Las operaciones de la ingeniería de los alimentos, 3ra Edición

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Las operaciones de la ingeniería de los alimentos J.G. Brennan • J.R. Butteri • N.D. Cowell • A.E.V. LiHey

Tercera Edición

Editorial Acribia. S.A.

LAS OPERACIONES DE LA INGENIERÍA DE LOS ALIMENTOS

Las operaciones de la ingeniería de los alimentos Tercera edición

J.G.

B rennan •

J.R.

B u tte r s •

N.D.

C o w e ll

D e p a r tm e n t o f F o o d S cien ce a n d T echnology, U n iv e rsity o f R ea d in g , R ea d in g , U K

y

A .E .V . L i Tl e y F o rm e rly o f the D e p a r tm e n t o f F o o d S cien ce a n d T ech n o lo g y, U n iv e rsity o f R ea d in g , R eading, U K

Traducción a cargo de Dr. Justino Burgos González

Catedrático de Tecnología de los Alimentos Facultad de Veterinaria Universidad de Zaragoza

Editorial A C R IBIA, S.A. ZARAGO ZA (España)

Titulo original: Autores: Editorial:

Food Engineering Operations, 3? edicion J.G. Brennan, J.R. Butters, N.D. Cowell y A.E.V. Lilley Aspen Publishers Inc A W olters Kluwer Company 200 Orchard Ridge Drive Suite 200 Gaithersburg, MD 20878 USA

Primera edición española 1970 Segunda edición española 1980 Tercera edición española 1998

©

Aspen Publishers Inc A W olters K luw er Company

©

D e la edición en lengua española Editorial Acribia, S.A., A partado 466 50080 ZARAGOZA (España)

I.S.B.N.: 84-200-0852-4

IM PRESO EN ESPAÑA

Depósito legal: HU- l h7/9S

PRINTED IN SPAIN

Editorial ACRIBIA S.A.- Royo, 23 - 50006 Zaragoza

Imprime: Grafic RM Color, S.L. C/ Comercio, parcela I, nave 3. 22006 Huesca. 1998

P rólogo A LA TERCERA EDICIÓN

Es para mi un honor y un placer presentar la tercera edición de este libro de texto sobre los principios de la Ingeniería de los Alimentos. El National College of Food Technology es un centro de reconocido prestigio, ganado, en gran medida, a través de los que han usado este texto, como estudiantes, en Weybridge, o en otros cursos en todo el Mundo. Desde la aparición de la segunda edición, el National College of Food Technology se fusionó con el Departamento de Ciencia de los Alimentos de la Universidad de Reading y ocupa ahora, como Departamento de Ciencia y Tec­ nología de los Alimentos, un excelente edificio, moderno y bien equipado, en el atractivo «campus» de White Knights. Entre otros medios, dispone de una planta de procesado, moderna y versátil. Todo esto ha sido posible debido, en gran parte, a la generosidad de la Industria Alimentaria británica, en reconoci­ miento a la labor previamente realizada, que será preciso continuar, para lo­ grar los estándares, cada vez mas exigentes, de la moderna industria alimentaria. El consumidor quiere hoy alimentos fáciles de preparar, tan «naturales» como sea posible, sólo mínimamente procesados y que no comprometan su salud. La industria alimentaria, que está adquiriendo dimensiones cada vez más internacionales y es cada vez más competitiva, necesita emplear científicos, tecnólogos e ingenieros de los alimentos, que conozcan y puedan aplicar méto­ dos óptimos de procesado de los alimentos, que sean al mismo tiempo eficaces y seguros desde el punto de vista sanitario. Esta tercera edición de «Las Opera­ ciones básicas en la Ingeniería de los Alimentos» será básicamente un libro de texto para los estudiantes presentes y futuros. Los estudiantes de hoy harán V

muy bien en adquirir sus propios ejemplares, que les servirán para ir constru­ yendo sus bibliotecas personales de referencia, que les serán muy necesarias mañana.

Geoffrey Campbell-Platt Profesor de Tecnología de los Alimentos del National College y Director del Departamento de Ciencia y Tecnología de los Alimentos Universidad de Reading, U.K.

VI

P r e f a c io A LA TERCERA EDICIÓN

Al preparar la tercera edición, los autores hemos tratado de incorporar los cambios importantes sufridos por las técnicas de procesado, el diseño de equi­ pos y las aplicaciones de los mismos desde la publicación de la segunda edi­ ción. Entre los cambios introducidos, cabe citar: los nuevos materiales para membranas y las nuevas configuraciones de las mismas, en el Capítulo 6; la extracción con C 0 2 supercrítico, en el Capítulo 8; la cocción extrusión, en el Capítulo 15 y la ampliación del tratamiento dado a los procesos aeróbicos y anaeróbicos para la eliminación de residuos, en el Capítulo 18. También se ha actualizado la lista de referencias bibliográficas al final de cada capítulo, aun­ que se han mantenido las citas consideradas clave que ya figuraban en la edi­ ción precedente. En el Apéndice II, se ha aumentado la sección dedicada a la transferencia de calor por conducción en estado no estacionario. Se ha introducido un nuevo capítulo sobre «Bombeo en la Industria Alimentaria», para complementar el capítulo de «Transporte de materiales». Reconociendo la importancia del envasado y empaquetado en la extensión de la vida útil y el mantenimiento de la calidad de los alimentos, se ha incluido un nuevo capítulo dedicado a este tema.

J. G. B. J. R. B. N. D. C. A. E. V. L.

VII

P r e f a c io A LA SEGUNDA EDICIÓN

Para preparar esta segunda edición, hemos revisado todo el libro y dado un tratamiento más extenso a algunos temas. Se han añadido secciones nuevas, por ejemplo, sobre los procesos de membranas y la descongelación, así como un nuevo capítulo sobre extracción sólido-líquido y el estrujamiento. Sin em­ bargo, el principio que guía esta edición es el mismo que el de la primera: producir un libro de texto que proporcione a los estudiantes un conocimiento básico del problema y, orientar la atención del lector interesado en un estudio más extenso o detallado de determinadas materias, mediante una bibliografía seleccionada. A lo largo de todo el libro, se ha empleado el sistema SI, pero en ciertas circunstancias, al tratar temas en los cuales no se emplean ordinariamente es­ tas unidades, las cantidades expresadas en unidades SI se acompañan de sus equivalentes en las unidades más convencionales. Los autores expresan su gratitud a Mr. I. F. Davison por la ayuda prestada en la preparación de esta segunda edición del libro.

J. G. B. J. R. B. N. D. C. A. E. V. L.

IX

Í n d ic e

d e c o n t e n id o

Prólogo a la tercera edición............................................................................ Prefacio a la tercera edición................................. Prefacio a la segunda edición.........................................................................

v vii ix

PARTE I - OPERACIONES PRELIMINARES 1.

LAS MATERIAS PRIMAS Y LOS PRO CESO S.......................................... 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6

3

Introducción.............................................................................................. Propiedades geométricas de los alim entos........................................... Otras propiedades físicas de las materias p rim a s ................................. Propiedades funcionales de las materias primas alim entarias Propiedades relacionadas con el grado de desarrollo.......................... M ecanización y materias prim as.............................................................

3 4 6 8 10 13

2. LIM PIEZA DE LAS MATERIAS P R IM A S ...................................................

19

Funciones de la lim p ie z a .......................................................................... Contaminantes de las materias primas alim enticias.............................. M étodos de lim pieza.................................................................................

19 21 24

3. SELECCIÓN Y CLASIFICACIÓN DE LOS A LIM ENTOS........................

39

3.1 Consideraciones generales acerca de la selección y clasificación .... 3.2 Selección por p e so ..................................................................................... 3.3 Selección por tam año................................................................................. 3.4 Seleccionadoras por fo rm a ....................................................................... 3.5 Selección fotom ètrica...................

39 43 44 52 54

2.1 2.2 2.3

XI

3.6 3.7 3.8

Selección por d ensidad.....................................;..................................... M étodos misceláneos de selección........................................................ Clasificación de los alim en to s ........................................................

57 58 59

PARTE II - OPERACIONES DE CONVERSIÓN 4.

REDUCCIÓN DE TAMAÑO Y TAMIZADO DE SÓ LID O S....................

69

4.1 4.2 4.3 4.4 4.5

Principios generales.................................................................................. Consideraciones en que se basa la selección de los e q u ip o s Aparatos para la reducción de tam año................................................... Funcionamiento de las instalaciones de reducción de tam año Desintegración de sustancias fibrosas: corte en rodajas, troceado en cubos, desmenuzamiento y transformación en pulpa .... Energía necesaria para la desintegración de los só lid o s..................... T am izad o...................

69 72 74 80

M EZCLA Y EM U LSIÓ N................................................................................

95

4.6 4.7 5.

5.1 5.2 6.

M e z c la ........................................................................................................ E m ulsión.....................................................................................................

95 118

FILTRACIÓN Y SEPARACIÓN POR M EM B R A N A S.............................

139

6.1 6.2 6.3 6.4 7.

139 148 160 162 181 181

Introducción y teo ría.................................................................................. Equipo: principios, características de diseño y aplicaciones g e n e ra le s..................................... Aplicaciones de los equipos de centrifugación en la industria alim entaria.......................................................................

201

EXTRACCIÓN SÓLIDO - LÍQUIDO Y ESTRUJAM IENTO.................

205

8.1 8.2

Extracción sólido-líquido (lixiviación, lav ad o ).................................... Estrujam iento..............................................................................................

205 234

CRISTALIZACIÓN...........................................................................................

243

9.1 9.2 9.3

243 245 254

7.3

9.

Teoría de la filtración................................................................................ Equipos de filtración: principios, características de diseño y aplicaciones g e n e ra le s......................................................................... Aplicaciones de los aparatos de filtración en la industria alim entaria....................................................................... Separación por membranas: ultrafiltración y osmosis inversa

CEN TR IFU G A CIÓ N ............... 7.1 7.2

8.

83 85 88

Introducción................................................................................................ N ucleación :................................................................................... Crecimiento de los cristales...................................................................... XII

190

9.4 9.5

Polim orfism o............................................................................................ Procesos de cristalización que implican separación de fases, en la industria alim entaria....................................................................... Procesos de cristalización que no implican separación de fases, en la industria alim entaria.......................................................................

257

10. TRATAMIENTO TÉRMICO I .........................................................................

271

10.1 Introducción.............................................................................................. 10.2 Formas de transmisión implicadas en el tratamiento térmico de los alim entos....................................................................... 10.3 M étodos de generación de calor para el tratamiento térmico de los alim entos..................................................... 10.4 Métodos de aplicación de calor a los alim entos................................ 10.5 Conversión de los alimentos por tratamiento térm ico ......................

271

9.6

258 265

271 272 276 288

PARTE III - OPERACIONES DE CONSERVACIÓN 11. TRATAMIENTO TÉRMICO n . . . ..................................................................... 11.1 11.2

301

Consideraciones m icrobiológicas........................................................ Operaciones preliminares para la esterilización de alimentos preenvasados..................................................................... 11.3 Métodos de esterilización por el calor de los alimentos preenvasados............................................................... 11.4 Esterilización de los alimentos previa al enlatado............................. 11.5 Pasteurización por tratamiento térm ico ..............................................

301

12. EV A PO RA CIÓ N ................................................................................... !...........

343

12.1 Usos de la evaporación.......................................................................... 12.2 Componentes básicos de un evaporador.............................................. 12.3 Factores que influyen en el punto de ebullición deN íquido............. 12.4 La carga calo rífica...........................................................-X-.................. 12.5 Influencia en la evaporación de las propiedades del líquido de alim entación................................................................. 1............ 12.6 Equipos de evaporación......................................................................... 12.7 Equipo a u x ilia r........................................................................................ 12.8 Conservación del calor en los sistemas de evaporación.................... 13. DESHIDRATACIÓN 13.1' 13.2 13.3 13.4 13.5

319 325 333 338

343 343 344 346 350 353 365 367

...........................................................................

377

El agua en los alim entos......................................................................... Introducción a la deshidratación........................................................... Secado por aire caliente.......................................................................... Secado por contacto con una superficie calien te................................ Secado por aplicación de energía de una fuente radiante, de microondas o dieléctrica.............................................

377 381 382 407.

XIII

411

13.6 13.7 14.

Liofilización............................................................................................ Rehidratabil¡dad de los alimentos d esecados....................................

412 418

CONGELACIÓN..............................................................................................

425

14.1 14.2 14.3 14.4 15

16

Introducción y d efiniciones.................................................................. Cálculo del tiempo de congelación........................................... Equipos de congelación................. Descongelación ..............................................................

425 429 438 450

IR R A D IA CIÓ N .................................................................................................

455

15.1 15.2 15.3 15.4 15.5

Introducción............................................................................................. Energía de la rad iació n .......................................................................... Efectos de la radiación........................................................................... D o sim etría............................................................................................... Planta de irradiación...............................................................................

455 458 458 460 463

ALMACENAMIENTO DE LOS PRODUCTOS ALIMENTICIOS ........

473

16.1 Influencia de las condiciones de almacenamiento sobre los productos.................................................................................. 16.2 Variabilidad de las condiciones de almacenamiento ............ 16.3 Mantenimiento y control de las condiciones de alm acenam iento

473 485 489

PA RTE IV - TÉC N IC A S A U X ILIA RES 17 HIGIENE DE LAS INSTALACIONES: DISEÑO HIGIÉNICO, LIM PIEZA Y ESTERILIZACIÓN .................................................................. 17.1 17.2 17.3

505

Introducción............................................................................................. Diseño higién ico ...................................................................................... Limpieza y desinfección de la fá b ric a .................................................

505 506 516

18. SUMINISTRO DE AGUA Y ELIMINACIÓN DE R ESID U O S...............

531

18.1 Introducción............................................................................................. 18.2 Suministro de a g u a ......................................................................... 18.3 Purificación del agua: tipos de impurezas y métodos de eliminación de las m ism a s................................................................ 18.4 Eliminación de residuos..........................................................................

531 531

19. TRANSPORTE, MANIPULACIÓN Y GESTIÓN DE MATERIALES ....

571

19.1 19.2 19.3 19.4 19.5

Consideraciones generales ................................................................... T ransportadores....................................................................................... E lev ad o res................................................................................................ Grúas y p o lip asto s................................................................................... V ehículos.................................................................................................. XIV

533 549

571 576 583 586 589

19.6 19.7 19.8

Aparatos neum áticos.............................................................................. Transporte hidráulico.......................... Automatización del transporte de m ateriales......................................

600 607 610

20. EL BOMBEO EN LA INDUSTRIA A LIM ENTARIA ................................

617

20.1 20.2 20.3 20.4

Introducción............................................................................................. Comentarios generales sobre la selección de las tuberías................. Factores que influyen en la elección de una b o m b a .......................... Tipos de b om bas...............................................................................

617 617 618 620

21 ENVASADO Y EM PAQ U ETA D O .................................................................

629

21.1 21.2 21.3

Principios generales................................................................................ Materiales y recipientes.................. Equipo para el llenado y el c ie rre .........................................................

629 633 650

APÉNDICES FÓRMULAS DEL FLUJO DE FL U ID O S.....................................................

669

1.1 1.2

Flujo a través de los aparatos................................................................. Fluidización..............................................................................................

669 670

II. FÓRMULAS DE LA TRANSMISIÓN DEL C A L O R .................................

673

I.

■ II.1 11.2 11.3

Convección térm ica................................................................................. Conducción térm ica................................................................................ Transmisión por radiació n .....................................................................

III. PSIC R O M ETR ÍA .................................. III. III.2

673 675 684 687

1 D efiniciones......................................................................................... ................................................................. Diagrama psicrom étrico

687 690

IV SISTEMA INTERNACIONAL DE UNIDADES (S I).................................

693

ín d ice a lfa b é tic o ........................................................................................................

695

XV

PARTE I OPERACIONES PRELIMINARES

C a p ít u l o 1

L as

m a t e r ia s p r i m a s

Y LOS PROCESOS

1.1

INTRODUCCIÓN

El procesado de alimentos es de naturaleza estacional, tanto por lo que se refiere a la demanda de productos como a la disponibilidad de materias pri­ mas, muchas de las cuales han de ser importadas. Al igual que cualquier otro, el fabricante de alimentos quiere disponer de un suministro continuo de mate­ rias primas, en cantidad suficiente y de la calidad adecuada (lo que le permitirá una planificación anual), estables durante el almacenamiento, que ofrezcan características uniformes y a un precio predecible. En la práctica, pocos, si algunos, de estos criterios se satisfacen. El objeto de este capítulo es conocer las características que deben reunir las materias primas que utiliza la industria alimentaria, para identificar algunos de los problemas que ofrece su suminis­ tro y mostrar cómo los afrontan la industria y sus proveedores. En general, la adecuación para el proceso (S) de una m ateria prim a alimentaria viene determinada por la evaluación equilibrada de algunas de sus propiedades, como; disponibilidad (a), geometría (g), propiedades físicas (p), propiedades funcionales (f), grado de desarrollo (gr), propiedades mecánicas (m) y características térmicas (t), eléctricas (e), etc. Por tanto: S = (¡)(a + g + p + f+ gr + m + t + e +...)

(1.1)

La importancia relativa de estos factores y su contribución al índice de adecuación variará, por supuesto, con la materia prima, el proceso y el produc­ to final a obtener. Las propiedades más importantes para la selección de la m ateria prima son; 3

4

Las operaciones de la ingeniería de los alimentos

(i) Las propiedades geométricas - forma, uniformidad, ausencia de irregu­ laridades, tamaño unitario, peso unitario. (ii) Otras propiedades física s - color, textura, características aero e hidrodinámicas, propiedades fricciónales y de superficie. (iii) Propiedades funcionales - flavor, resistencia a la tensión, aptitud para el procesado. (iv) Características relacionadas con el grado de desarrollo —etapa de de­ sarrollo y grado de madurez.

1.2

PROPIEDADES GEOMÉTRICAS DE LOS ALIMENTOS

Los alimentos de geometría regular son los más apropiados para los proce­ sos mecanizados de alta velocidad. Las variedades de patatas lisas, con «ojos» superficiales, son las preferidas para el lavado y pelado mecánicos. Igualmen­ te, las variedades de tomate de piel lisa se lavan más fácilmente que las varie­ dades de piel rugosa (que tienden a albergar insectos, como la Drosophila). Otros ejemplos de selección por la forma lo constituyen los cerdos con lomos largos, para la producción de beicon y las judías de vainas rectas, cuyo trocea­ do mecánico es más fácil. La forma, la uniformidad, la carencia de irregulari­ dades superficiales y el tamaño son, por tanto, índices importantes de aptitud para el procesado. 1.2.1

FORMA

Las relaciones dimensionales de un alimento son importantes, entre otros, en los siguientes casos: empaquetado, control del peso en el llenado, la conge­ lación, el enlatado y otros procesos térmicos y para determinar como se com­ portan estos materiales durante el transporte neumático y el almacenamiento a granel. Las medidas de un conjunto de muestras nos permite conocer la magnitud de la contribución de cada variable dimensional a la adecuación global del proceso. Según Griffiths y Smith1 el volumen de grava de cuarcita se puede estimar sencillamente a partir de la relación: log (del volumen) = bx■log (del eje mayor) + b1 • log (del eje menor) Utilizando esta medida de dimensiones máxima y mínima de una muestra representativa de frutas y hortalizas, se puede calcular el número de unidades, o el peso, que pueden introducirse en un envase. Mohsenin2 describió la apli­ cación de esta técnica a la medida de los volúmenes de granos de maíz de forma irregular y a otros alimentos.

