EVAPORACIÓN DE ALIMENTOS

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EVAPORACIÓN DE ALIMENTOS

EVAPORACIÓN

DE

ALIMENTOS


La evaporación es el método por el cuál

se elimina una parte del agua contenida

en un alimento fluido,

mediante evaporación de la misma

(ebullición)

con objeto de obtener un producto

“concentrado”


Existen diferentes métodos para concentrar alimentos:

1. POR ELIMINACIÓN DE AGUA

a) Concentración por Evaporación

b) Concentración por Membranas (Osmosis Inversa)

c) Concentración por Congelación (Crio-concentración)

2. POR ADICIÓN DE SÓLIDOS

a) Adición de azúcar (mermeladas, jaleas, ates, fruta cristalizada)

b) Adición de hidrocoloides (fruta estabilizada)

c) Adición de sal (carnes y pescados salados)

3. POR ADICIÓN DE SÓLIDOS + ELIMINACIÓN DE AGUA

a) Adición de azúcar + Evaporación (leche condensada)


CONCENTRACIÓN DE ALIMENTOS

Se logra una reducción de la Actividad de agua (Aw) del

alimento a valores entre 0.6 y 0.8 (humedad intermedia)

Con estos valores de Aw el desarrollo de

microorganismos y la velocidad de las reacciones

químicas, bioquímicas y enzimáticas se reducen, pero

no se inhiben.

Por ello, los productos concentrados requieren técnicas

coadyuvantes de conservación:

- Refrigeración

- Congelación

-Tratamiento Térmico y Envasado al vacío

- Adición de conservadores, etc


CONCENTRACIÓN POR EVAPORACIÓN

Ventajas:

- Mejora la conservación del producto ( Aw)

- Permite un ahorro energético en operaciones

subsecuentes (deshidratación, congelación)

- Reduce gastos de almacenamiento, transporte y material

de empaque (reduce volumen)

- Facilita el uso del producto, tanto al consumidor (sopas,

puré tomate) como a la industria (pectina líquida conc., fruta conc.

para helados, yogurts, pastelería)

Desventajas:

- Por sí sóla no conserva al producto. Requiere métodos

coadyuvantes de conservación (refrigeración,

congelación, tratamiento térmico y envasado al vacío ,etc)

- Puede haber pérdida del aroma del producto (si no se

recupera )


EVAPORACIÓN

Eliminación de una parte del agua del producto en

forma de vapor, mediante la aplicación de calor

suficiente para:

1) Elevar la temperatura del

producto hasta su punto calor sensible

de ebullición

(depende P sistema)

2) Evaporar el agua del calor latente

producto


El calor necesario para efectuar la evaporación

generalmente es sumistrado por

vapor a alta presión ( alta temperatura),

quien cede su calor latente de condensación.

No se utiliza calefacción directa o resistencias eléctricas

debido a que proporcionan temperaturas locales muy

elevadas, dañando al producto.

El agua caliente podría utilizarse cuando la temperatura

de ebullición del líquido a evaporar es baja, pero los

grandes volúmenes de agua caliente requerida son muy

problemáticos para el diseño y operación de los

evaporadores.


EVAPORACIÓN

DE UN SOLO

EFECTO


ESQUEMA DE UN EVAPORADOR


EVAPORACIÓN

DE UN SOLO

EFECTO

En la evaporación hay

transferencia de masa

y de calor.

Balance Global del masa:

mf = mp + mv ................. Ecuación 1

Balance de sólidos:

0

mf Xf = mp Xp + mv Xv mf Xf = mp Xp ........... Ecuación 2

m = flujo másico (kg/h)


Balance de calor:

a) calor que se requiere administrar al producto para que pueda evaporarse

(calor sensible hasta la temp. de ebullición + calor latente de evaporación)

Q = mf Cp (Tb – Tf) + mv v ………… Ecuación 3

b) calor que debe ser suminstrado por la fuente de calentamiento (vapor de

calentamiento)

Q = ms s .............. Ecuación 4

c) la velocidad de transferencia de calor en el evaporador es:

Q = U A T = U A (Ts – Tb) ............. Ecuación 5

Donde:

Q = velocidad de transferencia de calor (kcal/h)

s = calor latente de condensación del vapor a Ts (kcal/kg)

v = calor latente de vaporización del agua a Tb (kcal/kg)

Cp = calor específico del producto alimentado (kcal/kg °C)

U = coeficiente global del transferencia de calor (kcal/h m 2 °C)

A = área de transferencia de calor ( m 2 )

Tf = Temperatura del producto alimentado (°C )

Tb = Temperatura de ebullición del producto (depende de Psist.) (°C )

Ts = Temperatura vapor de calentamiento (depende de Ps) (°C )

m = flujo másico (kg/h)

