unidad 2: ingeniería de procesos 1

UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD
ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍAS E INGENIERÍA
MÓDULO: 211616 – PROCESOS FRUVER
UNIDAD 2: INGENIERÍA DE PROCESOS 1
Nombre de la Unidad
INGENIERÍA DE PROCESOS I
Las operaciones unitarias, entendidas como las
actividades básicas que forman parte de un proceso
industrial y en las que interviene un cambio físico,
químico o bilógico, deben ser inherentes al desarrollo
profesional de un Ingeniero. Por esta razón se hace
imprescindible que el ingeniero de Alimentos analice,
comprenda y aplique las diferentes operaciones
unitarias que se aplican en la Industria de frutas y
hortalizas.
Justificación
En esta unidad se presentan inicialmente los principios
básicos que fundamentan la transferencia de masa y
calor, así como las propiedades reológicas y térmicas
tan útiles a la hora de determinar el comportamiento de
los alimentos ante cualquier fenómeno fisicoquímico.
Posteriormente, el estudiante se enfrenta a las
operaciones de flujo, transporte y separación,
conociendo diferentes aplicaciones industriales de
estas y comprendiendo los parámetros comunes de
cálculo.
Por último se describe un grupo de operaciones de
gran importancia en el tratamiento de alimentos
vegetales, los tratamientos térmicos, en esta categoría
se incluyen los principales efectos térmicos que sufre el
alimento luego de someterse a aumento o descenso de
temperatura, se presentan los equipos utilizados
industrialmente y los factores de diseño y operación
más relevantes para el Ingeniero.
Al concluir esta unidad, el Ingeniero de Alimentos debe
estar en capacidad de diseñar y comprender el
funcionamiento de los equipos relacionados con las
UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD
ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍAS E INGENIERÍA
MÓDULO: 211616 – PROCESOS FRUVER
operaciones unitarias que incluyen tratamientos
térmicos. Así mismo, estará en capacidad de analizar y
resolver situaciones problémicas reales.
Presentar los fundamentación teórica relacionada con
las mezclas aire vapor de agua, de gran influencia tanto
en los procesos de deterioro como en los tratamientos
térmicos.
Intencionalidades
Formativas
Introducir al estudiante en el ámbito de las operaciones
unitarias comunes en la industria, presentando los
conceptos fundamentales de las transferencias de calor
y masa, así como el manejo y transporte de fluidos y
sólidos.
Describir el cálculo de las principales propiedades
térmicas de frutas y hortalizas y su comportamiento
respecto a diferentes variables.
Presentar los procesos químicos y biológicos más
comunes en la industria de frutas y hortalizas,
orientando siempre al estudiante a la innovación.
Caracterizar los tratamientos térmicos de frutas y
hortalizas, promoviendo el análisis, diseño y realización
de cálculos básicos.
Fomentar la habilidad de análisis y resolución de
problemas inmersos en una operación unitaria.
CAPITULO 4
Principios fundamentales de los Procesos
operaciones unitarios en Frutas y hortalizas.
Lección 16
Psicrometría
Lección 17
Transmisión de calor
Lección 18
Transmisión de masa
Lección 19
Propiedades reológicas y textura
Lección 20
Propiedades térmicas
CAPITULO 5
Operaciones
unitarias
de
transporte
y
y
UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD
ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍAS E INGENIERÍA
MÓDULO: 211616 – PROCESOS FRUVER
separaciones físicas en frutas y hortalizas.
Lección 21
Flujo y mezcla de fluidos
Lección 22
Filtración y centrifugación
Lección 23
Procesos químicos
Lección 24
Procesos químicos
Lección 25
Procesos biológicos
CAPITULO 6
Tratamientos térmicos en frutas y hortalizas.
Lección 26
Escaldado
Lección 27
Congelación
Lección 28
Refrigeración
Lección 29
Irradiación de alimentos
Lección 30
Tratamiento ionizante de alimentos
UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD
ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍAS E INGENIERÍA
MÓDULO: 211616 – PROCESOS FRUVER
CAPITULO 4: PRINCIPIOS FUNDAMENTALES DE LOS
PROCESOS Y OPERACIONES UNITARIOS EN FRUTAS Y
HORTALIZAS.
INTRODUCCIÓN.
El análisis de los alimentos vegetales depende del contexto en el que se
desarrollen, en general cumplen todas las leyes de la naturaleza pudiendo ser
vistos ya sea como solidos clasificados de acuerdo a su estado fresco, o como
fluidos cuando ya han sido parte de un procesado industrial, como es el caso de
los jugos, zumos, sopas, cremas y mermeladas. Para cada caso, existen modelos
universales que los describen junto con su comportamiento ante diferentes
situaciones en las que intervienen cambios de temperatura, presión o
concentración, amplios estudios han sido elaborados modificando condiciones de
operación y diseño en busca de la determinación precisa de las propiedades de
los alimentos, estas propiedades pueden ser térmicas, reológicas o relacionadas
con la calidad.
Debido al alto contenido de agua presente en frutas y hortalizas resulta de gran
importancia conocer el comportamiento de este líquido en todos sus ámbitos, en la
mayoría de ensayos el agua resulta ser el protagonista de los fenómenos físicos
que rigen a los alimentos. En el presenta capitulo se estudiarán los fenómenos de
transferencia de calor y materia, junto con el comportamiento de las mezclas aireagua y las propiedades térmicas.
LECCIÓN 16: PSICROMETRÍA.
Las frutas y hortalizas requieren un manejo poscosecha apropiado en el que las
variables externas se controlen de manera adecuada para evitar afectaciones en
el desarrollo del producto, como se ha visto anteriormente, el ambiente al que
están expuestas tiene un gran efecto sobre su vida poscosecha, este ambiente
UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD
ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍAS E INGENIERÍA
MÓDULO: 211616 – PROCESOS FRUVER
está constituido innegablemente por la presencia de aire circundante por eso es
de gran importancia el estudio de las propiedades y comportamiento de este fluido
universal. En esta lección usted reconocerá, comprenderá y aplicara los conceptos
principales asociados a las mezclas aire agua que comprenden el estudio de la
Psicrometría.
Las principales aplicaciones de la psicrometría en la industria de alimentos están
relacionadas con el diseño de equipos de refrigeración y almacenamiento,
procesos de secado, estudios de climatización y en general en aquellas etapas en
que intervenga una corriente de aire seco o húmedo.
Propiedades del aire seco.
El aire ambiental corresponde a una mezcla de aire seco o puro y vapor de agua
conocida como aire húmedo, para el análisis de propiedades y comportamiento
durante un proceso industrial es conveniente estudiar cada uno de los
componentes por separado, en esta sección se verán las características del aire
seco. Cómo usted recuerda, el aire seco corresponde a una mezcla inolora e
incolora de varios gases entre los que el nitrógeno y oxigeno representan la mayor
fracción; aunque se encuentran en él trazas de argón, neón, xenón, criptón y otros
compuestos, para efectos prácticos en ingeniería y a menos que se requiera una
alta precisión en los cálculos, se maneja una composición global de 79%v de
nitrógeno y 21%v de oxígeno. En condiciones normales de presión y temperatura
es válido asumir que el aire se comporta como un gas ideal y de esta forma las
leyes asociadas describen su comportamiento adecuadamente.
Peso molecular del aire seco: De acuerdo a su composición, el aire seco tiene un
peso molecular de 28,84g/mol.
Densidad del aire seco: La densidad varía con la presión atmosférica, en
condiciones normales un kilogramo de aire ocupa 0,833m3.
Volumen específico del aire seco: El volumen específico se encuentra en función
de la temperatura y presión mediante la siguiente ecuación:
UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD
ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍAS E INGENIERÍA
MÓDULO: 211616 – PROCESOS FRUVER
En esta relación v corresponde al volumen en m3/kg, R es la constante de los
gases ideales en m3Pa/kgK, T es la temperatura absoluta en K y p es la presión
parcial del aire seco en kPa.
Calor específico del aire seco: Con respecto a las propiedades térmicas, el aire
posee un calor específico dependiente de la temperatura, aunque se ha
encontrado que para un rango entre -40 y 60°C el valor aproximado es de 1.004
kJ/kgK.
Entalpia del aire seco: El cambio de entalpia del aire seco con respecto a una
temperatura de referencia se expresa mediante la siguiente relación.
Ha – href = CpaTa –Tref
(4.2)
Si la temperatura de referencia se toma como 0°C, la entalpia en estas
condiciones será nula y la ecuación se convierte en:
Ha = CpaTa
(4.3)
Siendo Cpa el calor especifico promedio correspondiente a la temperatura Ta.
Propiedades de vapor de agua.
El vapor de agua es un gas obtenido por evaporación de cierta cantidad de agua
en estado líquido, al igual que en el caso del aire seco es posible asumir que se
comporta como gas ideal en intervalos de presión y temperatura moderados,
generalmente inferiores a 0,03 bar y 65 ° C. Bajo estas condiciones se calculan
sus propiedades físicas.
Volumen específico del vapor de agua: El volumen específico se encuentra en
función de la temperatura y presión mediante la siguiente ecuación:
UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD
ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍAS E INGENIERÍA
MÓDULO: 211616 – PROCESOS FRUVER
Donde R toma el valor de 461,52m3Pa/kgK, Vv es el volumen específico en
m3/kg, pv es la presión parcial del vapor de agua y T es la temperatura absoluta
en K.
Calor especifico del vapor de agua: Para un rango de temperatura entre -70°C y
120°C se ha encontrado que es posible trabajar con un calor especifico promedio
para el vapor de agua de 1,86kJ/kg°C. Sin embargo, recuerde que si requiere
mayor exactitud es conveniente calcular este valor a través de la correlación
polinómica basada en la temperatura.
Entalpia del vapor de agua: Teniendo en cuenta que a temperaturas y presiones
bajas la entalpia del vapor depende únicamente de la temperatura, es posible
calcular su valor aproximándolo a la entalpia del vapor saturado. Extensos datos
para el vapor de agua se pueden encontrar en las Tablas de vapor de agua que se
manejan comúnmente en el área de termodinámica.
Propiedades de las mezclas aire-vapor.
Aire húmedo.
El aire que compone el ambiente del planeta contiene una proporción de vapor de
agua que varía con la ubicación geográfica y los factores climáticos, aunque esta
proporción es relativamente baja es necesario tenerla en cuenta ante cualquier
calculo en ingeniería en el que se involucre la participación del aire atmosférico. La
mezcla aire seco y vapor de agua recibe el nombre de aire húmedo, y esta
caracterizada por un conjunto de propiedades y conceptos particulares, a
continuación se realiza una descripción de cada uno de ellos, tenga en cuenta que
serán de gran aplicación a la hora de analizar los procesos de secado y
refrigeración, entre otros.
UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD
ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍAS E INGENIERÍA
MÓDULO: 211616 – PROCESOS FRUVER
Humedad.
Teóricamente la humedad se define como la masa de vapor de agua que existe en
una mezcla de vapor y aire seco, matemáticamente esta relación puede ser
expresada de varias formas, la primera, corresponde a la Humedad absoluta que
se define cómo la cantidad de vapor de agua con respecto a la unidad másica de
aire seco, dimensionalmente se expresa en kg de vapor de agua / kg de aire seco
o lb de vapor de agua / lb de aire seco, en términos de variables la humedad
absoluta puede ser representada mediante la siguiente ecuación:
(4.4)
Si el aire húmedo se maneja como una mezcla de gases ideales su presión total
puede expresarse como la suma de la presiones parciales de sus componentes,
es decir del vapor y el aire seco.
De igual forma, es posible aplicar la ley de gases ideales para expresar la
humedad absoluta en otros términos, despejando las masas de vapor y aire seco
se obtiene:
(4.6)
Si se reemplazan estas relaciones en la ecuación 4.4 se obtiene una expresión
para la humedad absoluta en términos de presiones parciales, volumen y
temperatura. Teniendo en cuenta que el volumen y la temperatura son de la
mezcla y que la relación Rv/Ra.s corresponde a 0,622, se tiene:
O en términos de presión total:
UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD
ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍAS E INGENIERÍA
MÓDULO: 211616 – PROCESOS FRUVER
Humedad Relativa.
Si a una mezcla húmeda se agrega progresivamente vapor de agua llegara un
momento en que el aire seco no pueda contener más agua y esta empiece a
condensar, justo en este punto se dice que el aire se encuentra en su estado de
saturación y pasara a ser aire saturado, la cantidad máxima que el aire puede
retener se puede calcular reemplazando Pv por la presión de saturación del agua
Psat a la temperatura de la mezcla en la ecuación 4.8.
Mientras que el aire no este saturado con vapor, su presión parcial será menor
que la presión de vapor del agua y la relación entre estas dos variables permite
determinar el valor de la Humedad relativa, que es un indicador de la cantidad de
agua que aún puede recibir el aire en su corriente antes de llegar al nivel de
saturación, matemáticamente se expresa como un porcentaje mediante la
siguiente relación:
La humedad relativa entonces tendrá un valor de cero para el aire seco y 1 para el
aire saturado y estará determinada por la temperatura.