Las materias primas y los procesos

1.2.2

5

UNIFORMIDAD

Es importante para el llenado de envases, el transporte, el tratamiento tér­ mico, la congelación, la deshidratación y las operaciones de selección y clasi­ ficación. La redondez de las galletas y las hamburguesas, la esfericidad de las man­ zanas y las patatas, la fusiformidad de las peras y la piriformidad de los pepi­ nos, son ejemplos de características uniformes deseables. Las clasificaciones por la forma de las variedades de frutas y hortalizas del Reino Unido de la Gran Bretaña han sido estudiadas por Arthey,3 y Mohsenin,2 que describen procedimientos para medir la redondez y esfericidad y han catalogado datos relativos a las variedades de manzanas y otras frutas norteamericanas. Este tipo de información ayuda al fabricante a seleccionar los cultivares más apro­ piados para determinados fines. 1.2.3

CARENCIA DE IRREGULARIDADES EN LA SUPERFICIE

Evidentemente, la existencia de salientes o depresiones superficiales en las unidades (piezas) de los alimentos plantean problemas en la limpieza y en las operaciones de procesado. La industria alimentaria consume relativamente mucha mano de obra y energía, y las materias primas constituyen una gran parte del costo de los alimentos procesados. Las imperfecciones superficiales, eliminadas intencionadamente o durante el procesado, contribuyen de modo significativo a estos costos. Deberán, pues, seleccionarse o desarrollarse va­ riedades específicas en las que se minimicen estos defectos. 1.2.4

TAMAÑO Y PESO DE LAS UNIDADES (PIEZAS)

Existen dimensiones óptimas para cada proceso y es preciso que las mate­ rias primas cumplan estas especificaciones. El calibrado (ver Capítulo 3) pue­ de contribuir al control del tamaño y el peso, pero las materias primas con exceso o defecto de peso o tamaño crean al fabricante problemas económicos y de eliminación del producto inservible. El peso unitario puede determinarse mediante balanzas automáticas (ver Capítulo 19) o por pesada manual de mues­ tras representativas. Para asegurar un procesado uniforme (calentamiento, enfriamiento, esteri­ lización, etc.) y pesos netos uniformes en el relleno de los envases, es obligado partir de una materia prima de tamaño o peso también uniformes. El tamaño tiene gran importancia en el control de residuos (los cocientes piel/pulpa y hueso/pulpa, por ejemplo, dependen del tamaño); el índice de aprovechamien­ to logrado en los procesos en los que se tratan productos unitarios (por ej., en el pelado) depende también del tamaño de la pieza o unidad tratada En la industria alimentaria, es esencial el muestreo y el subsiguiente con­ trol de la uniformidad de peso y tamaño de las materias primas.

6

í .3

Las operaciones de la ingeniería de los alimentos

OTRAS PROPIEDADES FÍSICAS DE LAS MATERIAS PRIMAS

En la selección de las materias primas alimentarias, deben considerarse, además de las propiedades geométricas, muchas otras propiedades físicas. Entre ellas cabe citar el color, la textura, la resistencia al esfuerzo mecánico, las propiedades aero e hidrodinámicas, las características fricciónales y las pro­ piedades de superficie. 1.3.1

COLOR

En los procesos a baja temperatura (por ej., congelación y liofilización), son mínimos los cambios de color durante el procesado, por lo que el color de la materia prima es un índice razonable de su adecuación para estos procesos. En los procesos térmicos (por ej., enlatado y deshidratación), en cambio, el color de la materia prima no constituye un índice de adecuación a los mismos. Así, algunas variedades de manzanas y peras desarrollan un tono rosa al enla­ tarlas, en tanto que el ruibarbo y algunas variedades de cerezas se decoloran, a consecuencia de la migración de los pigmentos al jarabe. En las hortalizas verdes, durante el procesado térmico, la clorofila se transforma en feofitina, de color verde parduzco. Las patatas plantean problemas especiales; para su enlatado y deshidratación, convienen variedades con poca tendencia al pardeamiento, en tanto que para la preparación de patatas fritas es necesario que este fenómeno alcance un cierto grado de desarrollo. El control del color se efectúa seleccionando variedades cuyo comporta­ miento frente al procesado se conozca, usando un pretratamiento correcto, como el escaldado (ver Capítulo 10) y estableciendo condiciones de procesado dise­ ñadas para reducir al mínimo el cambio del color natural del alimento. Puede ser necesario añadir colorantes, preferentemente de origen natural, o, en el caso límite, los artificiales permitidos4. Los métodos de selección por color se estudian en el Capítulo 3. 1.3.2

PROPIEDADES TEXTURALES

La textura de las materias primas ofrece una gran importancia. La primera condición a cumplir, al respecto, es que la materia prima resista el esfuerzo mecánico a la que es sometida durante las operaciones preparatorias. En se­ gundo lugar, la materia prima debe resistir las condiciones de procesado y dar un producto final con la textura deseada. Se han desarrollado variedades de frutas y hortalizas con mayor resistencia al esfuerzo mecánico, como albaricoques y tomates de piel dura, adecuados para el lavado, el pelado y la selección. Se pueden citar otros ejemplos, como la selección de variedades de grosellas de fácil desrabado mecánico y de variedades de guisantes y habas que resistan el desgranado mecánico.

Las materias primas y los procesos

7

La determinación de las características texturales se basa en pruebas senso­ riales, con catadores entrenados, o en ensayos instrumentales.3 Instrumentos clásicos usados a este fin son el Tenderómetro, el Maturómetro, el Texturómetro (General Foods Corp., N.Y., USA) y el Instron Food Texture Tester (Instron Ltd, High Wycombe, Bucks., England). A pesar de que es difícil establecer una correlación entre percepciones sensoriales y medidas instrumentales, es­ tas determinaciones permiten predecir la conducta de las materias primas du­ rante el procesado. 1.3.3

PROPIEDADES AERO E HIDRODINÁMICAS

Las diferencias existentes entre las propiedades aero e hidrodinámicas de las partes deseables y desechables de una materia prima pueden servir de base para su limpieza, selección y clasificación (ver Capítulos 2 y 3). Además, el aire y el agua son frecuentemente utilizados para el transporte, la mezcla y el procesado. Así pues, las propiedades aerodinámicas e hidrodinámicas son ca­ racterísticas importantes de las materias primas. El Apéndice I, relativo al flujo de fluidos, indica que muchas de las propie­ dades físicas estudiadas en este capítulo, como el tamaño, la forma, la unifor­ midad y las propiedades de superficie, juegan un papel importante en la deter­ minación del comportamiento de los alimentos particulados en el flujo fluido. Otras propiedades de las materias primas implicadas en este problema son la densidad y la porosidad. En la bibliografía,5 se aportan datos relativos a estas propiedades. El pro­ blema del transporte neumático se estudia en el Capítulo 19. 1.3.4

PROPIEDADES FRICCIONALES

Para que los granos de cereales puedan deslizarse por una rampa y para descargarlos de un depósito a granel, deben vencer las fuerzas estáticas de fricción, debidas a la acción interpartículas y a la fricción partícula-pared. Cuando el producto comienza a fluir, para que el flujo continúe, tiene que sobrepasarse el coeficiente de fricción dinámica. Las propiedades fricciónales de los alimentos juegan, por tanto, un papel importante en el transporte gravitacional o neumático, en la carga y descarga de recipientes o espacios para el almacenamiento a granel y en las operaciones de mezcla. Pueden aprovecharse las diferencias en las propiedades fricciónales, para la separación de contaminantes, en las operaciones de limpieza (Capítulo 2) y para separar las unidades defectuosas o dañadas de las que están sanas (Capí­ tulo 3). Conocer y comprender las propiedades fricciónales de los ingredientes ali­ menticios resulta esencial para el logro de un procesado eficaz. La teoría de la fricción se trata brevemente en el Capítulo 19. En el trabajo de Roscoe que se cita6, se encontrará un estudio más detallado de la misma.

8

1.3.5

Las operaciones de la ingeniería de los alimentos

SUPERFICIE ESPECÍFICA DE LAS UNIDADES

Esta propiedad de la materia prima es importante en aquellos procesos en los que se dan reacciones gas/sólido y líquido/sólido, como la respiración, la extracción, el ahumado, el tratamiento por salmueras y la oxidación. También es un factor económico importante, por determinar los cocientes piel/porción comestible y corazón/porción comestible de las frutas y hortalizas y las pérdi­ das por lavado. Las propiedades específicas de la superficie de los alimentos particulados tienen importancia en los procesos de fluidización y transporte (ver Apéndice I) y en otros fenómenos, como la retención de contaminantes, la limpieza, la transmisión de energía radiante (calentamiento por rayos infrarrojos y por microondas) y en el transporte aero e hidrodinámicos. Las áreas superficiales se pueden determinar por pelado y posterior medida del área de la piel, utilizando un planímetro. En la bibliografía se encuentran relaciones sencillas entre el área superficial (A) y el peso (W), del tipo A = K t + K2 W (siendo K t y K constantes), referidas a variedades de manzanas, peras y ciruelas.2 La superficie específica de los productos en polvo (importante en el enranciamiento y en el comportamiento durante el almacenamiento) se pue­ de determinar midiendo la adsorción de gases, como nitrógeno o helio.

1.4 PROPIEDADES FUNCIONALES DE LAS MATERIAS PRIMAS ALIMENTARIAS Una materia prima de funcionalidad ideal es aquella cuyo procesado per­ mite obtener un producto de primera calidad, y una eficacia de procesado máxi­ ma. Evidentemente, las propiedades funcionales exigidas a una materia prima varían con el proceso a que vayan a ser sometidas. Existen múltiples ejemplos de variedades desarrolladas para fines especia­ les, por ejemplo, razas de ovejas para la producción de lana o carne y de gana­ do vacuno para la producción de carne o leche; variedades de trigo que produ­ cen harinas blandas, pobres en proteínas, adecuadas para la elaboración de galletas y tartas y otras, de elevado contenido proteínico, que se emplean para obtener harinas destinadas a la panificación. Análogamente, el contenido en materia seca de las patatas, que varía entre el 16 y el 22%, es de gran importan­ cia para la industria que las procesa y se han hecho esfuerzos encaminados a la obtención de variedades con un elevado contenido en sólidos.7 La selección de materias primas basadas en su funcionalidad exige, de or­ dinario, el ensayo piloto de estas variedades. En algunos casos, es posible eva­ luar la funcionalidad, mediante determinaciones químicas o físicas o a través de ensayos de ambos tipos. Como ejemplo, cabe citar la evaluación de la apti­ tud de las harinas de trigo para la panificación y la repostería o galletería, empleando aparatos especialmente diseñados, como el equipo «Research»

Las materias prim as y los procesos

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Dough Testing (Henry Simons Ltd, Stockport, England) para ensayos de ma­ sas panarias y el Farinógrafo Brabender (C.W. Brabender Instruments Inc., N J ., USA). Los distintos cultivares se someten a ensayo en los departamentos de investigación de las asociaciones de los industriales del ramo.8’9,10 1.4.1

FLAYOR

El «flavor» es, más que una propiedad, una cuestión de preferencia perso­ nal; cuando se lanzan productos a un mercado masivo, deben evitarse los «flavores» extremos. En algunos casos, el «flavor» de un alimento procesado es función de los aditivos más que de la materia prima. Como ejemplos, pue­ den citarse los jarabes fuertemente aromatizados, añadidos a algunas fmtas enlatadas, y los hidrolizados de proteína y extracto de levadura, añadidos a las sopas de carne. En general, por tanto, las variedades seleccionadas para el procesado debe­ rán proporcionar sólo «flavores» característicos del alimento, ni muy fuertes ni muy débiles. Por esto, el «flavor» tiene menos importancia que otros facto­ res (color y textura), en la determinación de la adecuabión de una variedad para el procesado. 1.4.2

RESISTENCIA AL ESFUERZO DURANTE EL PROCESADO

Las diversas variedades de manzanas difieren ampliamente en lo que res­ pecta a su adecuación para el procesado. Algunas variedades para postre se ablandan al procesarlas y resultan, por lo tanto, inadecuadas. Para el enlatado o la congelación, se prefieren variedades firmes, de carne blanca y sabor ácido. Igualmente, los melocotones de hueso adherido tienen una textura excelente cuando se enlatan. Por esta razón, se enlata casi exclusivamente esta variedad y no las de hueso suelto, más arom áticas, m ás delicadas y blancas. Análogamente, las variedades de guisantes Marrowfat, relativamente firmes, se enlatan, en tanto que las variedades de guisantes más blandas se enlatan y se congelan. Las peras Bartlett, muy ácidas y ricas en tanino, adquieren color rosa al enlatarlas. Se ha observado que las condiciones de cultivo y el tipo de suelo son importantes para el control de este defecto y el color rosa se puede evitar, utilizando fratás de pH alto.11 Estos ejemplos son típicos e ilustran la necesidad de realizar ensayos piloto antes de aceptar las materias primas para el procesado. 1.4.3

CARENCIA DE DEFECTOS

La fabricación de alimentos es, desgraciadamente, una actividad que rinde pocos beneficios, y está basada en materias primas de origen natural, que representan un factor esencial del costo. Es, por lo tanto, vital conseguir mate­ rias primas en las que la frecuencia de defectos sea baja. La limpieza, la selec­

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Las operaciones de la ingeniería de los alimentos

ción y la clasificación generan trabajo y gastos y pueden dañar el producto. Estos procesos preparatorios constituyen etapas esenciales del procesado, pero la factoría debe estar cuidadosamente diseñada y los operarios bien entrenados para reducir al mínimo los daño producidos. La bibliografía contiene numero­ sas referencias a lesiones y defectos producidos en el campo, a la siembra de variedades insuficientemente resistentes a las enfermedades y a las alteracio­ nes producidas durante la recolección y manipulación de los productos. El efecto combinado de estas actividades lesivas se traduce en una gran cantidad de desperdicios, en casi todas las factorías alimentarias. Evidentemente, la estrategia básica consiste en partir de una materia prima de alta calidad y tra­ tarla con el mayor cuidado posible. Los defectos que afectan a la adecuación para el procesado son los siguientes: (i) (ii) (iii) (iv) (v) (vi) (vii)

Deformidades y desigualdades geométricas. Lesión mecánica, debida a impacto, punción o abrasión. Defectos de color. Lesiones producidas por animales, hongos y otros microorganismos. Contaminación por materias extrañas. Defectos texturales o funcionales. Inmadurez o madurez excesiva.

1.5 PROPIEDADES RELACIONADAS CON EL GRADO DE DESARROLLO De cuanto llevamos dicho, se deduce claramente que al fabricante de ali­ mentos, le preocupan fundamentalmente las características de las materias pri­ mas naturales o derivadas de las naturales. No es sorprendente, por tanto, que considere su fábrica como una prolongación del campo de cultivo. Por ello, el fabricante se implica en muchos aspectos que antes concernían solo al provee­ dor, como la compra bajo contrato, la programación del cultivo, el transporte y el almacenamiento. 1.5.1

ADQUISICIÓN DE MATERIAS PRIMAS BAJO CONTRATO

La adquisición de materias primas en el mercado libre está hoy obsoleta. Ahora, el fabricante de productos alimenticios contrata previamente, con el granjero o el agricultor, la producción de una determinada extensión de tierra de cultivo. En este sistema, el fabricante se responsabiliza de todas o algunas de las siguientes operaciones: (i) Planificación de la siembra. (ii) Sum inistro de las sem illas de variedades selectas, fertilizantes y fitosanitarios.

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(iii) (iv) (v) (vi)

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Establecimiento de la fecha de recolección. Suministro de ayuda técnica, vía sus agentes de campo. Provisión del equipo para la recolección y, a veces, de la mano de obra. Provisión de los medios de transporte adecuados a sus sistemas de pro­ ducción y manipulación.

Este sistema se aplica a un número creciente de materias primas alimentarias, desde el trigo, la cebada o el centeno, hasta las hortalizas, como patatas, gui­ santes y judías. Es un método muy eficaz de asegurar el suministro de los productos necesarios, en el momento y en la cantidad oportunos. 1.5.2

PRODUCCIÓN SELECTIVA DE MATERIAS PRIMAS

Cualquier mejora importante de la adecuación de las materias primas al fin al que se destinan, o de la ampliación del período de recolección, mejoran la eficiencia del procesado y el grado de utilización de la fábrica. El desarrollo de variedades aptas para el procesado de alimentos debe tomar en consideración todos los atributos de la materia prima que se reflejan en la calidad del produc­ to acabado (Capítulo 3). El desarrollo de variedades adecuadas exige una estrecha cooperación en­ tre los cultivadores, los centros de investigación y los fabricantes, habiéndose realizado, en este campo, considerables progresos, como la producción selec­ tiva de materias primas. La producción de materias primas seleccionadas para el procesado es hoy muy frecuente. Entre los ejemplos típicos, se pueden citar la de patatas, toma­ tes y cebollas, con un elevado contenido en materia seca; la de tomates de los que se obtienen purés de mejor color y sabor; la de coles de Bruselas más aptas para la congelación y la de variedades de pepinos carentes de sabor amargo. La implantación generalizada de la recolección mecánica ha estimulado la producción de variedades con determinadas características de desarrollo. Por ejemplo, actualmente se dispone de variedades de guisantes de poco porte, rectas y con vainas fácilmente arrancables. Igualmente, se han desarrollado variedades de frutas que pueden ser fácilmente arrancadas, o desprendidas por vibración, mediante cosechadoras mecánicas.. 1.5.3

MADURACIÓN

La madurez de las materias primas influye, tanto en el control de la calidad del producto final, como en la eficacia del procesado. Las variedades para procesar requieren que la madurez sea uniforme (para facilitar la recogida mecánica) y predecible, para poder programar la temporada de trabajo. La madurez excesiva conduce al rechazo de una gran cantidad de producto, a lesiones durante la manipulación y al deterioro durante el almacenamiento. La enorme carga microbiana que, con frecuencia, contienen los productos ex­

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Las operaciones de la ingeniería de los alimentos

cesivamente maduros, puede reducir la eficacia de la esterilización. La inma­ durez implica una reducción del rendimiento y un color, un sabor y una textura del producto inferiores a los estándares. En algunos alimentos, por ejemplo, las carnes, los quesos y los vinos, es esencial un período de maduración, en tanto que en otros (por ej., huevos) la maduración es indeseable. Las fratás y las verduras se pueden recolectar en una amplia gama de estados de madurez, dependiendo del fin a que se desti­ nen. Un ejemplo notable lo constituyen los guisantes; se han publicado nume­ rosos trabajos que relacionan su aptitud para el enlatado y la congelación con la madurez.9 Hoy es posible recolectar guisantes con la madurez óptima para el destino que vaya a dárseles. En muchos casos, el período de madurez óptimo dura sólo unas horas, lo que tiene gran importancia para el fabricante. Se han realizado trabajos análogos en las judías.9 1.5.4

PREDICCIÓN DE LA MADURACIÓN

Predecir la fecha de recolección es esencial para la planificación. Con mu­ chos alimentos, por ejemplo, con la carne, la leche y los huevos, las fechas de producción están perfectamente establecidas; en el caso de los guisantes y alubias, la maduración se puede predecir por el sistema de «Unidades de Ca­ lor»12. Este método se basa en el hecho de que la maduración es función de la temperatura de crecimiento. Disponiendo de los datos de crecimiento específi­ cos de la variedad y de los registros meteorológicos medios de la zona de cultivo, es posible predecir a largo plazo la fecha probable de recolección. Durante el período de crecimiento, se pueden realizar correcciones, teniendo en cuenta los datos meteorológicos de la temporada y ajustar consecuentemen­ te la previsión a largo plazo. Por ejemplo, se asume que los guisantes no crecen a temperaturas inferiores a 4,5°C. En cualquier día del crecimiento, la diferen­ cia entre la temperatura media a lo largo del día y esos 4,5°C se conoce como el número de «días-grado» o unidades de calor acumuladas (UCA). Los pro­ veedores de semillas proporcionan información sobre las UCA que precisan muchas variedades de guisantes y judías, lo que permite una predicción fiable del momento de la recolección. 1.5.5

AMPLIACIÓN DE LA TEMPORADA DE RECOLECCIÓN

El empleo de variedades precoces, normales y tardías ha extendido la tem­ porada durante la cual la industria alimentaria dispone de materias primas para el procesado. La adopción de los sistemas broiler y de baterías ha ampliado la disponibilidad de carne de pollo y de huevos. El sistema broiler se utiliza ac­ tualmente para la producción de carne de vacuno, con resultados prometedo­ res. Las variedades de guisantes han sido objeto de numerosas investigaciones tendentes a ampliar la temporada de recolección.

