EVAPORACIÓN DE ALIMENTOS

Transcripción

1 EVAPORACIÓN DE ALIMENTOS

2 La evaporación es el método por el cuál se elimina una parte del agua contenida en un alimento fluido, mediante evaporación de la misma (ebullición) con objeto de obtener un producto concentrado

3 Existen diferentes métodos para concentrar alimentos: 1. POR ELIMINACIÓN DE AGUA a) Concentración por Evaporación b) Concentración por Membranas (Osmosis Inversa) c) Concentración por Congelación (Crio-concentración) 2. POR ADICIÓN DE SÓLIDOS a) Adición de azúcar (mermeladas, jaleas, ates, fruta cristalizada) b) Adición de hidrocoloides (fruta estabilizada) c) Adición de sal (carnes y pescados salados) 3. POR ADICIÓN DE SÓLIDOS + ELIMINACIÓN DE AGUA a) Adición de azúcar + Evaporación (leche condensada)

4 CONCENTRACIÓN DE ALIMENTOS Se logra una reducción de la Actividad de agua (Aw) del alimento a valores entre 0.6 y 0.8 (humedad intermedia) Con estos valores de Aw el desarrollo de microorganismos y la velocidad de las reacciones químicas, bioquímicas y enzimáticas se reducen, pero no se inhiben. Por ello, los productos concentrados requieren técnicas coadyuvantes de conservación: - Refrigeración - Congelación -Tratamiento Térmico y Envasado al vacío - Adición de conservadores, etc

5 CONCENTRACIÓN POR EVAPORACIÓN Ventajas: - Mejora la conservación del producto ( Aw) - Permite un ahorro energético en operaciones subsecuentes (deshidratación, congelación) - Reduce gastos de almacenamiento, transporte y material de empaque (reduce volumen) - Facilita el uso del producto, tanto al consumidor (sopas, puré tomate) como a la industria (pectina líquida conc., fruta conc. para helados, yogurts, pastelería) Desventajas: - Por sí sóla no conserva al producto. Requiere métodos coadyuvantes de conservación (refrigeración, congelación, tratamiento térmico y envasado al vacío,etc) - Puede haber pérdida del aroma del producto (si no se recupera )

6 EVAPORACIÓN Eliminación de una parte del agua del producto en forma de vapor, mediante la aplicación de calor suficiente para: 1) Elevar la temperatura del producto hasta su punto de ebullición (depende P sistema) calor sensible 2) Evaporar el agua del calor latente producto

7 El calor necesario para efectuar la evaporación generalmente es sumistrado por vapor a alta presión ( alta temperatura), quien cede su calor latente de condensación. No se utiliza calefacción directa o resistencias eléctricas debido a que proporcionan temperaturas locales muy elevadas, dañando al producto. El agua caliente podría utilizarse cuando la temperatura de ebullición del líquido a evaporar es baja, pero los grandes volúmenes de agua caliente requerida son muy problemáticos para el diseño y operación de los evaporadores.

8 EVAPORACIÓN DE UN SOLO EFECTO

9 ESQUEMA DE UN EVAPORADOR

10 EVAPORACIÓN DE UN SOLO EFECTO m = flujo másico (kg/h) En la evaporación hay transferencia de masa y de calor. Balance Global del masa: mf = mp + mv... Ecuación 1 Balance de sólidos: 0 mf Xf = mp Xp + mv Xv mf Xf = mp Xp... Ecuación 2

11 Balance de calor: a) calor que se requiere administrar al producto para que pueda evaporarse (calor sensible hasta la temp. de ebullición + calor latente de evaporación) Q = mf Cp (Tb Tf) + mv v Ecuación 3 b) calor que debe ser suminstrado por la fuente de calentamiento (vapor de calentamiento) Q = ms s... Ecuación 4 c) la velocidad de transferencia de calor en el evaporador es: Q = U A T = U A (Ts Tb)... Ecuación 5 Donde: Q = velocidad de transferencia de calor (kcal/h) s = calor latente de condensación del vapor a Ts (kcal/kg) v = calor latente de vaporización del agua a Tb (kcal/kg) Cp = calor específico del producto alimentado (kcal/kg C) U = coeficiente global del transferencia de calor (kcal/h m 2 C) A = área de transferencia de calor ( m 2 ) Tf = Temperatura del producto alimentado ( C ) Tb = Temperatura de ebullición del producto (depende de Psist.) ( C ) Ts = Temperatura vapor de calentamiento (depende de Ps) ( C ) m = flujo másico (kg/h) Subíndices: f = alimentación p = prod. concentrado v = vapor del producto s = vapor calentamiento