Subíndices:

f = alimentación

p = prod. concentrado

v = vapor del producto

s = vapor calentamiento


TEMPERATURA DE EBULLICIÓN

DEL PRODUCTO (Tb)

Temperatura depende Presión

de ebullición de del Sistema

punto de ebullición = temperatura a la cuál la presión de vapor del líquido se

iguala a la presión que existe alrededor del mismo, en este caso = Presión en el

Sistema (Psist)

cuando

Psist es alta ( atmosférica) Temp. ebullicion es alta ( 100°C)

Psist es = P atmosférica Temp. ebullición 100°C

Psist es baja ( atmosférica = vacío) Temp. ebullicion es baja ( 100°C)

Mayor vacío Menor Temperatura de ebullición


ELEVACIÓN DE LA TEMPERATURA

DE EBULLICIÓN (Tb)

A medida que el líquido se concentra, su

temperatura de ebullición aumenta (propiedad

coligativa), por lo que el T disminuye, reduciendo a

su vez la velocidad de transferencia de calor (Q)

La elevación del punto de ebullición con el cambio

de concentración puede determinarse de 2 formas:

a) Mediante los Diagramas de Dühring

b) Mediante estimación matemática basada en la

molalidad de la solución


DIAGRAMA DE DÜHRING

Para Soluciónes Acuosas de Sacarosa


Elevación del Punto de Ebullición en Soluciones

Concentradas

De acuerdo a la 2da Ley de Raoult, el en el punto de ebullición es

proporcional a la molalidad de la solución

Estimación matemática en base a la molalidad

de la solución

Tb (°C) = 0.51 m

0.51ºC = constante de proporcionalidad ebulloscópica del agua

m = molalidad de la solución

m = moles de soluto conc. = g soluto* / PM soluto

1000 g solvente g solvente* / 1000 g

* en 1000 g


EVAPORADORES


Los evaporadores industriales normalmente

constan de:

• Un intercambiador de calor para aportar el

calor sensible y el calor latente de evaporación

del alimento liquido.

(En la industria de los alimentos normalmente se utiliza vapor

saturado como medio de calentamiento)

• Un separador en el que el agua evaporada del

alimento se separa de la fase líquida

concentrada.

• Un condensador para condensar el agua

evaporada del alimento y eliminarla del sistema

(a menos que se utilicen múltiples efectos)


EQUIPOS UTILIZADOS PARA

LA EVAPORACIÓN DE

ALIMENTOS

DE CIRCULACIÓN NATURAL

DE CIRCULACIÓN FORZADA O

PELICULA DELGADA


EVAPORADORES DE CIRCULACIÓN NATURAL

Evaporador de tubos cortos Evaporador de tubos cortos

horizontales verticales


EVAPORADORES DE

CIRCULACIÓN FORZADA

O

PELICULA DELGADA

Estos evaporadores son mas costosos que los de

circulación natural, pero son mucho mas eficientes

cuando los productos a evaporar son sensibles al

calor, tienen altas viscosidades o propiedades

incrustantes, como es el caso de los alimentos


Evaporador

Vertical

de Tubos

Largos

(Película

Ascendente)

de

Circulación

Forzada


Los evaporadores de Película Descendente, o de

Película Ascendente son muy utilizados en la

industria alimentaria

Estos evaporadores:

-Pueden ser operados con

diferenciales de temperatura

muy bajos entre el medio de

calentamiento y el líquido a

evaporar

-Tienen tiempos de contacto con

el producto muy cortos (unos

cuantos segundos por paso)

-Son especialmente adecuados

para productos sensibles al calor


Evaporador de Placas


Los evaporadores de

placas, al igual que los

de película ascendente

o descendente, son

ampliamente

utilizados para la

evaporación de

alimentos

Ventajas:

- Alta eficiencia, economía y rendimiento

- Altos coeficientes de transferencia térmica

- Capacidad de trabajar con productos termo-sensibles

- Limpieza rápida y sencilla (CIP)


Evaporador de Superficie Raspada

Película Delgada 0.25 mm

Se utiliza para alimentos viscosos: pulpas fruta, pasta tomate, miel,

extractos carne


Evaporador Centrífugo

(Centri-Therm)


EFICIENCIA DE LA

EVAPORACIÓN

Se requiere un valor determinado de Q (kcal/h), para

evaporar una masa dada de producto, y alcanzar la

concentración deseada. (Q = mfCp (Tb – Tf) + mv v)

Esa Q debe obtenerse en el evaporador:

Q = A U T

Cuando se logra obtener altos valores de Q

con pequeñas áreas de evaporación,

entonces puede decirse que la evaporación

es eficiente.