Las materias primas y los procesos

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La disponibilidad de materias primas se puede alargar conservándolas salmuerizadas, desecadas, o en forma de pulpa. También se pueden conservar parcialmente procesadas. Ordinariamente, este procedimiento conlleva un au­ mento de los costos y debe estudiarse cuidadosamente su viabilidad desde el punto de vista económico, antes de adoptarlo. Los pescados plantean problemas especiales, debido al costo, cada vez mayor, de su captura y al agotamiento de las pesquerías y los consiguientes problemas políticos. La acuicultura ofrece perspectivas muy interesantes.13En el Reino Unido, se cultivan actualmente, a precios competitivos, truchas arco iris que alcanzan un peso de alrededor de 5 kg. Se están realizando, con bastan­ te éxito, investigaciones para el cultivo de peces de agua salada.14 La hidroponia, es decir, el cultivo sin suelo, también ofrece interesantes posibilidades de futuro, en orden a la ampliación de la temporada de recolec­ ción. Este sistema permite simplificar el control de las enfermedades, econo­ mizar agua y concentrar las plantaciones. El cultivo sin suelo es, en la actuali­ dad, una práctica comercial perfectamente establecida en muchos países.15

1.6

MECANIZACIÓN Y MATERIAS PRIMAS

La industria alimentaria, enfrentada a un elevado costo de la mano de obra y una baja rentabilidad, ha mecanizado sus operaciones hasta donde le ha sido posible. Sin embargo, la mecanización, que ofrece indudables ventajas si está bien planeada, puede dañar excesivamente los productos. 1.6.1

DAÑOS CAUSADOS AL PRODUCTO

Las principales causas de los daños sufridos por los alimentos durante su preparación son debidas a los operarios (producto de una manipulación poco cuidadosa), a procedimientos mecánicos de manipulación poco adecuados, al mal diseño del equipo y a la carga incorrecta de los contenedores. Los daños se producen en una fase muy precoz de la cadena de fabricación, comenzando por el criador y el cultivador y extendiéndose a lo largo de todo el procesado, incluidos el empaquetado y la distribución. Los daños se manifiestan de diverso modo: alteración del aspecto; infec­ ciones por mohos y otros microorganismos que invaden las áreas magulladas y pinchadas; infestaciones por insectos o gusanos y aceleración de los procesos de deterioro enzimáticos y químicos. Con frecuencia, los daños sufridos por una pieza se transmiten a los productos sanos adyacentes, causando pérdidas económicas y reduciendo o invalidando la eficacia del procesado. En los casos más extremos, representan un riesgo claro para la salud pública. Los productos se lesionan: por impacto con otros o con superficies duras; por excesiva presión debida al amontonamiento; por punción y por abrasión ocasionada por el movimiento y la vibración.

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Las operaciones de la ingeniería de los alimentos

Está, aquí, fuera de lugar un estudio detallado de las lesiones mecánicas sufridas por los alimentos; remitimos al lector a la bibliografía pertinente.2 1.6.2

RECOLECCIÓN MECÁNICA

La sustitución de la recolección selectiva a mano por la mecánica del tipo «de una sola vez» o destructiva ha reducido sustancialmente los costos de mano de obra, pero tiene muchos inconvenientes. Entre los más importantes, se ha­ llan el incremento del daño producido y la consiguiente merma de calidad, y el aumento de la inversión y los costos de mantenimiento. Además, este sistema requiere una coordinación cuidadosa entre el campo y la fábrica. Con frecuen­ cia, exige alteraciones del proceso y cambios en los sistemas de manipulación y almacenamiento. En el Reino Unido, son familiares la recolectora combinada de guisantes, la cosechadora de judías y diversas cosechadoras de tubérculos. En los Esta­ dos Unidos, se han desarrollado numerosas cosechadoras para otras plantas (frutas en baya, espárragos, pepinos, coles y tomates). Las manzanas y los cítricos se pueden recolectar empleando máquinas que sacuden los árboles o que utilizan chorrós de aire.16’17 Las cosechadoras mecánicas hoy en uso utilizan uno o más de los siete principios siguientes: (i) Sacudida de los árboles o arbustos productores de la fruta (a veces com­ binada con pulverización de productos que promueven la abscisión). (ii) Peinado (frutas en baya, como fresas y vacinios). (iii) Corte (coles, lechugas, coliflores, etc.); la planta se secciona a nivel del suelo. (iv) Arranque (zanahorias, rábanos y apio); los tallos son abrazados por cin­ tas que se mueven a ambos lados de la planta. (v) Desprendimiento (pepinos y mazorcas de maíz) usando rodillos de cau­ cho blando que giran diferencialmente. (vi) Desvainado (guisantes y alubias) que implica arrancar, desprender o cor­ tar las matas y desgranar las vainas. (vii) Desenterramiento mecánico (patatas, cebollas, etc.). Con frecuencia, las cosechadoras realizan otras operaciones preparatorias, como aspiración, tamizado, deshuesado y selección por color (ver Capítulo 3). La recolección mecánica, por tanto, requiere un enfoque multidisciplinar, en el que trabajan en estrecha colaboración criadores, granjeros, tecnólogos de los alimentos, ingenieros y economistas. 1.6.3

DISEÑO DE CONTENEDORES PARA EL TRANSPORTE DE MATERIAS PRIMAS

Las lesiones durante el transporte, debidas a los impactos, la abrasión y la presión, suelen ser consecuencia de un uso incorrecto de ios contenedores.

Las materias prim as y las procesos

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Algunos autores han demostrado que disminuyen sustancialmente las lesiones de los tomates, si se recolectan en cajas planas y no en bidones, aunque otros parecen haber probado lo contrario. El trabajo de los primeros sugiere que el contacto entre las unidades es más perjudicial que el del fruto con la superficie del contenedor; el de los segundos apunta en sentido contrario. Indudablemen­ te, resulta necesario considerar otros factores como: el tipo y la variedad de la fruta, su grado de madurez, su forma y su tamaño (que afecta a la energía cinética de su caída) y la naturaleza de la superficie del contenedor (su dureza y su textura). Es evidente que es preciso investigar las distintas situaciones, siendo de interés al respecto el trabajo de O ’Brien y Guillou,19 que desarrolla­ ron un simulador de la vibración en tránsito, para el estudio de la manipulación de las frutas, y el de Hammerle’s20 sobre la evaluación de la resistencia a la abrasión de frutas y hortalizas. Los daños causados por la presión ejercida por el amontonamiento de pro­ ductos en contenedores demasiado altos, o debidos al llenado excesivo de con­ tenedores abiertos por arriba y que luego se apilan, son muy comunes. Algunas manzanas no resisten una sobrecarga de peso estática que exceda a 4 kg, y los melocotones son aún más frágiles. El daño por presión es acumulativo, ema­ nando una pirámide de productos lesionados a partir del punto donde inicial­ mente se ejerce la presión. Este tipo de daño es probablemente más extenso en los contenedores planos, con un cociente elevado superficie expuesta/fruta, que en los contenedores más profundos. 1.6.4

EL TRANSPORTE DE LAS MATERIAS PRIMAS

Es indispensable, en cualquier proceso, disponer de materias primas de la calidad exigida, en las cantidades requeridas y en el momento deseado. En la industria alimentaria, se dan problemas peculiares de aprovisionamiento. Los alimentos frescos son proclives al deterioro microbiano y al causado por insec­ tos y reacciones químicas; en muchos casos, continúan respirando. Una vez recolectados, sólo son disponibles durante un período de tiempo relativamente corto. Los retrasos en el suministro desorganizan la producción y dañan la calidad de las materias primas. La planificación resulta de vital importancia y el fabricante tiene que especificar en el contrato de compra los procedimientos de envío (incluyendo una cláusula penal en caso de incumplimiento) o eximir al proveedor de la responsabilidad del envío, asumiendo él mismo los proble­ mas del transporte. Se deberá poner especial cuidado en la elección de los contenedores (Sec­ ción 1.6.3), que habrán de mantenerse limpios y en buen estado de uso, impi­ diendo así la contaminación de la materia prima con fragmentos de madera, clavos, etc. Cuando el transporte se realice en sacos y bolsas, es necesaria una cuidadosa limpieza y examen de los mismos. En casos de emergencia, puede resultar preciso utilizar sacos de segunda mano, que pueden haber contenido

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Las operaciones de la ingeniería de los alimentos

fertilizantes y productos sanitarios, lo que puede acarrear consecuencias graves. Los vehículos de transporte requieren una atención especial; deberán con­ servarse adecuadamente, a fin de evitar que los alimentos se decoloren o im­ pregnen por los gases del escape o el combustible. Los vehículos deben des­ plazarse suavemente, sin paradas, y estar bien ventilados, a fin de que el calor de los productos se disipe durante el viaje y deberán limpiarse a fondo y man­ tenerse libres de insectos. En el transporte por contrato, es muy difícil contro­ lar estos extremos y es frecuente que las infestaciones por insectos sean debi­ das al transporte en vehículos que no se limpiaron adecuadamente después de transportar materiales infestados, de otros clientes. Finalmente, es importante asegurar, hasta donde sea posible, la integración de las operaciones de transporte, como un todo, en los sistemas de manipula­ ción utilizados en la factoría. Remanipular es caro y daña inevitablemente a las materias primas. 1.6.5

EL ALMACENAMIENTO DE LAS MATERIAS PRIMAS

El ideal sería que todas las materias primas se procesasen, sin demora, al llegar a la factoría. En la práctica, casi nunca es posible, por lo que es necesa­ rio disponer de una zona para el almacenamiento de las materias primas y los productos parcialmente procesados. De este modo, pueden absorberse los re­ trasos en los suministros, los picos de la producción y los fallos de la factoría y se hace posible la compra anticipada, cuando las condiciones del mercado son favorables. Como se indica en el Capítulo 16, las condiciones del almace­ namiento de la mayoría de los alimentos son muy específicas con respecto a la temperatura, la humedad y la atmósfera del entorno. El alm acenam iento inmoviliza el capital y resulta caro. Las exigencias impuestas por numerosos alimentos requieren una consideración muy cuidadosa, al planificar la zona de almacén de la factoría. Con frecuencia, las situaciones de emergencia se pue­ den resolver trabajando horas extraordinarias, o alquilando temporalmente es­ pacio de almacén. No es aconsejable disponer de una gran capacidad de alma­ cenamiento para cubrir situaciones de emergencia.

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Las materias primas y los procesos

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DE LAS MATERIAS PRIMAS

La operación preliminar de limpieza, junto con las de selección y clasifica­ ción, que estudiaremos en el Capítulo 3, se pueden considerar, en general, como operaciones de separación. La «limpieza» La «selección» La «clasificación»

Separa los contaminantes de las materias primas. Separa las materias primas en categorías de caracterís­ ticas físicas (como tamaño, forma y color) diferentes. Separa las materias primas en categorías de diferente calidad.

Esta clasificación es útil, aunque no rígida, ya que las operaciones de lim­ pieza y selección suponen una mejora de la calidad y la clasificación lleva siempre aparejada una cierta selección. Sin embargo, estos términos tienen sentido, siempre que se apliquen al fin primordial perseguido por la actividad considerada.

2.1

FUNCIONES DE LA LIMPIEZA

Al limpiar las materias primas, el fabricante persigue principalmente dos objetivos: (i) la eliminación de contaminantes que constituyen un peligro para la salud o que son estéticamente desagradables; (ii) el control de la carga microbiana y de las reacciones químicas y bioquímicas que perjudican la efi­ cacia del procesado y la calidad del producto. Un proceso de limpieza aceptable debe satisfacer los siguientes criterios: (i) La eficacia de la separación debe ser la máxima compatible con un des­ perdicio mínimo del producto noble. (ii) El contaminante debe retirarse tras su separación, a fin de evitar la recontaminación del alimento limpio. 19

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Las operaciones de la ingeniería de los alimentos

(iii) El proceso y la maquinaria deben diseñarse de tal modo que limiten la recontaminación del alimento limpio; por ejemplo, por el polvo del ambiente o por las aguas de lavado contaminadas por lotes anteriores. (iv) El proceso de limpieza debe dejar la superficie limpia en un estado acep­ table. (v) Tiene que evitar la lesión del producto. (vi) Tanto el volumen y como la concentración de los efluentes líquidos de­ ben ser mínimos. La limpieza total de las materias primas resulta un ideal inalcanzable. En la práctica, hay que establecer un balance entre los costos de limpieza (reflejados por las pérdidas de material, el trabajo y costo del proceso) y la necesidad de producir un alimento de buena calidad. Por ello, deben establecerse estándares «aceptables» de limpieza de las materias primas para cada uso concreto, te­ niendo en cuenta el grado en que la contaminación de la materia prima se va a reflejar en el producto final. La eliminación y descarga ineficiente de contaminantes, una vez separa­ dos, da como resultado la recontaminación del producto. A veces, se produce una recontaminación grave, porque alguno, o todos los contaminantes obteni­ dos de una gran cantidad de material limpio, se depositan sobre una pequeña cantidad del producto o partida procesados a continuación. El resultando es una gran concentración de contaminante en la materia prima afectada. Entre los ejemplos de recontaminación grosera de este tipo, cabe citar la causada por el fallo repentino de un separador electromagnético continuo, o por la perfora­ ción de un tamiz. Prevenir la recontaminación de los alimentos limpios es una cuestión de vital importancia, que se descuida con frecuencia, tanto en el diseño, como en la manipulación de las instalaciones para la limpieza de los alimentos. La eli­ minación fiable de los contaminantes, tanto de las materias primas alimenti­ cias a limpiar como de las zonas de elaboración, constituye una etapa impor­ tante que controla la eficacia de las siguientes operaciones de conservación. En el enlatado, por ejemplo, los procesos térmicos se calculan suponiendo una determinada carga microbiana inicial. Si, debido a un fallo de la operación de limpieza, se sobrepasa esa carga, se obtendrá un producto de una calidad microbiológica inadecuada. De un modo similar, los procesos a baja tempera­ tura, como la congelación, la liofilización y el secado por atomización, exigen materias primas de elevada calidad microbiológica, porque son procesos que apenas disminuyen la contaminación inicial. El estado en que queda la superficie del material, tras la operación de lim­ pieza, es un problema de gran importancia para el fabricante de alimentos. Las superficies rugosas dan una apariencia poco atractiva a las frutas y hortalizas y las células externas lesionadas se oscurecen rápidamente. Además, las superfi­ cies húmedas lesionadas constituyen un medio de cultivo excelente para microorganismos e insectos, como la mosca del vinagre o los gorgojos.

Limpieza de las materias primas

Z1

Los problemas derivados de la lesión del producto se consideran en los Capítulos 1 y 3. Desgraciadamente, muchos procesos de limpieza producen abundantes lesiones. Entre los factores lesivos comunes, deben citarse la pun­ ción con salientes afilados en tolvas, tamices, etc., el impacto contra superfi­ cies duras, no acolchadas, y la abrasión causada por el contacto con las super­ ficies en movimiento de las máquinas limpiadoras. Durante la limpieza, se generan grandes cantidades de efluentes (funda­ mentalmente, líquidos). En el control de la eficacia y los costos, resulta esen­ cial reducir el volumen de efluentes. En las etapas subsiguientes, de selección y clasificación, pueden corregirse algunos de los fallos de una limpieza poco eficaz, pero muchos de los defectos terminarán por transmitirse al producto acabado. La planta de limpieza debe ser cuidadosamente diseñada, estar construida con materiales no contaminan­ tes, ser de fácil desinfección y suficientemente flexible como para poder hacer frente a amplias variaciones en el grado y tipo de contaminación que pueden encontrarse en las materias primas. Desgraciadamente, muchas plantas de limpieza no satisfacen estos crite­ rios. Mientras no lo hagan, el deterioro y los productos de desecho seguirán contribuyendo de forma importante al costo del procesado de los alimentos.

2.2

CONTAMINANTES DE LAS MATERIAS PRIMAS ALIMENTICIAS

En el Reino Unido, la contaminación de los alimentos está regulada por la Food Act 1984, que prohíbe la venta de alimentos que no sean de la naturaleza, composición y calidad solicitados y/o que no sean apropiados para el consumo humano. La contaminación genera el 50% de las demandas legales basadas en el A cta.1 Los contaminantes son de muy diverso tipo: unos químicos, como los me­ tales tóxicos, los residuos de tratamientos diversos, etc., otros microbianos y finalmente otros que están constituidos por materiales groseros, como piezas sueltas de máquinas o de tractores. La creciente mecanización de la recolec­ ción, procesado, manipulación y almacenamiento de los alimentos ha tendido a incrementar, más que a disminuir, la contaminación de origen vegetal y mi­ neral de las materias primas; la generalización del uso de aerosoles en la agri­ cultura constituye un riesgo adicional del procesado de los alimentos. Ya se ha puesto de manifiesto la importancia de la limpieza microbiológica; conviene tener en cuenta que, la contaminación microbiológica de los alimen­ tos puede deberse a prácticamente todos los ingredientes de la industria alimentaria -agua, azúcar, almidones, especias, colorantes e incluso recipien­ te s -.2-3

22

Las operaciones de la ingeniería de los alimentos

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>, de aproximadamente 25-30°C. Para economizar energía, en los sistemas de evaporación, suele ser preciso operar a diferencias de temperatura conside­ rablemente inferiores a esta (véase Sección 12.8). Puede decirse, en resumen, que el cálculo de los valores de U es difícil, si no imposible. Los estudios en plantas piloto suministran una información va­ liosa, aunque para seleccionar un valor de U, para estudios de diseño, el inge­ niero de procesos tiene que basarse, en gran medida, en la experiencia.

