimento. Su velocidad es lenta y su contribución al efecto global despreciable. En lasegunda fase, el pardeamiento presenta unagran velocidad de reacción, la cual se relacionacon la temperatura a través de la ecuación deArrhenius. Una vez se alcanza el contenido de

humedad crítica, prosiguen las reacciones depardeam iento aunque con una velocidad infe rior a la de la anterior fase. No obstante, estavelocidad es superior a la inicial debido a quese reduce ei enfriamiento evaporative) del producto, lo que se traduce en un aumento de sutemperatura, principal variable de la cinéticadel pardeamiento.

L a oxid ació n de lípid os en lo que se refierea la deshidración de alimentos puede dar lugar

a su cnranciamicnto, así como al desarrollo deolores desagradables y a la pérdida de vitaminas liposolubles y de pigmentos. Su extensióndepende de factores tales como el contenido deagua del alimento, la naturaleza de la grasa, lapre sencia de oxígeno , la te m peratu ra, la concen tración de metales pesados, la actividad en-zimática residual, la existencia o no de antioxidantes naturales y la radiación ultravioleta, Laoxidación, que se centra en las insaturaciones

de la cadena hidrocarbonada de los lípidos. sobre todo si se encuentran conjugadas, conducea la formación de hídroperóxidos. Estos evolucionan por deshidratacioncs o polimerizaciones sucesivas hacia especies oxidadas como iosaldehidos, cetonas y ácidos.

Si la actividad de agua se sitúa por debajode 0,3, el producto ofrece una buena resistencia a la oxidación de las grasas. La difusión deloxígeno a través del producto depende de su

poroso que el que se obtendría por métodos secado convencionales, donde la retracción lugar a un producto más compacto. La temp

ratura favorece tanto la termodinámica comla cinética del proceso. Los metales pesadosolubles en agua, aumentan su concentraciconforme se desarrolla la deshidratación. Esrefuerza su papel como catalizador de las reciones de oxidación de la materia grasa. La tividad enzimática residual, por su parte, puecentrarse en determinados compuestos lipolubles, alterando así su sustrato graso. Los atioxidantes naturales contrarrestan, si es el

so, la degradación de la materia grasa. Púltimo, indicar que la radiación ultravioletambién contribuye al deterio ro de los lípidotravés de su fotooxidación.

El producto se preserva de la oxidación su materia grasa evitando en lo posible la psencia de oxígeno durante su almacenamienPara ello, se envasa a vacío o en atmósfermodificadas. Además, se precisa una tempetura relativamente baja y una protección a

radiación ultravioleta. La inhibición de la acvidad enzimática residual se establece atdiendo más a propiedades de color, aroma y bor que a la posib le oxidación de los líp idLas medidas de protección al respecto se co

pletan, si es necesario, con la adición de anoxidantes sintéticos.

La al teración del co lor de ios alimentos una consecuencia de la oxidación de los pigmtos liposolubles (carotenos, clorofila, etc,), ta

bién centrad a en las insaturaciones de sus m oculas. Así pues, resulta determinante composición del alimento en cuanto a las ccentraciones y tipos de pigmentos. El proceestá favorecido por la temperatura y el contedo de humedad del alimento, y se puede vacompañado por la aparición de aromas y sares secundarios proceden tes de los productos la descomposición de los pigmentos naturalLas reacciones de pardeamiento también con



relación a las primeras, son válidas las medidasde prevención expuestas para la oxidación delos lípidos, Respecto a las segundas, las verduras

objeto de almacenamiento se someten previamente a un escaldado para inhibir la actividadenzimática residual. La leche se pas tea r iza. Enel caso de las frutas, dicha actividad se reduce

por ad ición de ácido ascó rb ico, ácido cítrico oanhídrido sulfuroso. Si se opta por este últimoaditivo se ha de tener presente que a partir deuna determinada concentración pu ede dar lugara la decoloración de las antocianinas, con la consiguiente degradación det alimento almacenado.