12 TEMPERATURA DE EBULLICIÓN DEL PRODUCTO (Tb) Temperatura depende Presión de ebullición de del Sistema punto de ebullición = temperatura a la cuál la presión de vapor del líquido se iguala a la presión que existe alrededor del mismo, en este caso = Presión en el Sistema (Psist) cuando Psist es alta ( atmosférica) Temp. ebullicion es alta ( 100 C) Psist es = P atmosférica Temp. ebullición 100 C Psist es baja ( atmosférica = vacío) Temp. ebullicion es baja ( 100 C) Mayor vacío Menor Temperatura de ebullición

13 ELEVACIÓN DE LA TEMPERATURA DE EBULLICIÓN (Tb) A medida que el líquido se concentra, su temperatura de ebullición aumenta (propiedad coligativa), por lo que el T disminuye, reduciendo a su vez la velocidad de transferencia de calor (Q) La elevación del punto de ebullición con el cambio de concentración puede determinarse de 2 formas: a) Mediante los Diagramas de Dühring b) Mediante estimación matemática basada en la molalidad de la solución

14 DIAGRAMA DE DÜHRING Para Soluciónes Acuosas de Sacarosa

15 Elevación del Punto de Ebullición en Soluciones Concentradas De acuerdo a la 2da Ley de Raoult, el en el punto de ebullición es proporcional a la molalidad de la solución Estimación matemática en base a la molalidad de la solución Tb ( C) = 0.51 m 0.51ºC = constante de proporcionalidad ebulloscópica del agua m = molalidad de la solución m = moles de soluto conc. = g soluto* / PM soluto 1000 g solvente g solvente* / 1000 g * en 1000 g

16 EVAPORADORES

17 Los evaporadores industriales normalmente constan de: Un intercambiador de calor para aportar el calor sensible y el calor latente de evaporación del alimento liquido. (En la industria de los alimentos normalmente se utiliza vapor saturado como medio de calentamiento) Un separador en el que el agua evaporada del alimento se separa de la fase líquida concentrada. Un condensador para condensar el agua evaporada del alimento y eliminarla del sistema (a menos que se utilicen múltiples efectos)

18 EQUIPOS UTILIZADOS PARA LA EVAPORACIÓN DE ALIMENTOS DE CIRCULACIÓN NATURAL DE CIRCULACIÓN FORZADA O PELICULA DELGADA

19 EVAPORADORES DE CIRCULACIÓN NATURAL Evaporador de tubos cortos horizontales Evaporador de tubos cortos verticales

20 EVAPORADORES DE CIRCULACIÓN FORZADA O PELICULA DELGADA Estos evaporadores son mas costosos que los de circulación natural, pero son mucho mas eficientes cuando los productos a evaporar son sensibles al calor, tienen altas viscosidades o propiedades incrustantes, como es el caso de los alimentos

21 Evaporador Vertical de Tubos Largos (Película Ascendente) de Circulación Forzada

22 Los evaporadores de Película Descendente, o de Película Ascendente son muy utilizados en la industria alimentaria Estos evaporadores: -Pueden ser operados con diferenciales de temperatura muy bajos entre el medio de calentamiento y el líquido a evaporar -Tienen tiempos de contacto con el producto muy cortos (unos cuantos segundos por paso) -Son especialmente adecuados para productos sensibles al calor

23 Evaporador de Placas

24 Los evaporadores de placas, al igual que los de película ascendente o descendente, son ampliamente utilizados para la evaporación de alimentos Ventajas: - Alta eficiencia, economía y rendimiento - Altos coeficientes de transferencia térmica - Capacidad de trabajar con productos termo-sensibles - Limpieza rápida y sencilla (CIP)

25 Evaporador de Superficie Raspada Película Delgada 0.25 mm Se utiliza para alimentos viscosos: pulpas fruta, pasta tomate, miel, extractos carne

26 Evaporador Centrífugo (Centri-Therm)

27 EFICIENCIA DE LA EVAPORACIÓN Se requiere un valor determinado de Q (kcal/h), para evaporar una masa dada de producto, y alcanzar la concentración deseada. (Q = mfcp (Tb Tf) + mv v) Esa Q debe obtenerse en el evaporador: Q = A U T Cuando se logra obtener altos valores de Q con pequeñas áreas de evaporación, entonces puede decirse que la evaporación es eficiente.