12.5

INFLUENCIA EN LA EVAPORACIÓN DE LAS PROPIEDADES DEL LÍQUIDO DE ALIMENTACIÓN

Las propiedades del líquido de alimentación determinan, en gran medida, la elección del tipo de evaporador a utilizar en un proceso dado. 12.5.2

VISCOSIDAD

Las viscosidades elevadas tienden a reducir las velocidades de circulación y los coeficientes de transmisión de calor. En general, la viscosidad de una disolución sometida a evaporación aumenta con la concentración, por lo que es de esperar que, a medida que discurre la evaporación, descienda la veloci­ dad de transmisión de calor. Durante los últimos años, se han ido popularizando los evaporadores de película descendente de gran capacidad (Sección 12.6.3.2), para la concentra­ ción de productos viscosos. Para los de viscosidad muy alta, se utilizan, como finalizadores, evaporadores de película descendente de superficies barridas mecánicamente (Sección 12.6.6). 12.5.2. DEPOSICIÓN DE COSTRAS / (FORMACIÓN DE INCRUSTACIONES) En la industria alimentaria, la formación de depósitos sobre las superficies de transmisión de calor, al igual que en otros procesos de intercambio de calor, puede disminuir la eficacia de los sistemas de evaporación. La deposición de costras sobre las superficies transmisoras de calor, durante la evaporación, reduce el valor de U y, si es suficientemente grave, puede provocar grandes caídas de presión y reducir la velocidad de flujo, obligando a detener la pro­ ducción para efectuar la limpieza. El ingeniero de diseño incorpora un «factor

Evaporación

351

de incrustación» al coeficiente global de transmisión de calor (OHTC) para tomar en consideración la resistencia adicional ofrecida por una capa de cos­ tra, pero los factores de este tipo, si son excesivos, pueden incrementar mucho los costos de inversión. Aunque todavía no se entiende suficientemente, el fenómeno de incrusta­ ción en las superficies de transmisión de calor ha venido recibiendo una aten­ ción creciente.6 La formación de costras puede deberse a la adherencia de sóli­ dos suspendidos presentes en el líquido de alimentación, aunque lo habitual es que se depositen sustancias disueltas. Las proteínas se desnaturalizan durante el calentamiento. El depósito de polisacáridos puede conducir a que el produc­ to «se chamusque». Un factor obviamente importante es la composición quí­ mica del líquido. En el caso de la leche, la composición química de las costras o incrustaciones varía con la temperatura, e incluso con la estación en que tiene lugar el ordeño.7 La experiencia demuestra que la deposición de costras es menos pronunciada cuando la velocidad del líquido es alta. Posiblemente se deba a la acción de arrastre por la corriente de líquido que fluye rápidamente. Por este motivo, los líquidos muy propensos a la formación de costras deben procesarse en evaporadores de circulación forzada, o en evaporadores de su­ perficies barridas mecánicamente. También influyen sobre la formación de incrustaciones la temperatura global del líquido, la de la superficie en la que tiene lugar el depósito y la naturaleza de esa superficie. Hay datos que apuntan a que las superficies de transmisión de calor muy pulidas reducen los depósi­ tos en algunos procesos de evaporación,8 pero el costo de producción de estas superficies es considerable. Existen dispositivos magnéticos para evitar la formación de costra, que se dice son capaces de reducir muy significativamente el tiempo de limpieza de algunos evaporadores. Se ha señalado que, si se hace pasar el líquido de ali­ mentación a través de un fuerte campo magnético, antes de entrar en el evaporador, se modifican las características físicas de los sólidos depositados y que, en lugar de formar una costra difícil de desprender, los sólidos se depo­ sitan de una forma que facilita su eliminación. El efecto de arrastre del líquido en ebullición es suficiente, entonces, para mantener más limpias las superfi­ cies transmisoras de calor durante períodos de tiempo más largos. Según D iam ant,9 el intervalo entre paradas para lim piar las superficies de los evaporadores de azúcar aumenta, de 6 a 52 días si se introduce el tratamiento magnético. Pese a que las unidades magnéticas son hoy de uso frecuente, en algunas áreas de procesado (por ej., en el tratamiento de aguas) no hay, en modo alguno, acuerdo sobre sus bases científicas.10 Al objeto de reducir los costos de mano de obra, los líquidos propensos a la formación de costras deben procesarse siempre en evaporadores de fácil acce­ so para la limpieza. Para resolver el problema de la limpieza de los evaporadores, los ingenieros de los alimentos recurren cada vez más a los sistemas de «lim­ pieza química in situ» (Capítulo 17).

352

Las operaciones de la ingeniería de los alimentos

12.5.3 FORMACIÓN DE ESPUMA Y ARRASTRE DE LÍQUIDO POR EL VAPOR La rapidez con que se forma vapor en condiciones de intensa ebullición determ ina el arrastre de gotas de líquido por el vapor que abandona el evaporador. En algunas circunstancias, en ciertos líquidos, como la leche, se forma una espuma estable. Esto ocurre, sobre todo, en la ebullición a presión reducida y con una carga hidrostática grande. Los líquidos puros rara vez for­ man espuma, pero las disoluciones o suspensiones que contienen sustancias tensioactivas, generalmente compuestos orgánicos (como ácidos grasos, alco­ holes, gomas vegetales, proteínas, etc, frecuentes en los alimentos líquidos), pueden inducir la formación de espumas, especialmente en condiciones de ebullición nucleante, cuando las burbujas de vapor sobrecalentado agitan el líquido en los evaporadores discontinuos antiguos, «tipo estándar». Se cree que la formación de espuma está relacionada con las fuerzas interfaciales que se crean entre el vapor, el líquido sobrecalentado y los sólidos suspendidos, siendo estos últimos capaces de actuar como núcleos para la formación de burbujas. El arrastre de líquido por el vapor y la formación de espuma acarrean pérdidas de producto, pero en el caso de productos acuosos, en el que es fre­ cuente la utilización de condensadores de contacto directo, por aspersión, tam­ bién contaminan el agua de enfriamiento, con el consiguiente aumento de la carga de los efluentes. Existen diversos métodos de rotura de las espumas y numerosos dispositivos mecánicos que minimizan los arrastres por el vapor (véase Sección 12.7.3). 12.5.4

SENSIBILIDAD A LA TEMPERATURA

Al objeto de reducir los daños causados a los materiales sensibles al calor, durante la evaporación, conviene reducir las temperaturas de ebullición y los tiempos de residencia de los líquidos en la zona de calentamiento. Las temperaturas de ebullición se rebajan reduciendo la presión de trabajo del evaporador, con lo que pueden conseguirse diferencias de temperatura sa­ tisfactorias, con medios de calentamiento a temperaturas más bajas. Suelen utilizarse temperaturas de ebullición entre 40 y 90°C, según latermosensibilidad del producto.1 En la actualidad, se acepta generalmente que pueden tolerarse temperatu­ ras algo más elevadas que las previamente consideradas temperaturas máxi­ mas de operación seguras, si se acortan los tiempos de residencia a las tempe­ raturas más altas. Los evaporadores de película descendente (Sección 12.6.3.2) se usan con frecuencia para la concentración de alimentos líquidos sensibles al c a lo r12 y, en la industria láctea, casi han desterrado a las unidades de recirculación.13 En ellos, el escaso volumen de líquido que en cualquier mo­ mento contienen y su alta velocidad del flujo determinan tiempos de residen­ cia muy cortos, del orden de 10-30 s, incluso con alimentos bastante viscosos. Para los líquidos termosensibles de viscosidad aún más alta, se usan hoy, con

Evaporación

353

frecuencia, evaporadores de película barrida mecánicamente (Sección 12.6.6) que tienen tiempos de residencia de 2-5 s.14 12.5.5

PÉRDIDA DE AROMA

Los componentes orgánicos del aroma y el flavor de muchos alimentos líquidos, zumos de frutas, etc., son más volátiles que el agua. Cuando estos líquidos se someten a evaporación, sus componentes volátiles son arrastrados con el vapor de agua, con lo que se deteriora la calidad sensorial del concentra­ do resultante. Normalmente, los componentes volátiles se recuperan del vapor en forma de «esencias», por destilación fraccionada.15,16 El líquido desaroma­ tizado se concentra por separado y luego se vuelve a mezclar con las esencias. Un avance reciente en la recuperación de flavores y aromas es el que cons­ tituye un proceso de destilación molecular, que incorpora una columna de co­ nos centrífugos modificada. Esta unidad logra una más eficaz desaromatización del concentrado y reducen el daño producido al aroma, por asegurar tiempos de residencia más cortos.17 12.5.6

CARACTERÍSTICAS DE LA CORROSIÓN

En los estudios de diseño de procesos, es preciso tener en cuenta la natura­ leza corrosiva de los materiales considerados. Tienen que elegirse materiales de construcción compatibles con los productos alimenticios. Incluso trazas de contaminación pueden infringir las leyes que prescriben niveles máximos de elementos traza en los alimentos.18 En el Reino Unido,-un grupo de trabajo del Ministerio de Agricultura, Pesca y Alimentación y otro de Inspección de Ali­ mentos determina y publica las tasas de ciertos metales pesados que contienen los alimentos (por ej., Food Surveillance Paper N° 15).19 Los ingenieros de procesos, para seleccionar los materiales de los aparatos que vayan a entrar en contacto con los alimentos, deben estar al corriente de los datos aportados por este grupo de trabajo. El material utilizado normalmente para la construcción de los evaporadores es el acero inoxidable.12 12.6

EQUIPOS DE EVAPORACIÓN

Existen muchos tipos de evaporadores. Seguidamente se expondrán las ca­ racterísticas esenciales de los tipos más importantes. 12.6.1 12.6.1.1

EVAPORADORES DE CIRCULACIÓN NATURAL Evaporador de caldera abierta

Son los evaporadores comerciales más simples que existen: son muy popu­ lares por su bajo precio. Aunque el depósito de estos evaporadores puede ca-

354

Las operaciones de la ingeniería de los alimentos

lentarse directamente, lo más frecuente es que estén provistos de una camisa de calentamiento externa o de serpentines internos, a través de los cuales pasa el medio que transfiere el calor. En estas unidades, las velocidades de evapora­ ción son bajas y la economía térmica es pobre. Las calderas pueden cerrarse para permitir la operación a vacío. La agitación favorece la transmisión de calor, aumentando su velocidad, y reduce el riesgo de «chamuscado» del pro­ ducto que contacta con las superficies de calentamiento. Estos evaporadores simples se usan para concentrar pulpa de tomate, para la preparación de sopas y salsas y para la ebullición de confituras y productos de confitería. Los evaporadores de camisa pequeños son muy útiles, pero en los de mayor capa­ cidad el cociente superficie de transmisión de calor/volumen de líquido se reduce considerablem ente y el calentamiento se hace menos eficaz. Los serpentines de calentamiento internos que se instalan en las unidades de mayor tamaño pueden dificultar la circulación del líquido y reducir, por tanto, la velo­ cidad de transmisión de calor. Generalmente, cuando se requieren unidades de gran capacidad, son preferibles otros tipos de evaporadores, que ofrecen ma­ yores ventajas.

Vapor

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Vapor de agua

Alim entación

Producto

FIG . 12.4

Condensado

D iagram a de un evaporador de tubos cortos horizontales.

Evaporación

12.6.1.2

355

Evaporador de tubos cortos horizontales

En este tipo de evaporador, la parte inferior de la cámara está atravesada por un banco de tubos horizontales, calentados internamente por vapor (Fig. 12.4). Por encima del calentador existe un amplio espacio, para permitir la separación por gravedad de las gotas de líquido que son arrastradas por el vapor desprendido del líquidol Para reducir aún más el arrastre y facilitar la separación, pueden disponerse, en el interior de este espacio, láminas de cho­ que separadoras. El banco de tubos horizontales dificulta la circulación y, en consecuencia, los coeficientes globales de transmisión de calor de este tipo de evaporadores son bajos. Este tipo de unidad se destinaba originalmente a la evaporación de líquidos de escasa viscosidad, que no formaban espuma ni costras. 12.6.1.3

Evaporador de tubos cortos verticales

Este tipo de unidad (Fig. 12.5) se usa mucho todavía en procesos industria­ les, llegándose a conocer con el nombre de «evaporador estándar». En él, el vapor se condensa sobre la superficie exterior de los tubos dispuestos vertical­ mente. La «calandria», o conjunto de tubos que atraviesan la cámara de vapor, Vapor

FIG . 12.5

D iagram a de un evaporador de tubos cortos verticales.

356

Las operaciones de la ingeniería de los alimentos Vapor

V apor de agua

Alim entación

3f C ondensado

FIG. 12.6

Producto

Diagram a de un evaporador de tubos cortos verticales con calandria tipo cesta.

V apor de agua

FIG . 12.7

E vaporador de circulación natural con calandria externa y separador de ciclón.

Evaporación

357

posee frecuentemente un tubo de retorno central, que normalmente no ocupa menos del 40% del área de flujo de los tubos de ascenso. El líquido situado en el tubo de retorno está más frío que el de los tubos calentados de ascenso, por lo que se crean corrientes de circulación natural. La longitud de los tubos osci­ la entre 0,5 y 2 m y el diámetro entre 25 y 75 mm. Cuando se evaporan líquidos que forman costra, los tubos deben estar cu­ biertos siempre por el líquido, para que la deposición de material sea mínima. Las unidades pueden equiparse con «calandrias de cesta» (Fig. 12.6) que se pueden desmontar fácilmente para limpiarlas. Este tipo de evaporador alcanza buenas velocidades de evaporación con líquidos de viscosidad moderada, no corrosivos y poco tendentes a la forma­ ción de costra. Entre sus aplicaciones típicas se hallan la concentración de disoluciones de azúcar de caña, azúcar de remolacha, glucosa, extracto de malta, sal y zumos de fmtas. 12.6.1.4

Evaporador de circulación natural con calandria exterior

En esta unidad, la calandria no ocupa la cámara del separador de vapor (Fig. 12.7). La construcción es simple y permite fácil acceso al haz de tubos. La calandria y su carcasa se sustituyen frecuentemente por un cambiador de calor de placas, que resulta particularmente útil cuando es previsible la forma­ ción de costras o la degradación del producto, ya que esta unidad se puede desmontar rápidamente para su limpieza. A pesar de que se mantienen en recirculación grandes volúmenes de líquido, los evaporadores de este tipo que operan a presiones reducidas se usan profusamente para la concentración de productos alimenticios sensibles al calor, como la leche, los extractos cárnicos y los zumos de frutas. 12.6.2

EVAPORADORES DE CIRCULACIÓN FORZADA

Los evaporadores con calandrias externas operan con frecuencia como uni­ dades de circulación forzada (Fig. 12.8). Estas unidades son capaces de con­ centrar líquidos viscosos, con los que consiguen mantener velocidades de cir­ culación adecuadas, mediante bombeo. Si los líquidos son poco viscosos, se usan bombas centrífugas y, si lo son más, se emplean bombas de desplaza­ miento positivo. En algunos evaporadores de unidades de cristalización se monta una hélice impulsora en el tubo central de retorno, al objeto de aumentar la circulación del líquido. 12.6.3

EVAPORADORES DE TUBOS LARGOS

Estos evaporadores constan de una cámara vertical provista de cambiadores de calor tubulares. Como medio de calentamiento suele utilizarse vapor, que se condensa en el interior de la cámara.

Las operaciones de la ingeniería de los alimentos

358

FIG. 12. 8

12.6.3.1

Diagrama de un evaporador de circulación forzada con calandria externa.

Evaporador de película ascendente

Los evaporadores de este tipo (Fig. 12.9(b)) suelen poseer tubos de 3-12 m de longitud y 25-50 mm de diámetro. El líquido penetra por la parte inferior de los tubos, precalentado casi a ebullición, y comienza a hervir tras ascender un corto trecho. La expansión debida a la vaporización hace que se formen burbu­ jas de vapor, que ascienden a gran velocidad por los tubos, arrastrando líquido hacia la parte superior. A medida que el líquido asciende, se va concentrando y, en condiciones óptimas, el vapor arrastra hacia arriba, sobre la pared de los tubos, una fina película del líquido, que se concentra rápidamente. La mezcla de vapor-líquido, que emerge por la parte superior de los tubos, pasa seguida­ mente a un separador, en el que se elimina el vapor. El líquido concentrado se puede extraer directamente, pero también puede mezclarse con líquido no con­ centrado, para ser recirculado, o puede pasar a un segundo evaporador, para proseguir en él su concentración (véase Sección 12.8.1). En este tipo de evaporadores, el tiempo de residencia en la zona de calentamiento es corto y los valores U son elevados, razón por la cual los evaporadores de película ascendente son útiles para concentrar productos termosensibles.

Evaporación

359

FIG. 12.9 Evaporadores de tubos largos, (a) Evaporador de película ascendente y descendente, (b) Evaporador de película ascendente con columna barométrica para la descarga del producto.

12.6.3.2

Evaporador de película descendente

Es similar al anterior, pero el líquido de alimentación precalentado entra por la parte superior del haz de tubos, que pueden tener hasta 15 m de longitud. El líquido se distribuye a los tubos de modo que fluya hacia abajo, resbalando por la superficie interna, en forma de película en ebullición. De acuerdo con W iegand12 «el componente más crítico del evaporador de película descendente es el dispositivo de distribución. Su buen funcionamiento es vital para que el de toda la instalación sea correcto». Es obligado que esté com pleta y homogéneamente mojada la superficie de todos y cada uno de los tubos, de lo contrario se depositarán sólidos en las zonas secas, descenderá rápidamente la transmisión de calor y hasta pueden bloquearse los tubos. Como no se requiere un efecto «termosifón» para hacer ascender el líquido y, si opera correctamente, no hay carga hidrostática de líquido en los tubos, se puede mantener una temperatura de ebullición baja y uniforme. Si las condi­ ciones reinantes en el lado del vapor están cuidadosamente elegidas, la escasa caída de presión y la constancia de la temperatura del sistema, al lado del producto, permiten su uso con diferencias de temperatura de 2°C. Con estas diferencias de temperatura tan bajas, no se deposita costra y se facilita la lim­ pieza y la instalación de múltiples efectos (Sección 12.8) y, por tanto, el ahorro de energía. La alta velocidad del núcleo de vapor y la cantidad mínima de líquido que moja las superficies de los tubos permiten tiempos de residencia

360

Las operaciones de la ingeniería de los alimentos

cortos (10-30 s), que dependen de la longitud de los tubos y de la viscosidad del concentrado.12 Se usa mucho para concentrar zumos de cítricos y, durante los últimos años, su uso se ha extendido a otras áreas de la industria alimentaria, especialmente al sector lácteo, en el que prácticamente ha sustituido a los evaporadores de circulación.20 12.6.3.3

Evaporador de película ascendente-descendente

Frecuentemente se utiliza una combinación de evaporación en película as­ cendente y en película descendente (Fig. 12.9(a)). En este tipo de evaporador, el líquido de alimentación diluido se concentra parcialmente en la sección de película ascendente y luego, el producto más viscoso pasa a la sección de pelí­ cula descendente. Con estas combinaciones se consiguen altas velocidades de evaporación. 12.6.4

EVAPORADORES DE PLACAS

Aunque el moderno evaporador de placas, tan popular en la industria, se introdujo comercialmente en la década de 1950, el primer evaporador basado en el principio por el que opera se instaló ya en 1928, para la concentración de jaleas.21

Sección de vapor de agua

Sección de descarga

FIG. 12.10 Disposición de las placas en un evaporador de placas APV. Como puede verse se repiten las secciones de vapor, entrada de la película ascendente y descarga de la película des­ cendente. (Cortesía de APV- Baker).

Evaporación

361

El evaporador de placas convencional utiliza el principio de la película ascendente-descendente dentro de un cambiador de calor de placas, aunque se precisan espacios entre placas más amplios, para acomodar el vapor sin que se produzcan grandes caídas de presión. Normalmente, las placas están formando bloques de cuatro unidades (Fig. 12.10). El vapor se condensa en los espacios que quedan entre las placas 4-1 y 2-3. El líquido precalentado hierve sobre las superficies de las placas, asciende en forma de película por el espacio que queda entre las placas 1-2 y desciende, en forma de película, por entre las placas 3-4. El número de bloques de 4 placas puede variarse, para adaptar la capacidad de la planta a las necesidades. La mezcla de vapor-líquido que sale del conjunto de placas pasa a un separador centrífugo. Este evaporador es útil para concentrar productos termosensibles, ya que las altas velocidades del lí­ quido que se consiguen permiten una buena transmisión de calor y tiempos de residencia cortos. Esto, unido a la rapidez y facilidad con que se desmonta la unidad y a la poca superficie de suelo que ocupa, le han convertido en un evaporador muy popular. En otro tipo de evaporador de placas, desarrollado por APV-Baker, se han suprimido las secciones de película ascendente. El líquido fluye exclusiva­ mente en forma de película descendente, sobre placas mayores que las del evaporador de placas convencional. En esta nueva unidad, usada para la con­ centración de zumos cítricos, se evita la recirculación interna y se consiguen tiempos de residencia muy cortos.22 En otro tipo de evaporador, diseñado para altas capacidades evaporativas, la superficie de calentamiento (formada por un paquete de placas verticales) se encuentra suspendida en el interior de una envoltura cilindrica que actúa como separador de la mezcla vapor-líquido. El líquido de alimentación precalentado se rocía sobre la parte superior del blo­ que de placas calentadas y fluye hacia abajo sobre las superficies calientes en forma de película delgada. En otro tipo de desarrollo reciente, se combinan aspectos de los evaporadores de placas y de los de tubos. En el evaporador Alfa-Lava! Cassette (Middlesex, England) se ha diseñado la ruta del flujo del lado del producto para dar un área creciente al flujo de vapor, en tanto que disminuye el perímetro mojado por el líquido que se está concentrando. Las propiedades del sistema líquido/vapor cambian, pero la velocidad del líquido, el espesor de la película y la velocidad del vapor se mantienen constantes. Así, se reduce la caída de la presión, lo que permite el uso de rangos de temperatura más bajos que los que se utilizan en la mayor parte de los evaporadores. Es una unidad menos tendente a la forma­ ción de incrustaciones, lo que facilita su limpieza.23 12.6.5

EVAPORADOR DE FLUJO EN EXPANSIÓN

En este aparato, diseñado para la concentración de productos lácteos, zu­ mos de frutas, etc.,24,25 el líquido y el vapor fluyen por espacios alternados, de forma similar a como lo hacen en un evaporador de placas (Fig. 12.11). Sin

362

Las operaciones de la ingeniería de los alimentos

□

V apor de agua Condensado

L íq u id o a concentrar

Líquido concentrado V apor del líquido

FIG. 2.11 Sección transversal del evaporador de flujo expandido A lfa-Laval, ilustrativa de su funcionamiento. (Cortesía de Alfa-Laval Co. Ltd., Brentford, Middlesex.).