El aro ma y sabor de los alim entos se debe aciertos componentes orgánicos, volátiles, conuna presión de vapor superior a la del agua.Esta diferencia de volatilidades da lugar a la

pérd id a de arom as y sa bores dura nte la deshi-dratacíón, tanto más acusada cuanto mayor esla temperatura que adquiere el producto. EJ segundo factor de influencia es la solubilidad deestos componentes en el vapoi de agua eliminado, la cual determina la facilidad con que

pueden ser arr astr ados. P o r ta nto , se han deextremar las precauciones en las primeras fasesdel secado, cuando, por una parte, el calor(sensible) que se aporta al alimento se manifiesta en un aumento de su temperatura y, porotra, éste presenta su contenido máximo de humedad, La retención de volátiles se suele verfavorecida por la formación de una película demateria seca alrededor del producto en estas prim era s etapas de l secado, que actú a como

una membrana semipermeable que permite el paso de vapor de agua pero no la difusión delos compuestos de interés. Las pérdidas de aroma y sabor debidas a las etapas de secado posteriores son despreciables respecto a las quetienen lugar en los momentos iniciales. En ocasiones, se recuperan los volátiles, por condensación o por absorción, y se devuelven al producto deshidratado.

El valor nutri tivo de los alimentos puede re

el almacenamiento). La pérdida nutricioasociada a la deshidratación del alimento es

pec ia lm ente im portante en re lación a su c

ponente vitamínica. El co m portamiento devitaminas depende de su disolvente en el pducto: agua o lípidos. Las pérdidas y/o las araciones de las proteínas son despreciables.

Las vi taminas hidrosolubles son más se bles a la te m peratura, sobre to do cuandocontenido de humedad es elevado. De nuese pone de manifiesto la necesidad de opcon temperaturas moderadas durante las meras fases del secado. Una vez el produ

adquiere su humedad crítica, las vitaminaseste tipo experimentan una precipitación sobresaturación, reaccionando o no con loslutos presentes. En cualquier caso, se puconsiderar que las pérdidas correspondienteesta parte final del secado son poco significvas en relación con las que se originan al pcipio. La vitamina C, la riboflavina y el ácascórbico se ajustan al comportamiento desto. El mantenimiento del valor nutritivo en

tos casos pasa por un pretratamiento suave, bre to do si es té rm ic o (escald ado), por proce so de deshidra tación co rto, a te m perras moderadas, y por un almacenamiento pro ducto , que se su pone tien e una baja actdad de agua, en una atmósfera m odificada dente a reducir la concentración de oxígenoel ambiente.

Las vi taminas üpos nl ub les son menos ceptibles a su degradación térmica y a su ox

ción, de ahí que sus pérdidas debidas a la dedratación no sean relevantes, Su degradacdado que no son objeto de concentración rante ei procesado del alimento, está supedda a la oxidación de la materia grasa, cu

pro ducto s de desco mposición inmedia to s,hidroperóxidos, propician su oxidación. Sede reparar en que la creciente falta de aguaef pro duc to a lo largo de la operac ión da lugun aumento de la concentración de metales



cíón a este tipo de vitaminas (A, D, E y K ) son,en esencia, iguales a las ya planteadas para preservar la oxidación de ía materia grasa del ali

mento. La textura es quizás la propiedad de los ali

mentos que se altera con más frecuencia. Además, su modificación constituye un serio inconveniente a efectos de su presentacióncomercial. La alteración de la textura en un alimento puede comenzar con su pretratamicnto.Un escaldado mal concebido, un determinadodispositivo de reducción de tamaño o, simplemente, un pelado inadecuado pueden causar

cambios irreversibles en la textura de frutas yverduras, Si el problema se centra en el procesod.e deshidratación, la textura final del productodependerá de la técnica seleccionada a tal fin,que implica unas condiciones de operación dadas, y de la humedad, tamaño, composición, variedad y grado de m aduración de la especie ob

je to de tr ata m ie nto . A co ntinuación, se pasan aanalizar los fenómenos que tienen lugar en ladeshidratación de las frutas y verduras y de las

carnes en relación con sus respectivas texturas.El seca do de frutas y verduras origina, entre