Temperatura de punto de rocío.
Como ya se había mencionado, cuando el aire se encuentra en su estado de
saturación el vapor inicia su condensación, la temperatura a la cual ocurre este
fenómeno es denominada Temperatura de rocío. En términos de la presión de
vapor el proceso se ejemplifica mejor en el diagrama T-s de la figura 4.1, el aire se
UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD
ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍAS E INGENIERÍA
MÓDULO: 211616 – PROCESOS FRUVER
enfría a presión constante hasta alcanzar el punto 2 que corresponde a la
temperatura de rocío en ese punto el sistema se encuentra sobre la línea de
saturación, si la temperatura desciende aun mínimamente, inicia la condensación
esquematizada por la ubicación del sistema al interior del domo que representa la
existencia simultanea de las fases liquida y gaseosa.
Figura 4.1: Diagrama T-s para el agua.
Fuente: [51].
Calor húmedo de una mezcla aire-vapor.
El calor húmedo es la cantidad de energía que se requiere aplicar a una mezcla
aire-vapor para aumentar en 1K la temperatura de 1kg de mezcla, su cálculo se
realiza teniendo en cuenta la humedad presente en el aire mediante la siguiente
relación:
Donde cs es el calor húmedo en kJ/kg de aire seco K y w es la humedad en kg de
agua/ kg de aire seco.
UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD
ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍAS E INGENIERÍA
MÓDULO: 211616 – PROCESOS FRUVER
Volumen especifico de una mezcla aire-vapor.
El cálculo del volumen específico de una mezcla psicrométrica se realiza teniendo
en cuenta los pesos moleculares de aire y del agua.
Temperaturas de bulbo seco y bulbo húmedo.
Básicamente la temperatura de bulbo seco es aquella que resulta de la medición
con un termómetro corriente. A diferencia de esta, la temperatura de bulbo
húmedo es medida con un termómetro especial que tiene el bulbo envuelto en un
paño húmedo, cuando el termómetro se expone a la corriente de aire que será
medida, parte del agua del paño se evapora debido a su mayor presión de vapor,
esta evaporación conlleva un gasto de calor latente que se toma de la mezcla.
Cuando la temperatura del paño desciende por debajo de la temperatura de bulbo
seco del aire, el aire comienza a ceder calor al paño aumentando su temperatura.
Luego de cierto tiempo se alcanza un equilibrio en el que el flujo de calor desde el
aire hacia e paño es igual al calor latente requerido para la evaporación del agua,
en este punto se alcanza la temperatura de bulbo húmedo.
Cuando el aire se encuentra saturado, las temperaturas de bulbo húmedo y bulbo
seco son iguales. Para insaturado la temperatura de bulbo húmedo siempre será
un poco menor que la de bulbo seco. La precisión de la lectura depende de la
velocidad a la cual se haga fluir la mezcla de aire-vapor, así como de factores
ambientales.
Diagramas Psicométricos.
Los diagramas o cartas psicométricas, son graficas que representan el
comportamiento de las diferentes propiedades de las mezclas aire-vapor, aunque
UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD
ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍAS E INGENIERÍA
MÓDULO: 211616 – PROCESOS FRUVER
los valores de su origen están tabulados, el procedimiento de lectura resulta más
sencillo usando un diagrama. Se han elaborado cartas psicométricas para cada
presión absoluta, la más conocida está basada en una presión de 101,3kPa, el
rango de temperaturas esta entre -10°C y 50°C. Las propiedades que se incluyen
en esta carta son las temperaturas de bulbo húmedo, bulbo seco y rocío, las
humedades relativa y absoluta, la entalpía y el volumen especifico. En las
siguientes figuras se representan las curvas o líneas utilizadas para cada
característica.
Las unidades que se manejan en esta carta se encuentran en Sistema
Internacional. Las temperaturas están en grados centígrados; el volumen en
m³/kg; la humedad relativa en porcentajes; el contenido de humedad en g/kg aire
seco; la entalpía está en kilo Joules (kJ) por kg de aire seco. Basta con conocer
dos propiedades para ubicar un punto en la gráfica y realizar la lectura de los
demás valores.
Figura 4.2: Líneas contenidas en la Carta Psicrométrica.
UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD
ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍAS E INGENIERÍA
MÓDULO: 211616 – PROCESOS FRUVER
Fuente: [52].
Para esquematizar el uso de la carta psicrométrica se presenta a continuación un
ejemplo:
Ejemplo:
Una corriente de aire a 40°C y temperatura de bulbo húmedo de 30°C ingresa a un
secador en contracorriente, mediante la carta psicrométrica encuentre:
Entalpía.
Humedad.
Humedad relativa.
Punto de rocío.
UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD
ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍAS E INGENIERÍA
MÓDULO: 211616 – PROCESOS FRUVER
Solución:
En el eje x se ubica la temperatura de 40°C, luego se asciende verticalmente
hasta encontrar la temperatura de bulbo húmedo, este punto de cruce se proyecta
en el eje y, se lee el valor de la humedad:
H= 0,023 kg de agua /kg de aire seco
Viajando por la misma horizontal pero en sentido izquierda derecha se busca la
curva de saturación lo que permite leer el punto de rocío, que es
aproximadamente de 27.2°C.
Con este último punto se busca la proyección sobre las curvas de humedad
relativa se lee:
HR=50%
Para la lectura de la entalpía se busca en la escala pertinente el valor que
corresponde a 30°C:
http://www.sc.ehu.es/nmwmigaj/CartaPsy.htm
UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD
ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍAS E INGENIERÍA
MÓDULO: 211616 – PROCESOS FRUVER
LECCIÓN 17: TRANSMISIÓN DE CALOR
Una gran parte de los procesos de tratamiento de frutas y verduras están
relacionados con la transferencia de calor, escaldado, congelación, liofilización y
secado, entre otros, se desarrollan bajo principios de intercambio de energía
térmica, es por ello que usted debe tener presente las leyes bajo las cuales se
desarrollan estos fenómenos. Por ejemplo, en la pasteurización de un jugo de
manzana, se transmite calor desde un medio de calentamiento hacia el seno del
fluido, el calor debe atravesar el empaque y luego conducirse a través del jugo
hasta llegar al seno de este; en el diseño del sistema de pasteurización se
requiere conocer la cantidad de calor necesaria y la velocidad a la cual se
transmite desde la fuente hasta el receptor. En otros casos, usted como Ingeniero
deberá estimar la temperatura del fluido de servicio o el tiempo de residencia de
su producto en una operación determinada, de tal forma, que sus características
de calidad no se vean afectadas. Para el análisis de este tipo de situaciones es
conveniente recordar los principios de cada uno de los mecanismos de
transferencia de calor, a continuación, se presenta una descripción de los modelos
de conducción y convección con aplicación en la industria de frutas y verduras.
Transferencia de calor por conducción.
En este tipo de transmisión de calor la energía se transfiere a nivel molecular,
generalmente se asocia la conducción con un material sólido, al interior del
material el calor fluye desde el lugar que se encuentra a mayor temperatura hacia
el lugar en que la temperatura es menor, algunos estudios afirman que la
conducción se debe a la vibración que alcanzan las moléculas luego de adquirir
cierta energía térmica, otras teorías afirman que el fenómeno se debe al
movimiento de electrones libres [51].
La conducción ha sido definida por la Ley de Fourier mediante la siguiente
relación:
UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD
ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍAS E INGENIERÍA
MÓDULO: 211616 – PROCESOS FRUVER
El flujo de calor qx es directamente proporcional a la conductividad térmica del
sólido k, algunos alimentos tendrán mayor facilidad de transportar la energía
internamente que otros, generalmente esta capacidad depende del contenido de
humedad que posean (Ver Propiedades térmicas de frutas y verduras). El área de
transferencia de calor A también incide directamente sobre el flujo calorífico, a
mayor área la tasa de flujo aumenta. Comportamiento inverso tiene el espesor del
sólido, un menor espesor hará que el flujo de calor aumente, imagine esta
situación a la hora de definir el corte de rodajas de una zanahoria por ejemplo. Por
último la diferencia de temperatura entre dos puntos del alimento influye en la
transferencia de calor conductiva, entre más distantes sean los valores de
temperatura mayor será el flujo de calor, esto se debe al hecho de que la
diferencia de temperaturas es la fuerza impulsora de la transferencia de calor, así
como la diferencia de concentraciones en una solución hace posible el fenómeno
de transferencia de masa.
Transferencia de calor por convección.
Cuando un fluido líquido o gaseoso entra en contacto con una superficie sólida
que se encuentra a una temperatura distinta, ocurre un fenómeno de transmisión
de calor conocido como convección, la velocidad del fluido es un factor
determinante en el flujo de energía, por ejemplo, una verdura que se expone a
una corriente de aire frio que se transporta a gran velocidad, disminuirá su
temperatura más rápidamente que si se expone a una corriente lenta de aire.
Cuando el fluido adquiere velocidad de forma artificial por acción de algún
mecanismo, se habla de convección forzada, mientras que si su velocidad no ha
sido promovida, como en el caso del aire ambiental, se habla de convección
natural.
El fenómeno de conducción ha sido modelado por la Ley de enfriamiento de
Newton, que establece que el flujo de calor es directamente proporcional al área
de transferencia, a la diferencia de temperaturas entre el fluido y el sólido y a una
propiedad conocida como el coeficiente de transferencia de calor. La ecuación
matemática se presenta a continuación:
UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD
ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍAS E INGENIERÍA
MÓDULO: 211616 – PROCESOS FRUVER
En la ecuación Ts corresponde a la temperatura del sólido y Tf a la de fluido, el
área se maneja en m2 y el coeficiente tiene unidades de W/m 2°C, este último
puede compararse con la conductividad usada en la ecuación de conducción, con
respecto a que representa la capacidad de transferencia, sin embargo para este
caso, el coeficiente h está basado en las propiedades y velocidad del fluido y en la
geometría y rugosidad del sólido. Al depender de tantos factores, el cálculo del
coeficiente de transferencia no resulta nada sencillo, se han desarrollado modelos
para el aire y el agua que satisfacen las necesidades adecuadamente, pero en
caso de fluidos no típicos o solidos con características muy particulares se deben
realizar algunas aproximaciones.
Transferencia de calor en estado estacionario.
El estado estacionario es un modelo simplificado de gran utilidad para el análisis
de los diferentes fenómenos de transferencia de calor, en estado estacionario se
parte de que la temperatura no se modifica con el tiempo, solo con la posición. Los
estudios realizados hacen referencia a diferentes geometrías que pueden ser
aplicadas a las frutas y hortalizas cuando se encuentran en estado fresco o luego
de que han sufrido algún corte o partición determinada, por ejemplo al analizar una
rodaja de zanahoria que ingresa a una etapa de deshidratación usted puede
asumir que se comporta como una placa plana con un espesor dado, ó como un
cilindro corto. Para cada geometría existe entonces un desarrollo particular, en los
siguientes aparatados se presenta un resumen de los cálculos necesarios, usted
podrá estudiar con más detalle cada desarrollo matemático en el curso de
Transferencia de Calor.
UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD
ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍAS E INGENIERÍA
MÓDULO: 211616 – PROCESOS FRUVER
Conducción en una lámina rectangular.
Para determinar la temperatura en cualquier posición de una lámina plana de
espesor x se usa la siguiente expresión:
Siendo T1 la temperatura en la posición x1 que corresponde a la superficie y T la
temperatura del cuero en la posición x [51].
Conducción a través de una tubería cilíndrica.
Para una tubería de radio interior r1, radio exterior r2
y longitud L, el flujo radial de calor a través de la
pared de la tubería se calcula mediante la siguiente
expresión [51]:
Siendo T1 y T2 las temperaturas en la superficie interna y externa respectivamente.
Conducción en paredes compuestas.
Cuando el flujo de calor debe atravesar varias capas de diferente material, por
ejemplo, en el caso de la presencia de un aislante, la diferencia de temperaturas
entre las superficies interna y externa se calcula mediante las siguientes
expresiones [51]:
UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD
ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍAS E INGENIERÍA
MÓDULO: 211616 – PROCESOS FRUVER
Pared rectangular.
El factor entre paréntesis corresponde a la sumatoria de resistencias generadas
en cada capa.
Pared cilíndrica compuesta.
El factor Alm corresponde al área media logarítmica que se evalúa con la siguiente
expresión:
Coeficiente de transferencia de calor por convección.