Factores que influencian la velocidad de

transferencia de calor (Q)

en un evaporador

Q = U A T

Se desea que Q sea grande, pero A sea pequeña,

los valores de U y T deben ser grandes

Factores que afectan el valor de U:

a) Película Superficial

b) Depósito de residuos o “costras” en la

superficie de intercambio de calor

Factores que afectan el valor de T:

a) Temperatura del vapor de calentamiento

b) Temperatura de ebullición del producto


U = 1 = 1

RT Rvap + Rpared + Rliq

Rvap = Rc + Rs

Rliq = Rd + RL

Rpared = Xpared / kpared

RT = Rc + Rs + Rpared + Rd + RL

a) PELÍCULA

SUPERFICIAL

Donde:

U = coeficiente global de transferencia de calor

RT = resistencia total a la transferencia de calor

Rvap = resistencia a la transmisión del calor del

lado del vapor de calentamiento

Rc = resistencia a la transmisión de calor por el

condensado del vapor de calentamiento

Rs = resistencia a la transmisión de calor por el

vapor de calentamiento

Rliq = resistencia a la transmisión de calor del

lado del líquidoa evaporar

Rd= resistencia a la transmisión de calor por

los depósitos de producto

RL = resistencia a la transmisión de calor por el

líquido a evaporar

Rpared = resistencia a la transmisión de calor

por la pared del intercambiador calor

Xpared = espesor de la pared del intercambiador

Kpared = conductividad térmica de la pared del

intercambiador de calor

( material de construcción)


En evaporadores bien diseñados y que operan eficientemente,

RT está determinada por Rliq

U 1/ Rliq

Rliq depende de:

· Grosor de la película de líquido Tipo de Evaporador

· Viscosidad del líquido

· Presencia de depósitos o costras de producto en la

superficie del intercambiador

Aproximadamente, el coeficiente global de transmisión de calor

para evaporadores es:

Evaporadores de Circulación Natural U 1000 – 1500 kcal/h m 2 °C

Evaporadores de Circulación Forzada U 2000 – 2800 kcal /h m 2 °C

o Película Delgada


lado

del

líquido

lado

del

vapor

b) Depósito de residuos o costras en la superficie

de intercambio de calor

Depósito de residuos, formación de costras o incrustaciones

Depende de:

•Caracteristicas del producto:

viscosidad, sólidos en suspensión,

composición química (prot. ,carboh.)

• Temperatura del medio de

calentamiento

• Tiempo de permanencia

• Tratamiento agua para producir

vapor (eliminar dureza)

• Afecta las características

sensoriales del producto

( calidad)

• U y por lo tanto Q


Factores que afectan el T

Q = U A T = U A (Ts – Tb)

Altos valores de T altos valores de Q

Altos valores de T Ts y Tb

a) Temperatura del vapor de calentamiento (Ts)

Ts 150°C daña al producto

Ts 102°C vapor condensado

Ts 105° - 140°C (el valor de Ts a utilizar se selecciona en

b) Temperatura de ebullición del producto (Tb)

Tb se logra utilizando vacio

base al producto a evaporar)

Debe utilizarse la mayor temperaturade vapor de calentamiento que

el producto resista y la menor Tb posible, mediante el mayor vacío que el

equipo pueda conseguir


EVAPORACIÓN AL VACÍO

SI NO

- Protege al alimento - Proporciona un

del daño térmico tratamiento térmico

(debe pasteurizarse antes)

- Aumenta la velocidad - Evita la pérdida de

de transmisión de aroma

calor (Q) (debe recuperarse el aroma)


ECONOMÍA DE LA

EVAPORACIÓN


La evaporación es el método de eliminación de agua

más económico.

El costo de una operación de evaporación depende

directamente de la masa de vapor de calentamiento

utilizada para evaporar una masa dada de producto y

se cuantifica como “Economía de Vapor del Sistema”

ECONOMÍA DE VAPOR DEL SISTEMA

Economía de vapor = ms (kg vapor / kg agua evaporada)

del sistema mv


RESUMEN

Aspectos importantes de la

evaporación de alimentos:

1) Calidad del producto evaporado

- mínimo daño térmico evaporación al vacío

- recuperación de aromas

2) Eficiencia de la Evaporación:

- alta velocidad de evaporación Q con U y A

3) Economía del proceso

- bajo gasto de vapor de calentamiento ms

mv


RESUMEN

Ecuaciones a utilizar para el cálculo de las

operaciones de evaporación:

Evaporación de un solo efecto

I. Balance global de masa y sólidos

1) mf = mp + mv

2) mf Xf = mp Xp

II. Balances calor

3) Q = mf Cp (Tb – Tf) + mv v

4) Q = ms s

5) Q = A U (Ts – Tb)

III. Economía de vapor del Sistema

6) ms / mv

Factores de

Diseño

• Tipo de

Evaporador

• Area de

transferencia

de calor

Factores de

Operación

. Fijar Ts

• Fijar Tb

• Mantener

drenada camisa

de calentamiento

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