otros aspectos, la gelatinización del almidón, ladegradación de las pectinas y la cristalizaciónde la celulosa. Además, como la reducción deagua en el seno del producto no es homogénea,se produce una discontinuidad en su estructuraorgánica en forma de roturas y compresioneslocalizadas en distintos puntos. Las células aca

ban por adquiri r una cie rta rigid ez, cuestió n

que se traduce en el arruga mie nto del productotratado. La rehidratación, incompleta respectoa su contenido de humedad inicial, se da conlentitud y no permite recuperar la textura original. Las carnes, por su parte, no se conservan

por deshid ra ta ció n. Se prefie ren otros m éto dos, como la congelación, que no alteran significativamente su textura. La eliminación deagua de las carnes por acción del calor da lugara la desnaturalización de sus proteínas, seguida

Se puede afirmar que, por lo general,texturas de las carnes, pescados y frutas seafectadas, en mayor o menor medida, por

altas temperaturas y velocidades de secadofenómeno se achaca fundamentalmente migración de solutos hacia la superficie

producto conforme dism inuye su co nte nidhumedad. Dicha difusión está condicion

por la natu ra leza de los solutos, por el tipalimento y por las condiciones de operacSi, además, la temperatura del proceso es vada, la superficie del alimento se endutanto por la presencia de solutos del inte

como por las modificaciones físico-químque tienen lugar en esta parte del productmás expuesta al calor. Las frutas se pue

prote ger de esta al teración mace rándolas viam ente en un jarabe azucarado. Esta p rámantiene su textura elástica. El endurecimto de la superficie del alimento determaparte de la alteración de su textura final,menor velocidad de secado y una distribuheterogénea del agua residual. Así pues, r

ta imprescindible un buen control térmico doperación, de tal forma que se limite en losible este endurecimiento superficial y quasegure un secado uniforme del alimento.

6.5 .2. Liofi lización frente a secado convenc

La liofilización ofrece un producto concalidad muy superior a la que se obten dría

técnicas de secado convencionales. Por parte , un al im ento liof ílizado en vasad o a vo almacenado en una atmósfera de gases ites puede conservarse en buenas condiciodurante al menos un año. En general, estanica no altera sus principales prupiedades. las reacciones de pardeamiento no enzimcas, que se desarrollan hacia contenidoagua intermedios, no tienen lugar de una nera apreciable. La velocidad de sublima



aparición de olores y sabores asociados a estasreacciones y las posibles pérdidas de valor nutritivo del alimento.

1.a oxidación de los lípidos es sin duda la principal ca usa de altera ció n de los pro ductoslioñlizados. Se debe al aumento de la concentración de metales en el agua del alimento según avanza la operación que, como es sabido,catalizan la oxidación de la materia grasa. Estacircunstancia se ve favorecida por la porosidaddel producto liofilizado, característica inherente a la técnica seguida, que facilita la difusióndel oxígeno hacia el interior del material. Co

mo el grueso de la oxidación transcurre durante el almacenamiento del alimento, éste se de

be en vasa r a vacío o, en su de fecto, mantenerse bajo una atm ósfera de gases inertes .

El aroma y sabor de un producto liofilizadose conservan durante su tratamiento. Los com

ponentes volá ti le s responsable s de esta s pro pie dades perm anecen en ía fracció n seca delalimento, ai ser la temperatura de la operación,que es la variable que condiciona su desorción,

muy moderada. La técnica en cuestión tampoco afecta al aspecto exterior del producto: nose aprecian a lteracione s significativas de su textura ni endurecimiento de su superficie. La retracción originada por el tratamiento es tam

bién despreciable .Se respeta, asimismo, el valor nutritivo de

los alimentos liofilizados. Las pérdidas vitamínicas se deben más al pretratamiento del

pro ducto que a su proce sado. En cuanto a las

pro te ínas , indicar que no se alcanzan las tem pera tu ra s que hacen posib le su desnatu ralización: 40-60 “C para las carnes. Lo mismo se

pued e decir para el re sto de constituy en tes: almidones carbohidratos en general, etc. La liofilización origina, por otra parte, productos porosos, de rápida y fácil rehidratación. La

poro sidad , sin em bargo , les co nfiere una cier tafragilidad, de ahí que se haya de controlar suresistencia mecánica antes de su almacena

