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
de ebullición
calor sensible
(depende P sistema)
2) Evaporar el agua del
producto
calor latente
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
m = flujo másico (kg/h)
En la evaporación hay
transferencia de masa
y de calor.
Balance Global del masa:
mf = mp + mv
................. Ecuación 1
Balance de sólidos:
0
mf Xf = mp Xp + mv Xv
 mf Xf = mp Xp
........... Ecuación 2
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
b)
calor que debe ser suminstrado por la fuente de calentamiento (vapor de
calentamiento)
Q = ms s
c)
………… Ecuación 3
.............. Ecuación 4
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 m2 °C)
A = área de transferencia de calor ( m2 )
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
de ebullición
depende
de
Presión
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
horizontales
Evaporador de tubos cortos
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
a) PELÍCULA
SUPERFICIAL
U= 1
RT
=
1
Rvap + Rpared + Rliq
Rvap = Rc + Rs
Rliq = Rd + RL
Rpared = Xpared / kpared
RT = Rc + Rs + Rpared + Rd + RL
Donde:
U = coeficiente global de transferencia de calor
RT = resistencia total a la transferencia de calor
Rvap = resistencia a la transmisión del calor del
lado del vapor de calentamiento
Rc = resistencia a la transmisión de calor por el
condensado del vapor de calentamiento
Rs = resistencia a la transmisión de calor por el
vapor de calentamiento
Rliq = resistencia a la transmisión de calor del
lado del líquidoa evaporar
Rd= resistencia a la transmisión de calor por
los depósitos de producto
RL = resistencia a la transmisión de calor por el
líquido a evaporar
Rpared = resistencia a la transmisión de calor
por la pared del intercambiador calor
Xpared = espesor de la pared del intercambiador
Kpared = conductividad térmica de la pared del
intercambiador de calor
( material de construcción)
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 m2 °C
Evaporadores de Circulación Forzada
o Película Delgada
U  2000 – 2800 kcal /h m2 °C
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:
lado
del
líquido
lado
del
vapor
• Temperatura del medio de
• Afecta las características
sensoriales del producto
( calidad)
calentamiento
• Tiempo de permanencia
•
viscosidad, sólidos en suspensión,
composición química (prot. ,carboh.)
• Tratamiento agua para producir
vapor (eliminar dureza)
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 T
altos valores de Q
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
base al producto a evaporar)
b) Temperatura de ebullición del producto (Tb)
Tb se logra utilizando vacio
 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
- Protege al alimento
del daño térmico
NO
- Proporciona un
tratamiento térmico
(debe pasteurizarse antes)
- Aumenta la velocidad
de transmisión de
calor (Q)
- Evita la pérdida de
aroma
(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
- recuperación de aromas
evaporación al vacío
2) Eficiencia de la Evaporación:
- alta velocidad de evaporación
Q
con
Uy 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