Cuando existe transferencia de calor por convección, debe calcularse el
coeficiente de transferencia para cada situación si se desea un alto nivel de
precisión en los cálculos, sin embargo en el caso de frutas y hortalizas que se
someten a tratamientos térmicos es casi imposible contar con una correlación para
cada especie, por esto se recomienda usar las ecuaciones que se mencionan a
UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD
ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍAS E INGENIERÍA
MÓDULO: 211616 – PROCESOS FRUVER
continuación teniendo en cuenta que las propiedades en las cuales están basada
deben ser obtenidas por métodos rigurosos.
Para el análisis de la convección se han desarrollado varios números
adimensionales, que agrupan diferentes propiedades de los fluidos que intervienen
en la transferencia, su manejo facilita en gran medida la resolución de las
ecuaciones, en la Tabla 4.1 se presenta un resumen de los más módulos más
utilizados.
Tabla 4.1: Módulos adimensionales de uso común en el análisis de transferencia
de calor.
Nombre
Expresión
Nusselt ( Nu)
Stanton (St)
Reynolds ( Re)
Prandlt (Pr)
Grashof (Gr)
(
Fuente: [53].
Convección forzada.
Cuando el fluido en movimiento recibe fuerzas externas para fomentar su
circulación, el fenómeno recibe el nombre de convección forzada
UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD
ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍAS E INGENIERÍA
MÓDULO: 211616 – PROCESOS FRUVER
Tuberías en régimen laminar:
Evaluando el factor
que se denominara Fa se selecciona alguna de
las siguientes correlaciones según sea el caso:
Fa<100:
(4.19)
Fa>100:
(4.20)
Las propiedades se evalúan a la temperatura media del fluido. El número de
Nusselt permite despejar el coeficiente h.
Tuberías en régimen turbulento.
Para evaluar si el fluido se encuentra en régimen turbulento basta con calcular el
número de Reynolds, para valores superiores a 100 se utiliza la siguiente
correlación para el cálculo del coeficiente especifico de transferencia de calor.
Convección en geometrías no circulares.
Para este caso se usan las mismas correlaciones pero el diámetro se reemplaza
por un diámetro equivalente que se calcula mediante:
UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD
ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍAS E INGENIERÍA
MÓDULO: 211616 – PROCESOS FRUVER
LECCIÓN 18: TRANSMISIÓN DE MASA
El estudio de los fenómenos de transferencia de masa resulta de gran importancia
en la industria de frutas y hortalizas debido a su aplicación en la cadena de
producción, desde la disposición de materias primas, pasando por las etapas del
proceso hasta la purificación o separación del producto final. El termino
Transferencia de masa describe todos aquellos procesos en los cuales un
componente de un fluido o una mezcla se desplaza dentro de una misma fase o
entre diferentes fases bajo una fuerza impulsora, que en este caso, corresponde a
una diferencia de concentración. Como usted recuerda de cursos anteriores, el
componente tendera a fluir desde el sistema donde se encuentre en mayor
concentración hacia el medio en donde su concentración es menor, hasta lograr el
estado de equilibrio, momento en el que la transferencia se da por finalizada.
Proceso de difusión.
Los procesos de transferencia de masa incluyen tanto el fenómeno por difusión
como el que se da por convección (Realice una analogía con la conducción y
convección que se dan en la transferencia de calor). El proceso de difusión ha sido
definido por Fick en su primera Ley, allí se expresa que el flujo de materia de un
componente por unidad de área resulta ser proporcional al cambio en su
concentración:
En donde
es el flujo del componente B en kg/s; A es el área de difusión en m 2;
c es la concentración del componente B en kg/m 3 y D es el coeficiente de difusión
o difusividad en m2/s.
Es decir, el proceso de difusión tiene lugar gracias a un gradiente de
concentración, el fenómeno físico está relacionado con el movimiento
desordenado de las moléculas en busca del equilibrio. El signo negativo en la ley
UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD
ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍAS E INGENIERÍA
MÓDULO: 211616 – PROCESOS FRUVER
de Fick indica que el movimiento molecular siempre ocurre buscando disminuir la
concentración del componente, de la misma forma que el flujo de calor siempre
sucede de un cuerpo con mayor temperatura a uno con menor temperatura.
Separación por membranas
La técnica de separación por membranas cada vez es más habitual en la industria
de alimentos para purificación de agua y concentración y calificación de zumos de
frutas. Este método permite la separación de agua a partir de una disolución sin
tener que invertir energía térmica como en el caso del secado.
El principio de funcionamiento de la separación por membranas consiste en hacer
pasar una solución multicomponente a través de una membrana selectiva que
permite el paso de uno de los componentes sin alterar física o químicamente el
producto. Existen varios sistemas de separación por membrana que difieren en la
fuerza impulsora o en el tipo de membrana, a continuación se describen los
mecanismos más comunes.
¡COMPLEMENTA!
 Tecnología de membranas.
 Estudio de filtración procesos de membrana y pardeamiento
mediante fluidos modelo y zumos de fruta.
 Aspectos generales sobre procesos y tecnologías de
membranas.
UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD
ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍAS E INGENIERÍA
MÓDULO: 211616 – PROCESOS FRUVER
LECCIÓN 19: PROPIEDADES REOLÓGICAS Y TEXTURA
Para iniciar, es importante que usted recuerde que la reología ha sido definida
como la ciencia del flujo y deformación de los materiales cuando son sometidos a
una presión determinada [54]. Por ende las propiedades reológicas de los
alimentos serán aquellas que determinen su comportamiento frente a un esfuerzo
externo, su importancia radica en la aplicación en el diseño de tuberías, bombas y
equipos de flujo, la selección y el diseño de equipos de mezclado y la selección de
envases entre otras áreas.
Para el presente análisis tenga en cuenta que las frutas y verduras en su estado
fresco pueden ser consideradas como solidos con una amplia gama de dureza,
imagine el esfuerzo que debe aplicar para lograr quebrar una ahuyama y el que
necesitaría si deseara romper o deformar una mora, adicionalmente, el estado de
ablandamiento de los tejidos debido a la maduración cambiara notablemente las
características reológicas del alimento. Por otro lado, los diversos productos
derivados de los alimentos vegetales tendrán un comportamiento completamente
diferente a su material de origen llegando incluso a comportarse como líquidos en
el caso de jugos o néctares de fruta. Bajo este punto de vista, se revisaran los
conceptos asociados a la reología de las frutas y verduras.
¡COMPLEMENTA!
Reología de productos alimentarios.
Análisis del perfil de textura a distintas compresiones de
Plutarchia Coronaria.
UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD
ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍAS E INGENIERÍA
MÓDULO: 211616 – PROCESOS FRUVER
LECCIÓN 20: PROPIEDADES TÉRMICAS
Es de gran importancia para usted como ingeniero recordar las propiedades
térmicas de los alimentos vegetales ya que estas intervienen directamente en el
análisis de los procesos de transferencia de calor y el diseño de equipos
relacionados con esta línea. En esta lección se presenta una breve definición de
las propiedades más relevantes y algunas técnicas de medición usadas
actualmente, si desea profundizar en estos conceptos se recomienda revisar el
material didáctico relacionado con el curso de Transferencia de Calor.
Capacidad calorífica.
La capacidad calorífica de un cuerpo es la cantidad de energía requerida para
aumentar en un grado la temperatura de una unidad másica, esta propiedad
depende fuertemente de la temperatura, sin embargo para el agua líquida se
maneja el valor de 1 cal/g°C en el rango de temperatura comprendida entre 0°C y
92°C. El hielo posee una capacidad calorífica de 0,5cal/g°C. Para mayor precisión
se manejan ecuaciones polinómicas que relacionan Cp con la temperatura.
La capacidad calorífica de frutas y verduras, al igual que la de cualquier alimento,
puede calcularse con base en su composición, en la literatura se reportan varias
fórmulas entre las cuales la más común es la propuesta por Singh y Heldman.
Cp = 1.424 Xc+ 1.549 Xp + 1.675 Xf + 0. 837 Xa + 4.187 Xm (kJ/kg°C)
(4.24)
En donde Xc corresponde a la fracción de carbohidratos, Xp es la fracción de
proteina, Xf la fracción de grasa, Xa la fracción de cenias y Xm la fracción de
humedad presente en el alimento. Existe otra correlación que aplica directamente
a las frutas y verduras en la que el contenido de humedad representa un papel
más importante:
Cp = 1,675 + 0,025 xH2O
(kJ/kg°C)
(4.25)
UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD
ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍAS E INGENIERÍA
MÓDULO: 211616 – PROCESOS FRUVER
Actualmente existe una alta disponibilidad de datos para frutas y hortalizas en la
literatura, en el Apéndice 1 se presenta una recopilación útil.
Conductividad Térmica.
La conductividad térmica de un cuerpo define su capacidad para conducir el calor,
para muchos alimentos esta propiedad se encuentra ampliamente referenciada en
la literatura debido a su importancia a la hora de determinar la cinética de
transferencia de calor en procesos de conservación y otros tratamientos térmicos.
Aunque puede ser determinada experimentalmente, hoy en día existen varias
correlaciones que permiten su cálculo con base en la composición del alimento,
teniendo en cuenta la presencia mayoritaria de agua en los tejidos vegetales que
componen las frutas y verduras, las ecuaciones matemáticas disponibles para
hallar el valor de la conductividad dependen en su mayoría del porcentaje de este
líquido en el alimento. Teniendo en cuenta que para el agua en condiciones
estándar el valor de la conductividad térmica es aproximadamente de
0,597W/m2*°C, es posible encontrar el valor de esta propiedad para fruta y
verduras con contenido de agua superior al 60% mediante la siguiente relación:
k = 0,148 + 0,00493 xH2O
(W/m2*°C)
(4.26)
Y a nivel general para cualquier alimento mediante la siguiente ecuación:
k = 0,25 xHC + 0,155 xP + 0,16 xGR +0,135 xCZ + 0,48 xH2O
(W/m2*°C)
(4.27)
Donde xHC, xP, xGR, xCZ y xH2O
corresponden a las composiciones de
carbohidratos, proteínas, grasas, cenizas y agua.
UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD
ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍAS E INGENIERÍA
MÓDULO: 211616 – PROCESOS FRUVER
Difusividad Térmica.
La difusividad térmica corresponde a la habilidad neta del alimento para responder
ante cambios en su temperatura, actualmente la difusividad térmica se calcula con
base en otras propiedades que pueden ser medidas experimentalmente como la
conductividad térmica, la capacidad calorífica y la densidad, la ecuación que
permite obtener el valor de la difusividad se presenta a continuación:
El agua líquida tiene una difusividad aproximada de 1,19x10-7m2/s, mientras que
para el hielo el valor es de 10,6x10-7m2/s, casi nueve veces más alta, si se tiene
en cuenta la gran fracción de agua presente en las frutas y verduras, estos valores
son de gran importancia a la hora de diseñar un sistema de deshidratación o
congelación, pues el agua convertida en hielo tendrá nueve veces mayor facilidad
de procesar los cambios térmicos que el agua en estado líquido, recuerde esto a
la hora de revisar temas como la liofilización o crioconcentración.
Calor latente.
En los diferentes procesos unitarios y químicos a los que se someten las frutas y
hortalizas, intervienen cambios de fase constantemente, los más comunes son la
congelación y evaporación del agua, por ejemplo en la liofilización se busca
congelar la mayor cantidad de agua para luego eliminarla mediante técnicas de
sublimación y vacío, en el concentrado de una mermelada la eliminación de agua
se lleva a cabo mediante evaporación, la crioconcentración busca formar cristales
de agua que luego serán fácilmente removidos. De esta forma, es importante
conocer la cantidad de energía que se requiere ceder o retirar del alimento para
lograr los diferentes objetivos, para cuantificar este valor se usa el Calor latente,
recuerde que esta propiedad resulta útil solo bajo la existencia de un cambio de
fase [51].
UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD
ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍAS E INGENIERÍA
MÓDULO: 211616 – PROCESOS FRUVER
Para el agua, protagonista en la mayoría de procesos, el calor latente de
congelación es de 334,4 kJ/kg a 0 ºC; y el calor de evaporación tiene un valor de
2257 kJ/kg a 100 ºC. Para alimentos generalmente se multiplica el valor del calor
latente por su composición de humedad:
(4.29)
Las unidades para el calor latente son de Kcal/kg o sus equivalentes.
Textura.
La textura de un alimento se define como la mezcla de los elementos relativos a
su estructura y a la manera como se relacionan con los sentidos fisiológicos [55].
La medición de las propiedades asociadas con la textura es de vital importancia
dado que está asociada directamente con la aceptación por parte del consumidor,
sin embargo, la subjetividad de las propiedades relativas a la textura hacen muy
difícil una clasificación demarcada para cada fruta y verdura. La percepción de las
características geométricas y su naturaleza acuosa son definidas por el tacto,
mientras que las propiedades mecánicas involucran el movimiento de la boca y la
mandíbula como una medida de la presión requerida para romper el alimento y
triturarlo [43].
Las propiedades relacionadas con la textura de un alimento se clasifican en tres
categorías de acuerdo al criterio de selección [56].