6.5.3. Evaporación

La concentración de un alimento po

po ración implica un trata m ie nto térm ico menos severo que puede provocar cambsus propiedades y una serie de efectos seados. Los componentes más sensibles,es el caso de proteínas, enzimas y vitamin

pueden deg ra dar co n la cons iguiente disción de calidad y de valor nutricional. Amo, se pueden producir reacciones químideseadas, lo que conlleva la alteración deturaleza de las especies presentes. A niv

croscópico, se produce con frecuencia un bio de colo r de l alim ento derivado dtransformaciones comentadas o a veces smente como consecuencia del aumento concentración de solutos. Especialmentetiva suele resultar la pérdida de olor q

pro duce como consecu en cia de la ev ap ode los componentes más volátiles presenel medio, lo que supone en definitiva unminución im portante de las propiedades

riales del alimento.Existen diferentes posibilidades para

o al menos paliar todos estos efectos no dos que tienen lugar simultáneamente cevaporación del disolvente, Tal y como comentado con anterioridad, una de lasnativas más utilizadas es la evaporación sión reducida, lo que permite disminuirciablernente la temperatura de ebullicióndisolución, O tra posibilidad es la de ac or

do lo posible la duración del tratamiento co. Para ello, se requiere el empleo de evdores con coeficientes de transmisión demuy elevados, como es el caso del evapode película agitada o el evaporador centcónico. Finalmente, la pérdida de olor y se puede compensar en parte mezclandosolución concentrada con una determ proporc ió n de disolu ció n in ic ial. En mocasiones, los com pone ntes volátiles se re



CUADRO ó,2

Diferencias entre el secado con verte ion ol y la iiafilizacíón

Secado convencional

Adecuado para alimentos de estructura accesible ¡granos

y verduras).

Contraindicado para carnes.

Temperaturas relativamente elevadas: 35100 "C.

Presión atmosférica o, si el producto es sensible

a la temperatura, a vacío.

Grueso de la evaporación desde la superficie del producto.

Migración de solutos con arrugamien to del olirnento.

Propicia alteraciones estructurales de los productos sólidos.

Retracción significativa del alimento con posibilidad

de aumentar su densidad.

Posible fuente de olores y sabores no deseados.

Tiende al oscurecimiento del alimento.

Notable pérdida de valor nutritivo.

Rehtdraíación lenta e incompleta,

Técnicas, por lo general, económicas.

Liofilización

Técnica de secado cas i universal, pero limitada a produc

difícilmente deshidratares por medios convencionales,

sumamente sensibles a la temperatura y de alto votor añ

Válido para carnes en general.

Temperaturas incluso por debajo del punto de congelac i

Al to vacío (0,11 mm de Hg).

Sublimación desde el frente de hielo.

Mínima migración de solutos.

Mínimas alteraciones estructurales si la velocidad

de congelación es la adecuada al caso.

Retracción despreciable del alimento con disminución

de su densidad.

Respeta el olor y sabor originales.

No altero el color original.

No se pierde valor nutritivo.

Rehidrotoción rápida y con mayor extensión.

Técnicas considerablemente más caras.

6.5.4. Rebidratobilidad

L a capacidad de rebidr at ación (rehidratabi-lidad) de un alimento previamente desecado esla propied ad r elacionad a con el grado y velocidad con que adquiere agua hasta alcanzar uncontenido próximo al de su estado original. Lareconstitución “acuosa” del producto dependede los cambios estructurales y físico-químicosque le haya podido causar su deshidratación,los cuales están determinados, a su vez, por sucomposición y por las condiciones de opera

teínas, que presentan una gran capacidaretención de agua. La temperatura puede

mismo, afectar a la rehidratabilidad delducto final, tanto “per se” como por favosu retracción, especialmente durante las pras etapas de la operación, donde pue de la alcanzar hasta el 40-50% de su volumecial. El control de la temperatura permitetanto, m ejorar la rehidratabilidad del prodal tiempo que se consigue un secado másforme, Los alimentos liofil izados, ademestar expuestos a unas temperaturas más



la mejora de la rchidratabilidad de un productose suele centrar más en el proceso de secadoque en el propio proceso de reconstitución.