FIG. 12.12

Evaporador horizontal de película mecánicamente formada.

Evaporación

363

embargo, las placas se sustituyen por delgados conos invertidos de acero inoxi­ dable, provistos de juntas de cierre, para evitar fugas. La corriente de alimen­ tación penetra por el eje de giro central, situado en la base de la pila de conos, y entra a través de boquillas de alimentación a los espacios de los conos calen­ tados. Fluyendo hacia arriba y hacia afuera sobre las superficies calentadas por el vapor, bajo presión reducida, el líquido alcanza rápidamente el punto de ebullición. Del sistema de conos sale tangencialmente a gran velocidad una corriente de vapor-líquido que se separa fácilmente. El vapor separado se des­ plaza hacia la parte superior, por donde sale, vía una pantalla concéntrica que separa la cámara interna de la externa. La alta velocidad que adquiere el líqui­ do en los espacios que quedan entre los conos determina la formación de del­ gadas películas turbulentas del líquido en evaporación, que permiten velocida­ des de transmisión de calor elevadas y tiempos de residencia cortos. La unidad está diseñada para su «limpieza in situ». 12.6.6

EVAPORADORES DE PELÍCULA DELGADA MECÁNICA

Estos evaporadores están normalmente constituidos por una cámara, recubierta de camisa de calentamiento, en cuyo interior se aloja un rotor con múltiples láminas que puede estar montado vertical u horizontalmente. El área de la sección transversal de las cámaras, dispuestas horizontalmente (Fig. 12.12), decrece en la dirección del flujo, lo que permite mojar adecuadamente las pa­ redes, incluso a velocidades de flujo bajas, minimizando así el riesgo de encostrado y el de «chamuscado» del producto. Las láminas del rotor pueden dejar una holgura fija, con las paredes del cilindro, o flotar. En los de holgura fija, las láminas no contactan con la pared interna, sino que dejan un espacio entre sus bordes y la superficie de transmisión de calor de 0,5-2 mm. Generalmente, las láminas recorren la camisa calentadora en toda su longitud. Los evaporadores de «película barrida» centrífugamente agitada poseen láminas flotantes.26 Estas láminas, más cortas, se montan en secciones, a inter­ valos, a lo largo de toda la longitud de la cámara encamisada. El número de láminas varía en las distintas secciones. Cuando el motor gira, las láminas basculan hacia la superficie de calentamiento, mojada, bajo la influencia de la fuerza centrífuga. Algunas unidades poseen muelles que ayudan a la fuerza centrífuga generada a contrarrestar las fuerzas del fluido desarrolladas en la película. Este tipo de evaporadores de película barrida mantienen películas de menos espesor, a veces de no más de 0,25 mm. El grosor de la misma varía con el líquido de alimentación y las condiciones en que opere. Las láminas se des­ lizan sobre la superficie de la película y generan una onda que viaja inmediata­ mente por delante. Casi toda la evaporación se produce en la película que la lámina deja detrás. La onda frontal juega un papel importante en la distribu­ ción angular y vertical del líquido en concentración sobre la superficie calien­

364

Las operaciones de la ingeniería de los alimentos

te; el tipo de flujo desarrollado asegura el calentamiento uniforme de cada una de las porciones del concentrado. Esto y su capacidad de procesar líquidos muy viscosos, tendentes a formar espuma y costra, manteniendo velocidades altas de transmisión de calor, les hace muy útiles para la concentración de productos muy termosensibles. Las ventajas de los evaporadores de película barrida mecánicamente son, en cierto grado, contrarrestadas por su costo relativamente alto y su poca capa­ cidad (50-3.000 kg h '1),26por estas razones, suelen emplearse como Analizadores o evaporadores de acabado, en los que hay que afrontar capacidades relativa­ mente pequeñas y viscosidades elevadas. Hoy se recomiendan los evaporadores de superficie barrida mecánicamen­ te por su amplia versatilidad operacional. Los parámetros operacionales, como presión, temperatura, carga hidráulica, capacidad evaporativa, etc., de un de­ terminado evaporador pueden modificarse dentro de límites amplios, lo que los hace adecuados para aplicaciones m ultiproducto.27 En la industria alimentaria, se usan mucho para la concentración de pasta de tomate, café, leche, suero, malta y productos azucarados. Existe otro evaporador de película delgada mecánica, desarrollado para concentrar productos termosensibles, similar a la unidad de flujo en expan­ sión, en el que la pila de conos gira a gran velocidad, lanzando gotitas de líquido y de condensado de vapor desde las superficies de calentamiento, por acción de la fuerza centrífuga. Se ha publicado que el evaporador «Centritherm» consigue buenas separaciones a elevadas velocidades de transmisión de calor y con tiempos de residencia sumamente cortos.24,28 12.6.7 EVAPORADORES A BAJA TEMPERATURA (EVAPORADORES DE CICLO DE REFRIGERACIÓN O DE BOMBA DE CALOR) Para la concentración a vacío de productos muy termosensibles, a bajas presiones, se requiere que la condensación del vapor tenga lugar a temperatu­ ras bajas; por ello, se han desarrollado evaporadores que utilizan «bombas de calor» (Fig. 12.13). En estas unidades, sobre los tubos de la calandria se con­ densa un gas refrigerante, para aportar el calor latente de vaporización necesa­ rio para la ebullición, y se evapora en el condensador, para condensar el vapor generado en el lado del producto.29 En este tipo de evaporadores, se usan tem­ peraturas de ebullición tan bajas como 20°C, para evitar el daño térmico. Desde hace tiempo se sabe que algunos productos muy sensibles al calor, como los zumos de frutos cítricos, pueden resistir temperaturas mucho más elevadas que las que previamente se consideraban máximas tolerables, siem­ pre que los tiempos permanencia a altas temperaturas sean lo suficientemente cortos.22 Hoy, se dispone de diversos evaporadores de película fina con tiem­ pos de residencia cortos, capaces de tratar productos altamente termosensibles, a temperaturas de ebullición más altas y, por tanto, de forma más económica.

Evaporación

FIG. 12.13

365

Evaporador de ciclo de refrigeración.

Desde su advenimiento, ha declinado mucho el uso de los evaporadores a baja temperatura.30 Sin embargo se siguen citando en la bibliografía.31

12.7

E Q U IPO AU X ILIA R

Casi todos los sistemas de evaporación empleados en el procesado de ali­ mentos operan a presión inferior a la atmosférica, por lo que se precisan condensadores de vapor y bombas de vacío, o eyectores. La atmósfera presente en un evaporador está formada por: (i) Vapor condensable. (ii) Gases no condensables (aire que penetra en el sistema por las fugas y el resultante de la degasificación de las corrientes de alimentación). En la evaporación a vacío, la presión parcial de vapor se mantiene baja, mediante la condensación del vapor de agua y la eliminación de los gases no condensables, por medio de una bomba o un eyector.

Las operaciones de la ingeniería ele los alimentos

366

12.7.1

CONDENSADORES

Los condensadores de superficie (por ej., los condensadores tubulares alo­ jados en cámara de enfriamiento) se emplean cuando no se puede mezclar el vapor condensado con el agua de enfriamiento. Estas unidades son caras y necesitan mucha agua de enfriamiento, en comparación con la que precisan los condensadores por contacto directo, utilizados comúnmente en las industrias alimentarias. En los condensadores de contacto directo, el vapor se mezcla directam en­ te con el agua de enfriamiento nebuíizada. Estos condensadores son más simples, más pequeños y más baratos que los condensadores de contacto indirecto. El condensado y el agua de enfriamiento de los condensadores de contacto directo se elimina mediante una bomba de condensado o una co­ lumna barométrica. La columna barométrica es un tubo vertical de unos 11 m de altura, conectado por la parte superior a la base de descarga del condensa­ dor y sumergido por su extremo inferior en una pieza que actúa como cierre hidrostático (Fig. 12.9b). La altura de la columna hidrostática (diferencia entre el nivel del agua en el tubo y la superficie del cierre hidrostático) se ajusta automáticamente a la dife­ rencia entre la presión del equipo evacuado y la atmosférica. Así se puede extraer el líquido sin romper el vacío. 12.7.2

BOMBAS DE VACÍO

Para evacuar los evaporadores, se usan comúnmente bombas de desplaza­ miento positivo y eyectores de chorro de vapor. En el eyector de chorro (Fig. 12.14) se hace pasar, a través de una boquilla, vapor a alta presión, que penetra en una cámara en la que arrastra el vapor y los gases presentes. El vapor de agua y los gases penetran, a alta velocidad, en una boquilla convergente-divergente, en la que la energía cinética se convierte en energía de presión. Un eyector de una sola etapa puede producir un vacío de unos 16,7 kN n r 2(pre­ sión); uno de dos etapas produce un vacío de unos 3,4 kN n r 2 y un eyector de

FIG. 12.14

Diagrama de un eyector de chorro de vapor de una sola etapa.

Evaporación

367

tres etapas un vacío de menos de 1 kN n r 2. Es importante tener en cuenta que el equipo de vacío es el responsable de la eliminación del sistema de los gases no condensables, no del mantenimiento de la temperatura de ebullición desea­ da, función que corresponde al condensador. En cualquier tipo de condensa­ dor, el rendimiento global depende en gran parte de la velocidad de flujo del agua de enfriamiento y de su temperatura. Muchos problemas de operación de los sistemas evaporadores se deben a que las condiciones del agua de enfria­ miento no son las adecuadas. 12.7.3

SEPARADORES

Cuando la velocidad de evaporación es elevada, el vapor de agua arrastra gotitas del líquido en ebullición. Para reducir la pérdida de líquido concentra­ do arrastrado por el vapor, se utilizan separadores de arrastre. Los separadores pueden consistir en una simple lámina de choque (Fig. 12.8), o en una pantalla de láminas inclinadas, situadas en la proximidad de la salida de vapor. También es frecuente el uso de mallas metálicas de acero inoxi­ dable u otros materiales.32 Comunes son, igualmente, los separadores centrífugos. En este tipo de separadores, la mezcla de vapor-líquido entra tangencialmente en un recipien­ te cilindrico (Fig. 12.7) en el que, bajo el influjo de la fuerza centrífuga, las gotitas líquidas, más pesadas, son lanzadas contra las paredes de las que, al perder energía cinética en la colisión, escurren hacia la base, mientras el vapor sale de la unidad. En principio, estos separadores detienen las gotitas líquidas más pesadas y permiten la salida del vapor. Su eficacia depende, en la práctica, del nivel del líquido y de la velocidad de ebullición. 12.7.4

COLECTORES DE CONDENSADO Y ESPITAS DE PURGA

Debe subrayarse que, para conseguir la máxima economía térmica y una alta velocidad de transmisión de calor, todo equipo que utilice vapor como medio de calentamiento tiene que estar dotado de sistemas adecuados de eli­ minación del condensado y de purga de gases inertes. Los bajos rendimientos de las plantas de evaporación suelen deberse a que los cambiadores de calor no han sido adecuadamente purgados o a que están parcialmente inundados de agua. Goodhall5 trata exhaustivamente de estos importantes sistemas auxiliares.

12.8

CONSERVACIÓN DEL CALOR EN LOS SISTEMAS DE EVAPORACIÓN

Al igual que en cualquier otra planta de procesado, en las de evaporación son extremadamente importantes los costos de inversión, operación y mante­ nimiento. Los estudios de auditoría energética han puesto de manifiesto que

368

Las operaciones de la ingeniería de los alimentos

los evaporadores se encuentran entre las instalaciones más necesitadas de modificaciones tendentes a reducir el consumo energético.33 Para mantener los costos bajos, es preciso esforzarse en reducir al mínimo el gasto de vapor, lo que se logra recuperando y reutilizando tanta proporción del calor latente del vapor producido como sea posible. Si el vapor producido se descarta, esta energía se pierde y además se necesita más agua de enfriamiento para su con­ densación; la reducción de las necesidades de agua de enfriamiento, mediante la reutilización del vapor, rebaja aún más los costos de funcionamiento. El aprovechamiento de ese calor reduce los costos de operación de la plan­ ta. Puede lograrse por diversos métodos. 12.8.1 PRECALENTAMIENTO DE LA CORRIENTE DE ALIMENTACIÓN Un método simple y frecuentemente usado para el aprovechamiento del calor latente del vapor producido en un evaporador consiste en usarlo para precalentar la corriente de alimentación del mismo. Como la temperatura del vapor es probable que sea baja, el precalentador requiere gran superficie de intercambio de calor. 12.8.2

EVAPORACIÓN DE EFECTOS MÚLTIPLES

El vapor que sale de un evaporador puede utilizarse para el calentamiento de la calandria de un segundo evaporador, siempre que la temperatura de ebu­ llición de éste sea lo suficientemente baja como para mantener una diferencia de temperatura que permita la transmisión de calor. Esto se consigue evapo­ rando en los sucesivos «efectos» a presiones cada vez más reducidas. La reutilización del calor por este método se denomina evaporación de efectos múltiples. El vapor producido en el último efecto pasa a un condensador, para retirarlo del sistema. El primer evaporador de efectos múltiples instalado en una industria fue construido por Rillieux en 1844 e instalado en una fábrica de azúcar de caña, en Luisiana. Los evaporadores de múltiples efectos se introdujeron en Europa en 1850 y se extendieron rápidamente en la industria azucarera.34 La Figura 12.15 ilustra un sistema de tres efectos. Un evaporador de simple efecto requiere de 1,1 a 1,3 kg de vapor para evaporar 1 kg de agua (al cociente vapor consumido/vapor producido, se le denomina consumo específico de vapor); un evaporador de doble efecto sólo necesita de 0,55 a 0,7 kg de vapor por kg de agua y uno de triple efecto 0,370,45 kg de vapor por kg de agua.35 En general, cuanto mayor sea el número de efectos, tanto mayor es la eco­ nomía de vapor. El precio que se paga por esta economía de vapor es el incremento en los costos de instalación a medida que aumenta el número de efectos. El costo de «n» efectos es aproximadamente «ti» veces el de un efecto simple y, por tanto,

Evaporación

369

(a) Alim entación directa

(b) Alim entación contracorriente

(c) Alim entación en paralelo

(d) Alim entación mixta

FIG. 12.15

Métodos de alim entación de un evaporador de triple efecto. P, bom ba de extrac­ ción; V, válvula de control.

el costo de instalación de una planta se eleva rápidamente, al aumentar el nú­ mero de efectos. El número óptimo de efectos es aquel en que se equilibran la reducción de los costos de operación y el aumento del costo de instalación.36 El número de efectos se ve también limitado por la diferencia global de tempe­ ratura entre el vapor del primer efecto y el agua del condensador. Al aumentar el número de efectos, las diferencias entre la temperatura de condensación del vapor y la de ebullición en cada efecto va progresivamente decreciendo, lo que significa que la superficie de transmisión de calor, para una determinada capa­ cidad, tiene que aumentar y, por tanto, los costos de instalación se incrementan.37

370

Las operaciones de la ingeniería de los alimentos

Los estudios de optimización demuestran que, en las plantas de gran capa­ cidad, está justificado el uso de más efectos que en las de capacidad inferior, pero debe recordarse que la evaporación de múltiples efectos no incrementa la capacidad de producción. Son iguales la de una instalación de un sólo efecto y la de otra de efectos múltiples de igual superficie de intercambio de calor. El fin perseguido por el sistema de efectos múltiples es mejorar la economía de vapor del proceso, no aumentar la producción de la planta. Ordinariamente, no se instalan más de cinco o seis efectos, aunque la circunstancias económicas pueden hacer variar el número óptimo de efectos. En las industrias lácteas norteamericanas de gran capacidad, se considera óptimo un sistema de cinco a siete efectos; en Europa, a veces, se usan más. 12.8.3 OPERACIÓN DE LOS SISTEMAS DE EVAPORACIÓN DE EFECTOS MÚLTIPLES 12.8.3.1

Alimentación directa (Fig. 12.15(a))

Es el sistema de alimentación más simple y común. La corriente de alimen­ tación sigue la misma dirección que el vapor, es decir, pasa del primer efecto al segundo, de éste al tercero, y así sucesivamente. Sólo se requiere una bomba de extracción y el efecto final opera a baja presión. Con este sistema de ali­ mentación, la viscosidad del líquido que se procesa aumenta a su paso a través de la planta, debido tanto al incremento progresivo de concentración como a la reducción progresiva de la temperatura, en los sucesivos efectos. El coeficien­ te global de transmisión de calor es, por tanto, bajo en los últimos efectos. Sin embargo, es menor el riesgo de que el líquido más viscoso sea dañado por el calor, debido a la baja temperatura de los últimos efectos. En la calandria del primer efecto, se condensa vapor de agua de alta calidad. Si la corriente de alimentación llega a una temperatura inferior a su punto de ebullición, parte del calor transmitido se utiliza en precalentar el líquido de alimentación, por lo que el calor disponible para la vaporización es menor; por ello, en el segundo efecto se condensa menos vapor, hecho que se repite en los siguientes efectos. El resultado final es una pérdida en la economía de vapor. 12.8.3.2

Alimentación en contracorriente (Fig. 12.15(b))

En este sistema de alimentación, es preciso intercalar bombas entre los di­ ferentes efectos. El líquido de alimentación más frío y diluido se calienta con el vapor más agotado, fluyendo líquido y vapor en contracorriente. Con este sistema se consigue cierta economía de vapor. El aumento de viscosidad por efecto de la concentración se compensa por la elevación de la temperatura del líquido, ya que el líquido cada vez más viscoso encuentra superficies cada vez más calientes, al pasar de un efecto al siguiente. Es preciso, sin embargo, evi­ tar el «chamuscado» por sobrecalentamientos localizados.