Propiedades mecánicas: Están ligadas a la reacción del producto ante una fuerza.
Dentro de este grupo se encuentran la dureza, cohesión, viscosidad, elasticidad y
adherencia.
Propiedades geométricas: Agrupan las características de tamaño, forma y
distribución de las partículas al interior del producto
Propiedades de superficie: Describen las sensaciones producidas por el contenido
de agua o de grasa del producto.
UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD
ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍAS E INGENIERÍA
MÓDULO: 211616 – PROCESOS FRUVER
CAPITULO 5: OPERACIONES UNITARIAS DE TRANSPORTE Y
SEPARACIONES FÍSICAS EN FRUTAS Y HORTALIZAS.
INTRODUCCIÓN.
El procesamiento de alimentos está basado como la gran mayoría de procesos
industriales, en el acoplamiento de diferentes operaciones básicas y unitarias que
permiten obtener un producto de alta calidad mediante condiciones
estandarizadas de operación. El ingeniero de Alimentos debe ir más allá de
conocer la secuencia de etapas de producción, el papel de este profesional en la
industria entre otros aspectos, radica en la toma de decisiones relacionadas con el
diseño y operación de equipos, la investigación de nuevos productos y el
desarrollo de prácticas que garanticen la calidad del producto final. Para lograr
estos objetivos, deben conocerse y analizarse los fenómenos típicos relacionados
con las operaciones unitarias en alimentos, las propiedades físicas y químicas que
influyen en cada etapa productiva y el efecto que estas tienen sobre la reacción de
materias primas e insumos ante cualquier tratamiento.
LECCIÓN 21: FLUJO Y MEZCLA DE FLUIDOS
En la industria de frutas y verduras como en la mayoría de plantas, el transporte
de fluidos de un lugar a otro representa una operación muy común, en la línea de
proceso es frecuente el uso de tuberías y conductos para desplazar ya sea la
materia prima, el producto de etapas intermedias o los fluidos de servicio.
Ejemplos de algunos fluidos en la industria son los jugos de diferentes frutas, el
jarabe de conserva, la salmuera usada con algunas verduras, algunas salsas,
agua de refrigeración, entre otros. La mayoría de los materiales alimenticios
fluidos son transportados por sistema de bombeo, por lo cual se hace necesario el
conocimiento de sus propiedades físicas para el diseño y construcción de los
sistemas de desplazamiento. Además, las características del fluido y su
clasificación determinan las condiciones de operación en los intercambiadores de
UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD
ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍAS E INGENIERÍA
MÓDULO: 211616 – PROCESOS FRUVER
calor, y en algunas ocasiones son útiles a la hora de realizar procesos de control
de reacciones que involucren cambios en la viscosidad o densidad del material.
Esfuerzo cortante y viscosidad.
Imagine un fluido como una serie de capas dispuestas sobre una superficie, si se
aplica una fuerza paralela a la superficie, se origina el movimiento de una capa
sobre otra, la relación entre la fuerza aplicada y el área de deslizamiento se
conoce como esfuerzo cortante o de cizalladura. El esfuerzo cortante ( ) genera
un efecto en la velocidad de deslizamiento o deformación de las capas del fluido y
por tanto en su fluidez, Newton enuncio en su Ley de viscosidad que la relación
entre el esfuerzo cortante y la velocidad de deslizamiento es directamente
proporcional y está dada por la siguiente ecuación:
Siendo du el cambio en la velocidad, dy el gradiente de la distancia entre las
láminas del fluido y μ una constante de proporcionalidad que corresponde a la
viscosidad.
El esfuerzo cortante también puede expresarse como una fuerza por unidad de
área, de esta forma, sus unidades corresponden a N/m2 en Sistema Internacional,
o lo que es equivalente, Pa.
UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD
ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍAS E INGENIERÍA
MÓDULO: 211616 – PROCESOS FRUVER
Las unidades de viscosidad en SI corresponden a Pa.s, para los líquidos es muy
común el uso de milipascales. 1000 mPa.s equivale a 1Pa.s. También es posible
expresar la viscosidad en sus unidades primarias:
Sin embargo, las unidades de mayor uso industrialmente son los poises que se
definen como:
Las anteriores unidades están asociadas a la viscosidad dinámica, sin embargo, a
nivel experimental se usa el concepto de viscosidad cinemática, debido a que en
las mediciones realizadas en laboratorio se nota un efecto marcado de la densidad
del fluido. La viscosidad cinemática estará dada entonces por la siguiente relación:
Efecto de la temperatura sobre la viscosidad.
La viscosidad de un alimento liquido depende fuertemente de la temperatura,
durante los procesos térmicos que sufren los productos alimenticios líquidos se
puede notar un cambio apreciable en la tendencia a fluir. Se ha encontrado que la
relación entre estas propiedades puede ser descrita por una correlación de tipo
Arrhenius como la siguiente:
UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD
ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍAS E INGENIERÍA
MÓDULO: 211616 – PROCESOS FRUVER
En donde BA corresponde a la constante de Arrhenius, Ea es la energía de
activación y R la constante de los gases ideales. Para realizar el cálculo de la
viscosidad a una temperatura dad se requiere entonces conocer los datos de
energía de activación a la temperatura dada.
Clasificación de fluidos.
Se ha desarrollado una clasificación general con base en los diferentes
comportamientos que tiene un fluido ante la aplicación de un esfuerzo externo.
Aunque las respuestas son diversas se ha logrado la definición de cinco
categorías principales.
Fluidos Newtonianos.
Los fluidos que se rigen por la Ley de Newton de la viscosidad se denominan
Fluidos Newtonianos, dentro de esta categoría se incluyen todos los gases, el
agua líquida, y los líquidos de moléculas sencillas como el amoniaco, alcohol,
benceno, cloroformo y butano entre otros.
En los fluidos newtonianos el valor de la viscosidad no depende del tiempo de
aplicación del esfuerzo de cizalladura, depende de la temperatura y la presión a la
cual está ocurriendo el proceso. En los líquidos la viscosidad disminuye al
aumentar la temperatura y la presión no ejerce efecto alguno debido a la
característica incompresible de estos fluidos. En los gases la viscosidad aumenta
con la temperatura y con la presión para elevados valores de esta última.
Se ha encontrado que los zumos de manzana, naranja filtrada, pera, melocotón y
el mosto se comportan bajo el esquema newtoniano en un intervalo de
temperatura de 20-70°C [57].
UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD
ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍAS E INGENIERÍA
MÓDULO: 211616 – PROCESOS FRUVER
Fluidos no Newtonianos.
Los fluidos no newtonianos se caracterizan porque el valor de la viscosidad varía
con el gradiente de velocidad y con el tiempo de aplicación del esfuerzo. A
diferencia de los fluidos newtonianos la relación entre el esfuerzo cortante y la
velocidad de deformación no es lineal. Dentro de este tipo de fluidos existen otras
categorías más específicas, a nivel general la clasificación de los fluidos no
newtonianos se presenta en la Tabla 5.1:
Tabla 5.1: Clasificación de Fluidos no Newtonianos.
GRUPO
Fluidos
independientes
del tiempo
DENOMINACIÓN
Seudoplásticos
La viscosidad aparente disminuye con el aumento del
esfuerzo cortante.
Plásticos
Presentan un límite τ=τo por debajo del cual no se
presenta flujo
Dilatantes
La viscosidad aparente aumenta con el esfuerzo
cortante
Fluidos
Tixotrópicos
dependientes del
tiempo
Fluidos
viscoelásticos.
CARACTERÍSTICAS
La viscosidad aparente disminuye con el tiempo de
aplicación del esfuerzo
Reopécticos
La viscosidad aparente aumenta con el tiempo de
aplicación del esfuerzo
Viscoelásticos.
Presentan características elástica y viscosas
simultáneamente.
Fuente: [58].
Los fluidos independientes del tiempo reaccionan inmediatamente a la aplicación
de un esfuerzo. Los fluidos dependientes del tiempo se caracterizan por alcanzar
una estabilidad en la viscosidad luego de un tiempo de haberse sometido al
esfuerzo cortante.
UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD
ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍAS E INGENIERÍA
MÓDULO: 211616 – PROCESOS FRUVER
Flujo de fluidos.
La forma en que un fluido se conduce a través de un conducto es de vital
importancia en la industria, debido a que determina las características de diseño y
selección de los equipos de transporte, además de su comportamiento en las
diferentes etapas de proceso. El tipo de flujo de un fluido está determinado por sus
propiedades físicas y su reacción ante la aplicación de diferentes velocidades.
Reynolds estableció en 1874 un parámetro que permite evaluar el tipo de flujo con
base en la viscosidad, velocidad y viscosidad del fluido, y el diámetro del conducto
por el cual se desplazan. Este parámetro recibe el nombre de Número de
Reynolds, es adimensional y se calcula mediante la siguiente correlación:
Para números de Reynolds menores o iguales a 2100 se considera que el flujo es
laminar, ya que las fuerzas viscosas son dominantes y generan un modelo de
movimiento de partículas organizado y cercano a la linealidad. Para valores
superiores a 10000 se tiene flujo turbulento, semejante a un flujo errático en el que
predominan las fuerzas de inercia.
LECCIÓN 22: FILTRACIÓN Y CENTRIFUGACIÓN.
Filtración.
La filtración es un método utilizado para la separación de solidos presentes en una
fase fluida de acuerdo a su tamaño de partícula, el fluido se hace para a través de
un medio poroso denominado medio filtrante, dispuesto sobre un soporte, las
partícula de determinado tamaño son retenidas por el filtro obteniéndose en el otro
extremo una solución clarificada. El mecanismo que permite la separación de
UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD
ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍAS E INGENIERÍA
MÓDULO: 211616 – PROCESOS FRUVER
partículas por filtración está basado en la diferencia de presión entre ambos lados
del medio filtrante. Esta técnica es útil a la hora de separar solidos que se
encuentran en pequeña cantidad.
En la industria de alimentos las aplicaciones de la filtración son variadas; en una
primera categoría se incluyen las separaciones de altas cantidades de solidos
generando una torta que los contiene al final del proceso, en la segunda categoría
están comprendidos los procesos de clarificación en los cuales el fluido contiene
pequeñas cantidades de un sólido insoluble, que al ser retirado, genera un líquido
clarificado de características importantes dentro del proceso; por último se
encuentra la microfiltración, que es usada principalmente para la separación de
partículas microscópicas, generalmente microorganismos presentes en los
alimentos.
Equipos.
Los equipos de filtración a nivel industrial son diversos con respecto a tamaño y
forma de funcionamiento, sin embargo los más utilizados son los filtro prensa, los
filtros espesadores y los filtros rotatorios que generalmente operan en vacío.
Filtro Prensa.
Consiste en una serie de marcos sobre los cuales se coloca una tela filtrante, el
juego se asegura por medio de tornillos o mediante una prensa hidráulica que
permite el cierre hermético. El fluido de alimentación se introduce por uno de los
ángulos de los marcos y se distribuye sobre la tela conformando el medio filtrante,
e material que atraviesa la tela sale del sistema por otro canal angular.
UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD
ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍAS E INGENIERÍA
MÓDULO: 211616 – PROCESOS FRUVER
Figura : Filtro prensa en modelamiento 3D
Fuente: Software VirtualPlant
El retiro de la torta se puede hacer manualmente o mediante la inyección de
líquido de lavado.
Filtro rotatorio.
El mecanismo de funcionamiento de este tipo de filtros está basado en el soporte
que tiene el medio filtrante sobre la superficie interna de un tambor, el flujo
atraviesa la tela y la torta formada es retirada continuamente.
Figura : Filtro rotatorio industrial.
Fuente: [82]
UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD
ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍAS E INGENIERÍA
MÓDULO: 211616 – PROCESOS FRUVER
Centrifugación.
La centrifugación consiste en una operación de separación de líquidos no
miscibles o líquidos y sólidos mediante la aplicación de una fuerza centrífuga, el
principio de funcionamiento está basado en la diferencia de densidad que existe
entre los fluidos a separar.
Se recomienda el uso de la centrifugación cuando la concentración de sólidos se
encuentra por debajo del 3%, cuando el tamaño de partículas es muy pequeño o
cuando las densidades de los líquidos son cercanas. La fuerza de rotación
ejercida por el movimiento de una cámara con respecto a un eje central permite el
alejamiento de un cuerpo del centro del giro, mientras menor sea el peso del
cuerpo se alejara a mayor distancia del eje.
Profundiza en el siguiente enlace: Filtración y centrifugación
LECCIÓN 23: PROCESOS QUÍMICOS.