Los alimentos pulverulentos constituyen uncaso aparte en cuanto a su capacidad de rchi-dratación. Como la recon stitución de alimentosen general se lleva a cabo por redisolución oresuspensión de los mismos en agua, los pulverulentos, además de verse también afectados

por las condiciones y tipo de proceso de secadoseguido, deben reunir unas determinadas pro piedades en relació n a su humecta bil id ad, su-mergibilidad, dispersabilidad y solubilidad. La

principal variab le vien e d ad a por su tamaño de partícula. Si es excesiv am ente pequeño, los finos tienden a agruparse en grumos, rodeados por una película, que limita ía difusión del aguahacia el seno del produ cto. E n todo caso, un tamaño reducido, lo que presupone una bajadensidad, disminuye la sumergibilidad deí sólido y, por ende, su dispersabilidad, comportamiento contrario al deseable a efectos de favorecer su rehidratación.

Se prefiere, pues, partir de un tamaño de pa rtícula mayor, aun a costa de someter al polvo seco a un proceso previo de aglomeracióncontrolada. En estas condiciones, se limita sutendencia a la formación de grumos, con la consiguiente mejora de su humectabilidad. Por otra

parte, un tamaño rela tivam ente elevado da lugar por lo general a un producto más denso, demayor sumergibilidad, que se dispersa mejor enel agua de reconstitución. Si la partícula contie

ne aire ocluido, se resiente su densidad, y conello su sum ergibilidad y dispersabilidad.

La solubilidad del alimento pulverulentoen el agua de reconstitución es, quizás, la pro

pie dad que se ve afecta da por un mayor número de factores. En principio depende, además del proceso de secado, de su composiciónquímica y estado cristalino, así como de su

p ll , densid ad y tamaño de partícula. En larehidratación de alimentos en polvo se tiende,

p rácti ca im plica un proceso de secado pro lo ngado, con el consiguiente riesgo téco de disminuir la solubilidad del prod

por desnatu raliz ació n de sus pro te ín as, cunstancia que dificultaría su reconstitucPor otra parte, el proceso de disoluciónsólido pulverulento está supeditado, a su y por este orden, a su dispersabilidad, humtabilidad y sumergibilidad.

Si el polvo se reconstituye con facilidadenomina “in stan tán eo ”. E sta caracteríssurge de un compromiso entre las propieddel líquido a deshidratar, el tipo de atomiz

y las condiciones que rigen el proceso de sdo. En todo caso, existen una serie de mejtécnicas que permiten aumentar la rehidr

bilidad del sólido obtenido. Así, la cám araatomización puede estar provista de un cirto de rccirculación de finos a la zona húmque facilite su agregación entre sí. Una vate de este modo de actuación consiste ensecar excesivamente el producto durantatomización, de tal forma que los finos pue

abandonar la cámara aglomerados entre sí.sistema tiene como contrapartida ía necesde incorporar uno o incluso dos lechos fluzados vibratorios para apurar el secado yfriar el producto final. El circuito de reci['ción de finos captará, en este caso, ademála corriente de aire primario procedente dcámara de secado, las corrientes de aire sedario prov enientes de los lechos fluid izaEn la figura 6.18 se muestra un atomiz

con secado de doble etapa, es decir, conúnico lecho fluidizado, provisto de recircción de finos.