Evaporación

12.8.3.3

371

Alimentación en paralelo (Fig. 12.15(c))

Se usa normalmente en los evaporadores de cristalización. Este modo de operación permite controlar mejor la operación de cristalización y evita la ne­ cesidad de bombear pastas densas entre diferentes efectos, con los consiguien­ tes problemas de flujo. 12.8.3.4

Alimentación mixta (Fig. 12.15(d))

Es un método que se usa comúnmente en las plantas que tienen instalado un alto número de efectos. Es el resultado del compromiso entre la mayor simpli­ cidad de la «alimentación directa» y la mayor economía de la «alimentación en contracorriente». Es útil cuando se opera con líquidos muy viscosos y se reco­ mienda cuando los aumentos de viscosidad con la concentración son grandes. 12.8.4

RECOMPRESIÓN DEL VAPOR

Otro procedimiento de aprovechar el calor del vapor producido en un evaporador es la recompresión. En este método, el vapor se comprime y se devuelve a la calandria, a una presión que permite su reutilización como agen­ te calefactor. La recompresión del vapor, para mejorar la economía de un proceso de evaporación, se ha venido practicando durante muchos años, pero su uso ha crecido significativamente desde que el costo de la energía comenzó a crecer aceleradamente en 1973. Puede producir un ahorro de los costos energéticos mayor que el de los sistemas de múltiples efectos. Un evaporador de simple efecto con recompresión térmica del vapor tiene un aprovechamiento del va­ por comparable a un sistema de dos efectos, operando en las mismas condicio­ nes, sin recompresión, pero el costo de la recompresión es mucho menor que el del efecto extra. Existen dos métodos de recompresión: (i) La recompresión térmica del vapor, empleando un compresor de chorro de vapor (TRV). (ii) La recompresión mecánica del vapor, utilizando una bomba mecánica (MRV). De acuerdo con Schwartzberg,30 la recompresión térmica es, con mucho, la más corrientemente usada. (i) Recompresión térmica del vapor. Con este método sólo se expulsa al con­ densador (o se pasa al segundo efecto, en el caso de operación con múltiples efectos con recompresión en el primero) parte de vapor que sale del separador. La otra parte entra en un eyector de chorro de vapor, alimentado con el vapor de un generador, a una presión de unos 10 bar (1 MN m~2) (Fig. 12.16(a)). Al pasar a través de la boquilla de entrada en el eyector de chorro, la presión del

372

Las operaciones de la ingeniería de los alimentos

vapor fresco decae a la del vapor con el que se mezcla; su energía de presión se convierte en energía cinética. La corriente de la mezcla a alta velocidad fluye entonces a través de una segunda boquilla convergente-divergente, donde la energía cinética se transforma de nuevo en energía de presión. El vapor, a presión más alta, revalorizado, vuelve entonces al lado del vapor de la calan­ dria. El termocompresor está específicamente diseñado para que la mezcla de vapor resultante salga en las condiciones de presión-temperatura apropiadas para operar al lado del vapor de la calandria. Esto significa que la recompresión térmica del vapor tiene poca flexibilidad, aunque es bastante eficaz si trabaja en las condiciones de diseño específicas, o muy próximas a ellas. Para el logro de una economía máxima, se requieren pequeñas diferencias de temperatura a ambos lados de la calandria. Para demandas de producción variables, Wiegand12 recomienda el uso de dos compresores de vapor, diseñados para capacidades evaporativas de uno y de dos tercios de la total, que pueden ser puestos en funcionamiento o detenidos de acuerdo con las necesidades. Los sistemas de recompresión térmica (Fig,12.16(a)) pueden operar con grandes volúmenes de vapor. Son relativamente simples y baratos, si se com­ paran con los sistemas de recompresión mecánica del vapor. No contienen partes móviles, por lo que tienen una larga vida útil, si se fabrican con materia­ les resistentes a la erosión. (ii)Recompresión mecánica del vapor. En la recompresión mecánica (Fig. 12.16(b)), todo el vapor producido en el evaporador se comprime y recicla al

Vapor a presión elevada Vapor reciclado

V apor reciclado

1

—*—

Al co ndensador o a otro efecto

C om presor del vapor Separador de líquido y vapor

Separador de líquido y v apor

A

C om presor " m ecánico

■Q

C am biador de ca lo r

y

Bom ba de circulación

Bom ba de circulación

0T

C ondensado

|

Alim entación diluida Alim entación diluida

(a) FIG. 12.16

(b)

M étodos de recompresión del vapor, (a) Termocompresión, (b) recom presión me­ cánica.

Evaporación

373

lado del vapor de la calandria. Para la puesta en marcha, se requiere un sumi­ nistro auxiliar de vapor o un calentador eléctrico, pero no es precisa una fuente de vapor a alta presión. Como en la calandria se condensa todo el vapor, no se necesita condensador externo y se ahorran también los costos del agua de en­ friamiento. Son ventajas importantes si se comparan al TVR. Los compresores mecánicos12 son mucho más caros que los compresores de chorro de vapor. Esto limita su empleo a plantas de gran capacidad (45.000 kg h“1).38 Al igual que ocurre en la TVR, el uso de la MVR sólo es viable cuando las condiciones de proceso permiten al evaporador operar con diferencias de tem­ peratura bajas (de ordinario 10-15°C) entre el lado del vapor y el del producto. Sólo entonces, la cantidad de energía requerida para comprimir el vapor hasta donde se precisa resulta económicamente ventajosa frente a otros métodos de calentamiento. Esto significa que se precisan grandes áreas de transmisión de calor cuando los coeficientes globales de transmisión de calor son bajos, lo que aumenta el costo de instalación del sistema. La recompresión mecánica del vapor es más apropiada para la evaporación de disoluciones diluidas poco viscosas.39 Como se necesitan bajas diferencias de temperatura, es preciso evitar la elevación de la temperatura de ebullición o los efectos de la carga hidrostática, ya que ambos reducen aún más la diferen­ cia de temperatura. Los compresores mecánicos para la MVR pueden se impulsados por moto­ res eléctricos, por máquinas de gas o por turbinas de vapor. En aquellas zonas en las que los costos de los combustibles fósiles son elevados y la electricidad es barata, resulta económ icam ente ventajoso el uso de los sistem as de recompresión mecánica impulsados eléctricamente, pese al alto costo de los turbocompresores. Si se dispone de un suministro de vapor a alta presión, puede considerarse el uso de turbinas de vapor para impulsar el compresor mecánico. Este sistema puede reducir significativamente los costos de operación, si se comparan con los de un sistema impulsado eléctricamente. El vapor residual a baja presión puede utilizarse para calentar otros efectos de un sistema de múltiples efectos. Más recientemente, se han diseñado para su aplicación específica en la reconversión del vapor ventiladores de accionamiento directo, operados e lé c trica m en te , que son m ás sim ples y m ucho más b aratos que los turbocompresores. Dan relaciones de compresión menores y, por tanto, eleva­ ciones de temperatura más bajas que los turbocompresores (4-5°C frente a 1015°C), pero están siendo cada vez más usados en aplicaciones que requieren velocidades de evaporación bajas.12,40 Los ahorros energéticos de los sistemas MVR son superiores cuando las producciones son grandes. En un estudio, se observó que los costos de fabrica­ ción utilizando el sistema MVR eran 10% menores que en sistemas de múlti-

374

Las operaciones cle la ingeniería de los alimentos

pies efectos con producciones de 450 kg h~‘, pero 50% inferiores cuando la producción era de 45.000 kg h“1.41 Tanto con los sistemas de recompresión térmica del vapor como con los de recompresión mecánica se utilizan evaporadores de película descendente (Sec­ ción 12.6.3.2), porque son capaces de operar con diferencias de temperatura pequeñas, tienen coeficientes de transmisión de calor altos y generan cargas hidrostáticas mínimas.12 Para maximizar la utilización de energía en las plantas de evaporación de gran capacidad, es hoy corriente el empleo de sistemas de múltiples efectos que incorporan recompresión del vapor, en uno o más efectos. En la industria láctea, utilizando las técnicas más avanzadas de evaporación, es posible hoy conseguir consumos de vapor específicos de 0,08-0,13 kg de vapor kg-1 de agua.38

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C a pítu lo 13

D

13.1

e s h i d r a t a c ió n

EL AGUA EN LOS ALIMENTOS

El agua es un contribuyente importante a las propiedades organolépticas de los alimentos. La pérdida de agua, en los alimentos ricos en ella, o la ganancia de agua en alimentos en que es escasa, reduce su calidad organoléptica y por tanto su aceptabilidad. Por otra parte, la presencia de agua, a ciertas concentra­ ciones, en los alimentos facilita su deterioro por acción de los microorganismos y las enzimas, o a través de reacciones químicas o enzimáticas. Por lo tanto, retirando agua de los alimentos o haciéndola menos disponible, se puede ex­ tender la vida útil de los mismos. 13.1.1

CONTENIDO EN AGUA

El contenido en agua de un producto se puede expresar en término de peso húmedo (WWB), es decir, masa de agua por unidad de masa del producto húmedo, o en términos de peso seco (DWB), es decir masa de agua por unidad de masa del extracto seco. El último es el método más frecuentemente utiliza­ do en los cálculos de secado. 13.1.2

ACTIVIDAD DE AGUA

Al considerar la influencia del contenido en agua en la estabilidad de los alimentos, no es el contenido total en agua lo importante, sino la cantidad de agua disponible para el crecimiento microbiano y la actividad química. Existe una abundante bibliografía que pone de manifiesto que una parte del conteni­ do ert agua de los alimentos se halla fuertemente ligado a puntos específicos de los componentes sólidos y que otra cantidad adicional se halla menos firme­ mente ligada, pero que tampoco es fácilmente disponible como disolvente para diversos solutos. En el estudio de la disponibilidad del agua en los alimentos, se mide una propiedad fundamental, conocida como actividad de agua. Esta propiedad viene definida por la expresión: 377

378

Las operaciones de la ingeniería de los alimentos

donde p v es presión de vapor de agua ejercida por la disolución, o el sólido húmedo, y pw es la presión de vapor del agua pura, a la misma temperatura. Esta expresión describe también la humedad relativa de una mezcla de airevapor de agua (ecuación III.4 en el Apéndice III). Así pues, si una disolución, o un sólido húmedo, se encuentran en equilibrio con la atmósfera de su entor­ no, la actividad de agua de la disolución, o del sólido soluble, es numéricamen­ te igual a la humedad relativa de la atmósfera; a esta última se la conoce como humedad relativa en equilibrio con la disolución o el sólido húmedo. La repre­ sentación gráfica del contenido en agua en función de la actividad de agua se conoce como isoterma de sorción. En la bibliografía, se pueden encontrar muchas gráficas de este tipo.1Las isotermas se pueden preparar por adsorción, es decir, colocando un producto seco en contacto con una atmósfera de hume­ dad relativa creciente, o por desorción, es decir, colocando el producto húme­ do en contacto con atmósferas de humedad relativa decreciente. Así, se obtie-

Actividad de agua FIG. 13.1

Isotermas de adsorción y desorción.

Deshidratación

379

nen dos curvas diferentes para un mismo producto (Fig. 13.1). Este efecto histeresis es típico de muchos alimentos. Las isotermas de los alimentos se dividen frecuentemente en tres regiones, denominadas A, B y C, en la Figura 13.1. En la región A, las moléculas de agua están fuertemente ligadas apuntos específicos del sólido. Esos puntos pueden ser grupos hidroxilo de los polisacáridos, grupos amino y carbonilo de las proteínas y otros, a los que el agua se une por enlaces de hidrógeno, enlaces ion-dipolo u otras interacciones fuertes. Esta agua ligada se considera no disponible como disolvente y, por tanto, no contribuye a la actividad microbiana o química. Es frecuente referir­ se a ella como el valor monocapa o monomolecular y se corresponde con acti­ vidades de agua en el intervalo 0-0,35. Los valores de la monocapa citados en la bibliografía suelen encontrarse en el rango 0,05-0,11 (DWB). Por encima de la región A, el agua puede todavía estar ligada al sólido, pero menos fuertemente que en la región A. Ha sido habitual considerar a la región B como una región de multicapas y a la región C como una, en la que la dismi­ nución de la presión de vapor de agua se debe a razones estructurales y efectos de disolución. Sin embargo, la distinción es dudosa, dado que estos efectos se pueden dar a lo largo de toda la isoterma. Por tanto, por encima de la región A, el descenso de la presión de vapor de agua de los sólidos húmedos se debe a enlaces débiles, a la influencia de las fuerzas capilares en la estmctura del sólido y a la presencia de sólidos solubles en disolución. Todos estos efectos se dan a riquezas de agua bajas, 0,5- 1°C min-1

Grupo 3

Fresas, zanahorias, judías verdes, productos gelatinosos, como oviproductos y salsas con una base farinácea

La velocidad de congelación debe ser > 3-6°C min-4

Grupo 4

Productos con relativamente poco extracto seco, por ej., tomates, pepinillos, frambuesas

Convienen altas velocidades de congelación

"Velocidades de congelación altas producen cristales muy pequeños. La m ejora de la calidad a altas velocidades de congelación que se observa en los alim entos del grupo 4 se puede atribuir a la form ación de este tipo de cristales. Sin em bargo, las fluctuaciones de la tem peratura durante el alm acenam iento y la distribución pueden term inar produciendo en ellos un núm ero m enor de cristales de m ayor tam año (véase Capítulo 9), con lo que se pierden los efectos beneficiosos que la congelación rápida tiene sobre la calidad. Los cristales pequeños, form ados en la congelación rápida, reflejan más luz que los gran­

Congelación

427

des, form ados en la congelación lenta, por lo que las carnes rojas tienen un aspecto más pálido y los pollos lo tienen más blanco. Este efecto sobre la carne de pollo puede m ejorar su atractivo para el consumidor, sin que necesariam en­ te m ejore la calidad del pollo descongelado. L a congelación muy rápida (por ej., m ed ian te inm ersión en nitrógeno líquido), puede in d u cir ten sio n es disruptivas en los productos congelados, propiciando su resquebrajam iento. Afecte o no a la calidad, el tiem po de congelación sigue siendo una cues­ tión im portante, porque influye sobre el costo del p ro c e s p X a congelación es term odinám icam ente menos eficaz cuando se usan tem peraturas muy bajas para lograr velocidades muy rápidas, pero los costos energéticos son sólo una fracción de los totales. L a definición del térm ino «tiem po de congelación» presenta algunas difi­ cultades. Hay que definir dos instantes, el m om ento en que se inicia la conge­ lación y el m om ento en que term ina. D esgraciadam ente, la congelación se puede producir a distintas velocidades en diferentes partes de una pieza o un paquete de alimento. L a congelación será más rápida en la superficie. En una pieza o paquete de alim ento se encontrará siem pre un punto que se enfríe más lentam ente. Este punto se conoce com o centro térm ico y es el que se utiliza ordinariam ente para m edir el curso de la tem peratura durante la congelación. A la tem peratura más elevada a la que son estables los cristales de hielo en un producto alim enticio, se le denom ina convencionalm ente «punto de congela­ ción». L a form ación de los prim eros cristales de hielo en la superficie del objeto som etido a congelación se puede tom ar com o inicio del «tiem po de congelación». Sin embargo, dada la naturaleza de los productos alim enticios y la existencia de com ponentes hidrosolubles, no toda el agua se congela a esta tem peratura. En condiciones de equilibrio, y a tem peraturas inm ediatam ente por debajo del punto de congelación, siem pre queda una fracción de agua en estado líquido. E sta fracción dism inuye a m edida que la tem peratura descien­ de y hasta pueden separarse mezclas eutécticas del líquido sin congelar pero, incluso a tem peraturas muy bajas, aún queda agua sin congelar. No es posible, por ello, definir claram ente un punto final de congelación. Hay dos m aneras de form ular una definición práctica del tiem po de congelación; una relevante para la calidad del producto y la otra para el rendim iento de la planta frigorífica. El tiem po de congelación puede definirse com o aquel durante el que se form a la m ayor parte del hielo. Así, el Instituto Internacional del F río5 define el «tiem po de congelación nom inal» com o el tiem po que transcurre entre el m om ento en que la superficie del producto alcanza 0°C y el instante en que el centro térm ico se encuentra a una tem peratura 10°C por debajo de la de form a­ ción inicial de hielo en dicho punto. Aunque se podría objetar que la form a­ ción de hielo no se inicia hasta que la tem peratura superficial del producto no haya caído por debajo de 0°C, la diferencia en tiem po que ésto supone es probablem ente dem asiado pequeña para ser tenida en cuenta. L a F igura 14.1 pone de m anifiesto el sentido que tiene tom ar com o punto final del proceso de

Las operaciones de la ingeniería de los alimentos

428

FIG. 14.1

Contenido en hielo de la carne de vacuno (74,5% de agua) (según Riedel6)

congelación la tem peratura de 10°C por debajo del punto de congelación, en el centro térm ico. En ella, puede verse que en un producto alim enticio típico, en ese m om ento, virtualm ente se ha form ado ya todo el hielo. E sta definición, que se basa en el tiem po necesario para la form ación de la m ayor parte del hielo, es muy útil en las consideraciones sobre la influencia de la velocidad de congelación en la calidad de los productos. P or otro lado, al fabricante le interesa conocer el tiem po que un producto tiene que perm anecer en el congelador. Por ello, se ha definido el «tiem po efectivo de congelación» ( t j 5 com o el tiem po necesario para reducir la tem pe­ ratura inicial m edia del producto hasta un valor dado, en el centro térm ico. L a tem peratura final a considerar en el centro térm ico será aquella a la que se desee sacar el producto del congelador; la referencia al tiem po efectivo de congelación carece, por ello, de sentido, a menos que se especifiquen clara­ m ente las tem peraturas inicial y final. Hay otrás,definiciones del tiem po de congelación, pero son m enos satisfac­ torias. Si se registra la tem peratura del centro térm ico durante el enfriam iento, desde una superior al punto de congelación, hasta otra por debajo del m ismo, se obtiene una curva com o la representada en la Figura 14.2. En las proxim ida­ des del punto de congelación ( 0 ) , se observa una inflexión bastante pronun­ ciada; antes de este punto la tem peratura dism inuye lentam ente, luego lo hace con rapidez. N um erosos investigadores han tom ado dos tem peraturas arbitra­ rias, una ligeram ente por encim a del punto de congelación y otra por debajo del m ismo, y tom an com o tiem po de congelación el necesario para que el cen-

Congelación

429

Tiem po

FIG. 14.2

Diagrama típico del curso de la temperatura en el centro térmico de un alimento a lo largo de la congelación.

tro térm ico atraviese ese intervalo de tem peraturas. Para dicho espacio de tiem ­ po, se ha sugerido el térm ino «período de retraso térm ico», ya que durante el m ism o la tem peratura cam bia sólo lentam ente con el tiem po. Esta definición es insatisfactoria, por num erosas razones. En prim er lugar, los límites de tem ­ peratura se fijan arbitrariam ente y los distintos investigadores han elegido in­ tervalos m uy diversos.7 En segundo lugar, com o ha señalado L ong8, el período de retraso térm ico es, en cualquier caso, función de la tem peratura inicial del cuerpo, reduciéndose cuanto más elevada sea la tem peratura inicial. F inalm en­ te, com o puede verse en la Figura 14.14, cuando la tem peratura del centro térm ico se aproxim a al punto de congelación, el frente de hielo ha avanzado ya bastante en el producto.