Dentro de los proceso de conservación de alimentos vegetales es posible aplicar
métodos físicos y químicos, en los primeros el alimento es sometido a
modificaciones en su composición de humedad y temperatura buscando evitar el
crecimiento de microorganismos y retrasar las reacciones naturales de
senescencia envejecimiento. Mediante los métodos químicos se busca lograr el
mismo objetivo con la modificación de algunas condiciones externas del alimento,
las técnicas más usadas son adición de azúcar o jarabe, adición de sales,
acidificación y fermentación. Además de contribuir en el alargamiento de la vida
útil del producto, la mayoría de estos métodos desarrolla características deseables
de aroma y sabor que lo vuelven aún más atractivo organolépticamente. En esta
lección se presentan los avances desarrollados en el área y algunos estudios de
interés.
UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD
ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍAS E INGENIERÍA
MÓDULO: 211616 – PROCESOS FRUVER
Conservación por adición de azúcar. Osmodeshidratación.
La técnica de conservación por adición de azúcar es usada para frutas frescas o
mínimamente procesadas, consiste en el uso de una solución de agua y azúcar
conocida como almíbar o jarabe que permite inactivar el crecimiento de
microorganismos que no sobreviven a las condiciones extremas de concentración.
Las frutas debidamente troceadas son sumergidas en el jarabe y envasadas
generalmente en frascos de vidrio.
Al realizar la preparación, el agua contenida en la fruta tiende a fluir hacía el jarabe
a través de los tejidos buscando el equilibrio de concentraciones mediante el
principio de transferencia de masa, este fenómeno es conocido como
osmodeshidratación, ya que la fruta pierde humedad disminuyendo la posibilidad
de generar las reacciones de deterioro que se propician debido a la actividad de
agua.
Diversos factores influyen sobre el éxito de la osmodeshidratación como
mecanismo de conservación, la concentración del jarabe debe ser tal que
garantice una diferencia adecuada de concentraciones de forma que permita la
existencia de la fuerza impulsora requerida para la transferencia de masa. En
segundo lugar debe realizarse un control adecuado de la temperatura, siendo esta
una propiedad que al aumentar facilita la perdida de agua por parte del fruto.
Adicionalmente se debe considerar la geometría del producto, el área transversal
influye directamente sobre la eficiencia de la transferencia, los cortes o troceados
deben realizarse pensando en maximizar el área disponible para el flujo de los
componentes involucrados.
UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD
ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍAS E INGENIERÍA
MÓDULO: 211616 – PROCESOS FRUVER
LECCIÓN 25: PROCESOS BIOLÓGICOS.
FERMENTACIÓN.
“La fermentación es vida en ausencia de aire”
Louise Pasteur
A nivel microbiológico la fermentación se ha definido como “el proceso bioquímico
que tiene lugar cuando los microorganismos presentes en un alimento usan como
sustratos orgánicos, para sus procesos metabólicos específicos, algunas de las
estructuras que integran la composición química de ese alimento” [84].
Las transformaciones generadas en la fermentación dan lugar a una gran variedad
de productos alimenticios en los que se observa una mejora en las características
organolépticas y las condiciones de digestibilidad; en algunas ocasiones, no
pocas, también son utilizadas para alargar la vida útil de diversos productos. Se ha
encontrado que las proteínas son predigeridas durante la fermentación de tal
forma que mejora su posterior asimilación en el organismo.
Los alimentos elaborados con base en fermentaciones existen desde hace miles
de años, tal vez este es uno de los procedimientos más antiguos relativos a la
alimentación, diversas culturas alrededor del mundo registran la elaboración y
consumo de productos fermentados como el pan o la cerveza, aunque inicialmente
se produjeran accidentalmente tales alimentos, con el tiempo el hombre adopto
sistemas artesanales a su dieta. Sin embargo, solo hasta el siglo pasado se inició
la investigación de los diferentes mecanismos que dan lugar a los procesos
fermentativos.
FERMENTACIÓN EN VEGETALES.
La fermentación en los vegetales representa un procedimiento bastante común de
conservación, la operación central constituye la adición de una salmuera (solución
de agua con sal) que promoverá las condiciones propicias para la acción de los
microorganismos presentes en los vegetales. La concentración de sal adicionada
es variable y depende del tipo de producto, se ha usado del 2 al 3% para las coles,
UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD
ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍAS E INGENIERÍA
MÓDULO: 211616 – PROCESOS FRUVER
del 5 a 8% en los pepinillos y del 4 al 7% para las aceitunas verdes [85], el valor
seleccionado depende de la tendencia de los tejidos vegetales al ablandamiento
debido a la acción de enzimas pectinolíticas.
La actividad microbiana durante la fermentación atraviesa cuatro etapas básicas:
Iniciación: Desarrollo de microorganismos Gram- positivos y Gramnegativos.
Fermentación primaria: Crecimiento de bacterias acidolácticas.
Fermentación secundaria: Crecimiento de levaduras fermentativas luego de
la inhibición que sufre el crecimiento de bacterias acidolácticas.
Post-fermentación: Ocurre luego de que se consume la materia
fermentable, se da debido al crecimiento de microorganismos oxidativos en
la superficie de la salmuera.
Es posible controlar el proceso de fermentación para llegar a las condiciones
organolépticas adecuadas mediante el manejo de diferentes variables como
acidez, temperatura, concentración de sal y presencia de cultivos iniciadores. Con
respecto a la acidez, la presencia de compuestos ácidos resulta ser un inhibidor
de la fermentación por lo que puede ser usado como mecanismo de control de la
reacción. Los ácidos presentes provienen del proceso o pueden ser adicionados
de forma externa, en la reacción se genera ácido láctico y eventualmente ácido
acético, su presencia resulta importante en la inhibición de algunos mohos que
influyen en la textura del producto.
La temperatura influye directamente en la generación y supervivencia de
diferentes tipos de microorganismos, el control de esta variable orientara en algún
sentido la reacción de fermentación.
La concentración de sal juega un papel importante en el avance de la reacción ya
que determina las condiciones para el crecimiento de los microorganismos, el
valor de la concentración estará determinado por el tipo de vegetal que se desea
fermentar.
UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD
ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍAS E INGENIERÍA
MÓDULO: 211616 – PROCESOS FRUVER
EJERCICIOS DEL CAPÍTULO5.
1. Investigue y elabore el diagrama de bloques para la elaboración de
encurtidos, en cada etapa incluya entradas y salidas.
2. Para el diagrama realizado en el punto anterior realice el balance de
materia y energía.
3. Busque un artículo científico reciente en el que muestre una innovación en
el método de centrifugación de zumo de frutas.
UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD
ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍAS E INGENIERÍA
MÓDULO: 211616 – PROCESOS FRUVER
CAPITULO 6: TRATAMIENTOS TÉRMICOS EN FRUTAS Y
HORTALIZAS.
INTRODUCCIÓN
La temperatura ha sido siempre un tema con el que el hombre ha tenido que
interactuar constantemente, ya sea por la conservación de su propia vida cuando
se ha enfrentado a las adversidades climáticas, o por la conservación de los
alimentos que garantizan su supervivencia. Existen registros gráficos de miles de
años atrás en que se observa como el fuego y el frío acompañaron la vida de los
humanos constantemente, siempre tratando de controlarlos a su favor. Años de
evolución y desarrollo han permitido desenmarañar los misterios de su
comportamiento hasta el punto en que se creó una ciencia específicamente para
comprender los fenómenos asociados al calor, la Termodinámica, tres leyes
prácticas tratan de explicar el flujo de energía térmica a través de todo el Universo.
Sin embargo, en la Ingeniería se requieren aplicaciones prácticas que permitan
llevar la ciencia a la vida diaria de miles de personas, que representen finalmente
un beneficio para la humanidad, los principios térmicos se aplican en la industria
de alimentos específicamente en los tratamientos de conservación, el aumento o
descenso en la temperatura tienen un sin número de efectos en la composición
fisiológica de frutas y hortalizas. Los tratamientos térmicos en la industria
alimenticia abarcan extensas aplicaciones que hoy en día por fortuna se
encuentran caracterizadas de forma muy precisa.
LECCIÓN 26: ESCALDADO
El escaldado es un tratamiento térmico aplicado a frutas y hortalizas con el
objetivo de preparar la materia para una etapa posterior y reducir la carga
enzimática que puede provocar cambios indeseables en la apariencia, color y
sabor del producto, entre las enzimas características de las degradaciones se
encuentran la peroxidasa, catalasa y lipooxigenasa, las dos primeras presentan
UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD
ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍAS E INGENIERÍA
MÓDULO: 211616 – PROCESOS FRUVER
una alta resistencia al escaldado, es por esto que su inactivación es un indicador
de la eficiencia de la operación. El tratamiento de escaldado busca eliminar por
temperatura gran parte de estas enzimas que se encuentran en la superficie
externa del alimento o en algunos casos en su interior. Adicionalmente durante la
operación se remueve el aire contenido entre los tejidos, causante de las
reacciones de oxidación durante el almacenamiento del producto.
Durante el escaldado se eliminan gases internos generando el colapso de algunas
estructuras internas y permitiendo una compactación del alimento. La carga
microbiana se reduce hasta en un 90% del valor inicial, especialmente aquella que
se localiza en la superficie de la fruta o verdura. El escaldado es considerado una
operación de estabilización más que de conservación y su uso es muy común
como etapa previa en la congelación. El procedimiento consiste en facilitar el
contacto entre el alimento y un fluido a alta temperatura, generalmente entre 60°C
y 100°C, durante un periodo de tiempo que garantice la destrucción de los
microorganismos e inactivación de las enzimas causantes de algunas reacciones
de deterioro, el tiempo de contacto depende del tipo de fruta o verdura, del método
utilizado, del tamaño del alimento y de la temperatura del medio de calentamiento,
[59].
Algunas desventajas de la operación de escaldado deben ser tenidas en cuenta a
la hora de su aplicación, es muy común la pérdida de nutrientes por disolución,
por ejemplo, algunas sales minerales y vitaminas hidrosolubles son arrastradas
por el fluido de calentamiento. En algunos casos se presentan cambios
importantes en los tejidos, ablandamiento, y cambios en la rigidez inicial, así como
en el sabor del alimento.
Métodos de escaldado.
Comercialmente se usan dos métodos de escaldado común que difieren en el
medio de calentamiento, el primero es el método con base en agua caliente y el
segundo es el método con base en vapor, esta última técnica permite mayor
retención de nutrientes mientras que el uso de agua caliente puede presentar
perdidas por arrastre de compuestos solubles.
UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD
ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍAS E INGENIERÍA
MÓDULO: 211616 – PROCESOS FRUVER
Escaldado con vapor.
Esta técnica es usada para alimentos de gran superficie relativa, básicamente se
conduce el alimento sobre una banda transportadora a través de un túnel de
vapor, la velocidad de la cinta permite controlar el tiempo de residencia El proceso
de escaldado genera una perdida inevitable de micronutrientes sensibles a la
temperatura y algunos materiales hidrosolubles.
El escaldado conlleva a una mayor fijación del color verde en la mayoría de
vegetales, algunos autores creen que este fenómeno se debe a la perdida por
extracción acuosa de algunos ácidos presentes con la consecuente disminución
en la hidrolisis de las clorofilas.
Variables influyentes en la operación de escaldado.
A la hora de seleccionar o diseñar el sistema de escaldado es necesario tener en
cuenta las siguientes variables:
Temperatura del medio calefactor: Usualmente el escaldado se realiza en un
rango de temperatura entre 60 y 100°C, el valor optimo depende de factores como
la forma, el tamaño y las propiedades térmicas del alimento, se usan tratamientos
cortos a alta temperatura cuando el objetivo es la inactivación de enzimas que se
encuentran en la superficie, por el contrario temperaturas moderadas en tiempos
prologados afectan las enzimas internas sin alterar las propiedades del alimento.
Tiempo de operación. El tiempo de operación o tiempo de residencia del alimento
dentro del escaldador depende básicamente de la concentración inicial y final de la
enzima, generalmente se desea disminuir su contenido en un porcentaje del 90%
al 99% de la concentración inicial, suponiendo que la reacción de degradación de
la enzima responde a una cinética de primer orden, la ecuación que permite
establecer el tiempo de residencia es la siguiente:
UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD
ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍAS E INGENIERÍA
MÓDULO: 211616 – PROCESOS FRUVER
Donde:
t: Tiempo de residencia del alimento
Co: Concentración inicial de enzima.
Cf: Concentración final de enzima.
k: Constante cinética de desactivación de la enzima.
Tiempo de penetración del calor hasta el interior del alimento.
PROFUNDIZA
Aspectos bioquímicos de relación entre el escaldado y la
textura de vegetales procesados.
Escaldado y pelado al vapor.
LECCIÓN 27: CONGELACIÓN
El método de conservación de alimentos por congelación es un tratamiento
térmico que busca llevar el producto hasta una temperatura inferior a la
temperatura de congelación del agua, a esta temperatura el agua se solidifica y
deja de estar disponible para las reacciones comunes de degradación. La
disminución en la actividad del agua impide el crecimiento de microorganismos,
las reacciones enzimáticas y las actividades metabólicas causantes de la
alteración del alimento.