Otra alternativa para mejorar la rchidr bilidad de los po lvos ya secos es som eterluna “rehumidiíicación” con el objetivo devorecer la formación de aglomerados. equipos al respecto pueden operar con vde agua o aire húmedo caliente, con lo qualcanza la condensación del vapor de agua



Sistema de Enfriado r Salida del

alimentación producto

FIGURA ó. 18. Secadero por atomización con recirculación de finos.

pensión. Tam bién se puede nebulizar agua so bre el producto pulv eru le nto , tal y como sucede en una torre de lavado de gases con partículas en suspensión. La técnica, aun siendosumamente ef icaz y estar muy difundida, requiere una inversión adicional considerable,toda vez que el polvo rchumidií'icado ha de se

carse en una cámara al electo para, postmente, pasar a un lecho fluidizado vibrado nd e se procede a su enfriamiento. E l eqrepresentado en la figura 6.19, incluye, amo, un circuito de recuperación de finos dcorrientes de aire de salida, los cuales seclan con la alimentación principal.

Tubo de Flujo de aire húmedo y caliente

Calentador

de aire

A¡re (fe Sa lida del



Resumen 5

1. La liofilización es un a técnica compleja en ]a

que se encadenan una serie de operaciones,algunas de las cuales se superponen entre sí.Las variables a controlar son varias. Así, destacan Ja velocidad de congelación, la presiónen la cám ara, la tem peratu ra y la eficacia de 6,la condensación del vapor de agua eliminado,que se debe m antener constante.

2. Au n con tod o, la may or incidencia viene dada por la forma y tamaño de la pieza objetode liofilización, toda vez que el tiempo deoperación es función del cuadrado del espe

sor del producto tratado, a diferencia del secado convencional, donde esta relación no estan acusada (directamente proporcional).

3. Siguiendo con la liofilización, indicar qu e suconsumo energético está más supeditado a Jaetapa de desorción, que supone como la mitad del mismo, que a los cambios de estado : 7.congelación del agua y sublimación del hielo.Por lo que respecta al alimento tratado, sucalidad es notoriamente superior a la que seobtendría si la deshidratación se hubiese lle

vado a cabo por medios convencionales, considerablem ente más económicos. 8-4. La concentración po r congelación es una al

ternativa a procesos com o la evapora ción o laosmosis inversa, ya sea como técnica de preconcentración o de deshidratación final. Suelección pasa por un estudio comparativo enel que intervienen el grado de concentracióndeseado, los costes de operación y la calidad pre tendida para el prod uc to des hidra tado.

La evaporación es la operación más utilizen la industria alimentaria como medioconcentración de disoluciones. En esta téc

ca, como en la deshidratación en genercompiten ia transferencia de materia contransmisión de calor, siendo esta últimaetapa controlante de la evaporación.El grado de concentración que se puede gar a alcanzar en la evaporación es del 890% respecto al soluto. Por ello, es la técnde concentración más exhaustiva. Otras vtajas asociadas a esta técnica son ía reduccele volumen, con lo que ello supone a efecde envasado, almacenamiento y transporte

su contribución a la disminución de la actdad de agua del producto, lo que lo hace blógicamente más estable. Sus inconvenienson el consumo energético, elevado, y la tdencia que presenta a degradar el alime

po r el efecto de la tempera tu ra .Se ha dado un repaso a las técnicas más pteras en la deshidratación de los alimentindicando sus ventajas c inconvenientes, como las aplicaciones ensayadas, muchasellas desde un plano de desarrollo de la

vestigación, cuando no ex perim ental.El estudio de la rehidratabilidad, especmente de productos pulverulentos, pone manifiesto la necesidad de establecer las cdiciones de la deshidratación previa pensdo, además, en la posterior reconstitución alimento. La variable que más afecta al pceso de rehidrataeión del sólido es el tamade partícula, que incide sobre su dispersabdad, humectab üidad y sumergibitidad.



APÉNDICE



FIGURAA.4 . Dia gram a presión-entalpiadeí refrigerante R-l2:zona vap or recalentado.



FIGURAA .5, Diagrama presión-entalpiadelrefrigerante R-717: zona delva por saturado.



E n t a l p i a

( k c a l / k g

d e

a i r e

s e c o )

Entalpia [kcal/kg deaire seco)

75 80 85 90 95 100

Temperaturade bulbo seco (°C)

H um e d a d

a b s ol u t a ( k gv o p or / k g

aí r e s e c o )



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ingenieria de la industria alimentaria - volumen 3 operaciones de conservacion de alimentos -...

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