14.2

CÁLCULO DEL TIEMPO DE CONGELACIÓN

Los cálculos de la transm isión de calor por conducción, en estado no esta­ cionario, cuando hay cam bio de fases, no son fáciles. Sin em bargo, si se quiere estim ar el tiem po de congelación a partir de datos físicos, en lugar de determ i­ narlo experim entalm ente, caben dos sistem as En uno de ellos, se establece, con ayuda de un ordenador, un m odelo m atem ático realístico y, por lo tanto, com plicado y se resuelven por m étodos num éricos las ecuaciones diferencia­ les de transm isión de calor. Aunque este sistem a puede ser preciso, los resulta­ dos obtenidos se refieren sólo a los datos incluidos en los cálculos y, por tanto, sólo tienen una aplicación específica, no general. Además, para que estos cál-

430

Las operaciones de la ingeniería de los alimentos

culos sean precisos, se necesitan datos igualm ente precisos de los cam bios de entalpia y conductividad térm ica del producto con la tem peratura, el coefi­ ciente de transm isión de calor, la tem peratura del medio de enfriam iento en la superficie del producto y sus variaciones en los distintos puntos de la superfi­ cie y a lo largo del tiempo. Teniendo en cuenta la heterogeneidad de m uchos alim entos, las variaciones probables entre distintos lotes y las dificultades de m edir los coeficientes de transm isión de calor, en estas circunstancias, resulta­ ría más fácil determ inar con precisión los tiem pos de congelación, para el caso concreto, por m étodos experim entales. El sistem a alternativo consiste en asum ir un m odelo m atem ático muy sim ­ plificado, en el que puedan resolverse analíticam ente las ecuaciones diferen­ ciales, para obtener fórmulas simples, que den valores aproxim ados de los tiem pos de congelación, en distintas situaciones. Aunque no perm itan un cál­ culo tan fiable del tiem po de congelación, son útiles para conocer el factor por el que se m ultiplicará el tiem po de congelación al cam biar los parám etros del proceso. Las fórm ulas para estim ar los tiem pos de congelación se basan ordinaria­ m ente en el supuesto de que el cuerpo a congelar se encuentra inicialm ente a una tem peratura uniform e, que es enfriado por un medio que se m antiene a tem peratura constante, y que el coeficiente de transm isión del calor entre la superficie del cuerpo y el medio refrigerante tam poco varía.. Se supone, igual­ m ente, que el cuerpo tiene una conductividad térm ica y un calor específico constantes (diferente en los estados congelado y no congelado), una densidad que no varía con la tem peratura, ni se altera durante el proceso de congelación, y un punto de congelación definido, al que se libera todo el calor latente de fusión. Este últim o supuesto perm ite dividir la congelación en tres etapas: preenfriamiento del m aterial sin congelar, congelación propiam ente dicha, y enfriam iento del producto congelado, hasta su estado final (atemperamiento). Si el cuerpo a congelar se encuentra inicialm ente a la tem peratura de su punto de congelación, no hay período de preenfriam iento y, por tanto, no hay flujo de calor en el m aterial sin congelar, por lo que es relativam ente sim ple calcular de su tiem po de congelación. Este es un supuesto razonable, ya que es frecuenteenfriar los productos antes de introducirlos en el congelador. Se sim plifica aún más, si se supone que el producto, en el centro térm ico, se encuentra congela­ do al final del proceso, pero todavía a la tem peratura de congelación. Al tiem ­ po de congelación calculado sobre estos supuestos se le denom ina «tiem po de congelación calculado» ( t i El tiem po de congelación efectivo se puede esti­ m ar a partir del tiem po de congelación calculado, aplicando correcciones que incorporen los períodos de preenfriam iento y atem peram iento. Las fórm ulas para calcular el tiem po de congelación se pueden simplificar, utilizando tres grupos adim ensionales. Dos de ellos, los núm eros de B iot (Bí) y de Fourier (Fo), se utilizan en los cálculos de transm isión de calor por conduc­ ción en estado de transición (véase el A péndice II). El tercer grupo es:

Congelación

431

cA9

donde L = calor latente de fusión del m aterial, c - su calor específico en estado congelado, A6 = la diferencia entre el punto de congelación del producto y la tem peratura del m edio refrigerante. Se le ha llam ado núm ero de Stefan (Ste),9 aunque algunos investigadores rusos utilizan el «núm ero de K ossovitch», que es la inversa del núm ero de Stefan. Para calcular los núm eros de B iot y de Fourier, en este caso, la dim ensión característica (/) es la distancia más corta del centro térm ico a la superficie del cuerpo que se esté congelando, el tiem po es el tiem po de congelación calcula­ do y las constantes térm icas utilizadas son las del producto congelado. L a congelación de una lám ina infinita de un m aterial que se encuentre ini­ cialm ente a la tem peratura de su punto de congelación (es decir, un bloque de longitud y anchura infinitas y de espesor uniform e, igual a 21), que se enfría por las superficies expuestas y que tiene un coeficiente de transm isión superfi­ cial de valor infinito, es uno de los pocos casos en los que, con los supuestos ya señalados, se obtiene una solución exacta formal y cerrada a la ecuación de conducción del calor. E sta solución, debida a S tefan,10 da la relación:

tik )

donde erf (x) =

V(F-)

py

J

J0

exp{ i k M

í t ¿ r } =s"

(l40)

e x p (-x 2)dx y es conocida como la función de error.

Al expandir, en form a de serie de potencias, la inversa del térm ino de la izquierda de la ecuación (14.1):

2 F ° { [ ~ 6 Fo + 90Fo2 ~ ' "} ~ Ste

(14'2)

por lo que, para valores grandes de Fo F o S te = -

(14.3)

Esta aproxim ación suele ser aceptable, teniendo en cuenta las sim plifica­ ciones que se han hecho anteriorm ente. Por ejem plo, los valores del núm ero de Fourier calculados a partir de las ecuaciones (14.1) y (14.3), para guisantes congelados, en un medio, a -3 2 °C , difieren en un 7%. Si la tem peratura del m edio refrigerante, o el contenido en agua del alim ento (del que depende en

432

Las operaciones de la ingeniería de los alimentos

X

Producto congelado Temperatura

FIG. 14.3

M edio de enfriam iento

Q j

Lámina infinita, con superficie infinita de transmisión de calor transcurrido el tiem­ po t desde el comienzo de la congelación.

gran m edida el valor del cociente L/c), son m enores, el error de esta aproxim a­ ción es mayor, y viceversa. La ecuación (14.3) puede deducirse también mediante una interesante aproxi­ m ación física. Sea 6^ el punto de congelación del m aterial, 02 la tem peratura del m edio refrigerante, x el espesor del material congelado, en cada cara, al tiem po t (véase la Figura 14.3). Supongam os que la transm isión de calor por conducción es, en el m aterial congelado, la m ism a que ocurriría, en estado estacionario, entre superficies planas estáticas a las tem peraturas 0, y' (i, sepa­ radas por una distancia x. Este supuesto, conocido como supuesto cuasi-estático, debe ser cuidadosam ente considerado. Supone que el proceso dinám ico de la congelación puede considerarse com o una secuencia de estados instantá­ neos de equilibrio térm ico. En este supuesto, es obvio que el calor transm itido por unidad de superficie, a una cara de la pieza a congelar, durante un período di, en el m om ento t, será /c(0, —02)át

x donde k es la conductividad térm ica del m aterial congelado. E sta sustracción de calor congelará un espesor áx del m aterial que viene dado por la expresión:

(14.4)

Congelación

433

donde L es el calor latente del producto y p su d en sid ad .. Integrando la ecuación (14.4) y considerando: x=0 x= l

a a

t= 0 t=t

se obtiene: (14.5) Cuando la ecuación (14.5) se expresa en form a adim ensional, queda redu­ cida a la (14.3). L a exposición anterior m uestra que, en el caso particular investigado, el supuesto cuasi-estático conduce a una fórm ula sim ple y razonablem ente segu­ ra para el cálculo del tiem po de congelación. Este supuesto cuasi-estático ha sido utilizado por P lank,11-13 para obtener fórm ulas aproxim adas sim ilares, en el caso de la congelación de lonchas infinitas, cilindros de longitud infinitos y esferas, cuando el coeficiente de transm isión de calor superficial (h) es finito; haciendo adem ás otras aproxim aciones, se han tratado varillas infinitas de sec­ ción rectangular y paralelepípedos rectangulares («ladrillos»). Los estudios de Plank se pueden resum ir en la fórmula:

(14.6) o en la adim ensional:

(14.7) en la que las contantes D y G vienen determ inadas por la geom etría del cuerpo que se esté congelando; el resto de los sím bolos ya se han definido antes. G tom a el valor 1/2 para una loncha o lám ina infinita, un cilindro infinito y una esfera. Los valores de G calculados a partir de la expresión de Plank, para una varilla infinita, de sección rectangular, y para un «ladrillo», pueden leerse en las Figuras 14.4 y 14.5, respectivam ente. L a constante D viene dada por la expresión: v

(14.8)

siendo, v = volum en del cuerpo y a = área de la superficie que se enfría. P ara láminas infinitas, cilindros infinitos y esferas, respectivam ente, D tom a los valores 1, 1/2 y 1/3.

434

Las operaciones de la ingeniería de los alimentos

E

FIG. 14.4

Valores de la constante G para una varilla de longitud infinita y sección transversal rectangular 21 x 2El.14

FIG. 14.5

Valores de la constante G para un cuerpo con forma de paralelepípedo rectangular de dimensiones 21 x 2 E tl x 2E2l.14

435

Congelación Congelación por contacto c o n placas

+ ToD C nJ 'ro O Papel encerado

□

Envoltura de celulosa regenerada u hoja de alum inio

C ongelación en lecho fluidizado

M 0

B

J ________ I________ I________ L 100 200 300 400

500

600

C oeficiente de transm isión del calor (W /m 2 °C )

FIG. 14.6

Magnitud de los coeficientes de transmisión del calor en la congelación por contac­ to con placas y en lecho fluidizado; influencia del material de embalaje.15-16

En las aplicaciones prácticas de la ecuación (14.6), suele ser difícil decidir un valor apropiado para el coeficiente de transm isión de calor, h. De la Figura 14.6, puede obtenerse un valor indicativo de la m agnitud de este coeficiente. Para m edir directam ente un coeficiente de transm isión de calor, es necesario conocer la velocidad de la pérdida de calor (dq/dt) por unidad de superficie, la tem peratura de la superficie (0 ) y la tem peratura del m edio refrigerante (8 J ; con estos datos se puede calcular h utilizando la siguiente relación: 1

*=

dq

7

(!« >

Un m étodo17 de obtener dq/dt consiste en insertar un bloque de un m etal de alta conductividad (es decir, de una resistencia interna a la conducción de calor despreciable) en la superficie en que se va a m edir la transm isión de calor. La superficie expuesta de este bloque m etálico debe tener el m ism o perfil, e igual acabado, que la superficie original del producto a la que sustituye y tener ais­ ladas tam bién todas las dem ás caras, de m anera que la velocidad de caída de la tem peratura sólo esté relacionada con la velocidad de pérdida de calor a partir de la superficie expuesta, del siguiente modo:

436

Las operaciones de la ingeniería de los alimentos

donde, m, ch y A, son la m asa, el calor específico y el área de la superficie expuesta del bloque, respectivam ente. Un m étodo alternativo18 consiste en derivar h de la variación de la tem peratura, a lo largo del tiem po, de la superfi­ cie de un bloque de propiedades térm icas conocidas. Para la congelación re­ lám pago de alim entos no envasados, los coeficientes de transm isión de calor se pueden calcular por m edio de fórm ulas estándar (véase A péndice II). Es necesario tam bién elegir valores m edios para el calor específico y la conductividad térm ica del producto congelado, así com o adoptar un valor para el calor latente de fusión que aparece en la ecuación (14.6). A unque existen datos de la entalpia de los alim entos en la zona de congelación (por ejem plo, los de R iedel6), el m odelo sim plificado supuesto aquí para los cálculos divide el cam bio de entalpia experim entado por un alim ento durante su congelación, desde una tem peratura dada m arginalm ente superior al punto de congelación hasta una tem peratura inferior arbitraria, en un calor latente de fusión, que se libera en el punto de congelación, y una pérdida de calor sensible, proporcio­ nal al descenso de tem peratura subsiguiente. Esta división, y los calores laten­ te y específico resultantes, tienen que ser, en cierto modo, arbitrarios. Para un cálculo aproxim ado, puede adoptarse un calor latente igual a 3,3

M kJ kg"1

y una capacidad calorífica específica de M , , — + 0 ,8 4 k J k g -' k “1 siendo M el porcentaje, en peso, de agua en el alim ento (expresado en térm i­ nos de peso húm edo). Las fórm ulas derivadas por Plank son, indudablem ente, simples y los su­ puestos en los que se basa conceden una naturaleza sólo aproxim ada a los resultados obtenidos, pero han estim ulado a num erosos investigadores a obte­ ner datos m ás precisos de los tiem pos de congelación, sin com plicar dem asia­ do los cálculos. Cleland, Earle y sus colaboradores han sido durante los últi­ mos años quienes más han trabajado, al respecto. Estos investigadores9 consideraron cuerpos hom ogéneos, a una tem peratu­ ra inicial 6 'Q°C, uniform e, del producto a congelar (por encim a del punto de congelación del mismo, 0() °C) que está siendo enfriado por un m edio a la tem peratura constante 0 t °C (9 l < -1 0 ). Definieron el tiem po de congelación com o el período que m edia entre el inicio del enfriam iento y el instante en que el centro térm ico alcanza -1 0 °C , lo que constituye un ejem plo de lo que hem os denom inado tiem po de congelación efectivo (Sección 14.1). Este tiem po de congelación se expresa, com o antes, en form a adim ensional por el núm ero de Fourier (Fo). M odificaron el núm ero de Stefan así:

437

Congelación

cAQ (14.11) donde c y A 6 tienen el m ism o significado que en la definición anterior del núm ero de Stefan, pero AH es el cambio total de entalpia del m aterial, en el intervalo de tem peratura de 60 a -1 0 °C . Para m edir las necesidades durante el enfriam iento, definieron un núm ero sem ejante al de Stefan, al que denom inaron núm ero de Plank (Pk)\ c ( 6 '- 6 ,) Pk=

AH

(14-12)

donde Cu es el valor específico del producto no congelado; las otras m agnitu­ des ya han sido definidas. U tilizando datos experim entales, derivados de la congelación de m ateria­ les hom ogéneos con un alto contenido en agua con m edios a tem peratura entre -2 0 °C y -4 0 °C , y cálculos num éricos de los tiem pos de congelación, relacionaron los tiem pos de congelación de diversos cuerpos9 con el tiem po de congelación de una lám ina infinita del mismo material; con la m ism a dim en­ sión característica (/), congelado en las m ismas condiciones (igual coeficiente de transm isión de calor e igual tem peratura del m edio refrigerante), es decir: Fo -^cuerpo =

^

(14.13)

donde H es la denom inada «dim ensión de transm isión de calor equivalente». Se desarrollaron num erosas m odificaciones de la ecuación de Plank que predecían fiablem ente F{]delaiámma, por ejemplo: (l + 0,057 Vfií ■Ste +1,27-V Pk ■Ste') f 1 F ° delal“

=

sa

\m

A + 2)

(14' 14)

tanto esta ecuación, com o los diagram as de las Figuras 14.7 y 14.8 y la Tabla 14.3, son m odificaciones de las que figuran en las publicaciones originales, porque en ellas, com o dim ensión característica, se tom ó el grosor total de la lám ina y el diám etro del cilindro y no la mitad del grosor y el radio, com o hem os hecho en este capítulo. También se ha m odificado la nom enclatura ori­ ginal, para evitar confusiones. L a Ecuación 14.4 (originalm ente debida a Pham ) se puede com parar con la de Plank (14.7), cuando se introducen en ella las constantes para una lám ina infinita: 1 (1 A Fo = — — + S te \B i 2J

(14.15)

438

Las operaciones de la ingeniería de los alimentos

FIG. 14.7

Diagrama de los valores de N x en función de Bi, para diferentes valores de Pr (Adaptado de Cleland et al.'lJ)

Al considerar los valores de cuerpos distintos de las lám inas infinitas, el valor de la «dim ensión de transm isión de calor equivalente» (H) se puede defi­ nir a partir de la ecuación: H = M { + M 2N ] + M 3N 2

(14.16)

Los valores M r M 2 y AL, se pueden leer en la Tabla 14.3 y los IV) y N 2 de las Figuras 14.7 y 14.8, respectivam ente, utilizando los valores de /3{ y ¡52 especi­ ficados en la Tabla 14.3.

14.3

EQUIPOS DE CONGELACIÓN

14.3.1 CO N G ELA CIÓ N PO R CONTACTO CON UN SÓLIDO FRÍO El congelador por contacto de placas, inventado por Birdseye, se utiliza aún en la actualidad, con algunas m odificaciones. Los congeladores de este tipo consisten en una serie de placas metálicas, planas, huecas y refrigeradas. Las placas se m ontan en paralelo en dirección horizontal o vertical. Los espa-

439

Congelación

FIG. 14.8

Diagrama de los valores de N2 en función de Bi, para diferentes valores de P2. (Adaptado de Cleland et al.w).

TABLA 14.3 Dimensiones de P, y P2 y valores de M,, M2 y M3 para cuerpos de diferentes formas (Según Cleland et al.19) Cuerpo

Datos sobre la forma

M]

Lámina plana infinita Cilindro circular de longitud infinita Esfera Cilindro finito (de longitud inferior al diámetro) Cilindro finito (de longitud superior al diámetro) Varilla infinita de sección rectangular

Grosor 2/ Radio / Radio l Altura 21 Radio p,/ Radio l Longitud 2P2Z Sección transversal 21 x 2P,Z 2/ x 2(3,/ x 2(3,/

1 2 3 1

Paralelepípedo rectangular (ladrillo)

i i r l r l

M," —

_

-

-

-

-

2

-

2

-

1

1 1

1 1

1

P, y p, son siempre mayores o iguales a la unidad. " En los casos en los que figura en alguna columna un guión (-) se debe omitir el término correspondiente en la ecuación (14.16).

440

Las operaciones de la ingeniería de los alimentos

FIG. 14.9 Congelador de placas horizontal. A, vastago para elevar o bajar las placas congeladoras; B, placas congeladoras huecas; C, paquetes de alimento; D, barra espadadora; E, bandeja de congelación; F, caja aislada.

cios entre las placas son variables, abriéndose para la carga y cerrándose antes de proceder a la congelación, de form a que la superficie de las placas entre en íntim o contacto con el alim ento, envasado o sin envasar. Es evidente que los productos congelados tom an la form a de bloques de caras paralelas y durante el proceso de congelación el flujo de calor es perpendicular a la cara de las placas. Por tanto, pueden calcularse los tiem pos de congelación, suponiendo que el m aterial entre las placas form a parte de una lám ina infinita cuyas caras se están enfriando. Los congeladores de placas horizontales pueden em plearse para alim entos envasados en cajas de cartón rectangulares. La Figura 14.9 m uestra una insta­ lación de este tipo de diseño, para operar de form a discontinua. Para facilitar las operaciones de carga, los paquetes se colocan ordinariam ente en bandejas de congelación, de alum inio, de un tam año apropiado para aprovechar eficaz­ m ente la superficie de las placas. U na vez cargadas, las placas se cierran, m e­ diante un ém bolo hidráulico localizado en la parte superior (com o se aprecia en la Figura), o en la base de la pila de placas. Entre las placas y los paquetes, se m antiene una presión m oderada (del orden de 10-30 kN m"2), para conse­ guir un buen contacto entre las superficies. Para m antener constante la presión frente a cualquier expansión del producto a congelar, se coloca una válvula de

Congelación

441

seguridad en el circuito hidráulico. Con frecuencia, se colocan espaciadores entre las placas, ligeram ente m ás delgados que los paquetes a congelar, para evitar que los envases puedan aplastarse, si las placas no se cierran uniform e­ mente. Cuando se utilizan congeladores de placas horizontales, se m ontan casi siem ­ pre, hoy, en sistem as sem icontinuos, en los que se controlan individualm ente las capas com ponentes de la pila; se expulsan a una cinta de descarga los pa­ quetes congelados y, para sustituirlos, se aceptan los procedentes de otra cinta de carga. En cada operación, sólo se separan dos placas para perm itir la des­ carga y la carga. Se utilizan m áquinas de este tipo para el endurecim iento de bloques de helados. Los helados se congelan inicialm ente, en un cam biador de calor de superficies rascadas (véase Figura 9.6), que constituye otro tipo de congelador continuo, en el que el calor se transm ite por contacto con un sólido frío (el tubo de transm isión de calor). La intensa agitación del fluido a conge­ lar perm ite un enfriam iento rápido, pero el producto final debe ser suficiente­ m ente plástico com o para fluir y som eterse al moldeo. Luego, continúa la con­ gelación para el endurecim iento en un congelador de placas, com o el descrito antes, o en un congelador de los descritos en la Sección 14.3.3. Para operar eficazm ente, el coeficiente de transm isión de calor entre la superficie del alim ento y el m edio de enfriam iento debe ser elevado y unifor­ m e en todo el congelador. Se consigue si: a) los paquetes o envases están com ­ pletam ente llenos de alim entos (para que establezcan un buen contacto con las caras internas del envase, a cuyo través se tiene que transm itir el calor); b) los envases hacen, a su vez, un contacto uniform e con las placas y c) las placas no se hallan recubiertas de hielo u otros depósitos y están diseñadas para un inter­ cam bio de calor rápido y uniform e. Las prestaciones de los congeladores por contacto, de placas, han m ejorado considerablem ente, en este sentido, con la introducción de placas fabricadas con perfiles extruidos de aleaciones de alu­ minio. Los congeladores de placas verticales son muy apropiados para la congela­ ción de m ateriales deform ables sin envasar, com o pescado, carne y despojos. E l producto se coloca entre las placas verticales (véase la Fig. 14.10), para form ar bloques que puedan com pactarse más, acercando las placas un poco más antes de la congelación. Al acabar el proceso de congelación, las placas se calientan, para que se desprendan los bloques congelados y para desescarchar y lim piar las placas, antes de com enzar un nuevo ciclo. Es im portante que el diseño del circuito de refrigeración perm ita un desescarchado rápido, por ejem ­ plo en 1,5 m inutos, para que el recalentam iento del producto congelado sea mínim o. L a descongelación superficial de los bloques debe ser m ínim a, no sólo para evitar pérdidas de producto y dificultades en la m anipulación, sino tam bién porque los bloques no em paquetados con superficies descongeladas se recongelan, fundiéndose en una masa, cuando se apilan en el alm acén de productos congelados.