El uso de bajas temperaturas en el almacenamiento garantiza el alargamiento de
la vida útil del producto sin alterar sus características nutricionales y
organolépticas. Sin embargo, para un buen resultado, es necesario partir de una
materia prima de alta calidad que haya alcanzado un determinado estado de
UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD
ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍAS E INGENIERÍA
MÓDULO: 211616 – PROCESOS FRUVER
madurez antes de someterse a la congelación, usualmente se requiere de un
proceso de escaldado previo para garantizar la disminución de carga microbiana.
El proceso de congelación implica un fenómeno de transferencia de calor sensible
y latente, para el primer caso se evalúa el enfriamiento del alimento desde una
temperatura inicial hasta la temperatura de congelación que determina el inicio de
cambio de fase; la etapa siguiente se relaciona exclusivamente con el calor latente
retirado para lograr el cambio de fase de líquido a solido de una parte de la
humedad presente, por último se retira nuevamente calor sensible con el fin de ir
desde la temperatura de congelación hasta la temperatura final a la cual se logra
el equilibrio con el medio de enfriamiento.
Cristalización.
Durante la congelación el agua al pasar de estado líquido a estado sólido se
distribuye en forma de cristales, un cristal puede definirse cómo un sólido formado
por átomos, iones o moléculas, que guarda una distribución ordenada y repetitiva
[60].
Al analizar el fenómeno de congelación desde el punto de vista fisiológico se
encuentran dos fases principales, la primera esta relacionada con la nucleación, o
aparición de los núcleos de cristal, la segunda ocurre cuando el cristal inicia su
crecimiento alrededor del núcleo, ambas fases están determinadas por factores
como la velocidad de congelación, las temperaturas manejadas y el contenido de
agua del alimento. A continuación se describe de forma particular cada fase.
Nucleación.
La nucleación entendida como la disposición de partículas microscópicas como
lecho para el crecimiento del cristal puede ocurrir de dos formas, homogénea en
caso de que los núcleos estén constituidos por moléculas de agua y heterogénea
en caso de que el agente nucleador sea una partícula insoluble. Sobre este ultimo
modelo esta basada la congelación de frutas y vegetales.
Una velocidad lenta de retirada del calor conlleva a la formación de pocos núcleos
sobre los cuales crecerán grandes cristales acarreando la destrucción de los
UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD
ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍAS E INGENIERÍA
MÓDULO: 211616 – PROCESOS FRUVER
tejidos celulares y perjudicando la estructura del alimento, mientras que una
velocidad alta de retiro de calor genera la formación de un gran número de
núcleos y pequeños cristales que no afectaran considerablemente las paredes
celulares.
Figura 6.1: Difusión del agua a través de la pared celular.
Fuente: [61].
También se ha considerado la nucleación secundaria, que ocurre cuando cristales
ya existentes se erosionan generando nuevos núcleos, este fenómeno ocurre
siempre y cuando haya fuerzas externas actuando.
Propagación.
La fase de propagación se basa en la difusión de las moléculas hasta los núcleos
cristalinos, provocando el aumento de tamaño; a medida que las moléculas se
adhieren a los núcleos, el soluto presente en la fase no congelada se concentra
hasta llegar a un punto máximo de concentración en donde la cristalización se
detiene, este punto es conocido como estado vítreo.
Cinética de la congelación.
El proceso de congelación conlleva un fenómeno de transferencia de calor por
conducción en estado no estacionario, esta transferencia se lleva a cabo en tres
etapas claras que se esquematizan en la Figura 6.2.
UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD
ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍAS E INGENIERÍA
MÓDULO: 211616 – PROCESOS FRUVER
Figura 6.2: Fases del tratamiento por congelación en alimentos.
I : Prenfriamiento.
II : Congelación.
III : Atemperado.
En primer lugar ocurre el preenfriamiento, etapa en la cual el alimento que
inicialmente se encuentra a una temperatura Ti pierde calor sensible hasta
alcanzar la temperatura de congelación Tc, durante un tiempo tp. En el inicio de la
congelación ocurre un subenfriamiento debido a la aparición de los primeros
núcleos, este pequeño cambio se nivela rápidamente cuando la temperatura
aumenta hasta 0°C. La etapa posterior corresponde a la congelación, durante la
cual no hay un cambio de temperatura debido a que se involucra de forma ideal
únicamente calor latente; por último, ocurre el atemperado o subenfriamiento final,
en el que el alimento que se encuentra a Tc llega hasta una temperatura final Ta
gracias a la perdida de calor sensible durante una fracción de tiempo
correspondiente a ta.
Si se comparan los perfiles de congelación para el agua y pura y para las frutas y
vegetales, se encuentra una desviación en los comportamientos, esto se debe a
concentración que ocurre durante el proceso; con la eliminación de agua, los
solutos presentes en el alimento se concentran disminuyendo el punto de
congelación. Las frutas y los vegetales se congelan comúnmente a -18°C,
temperatura a la cual es posible encontrar aun el 10% del agua en estado líquido.
[51].
Los problemas comúnmente encontrados en ingeniería en el diseño de sistemas
de congelación se concentran en el cálculo del tiempo requerido para que un
alimento desarrolle cada una de las etapas a una temperatura determinada. La
resolución de este tipo de problemas resulta compleja si se tiene en cuenta que
cada sección del alimento puede estar pasando por una etapa diferente
UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD
ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍAS E INGENIERÍA
MÓDULO: 211616 – PROCESOS FRUVER
simultáneamente, por ejemplo, mientras el centro del alimento no se ha
congelado, la sección superficial puede que ya esté en la etapa de
subenfriamiento. Debido a esto, se asumen algunas simplificaciones con el
objetivo de facilitar el desarrollo del problema, en primer lugar se supone que todo
lo que ocurre en el centro del alimento está ocurriendo en el resto de su volumen,
se escoge como punto de referencia en el análisis el centro geométrico dado que
genera el mayor tiempo de congelación garantizando que la operación se lleve a
cabo en su totalidad.
Cálculo de tiempo de congelación.
La determinación del tiempo de congelación ha sido estudiada por diversos
autores, entre los más utilizados se encuentran el método de Plank y el método de
Pham; estudiosos como Nagaoka y cols,1995, Charm y Slavin 1962 y Johi y Tao,
entre otros, han desarrollado modelos analíticos que han sido satisfactorios pero
bajo condiciones de gran similitud a las experimentales, lo que restringe su
aplicación a nivel geográfico. En esta lección se estudiaran los dos primeros
métodos.
Método de Planck para predicción de tiempo de congelación de alimentos.
Este método no tiene en cuenta el periodo de precongelación. Se considera una
lámina infinita de espesor a constituida por agua pura, que se encuentra a una
temperatura Tc =0°C, la lámina esta en contacto con aire a una temperatura Ta
dentro de una cámara de congelación. Si la transmisión de calor ocurre en una
sola dirección, con el correr del tiempo se formaran tres capas en la lámina, las
dos capas externas se encuentran congeladas y la capa central aun contiene el
agua líquida.
El limite interno de las capas externas avanzara progresivamente hasta que la
capa interna desaparezca, esto se logra gracias a que desde el interior de la
lámina se retira calor latente hacia la superficie. La energía retirada debe atravesar
una de las capas ya congelada y luego transferirse al ambiente exterior, es decir
UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD
ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍAS E INGENIERÍA
MÓDULO: 211616 – PROCESOS FRUVER
que se involucra transferencia de calor por conducción y luego poro convección.
En términos matemáticos el flujo de calor hacia el exterior estará determinado por:
Figura 6.3: Perfil de temperatura en lámina infinita.
Fuente: [62].
Los términos del denominador corresponden a las resistencias para cada tipo de
transferencia. El flujo de calor retirado como tal del centro del alimento, flujo de
calor latente, estará dado por la siguiente ecuación:
El término diferencial describe el avance del frente de congelación o capa limite
interna. Si se supone que todo el calor retirado del centro del alimento será
entregado al ambiente, es posible igualar las ecuaciones (6.2) y (6.3), luego de
UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD
ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍAS E INGENIERÍA
MÓDULO: 211616 – PROCESOS FRUVER
separar variables e integrar se obtiene la ecuación para el cálculo del tiempo de
congelación de una lámina infinita.
Para aplicar esta relación a una geometría diferente, y teniendo en cuenta que el
calor latente de un alimento se calcula con base en la fracción de humedad que
este contiene, se genera la siguiente ecuación que será de aplicación al campo de
estudio de las frutas y verduras:
Los términos asociados a esta ecuación se listan a continuación:
tf : Tiempo de congelación
Lf: Calor latente del alimento,
ρf: Densidad del alimento congelado, kg/m3.
Tf: Temperatura de congelación, °C.
Ta: Temperatura del medio de congelación, °C.
a: espesor o diámetro del alimento, m.
h: Coeficiente de transferencia de calor por convección para el sistema, W/m2°C.
kf: Conductividad térmica del alimento congelado, W/m°C.
P´: Para lamina infinita 1/2, para cilindro infinito 1/4, para la esfera 1/6.
R´: Para lamina infinita 1/8, para cilindro infinito 1/16, para la esfera 1/24.
UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD
ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍAS E INGENIERÍA
MÓDULO: 211616 – PROCESOS FRUVER
Cómo es de notar, la complicación de la formula radica únicamente en la
disposición de los datos, específicamente en el coeficiente de convección y las
densidades y conductividades del alimento congelado.
Método de Pham para el cálculo de tiempo de congelación. (Heldman and Singh).
Este método también es muy utilizado debido a su precisión y a su aplicación en
objetos finitos e irregulares, adicionalmente, tiene en cuenta los periodos de
enfriamiento y subenfriamiento. Al igual que en el método de Planck, es necesario
realizar algunas suposiciones importantes. En primer lugar, las condiciones
ambientales se suponen constantes, la temperatura inicial es constante, mientras
que la temperatura final se fija por el usuario.
Para iniciar, se define una temperatura media de congelación T fm, que se ubica en
un diagrama de temperatura en función de cantidad de calor eliminada. Datos
experimentales con alimentos de alto contenido de agua han arrojado la siguiente
ecuación para el cálculo de esta temperatura [51]:
El tiempo de congelación para un alimento Con una geometría sencilla se calcula
a partir de la siguiente ecuación:
UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD
ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍAS E INGENIERÍA
MÓDULO: 211616 – PROCESOS FRUVER
Los factores asociados a esta ecuación se mencionan en el siguiente listado:
t : Tiempo de congelación,
dc: Dimensión característica del alimento, para productos con geometría similar a
la esférica se toma como el radio, para productos diferentes es la distancia más
corta al centro, m.
Ef: Para una lámina infinita es 1; para un cilindro infinito es 2 y para una esfera es
3.
h : Coeficiente de transferencia de calor por convección, W/m2°C.
ΔH1: Cambio en la entalpía volumétrica durante el periodo de enfriamiento, J/m 3.
Donde ρn y cn son la densidad y el calor específico del alimento no congelado en
kg/m3 y kJ/kgK respectivamente. Ti es la temperatura inicial del alimento en °C.
ΔH2: Cambio en la entalpía volumétrica durante el periodo de cambio de fase y
subenfriamiento, J/m3.
(6.9)
Donde cf es el calor específico del material congelado en kJ/kgK; L f es el calor
latente de congelación del alimento en kJ/kg y ρf es la densidad del alimento
congelado en kg/m3.
ΔT1: Primer gradiente de temperatura, °C.
(6.10)
UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD
ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍAS E INGENIERÍA
MÓDULO: 211616 – PROCESOS FRUVER
ΔT2: Segundo gradiente de temperatura, °C.
(6.11)
La versatilidad de la ecuación de Pham para el cálculo del tiempo de congelación
radica en la aplicación del factor Ef para diferentes geometrías, usted debe evaluar
cual se ajusta de mejor forma a los requerimientos de su producto. Para lograr
mayor precisión en el uso del factor de forma, se ha desarrollado un método de
evaluación que tiene en cuenta las dimensiones del alimento y permite la
aplicación a objetos finitos como un cilindro, una varilla rectangular o un
paralelepípedo.
Teniendo en cuenta las tres dimensiones que definen la forma de un objeto, se
definen los siguientes parámetros:
Con estos parámetros se calculan los factores X1 y X2 mediante las siguientes
ecuaciones:
UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD
ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍAS E INGENIERÍA
MÓDULO: 211616 – PROCESOS FRUVER
Con los valores obtenidos de X1, X2, β1 y β2, es posible calcular los parámetros E1
y E2.
Estos valores, junto con los listados en la Tabla 6.1 permiten finalmente calcular el
factor de forma específico para la geometría del alimento en estudio.
El valor obtenido de Ef se utiliza en el modelo de Pham para obtener un tiempo de
congelación que se ajuste de mejor forma a la geometría del alimento que se
requiere congelar.