28 Factores que influencian la velocidad de transferencia de calor (Q) en un evaporador Q = U A T Se desea que Q sea grande, pero A sea pequeña, los valores de U y T deben ser grandes Factores que afectan el valor de U: a) Película Superficial b) Depósito de residuos o costras en la superficie de intercambio de calor Factores que afectan el valor de T: a) Temperatura del vapor de calentamiento b) Temperatura de ebullición del producto

29 a) PELÍCULA SUPERFICIAL U = 1 = 1 RT Rvap + Rpared + Rliq Rvap = Rc + Rs Rliq = Rd + RL Rpared = Xpared / kpared RT = Rc + Rs + Rpared + Rd + RL Donde: U = coeficiente global de transferencia de calor RT = resistencia total a la transferencia de calor Rvap = resistencia a la transmisión del calor del lado del vapor de calentamiento Rc = resistencia a la transmisión de calor por el condensado del vapor de calentamiento Rs = resistencia a la transmisión de calor por el vapor de calentamiento Rliq = resistencia a la transmisión de calor del lado del líquidoa evaporar Rd= resistencia a la transmisión de calor por los depósitos de producto RL = resistencia a la transmisión de calor por el líquido a evaporar Rpared = resistencia a la transmisión de calor por la pared del intercambiador calor Xpared = espesor de la pared del intercambiador Kpared = conductividad térmica de la pared del intercambiador de calor ( material de construcción)

30 En evaporadores bien diseñados y que operan eficientemente, RT está determinada por Rliq U 1/ Rliq Rliq depende de: Grosor de la película de líquido Tipo de Evaporador Viscosidad del líquido Presencia de depósitos o costras de producto en la superficie del intercambiador Aproximadamente, el coeficiente global de transmisión de calor para evaporadores es: Evaporadores de Circulación Natural U kcal/h m 2 C Evaporadores de Circulación Forzada U kcal /h m 2 C o Película Delgada

31 b) Depósito de residuos o costras en la superficie de intercambio de calor Depósito de residuos, formación de costras o incrustaciones lado del líquido Depende de: Caracteristicas del producto: viscosidad, sólidos en suspensión, composición química (prot.,carboh.) Temperatura del medio de calentamiento Tiempo de permanencia Afecta las características sensoriales del producto ( calidad) U y por lo tanto Q lado del vapor Tratamiento agua para producir vapor (eliminar dureza)

32 Factores que afectan el T Q = U A T = U A (Ts Tb) Altos valores de T altos valores de Q Altos valores de T Ts y Tb a) Temperatura del vapor de calentamiento (Ts) Ts 150 C daña al producto Ts 102 C vapor condensado Ts C (el valor de Ts a utilizar se selecciona en b) Temperatura de ebullición del producto (Tb) Tb se logra utilizando vacio base al producto a evaporar) Debe utilizarse la mayor temperaturade vapor de calentamiento que el producto resista y la menor Tb posible, mediante el mayor vacío que el equipo pueda conseguir

33 EVAPORACIÓN AL VACÍO SI NO - Protege al alimento - Proporciona un del daño térmico tratamiento térmico (debe pasteurizarse antes) - Aumenta la velocidad - Evita la pérdida de de transmisión de aroma calor (Q) (debe recuperarse el aroma)

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35 ECONOMÍA DE LA EVAPORACIÓN

36 La evaporación es el método de eliminación de agua más económico. El costo de una operación de evaporación depende directamente de la masa de vapor de calentamiento utilizada para evaporar una masa dada de producto y se cuantifica como Economía de Vapor del Sistema ECONOMÍA DE VAPOR DEL SISTEMA Economía de vapor = ms (kg vapor / kg agua evaporada) del sistema mv

37 RESUMEN Aspectos importantes de la evaporación de alimentos: 1) Calidad del producto evaporado - mínimo daño térmico evaporación al vacío - recuperación de aromas 2) Eficiencia de la Evaporación: - alta velocidad de evaporación Q con U y A 3) Economía del proceso - bajo gasto de vapor de calentamiento ms mv

38 RESUMEN Ecuaciones a utilizar para el cálculo de las operaciones de evaporación: Evaporación de un solo efecto I. Balance global de masa y sólidos 1) mf = mp + mv 2) mf Xf = mp Xp II. Balances calor 3) Q = mf Cp (Tb Tf) + mv v 4) Q = ms s 5) Q = A U (Ts Tb) III. Economía de vapor del Sistema 6) ms / mv Factores de Diseño Tipo de Evaporador Area de transferencia de calor Factores de Operación. Fijar Ts Fijar Tb Mantener drenada camisa de calentamiento