442

Las operaciones de la ingeniería de los alimentos

Ém bolo hidráulico para levantar las horquillas elevadoras

Ém bolo hidráulico para m over las placas de congelación

FIG. 14.10

Congelador de placas vertical tipo «Jackstone» (Cortesía de Jackstone Froster Ltd.).

Los congeladores de placas de este tipo fueron muy usados entre 1960 y 1980, para la congelación a bordo de pescados enteros. L a extensión de las aguas territoriales habida después destruyó gran parte de esta actividad. R e­ cientem ente, sin em bargo, ha cobrado interés la congelación en alta m ar del pescado eviscerado y filetes de pescado, dado que las capturas en áreas costeras son cada vez más difíciles y que los desarrollos tecnológicos perm iten incre­ m entar el tiem po de perm anencia en alta mar. Existen otros num erosos m étodos de congelación por contacto con un sóli­ do enfriado. Entre ellos, cabe citar el cam biador de calor de superficies rasca­ das, ya m encionado. En la industria heladera, se congelan algunos productos (como los polos) en m oldes metálicos que, a su vez, se sum ergen en una sal­ m uera refrigerada. El conjunto de m oldes se m onta en un dispositivo de trans­ porte, situado sobre un baño de salmuera, y es arrastrado desde una posición inicial en la que se llenan con la m ezcla a congelar a una posición interm edia, en la que se inserta el palo en el centro, aún sin congelar, de la pieza parcial­ m ente congelada y luego a la posición final, en la que el polo en su m olde, sale de la salm uera y se som ete a un breve calentam iento para sacarlo del m olde, que vuelve a su posición inicial.

Congelación

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Se han desarrollado otros m étodos de congelación, en los que se nebulizan salm ueras refrigeradas sobre una de las caras de una cinta flexible de acero inoxidable, cuya otra cara se halla en contacto con el producto a congelar. Por ejem plo, se puede depositar productos poco gruesos, como em panadas de car­ ne, sobre una cinta transportadora horizontal, cuya cara inferior se enfría con la salm uera y que, al salir de la zona de congelación, gira hacia abajo sobre un rodillo, dejando caer el producto congelado sobre un colector apropiado. 14.3.2

C O N G ELA CIÓ N POR CONTACTO CON UN LÍQ U ID O FRÍO

En teoría, la congelación de alim entos sólidos por inm ersión en líquidos fríos tiene tres ventajas sobre la congelación por contacto con placas. Pueden lograrse altos coeficientes de transm isión de calor entre el sólido y el líquido; los cuerpos con form as irregulares se congelan con igual facilidad que los bloques rectangulares; cada pieza se congela individualm ente, en lugar de for­ m ar bloques com pactos. La producción de alim entos congelados rápidam ente, de form a individualizada (IQF), tiene la ventaja de perm itir el consum o de piezas o porciones individuales del contenido de un paquete, dejando el resto en el m ism o hasta que se necesite. Si los alim entos sin envasar se congelan por inm ersión, el fluido refrigerante tiene que ser com estible y aceptable com o contam inante del producto. En los inicios de la congelación, se utilizaron salm ueras y jarabes para congelar alim entos por inm ersión, o por nebulización del refrigerante. Estos procesos tropiezan con num erosas dificultades. El refrigerante contam ina al alim ento y debe, por tanto, ser un aditivo aceptable (de ahí que se recurra a salm ueras y jarabes). M ás grave es la contam inación del refrigerante con los fluidos y sólidos solubles del alim ento, que diluyen el refrigerante, aum en­ tan su punto de congelación y pueden conferirle olores anóm alos, lo que dificulta su uso prolongado en el tiem po, encareciendo el proceso. El desa­ rrollo reciente de nuevos m ateriales de envasado ha despertado de nuevo el interés por este m étodo, ya que se han superado los problem as de contam ina­ ción cruzada entre los alim entos y los fluidos refrigerantes y pueden procesarse así, tanto alim entos sólidos, com o líquidos. P or supuesto, la retención del líquido refrigerante en los envases después del procesado (a m enos que el refrigerante sea volátil, habiéndose em pleado el alcohol en algún proceso) sigue siendo un problem a, pero puede superarse satisfactoriam ente enjua­ gando los paquetes con agua. Las canales de pollo se envuelven apretadam ente en películas de plástico y se congelan en salm uera o glicol para congelar rápidam ente su superficie.20 De esta forma, se consigue una costra de cristales pequeños de hielo, reflectantes (véase la Sección 14.1), que dan a las canales congeladas un aspecto m ás blan­ co, preferido por los consum idores. Después, la congelación prosigue en un congelador por corriente forzada de aire.

444 14.3.3

Las operaciones de la ingeniería de los alimentos

CO N G ELA CIÓ N M ED IA N TE GASES FRÍOS

L a congelación en aire frío, practicada desde los prim eros tiem pos de la congelación de los alim entos, ofrece m uchas de las ventajas de la congelación por inm ersión. Perm ite congelar alim entos de form a irregular y obtener pro­ ductos congelados rápidam ente y de form a individualizada. Los problem as de transferencia de m asa entre el fluido refrigerante y el alim ento quedan lim ita­ dos a la evaporación de agua, en los productos sin envasar. Sin em bargo, los coeficientes de transm isión de calor en la superficie de los alim entos son m e­ nores en los congeladores de aire forzado que los que se pueden lograr por inm ersión en líquidos. A pesar de todo ello, y dadas las dem ás ventajas, la congelación por aire forzado se usa mucho para la congelación industrial de alim entos. Los congeladores de aire forzado pueden funcionar de form a discontinua o continua. Las tem peraturas del aire suelen ser de - 2 0 a -4 0 °C . Cuanto m ayor sea la velocidad del aire, m ayor es el coeficiente de transm isión del calor entre el aire en m ovim iento y el cuerpo sólido (véase el A péndice II). Sin em bargo, al aum entar el coeficiente de transm isión de calor, no se reduce proporcionalm ente el tiem po de congelación, debido a la resistencia térm ica de los m ateriales de envasado y a la necesaria transm isión de calor por con­ ducción, en el propio alim ento. A dem ás, la energía térm ica disipada por los ventiladores a las velocidades m ás altas aporta una fracción, nada desprecia­ ble, a la carga térm ica de los congeladores. Por tanto, el costo adicional de m over el aire a una velocidad por encim a de cierto valor puede no resultar económ icam ente justificable. Tam bién es posible que, a velocidades altas, el producto pueda verse desplazado, en la cinta transportadora o en la bandeja, p o r la fuerza de la corriente de aire. P ara la congelación de pescado, se con­ sidera óptim a, en un congelador continuo de cinta transportadora, u n a velo­ cidad del aire de 10 m s-1.21 Los congeladores de aire forzado discontinuos se usan sólo cuando la can­ tidad de m aterial a congelar es reducida. U na unidad de este tipo consiste en una cám ara bien aislada, equipada con los enfriadores de aire y ventiladores apropiados. Los productos se cargan habitualm ente a mano, en bandejas m on­ tadas sobre vagonetas que se m ueven sobre rieles-guía, que facilitan la coloca­ ción de las vagonetas en la corriente de aire y la carga de las cám aras. Para conseguir un enfriam iento uniform e, el aire se canaliza de form a que fluya hom ogéneam ente sobre todos los productos de la cámara. Por ello, no deben introducirse vagonetas sólo parcialm ente cargadas, ya que una carga parcial inducirá una redistribución del flujo del aire, que pasará preferentem ente por los espacios vacíos de la vagoneta. Por el mismo m otivo, si una vagoneta es dem asiado pequeña, y no llena el espacio que le corresponde en la cám ara, el aire circuitará la carga, fluyendo en torno a la vagoneta. Los congeladores continuos de aire forzado son: (a) túneles, por los que el alim ento es arrastrado en vagonetas, cintas transportadoras o, en el caso de las

Congelación

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canales de carne, ganchos suspendidos de raíles elevados, o (b) congeladores de lecho fluidizado. En los congeladores de túnel, el aire puede fluir en direc­ ción paralela a la del m ovim iento del producto o perpendicular al m ismo (flujo cruzado). Probablem ente, sea el segundo sistem a el utilizado hoy con m ayor frecuencia. Se montan, a lo largo del túnel, una serie de unidades com puestas de un enfriador de aire, un ventilador y un sistem a de canalización del aire frío; estas unidades proporcionan una corriente de aire frío a las diversas secciones adyacentes del túnel, en dirección perpendicular a la del m ovim iento de los productos. E sta disposición tiene num erosas ventajas. Por ejem plo, para car­ gar y descargar el túnel se necesitan aberturas a la entrada y a la salida; el sistem a de flujo cruzado perm ite equilibrar las presiones en estos puntos, para m inim izar el intercam bio de aire entre el interior y el exterior del túnel. Tam ­ bién perm ite controlar las condiciones térm icas de cada sección, para lograr que el aire circulante tenga una hum edad alta, a fin de reducir la evaporación en el producto que, si es excesiva, puede provocar el fenóm eno de deshidratación superficial conocido com o «quem adura de la congelación». Si los alim entos se congelan sobre una cinta transportadora en m ovim iento, en lugar de en bandejas apiladas en vagonetas, se precisa acom odar en el túnel una cinta transportadora de considerable longitud. En la Figura 14.11, se m uestra una unidad de congelación en la que se logra un buen aprovecham iento de la

FIG. 14.11 Diagrama de un sistema Frigoscandia GyroFreeze que muestra sus características principales: (1) serpentín de refrigeración con ventiladores por debajo; (2) primer cilindro en el que la cinta sigue una trayectoria ascendente; (3) segundo cilindro en el que la cinta sigue una trayectoria descendente; (4) descarga; (5) estación de lavado automático de la cinta; (6) ventila­ dor para el secado; (7) regulador de la tensión y recogida de la cinta; (8) rodillo de cambio de dirección. Los productos se cargan sobre la cinta después de pasar por este rodillo.

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Las operaciones de la ingeniería de los alimentos

FIG. 14.12

Sección longitudinal de un congelador de lecho fluidizado (Cortesía de Frigoscandia Ltd.).

superficie de la fábrica, m ontando una cinta transportadora continua, de acero inoxidable flexible, de form a que siga una trayectoria helicoidal, en dirección vertical, de abajo a arriba y de arriba a abajo. E l diseño de los congeladores continuos de aire forzado se reduce en gran m edida a un problem a de m anejo de m ateriales, es decir, a disponer las cin­ tas o bandejas transportadoras de tal form a que pueda conseguirse una p ro ­ ducción alta, utilizando una fracción razonable del espacio que ocupa la fá­ brica. Los diseñadores de instalaciones industriales ofrecen continuam ente soluciones, cada vez m ás elegantes, a este problem a práctico. Otro problem a de los congeladores de aire forzado en los que se congelan, por ejem plo, las verduras troceadas sin envasar sobre una cinta transportadora continua es que las piezas se congelan unidas entre sí y adheridas a la cinta transportado­ ra, lo que supone la necesidad de fragm entar los bloques, para conseguir productos congelados individualizados y de lim piar la cinta transportadora antes de volverla a cargar. Estos problem as se han superado en los congela­ dores de lecho fluidizado. Los congeladores de lecho fluidizado constan de una artesa de fondo perfo­ rado, a cuyo través se hace pasar, verticalm ente, hacia arriba, aire frío (véase F igura 14.12), a unavelocidad tal que si el equipo se alim enta con productos de tam año pequeño y bastante uniform es, com o guisantes, coles de Bruselas, fre­ sas, o incluso patatas fritas, se form a un lecho fluidizado (véase la Sección 13.3.3.5). En los aparatos com erciales, se obtienen núm eros de Froude (véase el A péndice I) entre 65 y 180, aunque el rango norm al es de 100-120. Los productos a congelar ingresan por un extrem o y se descargan congelados por el otro, form ando un lecho de unos 15 cm de espesor. L a velocidad de carga se ajusta de form a que el tiem po de residencia de cada pieza en el lecho fluidizado sea suficiente para una adecuada congelación. Cuando los productos a conge­

Congelación

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lar no tienen una form a ideal para la fluidización, es decir, cuando su form a se ap arta m ucho de u n a p eq u eñ a esfera, se puede o p erar en un estado de fluidización incipiente, con el lecho sólo un poco expandido (véase el A péndi­ ce 1.2), usándose, en lugar de una artesa con una base perforada estacionaria, una cinta transportadora perforada, que desplaza el producto sobre la corriente de aire. Tam bién puede inclinarse la base del lecho fluidizante para ayudar a este a desplazarse por acción de la gravedad. U na de las principales ventajas de los congeladores de lecho fluidizado es su tam año compacto. Esta com pacidad es posible porque el coeficiente de trans­ m isión superficial del calor es alto y la superficie total de las partículas grande. Por ejem plo, en un lecho fluidizado de guisantes, de 14 cm de espesor, la superficie del producto es 60-70 veces m ayor que la de la base del congelador. Com o los productos a congelar están en continuo m ovimiento, suspendidos en el aire, se congelan individualizados, dando un producto de flujo libre. A de­ m ás, el agua que pudiera haber quedado sobre las piezas a congelar en alguna etapa previa de lim pieza se distribuye por toda la superficie bajo el influjo de la corriente de aire, produciendo un glaseado que protege al alim ento contra la quem adura por congelación. En los congeladores continuos de aire forzado, el agua que se evapora de los alim entos sin envasar se deposita en form a de escarcha sobre las unidades enfriadoras del aire, que tienen que desescarcharse periódicam ente, si se quie­ re m antener su eficacia. Para ello, se dispone de tres m étodos. En prim er lugar, la unidad puede diseñarse de form a que acum ule la escarcha producida a lo largo de un ciclo de trabajo y se desescarche en el período de lim pieza entre dos ciclos. En segundo lugar, com o los sistem as de enfriam iento y circulación de aire se desdoblan en una serie de unidades en paralelo (véase Fig. 14.12), pueden dim ensionarse de form a que pueda dejar de funcionar y desescarcharse una unidad, repartiéndose entre las otras la carga frigorífica. Esta form a de desescarchado secuencial perm ite m antener indefinidam ente la eficacia frigo­ rífica del sistema. Por supuesto, en los congeladores de lecho fluidizado, hay que m antener durante este proceso el sum inistro de aire necesario para fluidizar los productos. Con cualquiera de estos métodos de desescarchado, la superfi­ cie escarchada puede calentarse (a) eléctricam ente, (b) nebulizando agua so­ bre ella o (c) descargando los gases calientes procedentes del com presor en los serpentines de enfriam iento, si se opera enfriando estos por expansión directa de un fluido refrigerante. 14.3.4

SISTEM AS DE CON G ELA CIÓ N B IFÁSICA

Se han diseñado diversos sistemas de congelación en los que el m edio refri­ gerante es un sólido que sublim a (por ej., dióxido de carbono) o un líquido que entra en ebullición (por ej., nitrógeno líquido). En la m ayoría de estos siste­ m as, el efecto refrigerante lo produce el propio agente transm isor del calor,

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Las operaciones de la ingeniería de los alimentos

que sufre, en el proceso, un cambio de fase. Los gases resultantes de este cam ­ bio de fase se expulsan a la atm ósfera. Estos sistemas se conocen com o conge­ ladores criogénicos y los m ateriales que así enfrían com o criógenos. E l dióxido de carbono se m aneja m ejor en estado líquido, a presión. Al pulverizarlo a la presión atm osférica, se produce una m ezcla de dióxido de carbono gaseoso frío y nieve carbónica (sólido), que puede hacerse contactar con el alim ento a congelar. El sistem a puede em plearse para reforzar la capaci­ dad de las líneas convencfonales de congelación por corriente de aire, durante los períodos en que se requiere una gran capacidad, o com o único m edio frigo­ rífico de una planta de congelación. El punto de ebullición del nitrógeno líquido (-1 9 6 °C a la presión atm osfé­ rica) es tan bajo que perm ite congelar los alim entos muy deprisa, lo que ha hecho posible m ejorar la calidad de productos que no se com portan bien frente a los m étodos convencionales de congelación (por ej., los cham piñones y m u­ chos productos del mar) y reducir las pérdidas de peso, por evaporación de agua, durante la congelación, debido a la escasa capacidad de retención de agua que tienen los gases a tan baja tem peratura. El costo de la congelación por el nitrógeno líquido depende, en gran medida, del del propio gas, ya que la inversión en equipo exigida es relativam ente baja. El precio del nitrógeno lí­ quido depende, a su vez, de la cantidad que se consum a y de los gastos de transporte desde la planta de licuefacción a la de productos congelados. En el R eino U nido de la Gran Bretaña, en 1986, se congelaba con nitrógeno líquido el 10-15% de los productos que se som etían a este sistem a de conservación, porque la estructura de los precios era favorable al criógeno. L a sim ple inm ersión en nitrógeno líquido tiene dos inconvenientes. N o perm ite controlar la velocidad de congelación y no aprovecha toda la capaci­ dad refrigerante del m edio. El calor latente de vaporización del nitrógeno líquido a —196°C es de 200 kJ kg_1. El calentam iento del nitrógeno gaseoso hasta -1 8 ° C , a presión constante, absorbe otros 209 kJ k g '1. Los equipos co­ m erciales, com o el representado en la Figura 14.13, aprovechan la capacidad refrigerante del nitrógeno gaseoso. Cuando se aplica directam ente sobre los alim entos, el nitrógeno líquido se pulveriza a una velocidad controlada, para regular la de congelación. En la F igural4.13(a) se m uestra un sistem a que perm ite controlar el sum inistro de nitrógeno líquido, para evitar un grosero ex c eso , re c o g ie n d o el crió g e n o no v ap o riz ad o en la base del tú n el y recirculándolo a una cabeza aspersora, o vaporizándolo por acción del gas procedente de la sección caliente del túnel, obteniendo así más gas frío que congela parte del producto lejos de la zona de aspersión. El sistem a de la F ig ural4.13(b) es básicam ente un congelador por corriente forzada de aire, descrito en la Sección 14.3.3. También se han descrito congeladores de arm a­ rio discontinuos y de túneles en espiral. L a C om pañía Du Pont desarrolló, en 1967, una técnica de congelación ba­ sada en el «R 12» (diclorodifluorom etano), que hierve a -3 0 °C a la presión

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Congelación Sección de conge­ lación

Sección de preenfriam iento

N itrógeno líquido

Ventiladores Alim entación

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