Recuerde que estos modelos de predicción están sujetos a condiciones ideales de
transferencia de calor, para obtener un dato exacto de tiempos de congelación es
necesario realizar el ensayo experimental que permita la lectura de datos reales
en condiciones normales, sin embargo, la disponibilidad de tiempo y recursos en
muchas ocasiones dificulta estas prácticas.
Sistemas de congelación.
Los sistemas de congelación pueden ser de contacto directo, cuando el producto y
el fluido de enfriamiento se encuentran en un mismo espacio sin separaciones
UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD
ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍAS E INGENIERÍA
MÓDULO: 211616 – PROCESOS FRUVER
físicas, y de contacto indirecto cuando existe una barrera entre los dos agentes
presentes en el proceso. La elección del sistema de congelación está determinada
por las características del producto, sus dimensiones, su forma y los
requerimientos de la siguiente etapa de proceso.
Sistemas de contacto directo.
Este tipo de equipos operan de mejor forma cuando no existe una barrera entre el
refrigerante y el alimento, los sistemas más usados son el de contacto con aire y el
de inmersión, a continuación se describen las características principales de cada
uno.
Sistema por contacto con aire.
Este método es útil a la hora de alcanzar una rápida congelación, los productos
obtenidos se denominan por sus sigla en inglés IQF (Individual Quick Freezing), el
aire se encuentra a bajas temperaturas entre -20°C y -30°C, se hace circular por la
cámara de congelación por ventilación forzada a velocidades comprendidas entre
5 y 20m/s; bajo estos parámetros se consiguen tiempos de congelación entre 3 y
72 h [43]. La velocidad del aire influye directamente en los coeficientes de
transferencia de calor por convección, este factor sumado a los tamaños
pequeños del alimento aumentan la eficiencia de la operación.
Técnicamente el producto debidamente troceado se dispone sobre una cinta
transportadora que lo conduce a través de un túnel mientras la corriente de aire
viaja en sentido paralelo o contracorriente. Cuando el flujo es en contracorriente se
obtienen mayores eficiencias ya que el aire más frio entra en contacto con el
alimento cuando este ya se encuentra prácticamente congelado [63].
Existe una variante del sistema de contacto por aire denominada Sistema de lecho
fluidizado, en este tipo de equipos, el aire se inyecta hacia arriba de tal forma que
atraviesa perpendicularmente la cinta transportadora, el aire fluye por los agujeros
de una malla que compone la cinta suspendiendo el alimento mientras ocurre la
congelación, para el funcionamiento correcto se requiere un estricto control de la
velocidad del aire.
UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD
ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍAS E INGENIERÍA
MÓDULO: 211616 – PROCESOS FRUVER
La aplicación del lecho fluidizado se determina por el tamaño del material a
congelar, no todos los alimentos permiten la fluidización en el aire.
Sistemas por inmersión.
Dentro del contacto directo existe la posibilidad de sumergir el alimento en un
refrigerante líquido. El fluido de enfriamiento absorbe energía térmica del alimento
y se vaporiza instantáneamente, se obtienen tiempos de congelación muy bajos,
aunque presenta la desventaja del costo del refrigerante, ya que su recuperación
es difícil. Los fluidos más comunes son nitrógeno, dióxido de carbono y Freón
12.El refrigerante liquido también puede atomizarse y rosearse sobre el alimento
Sistemas por contacto indirecto.
En este tipo de equipos el alimento es enfriado al ponerse en contacto con un
medio físico que se encuentra a muy baja temperatura, los más comunes son los
congeladores de placas, congeladores para alimentos líquidos y por corriente de
aire indirecto.
Congeladores de placas.
Este sistema es uno de los más utilizados para frutas y verduras debido a su fácil
adquisición y operación. El alimento se ubica entre dos placas refrigeradas que se
encargan del congelamiento, al interior de cada placa fluye Freón 12 o nitrógeno.
Con el fin de disminuir la resistencia a la transferencia de calor suele presionarse
el alimento ejerciendo fuerza sobre las dos placas que lo rodean. Es un método
sencillo que puede operar continua o discontinuamente, en flujo continuo el tiempo
de congelación corresponderá al tiempo de residencia del alimento durante su
recorrido por la cámara. Debido a la geometría, no es aplicable para alimentos
esféricos o cilíndricos, se usa de forma más adecuada en productos empacados.
UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD
ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍAS E INGENIERÍA
MÓDULO: 211616 – PROCESOS FRUVER
Congeladores por corriente indirecta de aire.
El principio de funcionamiento es similar al de corriente de aire directa, solo que en
este caso, la barrera física está representada por el envase del alimento. Estos
sistemas pueden ser discontinuos o continuos, ene l primer caso generalmente se
usan habitaciones que funcionan de bodega, dentro, se encuentra el alimento en
bandejas y anaqueles y se hace pasar una corriente de aire por la recamara, luego
de cierto tiempo el alimento se retira. En el sistema continuo se usan bandas
transportadoras que viajan a través de túneles de congelación.
Congeladores de alimentos líquidos.
El equipo representativo de este tipo de congeladores es el Intercambiador de
superficie raspada, consiste en un tanque cilíndrico provisto de una chaqueta por
donde fluye el refrigerante, el alimento líquido, por ejemplo una pasta de tomate,
se encuentra al interior y es continuamente agitado por unas palas mecánicas que
se encargan de raspar al superficie interna del tanque. De esta forma, se elimina
la posibilidad de incrustación, se favorece la transferencia de calor y se
homogeniza el producto en un solo paso.
En el congelamiento aparecerán progresivamente cristales de agua que se
adhieren fácilmente a la pared del equipo, las paletas o raspadoras se encargan
de retirarlas continuamente para que no afecten la operación, este tipo de
congelador es usado en una etapa importante de la crioconcentración.
UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD
ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍAS E INGENIERÍA
MÓDULO: 211616 – PROCESOS FRUVER
LECCIÓN 28: REFRIGERACIÓN.
La refrigeración de frutas y verduras es una de las técnicas más antiguas
utilizadas para conservar alimentos, históricamente se inició utilizando hielo para
disminuir la temperatura del alimento y así lograr su preservación durante periodos
de tiempo más largos, aunque no se tenía un control exacto de las condiciones del
proceso, los humanos lograron almacenar durante siglos sus reservas bajo la
acción del agua congelada. Como era de esperarse, con el avance científico llego
el primer equipo de refrigeración en 1875, aunque resultaba muy precario y de
difícil instalación en la época, resulto ser el iniciador de lo que actualmente se
conoce como refrigerador. En los primeros años del siglo XX, Clarence Birdseye
se encarga de cimentar la industria refrigerante con unidades de consumo
individuales y comerciales. Hoy en día, el sistema de refrigeración resulta de
primera necesidad tanto en el hogar cómo en la industria de alimentos,
permitiendo el almacenamiento controlado de materias primas, insumos y
producto terminado.
La refrigeración constituye un tema de estudio bastante extenso, en esta lección
se presentan los conceptos fundamentales de su aplicación en frutas y hortalizas,
si usted desea profundizar en su información puede recurrir a la bibliografía que se
presenta al final del capítulo.
Fundamentos de la refrigeración.
El objetivo principal de esta operación es la disminución de temperatura del
alimento hasta lograr un nivel adecuado, bajo el cual se minimicen las reacciones
de deterioro de la calidad del producto. El método más utilizado actualmente para
la refrigeración es el sistema mecánico por compresión de vapor, en él se logra un
enfriamiento sostenido haciendo circular un refrigerante en un circuito cerrado en
el cual se evapora y condensa consecutivamente en un ciclo cerrado; en el
proceso de evaporación el refrigerante retira el calor requerido del alimento. El
sistema por compresión de vapor está constituido por cuatro elementos
principales: compresor, condensador, válvula de expansión y evaporador.
UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD
ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍAS E INGENIERÍA
MÓDULO: 211616 – PROCESOS FRUVER
Para comprender mejor el funcionamiento del sistema por compresión de vapor
remítase a la figura 6.7, el ciclo inicia en el punto 1, donde el refrigerante que se
encuentra en estado vapor sufre una aumento de presión y temperatura al pasar
por el compresor, con el consecuente aumento en la entalpia que lo ubica en el
punto 2. Entre el punto 2 y 3 el fluido se condensa liberando energía en forma de
calor latente, al disminuir su energía interna, disminuye el valor de la entalpia; el
cambio de fase ocurre a presión constante.
Encontrándose en estado líquido, el fluido atraviesa una válvula de expansión en
la que disminuye considerablemente su presión, hasta tal punto que se genera
una mezcla liquido-vapor, el proceso es isoentrópico y el resultado es la ubicación
del fluido en el punto 4; fíjese en que este punto se ubica al interior del domo y
como usted recuerda de su curso de termodinámica, los puntos al interior siempre
representan mezclas con diferentes composiciones de vapor según se acerquen o
alejen de la línea de saturación.
Figura 6.7: Diagrama Presión- Entalpía para el ciclo por compresión de vapor.
Fuente: [64].
Por último la mezcla liquido-vapor se evapora a través del evaporador en un
proceso isobárico, hasta llegar a convertirse en vapor saturado regresando al
punto inicial del ciclo, el aumento de entalpia se debe a la energía absorbida en el
cambio de fase.
UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD
ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍAS E INGENIERÍA
MÓDULO: 211616 – PROCESOS FRUVER
Con respecto al intercambio de calor se puede concluir que en la evaporación el
fluido retira calor del sistema, mientras que en la condensación cede calor a los
alrededores, al retirar calor disminuye la temperatura del alimento al interior de la
cámara de refrigeración.
El refrigerante.
Se conoce como refrigerante a toda sustancia que al evaporarse a baja presión y
temperatura dentro de un sistema cerrado, absorbe o retira calor del medio [65].
Características deseables.
Debido al papel fundamental del refrigerante dentro del proceso de conservación
por frio, es necesario tener en cuenta las características que orientan la selección
de este fluido, a continuación se listan los aspectos más relevantes que han sido
citados por los autores Elonka y Minich.
 El refrigerante debe ser fácilmente evaporado, es decir, debe poseer una
alta volatilidad.
 El calor latente de evaporación debe ser alto, de esta forma, un mínimo flujo
de refrigerante lograra los efectos deseados; en otras palabras, una baja
cantidad de fluido requerirá una alta cantidad de calor para evaporarse,
cantidad que proviene del alimento.
 No debe ser explosivo ni inflamable, con el fin de garantizar la seguridad del
sistema.
 El refrigerante debe ser inocuo y tener un olor característico que delate
fácilmente escapes o fugas.
 El costo del fluido debe ser bajo y se debe disponer de cantidades
suficientes.
 Bajo las condiciones de operación el refrigerante debe ser estable.
 No debe tener efectos corrosivos o nocivos sobre los materiales de
construcción del equipo de refrigeración.
UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD
ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍAS E INGENIERÍA
MÓDULO: 211616 – PROCESOS FRUVER
Las cámaras de refrigeración deben cumplir con ciertos requisitos para conservar
las características de cada fruta y verdura, debido a la heterogeneidad de los
productos es casi imposible determinar los requerimientos específicos, sin
embargo a nivel general se ha encontrado que factores como la temperatura, la
circulación del aire de enfriamiento, la humedad relativa y la composición
atmosférica afectan directamente el estado del producto luego del proceso de
refrigerado [43]. A continuación se describen los efectos principales de estos
factores.
Balance de masa y energía en el refrigerador.
Imagine un sistema global de refrigeración en el que ingresa un alimento con un
caudal másico
en kg sólido seco/h y una humedad inicial
en kg de agua/ kg
de sólido seco. Las temperaturas de entrada y salida para el alimento son
y
respectivamente en °C. Al mismo sistema ingresa una corriente de aire con un
caudal
en kg de aire seco/h, sus humedades inicial y final son
y
de agua/ kg de aire seco. Sus temperaturas inicial y fina se denotan por
respectivamente.
en kg
y
Realizando un balance global sobre el agua, se tiene:
(6.19)
Carga de refrigeración.
Industrialmente, ya sea para el diseño de un sistema de refrigeración, o para el
control de las condiciones de uno ya existente, se hace necesaria la medición de
la cantidad de calor a retirar del sistema con el fin de mantener una temperatura
de enfriamiento constante, para ello se usa la unidad denominada Carga de
refrigeración, que utiliza la unidad estándar de Tonelada de refrigeración, esta
unidad se diseñó teniendo como base el enfriamiento con hielo, sin embargo aún
hoy en día se usa para los cálculos pertinentes. La tonelada de refrigeración
UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD
ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍAS E INGENIERÍA
MÓDULO: 211616 – PROCESOS FRUVER
equivale al calor latente de fusión que se requiere retirar a una tonelada de hielo,
para lograr su fusión en 24 horas.
En el caso de frutas y hortalizas refrigeradas, es necesario tener en cuenta que los
procesos de respiración continúan aun después del almacenamiento, es por ello
que el cálculo de la carga de refrigeración necesariamente debe incluir el calor
generado por la respiración.
LECCIÓN 29: IRRADIACIÓN DE ALIMENTOS.
La radiación también llamada esterilización en frio se aplica
a los alimentos con el fin de conservarlos sin afectar sus
características nutricionales, el método consiste en exponer
el alimento a la acción de radiaciones ionizantes durante un
determinado tiempo.
Las principales aplicaciones de la irradiación en frutas y
verduras están relacionadas con la esterilización de insectos
como la Mosca del Mediterráneo que puede afectar los productos hortofrutícolas,
retardo de la maduración de algunos frutos como banana, papaya y mango,
retardo en la senescencia de espárragos, prolongación del tiempo de
comercialización para frutas de especial cuidado y en general, la esterilización de
alimentos logrando una conservación a temperatura ambiente por periodos incluso
de años [66].
En frutas y verduras frescas la irradiación no resuelve completamente todas las
situaciones de deterioro que se presentan después de la recolección,
generalmente esta técnica debe ser complementada con la refrigeración. La
dosificación de la radiación debe ser controlada de forma adecuada con el fin de
evitar modificaciones indeseables en la textura y apariencia de producto, así como
un descenso en el contenido de vitaminas.
UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD
ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍAS E INGENIERÍA
MÓDULO: 211616 – PROCESOS FRUVER
Principios de la irradiación de alimentos.
La radiación se define como la emisión y propagación de energía a través de un
espacio o un medio material [67], mediante su aplicación es posible convertir
moléculas y átomos en iones eliminando electrones. En la industria alimentaria el
producto es sometido a una carga energética proveniente de la radiación emitida
por rayos X, rayos Gamma o rayos betta; el alimento absorbe la energía recibida e
inicia una serie de transformaciones químicas en su interior las cuales afectan
directamente la supervivencia de microorganismos patógenos o enzimas
causantes de deterioro.
Rayos X: Son ondas electromagnéticas provenientes del bombardeo con
electrones de alta velocidad sobre el electrodo de un metal pesado, su uso ha
empezado a ser menos frecuente debido al bajo rendimiento del proceso, ya que
se aprovecha entre el 3 y el 5% de la energía aplicada [67].
Rayos gamma: Proceden de la excitación del núcleo de Cs137 y Co60, siendo
este último es más aplicado en la industria alimentaria. Su obtención es de menor
costo que los rayos gamma y tienen una alta penetración en el producto.
Rayos betta: Corresponden a un flujo de electrones que es emitido por material
radiactivo, pueden ser orientados mediante campos eléctricos y magnéticos.
Cuando provienen de un tubo catódico se denominan rayos catódicos.
La energía emitida por las fuentes de irradiación debe ser lo suficientemente alta
como para superar la energía ionizante que mantiene unidos los átomos o
moléculas que serán irradiados, sin embargo es de especial cuidado el hecho de
que no sobrepase ciertos límites en que se inducen reacciones nucleares y
generación de isotopos radioactivos [68].
Dosis.
La energía absorbida por el alimento por unidad de masa es conocida como Dosis
y su unidad es el Gray (Gy) que corresponde a un Julio por kilo de masa de
alimento irradiado. Según los parámetros establecidos por la Organización
UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD
ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍAS E INGENIERÍA
MÓDULO: 211616 – PROCESOS FRUVER
Mundial de la Salud (OMS) la dosis se puede clasificar según su intensidad de la
siguiente forma:
Dosis Baja (hasta 1 kGy): Usada en frutas secas y vegetales para retardar
procesos fisiológicos de maduración y senescencia y para el control de insectos.
Dosis Media (hasta 10 kGy): Usada para reducir los tiempo de cocimiento de
vegetales deshidratados y para aumentar la vida comercial de varios alimentos.
Dosis Alta (superior a 10 kGy): Usada principalmente en carnes para su
esterilización y en especias para su desinfección.
En la Tabla 6.1 se presentan los efectos generados en frutas y hortalizas para
diferentes dosificaciones de irradiación.
Tabla 6.1: Efectos encontrados bajo diferentes Dosis de irradiación.
Fuente: [68].
Radapertización, radicidación y radurización de alimentos.
En el campo de la irradiación de alimentos se han definido tres importantes
conceptos con los que es necesario familiarizarse:
UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD
ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍAS E INGENIERÍA
MÓDULO: 211616 – PROCESOS FRUVER
Radapertización:
Aplicación de rangos de radiación entre 30 y 40 kGy, se conoce como
esterilización comercial, su principal aplicación se encuentra en la industria de
conservas enlatadas.
Radicidación:
Radiación aplicada entre 2,5 y 10 kGy. Se refiere la reducción del número de
microorganismos patógenos viables a excepción de los virus.
Radurización:
Se reduce el número de microorganismos alterantes viables. Se usan dosis
comprendidas entre 0,75 y 2,5 kGy. La vida útil de las hortalizas y frutas se
multiplica entre dos y seis veces.
Mecanismo de inactivación microbiana por radiaciones ionizantes.
Los efectos producido en fruta y hortalizas por el método de irradiación están
fundamentados en la combinación de los mecanismos directo e indirecto, a
continuación se describen las consecuencias microbiológicas que ocurren al
interior de un alimento luego de que es sometido a una carga radioactiva.
Mecanismo directo.
Cuando las moléculas absorben la energía que reciben de la fuente de irradiación,
se generan ciertos cambios químicos asociados con el desplazamiento de
electrones que generan la formación de iones, radicales libres y partículas
excitadas (Fundamentos biológicos de la conservación de los alimentos por
radiaciones ionizantes (parte I) Escrito por Nacho Alvarez). Esta etapa se
caracteriza por el efecto adverso que genera en el material genético, provocando
ruptura y perdida de estabilidad en los ácidos nucleicos, de allí que varios de los
microrganismo responsables del deterioro del alimento sean destruidos por la
irradiación.
UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD
ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍAS E INGENIERÍA
MÓDULO: 211616 – PROCESOS FRUVER
Mecanismo Indirecto.
El mecanismo indirecto es visible cuando los radicales libres que se generan con
el método directo reaccionan con moléculas de importancia para la supervivencia
de los microrganismos, se afirma que este tipo de reacciones son las
responsables de la mayor parte del efecto logrado con la irradiación. Se ve
favorecido por la presencia de agua, dado el alto valor oxidante que adquiere
cuando es ionizada.
Cinética de inactivación por radiaciones ionizantes en alimentos.
Se ha encontrado que bajo los efectos de la radiación ionizante, la cinética de
muerte bacteriana se puede describir bajo las condiciones de una reacción de
primer orden, para una intensidad constante el número de microorganismos
sobrevivientes disminuye exponencialmente con el aumento en la dosis de
radiación absorbida.
Figura 6.8: Supervivencia de microorganismos ante diferentes Dosis de
irradiación.
Fuente: [69].
Con base en la Figura 6.8 es posible definir un parámetro D que corresponde a la
dosis requerida para reducir la carga microbiana en un 90%. De esta forma, es
posible calcular la resistencia de diferentes microorganismos a una misma dosis
ionizante. El factor D se calcula mediante la siguiente ecuación:
UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD
ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍAS E INGENIERÍA
MÓDULO: 211616 – PROCESOS FRUVER
Siendo d la dosis utilizada,
el número inicial de microorganismos y N el número
de sobrevivientes luego del tratamiento.
En algunas ocasiones puede ocurrir una desviación de la linealidad para la recta
obtenida en la Figura 6.8, esto debido al posible fenómeno de reparación que
pueden sufrir algunas moléculas tras el ataque, o al hecho de que no exista una
única molécula clave para ser ionizada. Sin embargo, la mayoría de autores
considera que es adecuado trabajar con el modelo logarítmico de inactivación.
El hecho de que la línea de inactivación que se observa en la Figura 6.8 sea recta,
significa que la velocidad de inactivación se mantiene constante y e independiente
de la fracción de microorganismos sobrevivientes, esto puede explicarse por el
nivel de aleatoriedad del tratamiento, el efecto producido por las radiaciones
ocurre al azar y cada molécula presenta la misma probabilidad de ser atacada, de
tal forma que el número de microorganismos presentes en cada momento no
determina la velocidad de ionización.
Factores influyentes en la inactivación microbiana mediante irradiación.
Como en todas las reacciones que se han visto anteriormente, existe una serie de
factores que puede incrementar o retardar el efecto deseado dependiendo de su
magnitud o comportamiento, en los siguientes ítems se presenta el efecto de
diversos parámetros a tener en cuenta en el uso de la irradiación sobre frutas y
hortalizas.
Características del microorganismo.
Entre las características predominantes a la hora de evaluar la efectividad de
tratamiento irradiante, se encuentra el tipo de microorganismo. Aquellos
organismos que presentan mayor complejidad genética son más susceptibles del
ataque de los rayos irradiados, mientras que los microrganismo sencillos
UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD
ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍAS E INGENIERÍA
MÓDULO: 211616 – PROCESOS FRUVER
genéticamente como bacterias, mohos y levaduras presentaran mayor resistencia
a ser modificados e inactivados [70].
A sí mismo el nivel de organización de la estructura genética influye en el nivel de
destrucción que sufrirá el sistema vivo, por ejemplo, las células que se encuentran
en fase de crecimiento presentan mayor sensibilidad al tratamiento que aquellas
que se encuentran en fase estacionaria.
Presencia de oxígeno.
La presencia de oxigeno durante la irradiación generalmente disminuye la
resistencia de los microorganismos al tratamiento, debido a su disposición
molecular el oxígeno puede participar en la formación de radicales libres,
generando la formación de radicales hidroxilo que aumentan la intensidad del
ataque sobre las moléculas de ADN. De igual forma, el oxígeno pude generar
radicales peróxido que participaran en la oxidación lipídica, causando cambios
importantes en algunas propiedades organolépticas. Debido a esto, se ha
trabajado en la combinación de atmosferas con ausencia de oxígeno y radiación
ionizante notándose una disminución en las alteraciones del alimento [67].
Composición del alimento.
Los compuestos proteicos, algunos agentes reductores y la catalasa presentan un
comportamiento protector sobre los microorganismos. Aunque los estudios
desarrollados se han hecho sobre materiales cárnicos, resulta interesante el
desarrollo de nuevas investigaciones sobre las frutas y hortalizas.
Efectos en propiedades organolépticas.
Con dosis moderadas de irradiación se garantiza la conservación de las
propiedades organolépticas en frutas y verduras, sin embargo, un aumento en la
dosis crítica del alimento podría causar la aparición de un olor o sabor a radiación
debido al efecto de los radicales libres sobre compuestos lipídicos y proteínas [66].
UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD
ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍAS E INGENIERÍA
MÓDULO: 211616 – PROCESOS FRUVER
Tabla 6.2: Productos alimenticios cuya irradiación está permitida por la OMS.
Productos alimenticios cuya irradiación está permitida en varios países y por la OMS
Productos
Patatas
Cebollas
Ajos
Champiñones
trigo, harina de trig
Frutas desecadas
Semillas de cacao
Concentrados de alimentos secos
Carne de ave fresca
Bacalao y pescado rojo
Especias/Condimentos
Carnes semiconservadas
Frutas frescas
Espárragos
Cranes curdas
Filetes de bacalao
Canales de aves evisceradas
Camarones
Productos cárnicos culinarios
Comidas congeladas
Objetivo
Inhibición de grillones
Inhibición de grillones
Inhibición de grillones
Inhibición de grillones
Desinfección de insectos
Desinfección de insectos
Desinfección de insectos
Desinfección de insectos
Radicidación
Radicidación
Radicidación
Radicidación
Radicidación
Radicidación
Radicidación
Radicidación
Radicidación
Radicidación
Radicidación
Radapertización
Alimentos enlatados
Radapertización
Dosis en KGy
0.1-0.15
0.1-0.16
0.1-0.17
2.5 máx
0.2-0.75
1
0.7
0.7-1
7 máx.
2-2.2
8-10
6-8
2.5
2
6-8
1.5 máx
3-6
0.5 -1
8
25 mín.
Países
17
10
2
1
4
2
1
1
2
1
1
1
6
1
1
1
2
1
1
2
25 mín.
1
Fuente: [67].
Se ha encontrado que en fruta y verduras se genera un ablandamiento de los
tejidos notable un cierto periodo después de la aplicación del método, esto es
debido a la degradación de pectina y celulosa.
Efectos nutricionales.
Debido al bajo aumento de temperatura que sufren los alimentos durante la
irradiación, las perdidas nutricionales son muy pequeñas, los nutrientes que
podrían sufrir alteraciones son el ácido ascórbico y las vitaminas E y B1. Para
UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD
ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍAS E INGENIERÍA
MÓDULO: 211616 – PROCESOS FRUVER
minimizar estas pérdidas se recomienda irradiar en condiciones anaerobias o en
estado de congelamiento.