EVAPORACIÓN 1. PRINCIPIOS GENERALES En este proceso un solvente volátil (normalmente agua) es eliminado por ebullición de un alimento líquido, hasta que su contenido en sólidos alcance la concentración deseada. La evaporación se lleva a cabo suministrando un flujo de calor (generalmente por medio de vapor de agua) para vaporizar parcialmente el disolvente y obtener una solución final con el grado de concentración deseado. Los requisitos para conseguir una evaporación óptima incluyen: 1. Transferencia de calor adecuada: La velocidad en la transferencia de calor determina el tiempo requerido para conseguir una buena evaporación. La transmisión de calor en la evaporación depende de factores tales como el tipo de alimento a concentrar (propiedades físicas), el tipo de evaporador utilizado (eficiencia de diseño) y el tamaño de la superficie de transmisión de calor 2. Eficiencia de la separación vapor-líquido. La separación del vapor en ebullición, del líquido es crucial para la eficiencia del diseño del evaporador. 3. Uso eficiente de la energía. El evaporador debe hacer un perfecto uso del calor disponible y de las fuentes de energía. Esto se consigue usualmente por medios tales como la recuperación del calor residual para precalentar el producto; evaporación multiefecto, donde los vapores que se producen en un efecto se utilizan para calentar otro, y recompresión térmica, para incrementar el contenido de energía de los vapores producidos durante la evaporación 4. Tratamiento del producto. Los alimentos plantean a los evaporadores ciertos problemas específicos, que deben resolverse para asegurar una concentración óptima. Por ejemplo, la necesidad de una operación higiénica exige un diseño adecuado y ciertos requisitos en los materiales de construcción. Además, la sensibilidad al calor de muchos productos plantea restricciones de temperatura y de tiempo de permanencia en el evaporador. La evaporación es una operación ampliamente utilizada en la industria de alimentos. Sus principales aplicaciones son: • • • • Frutas. Los concentrados de frutas se preparan por evaporación a baja temperatura, para proporcionar estabilidad al producto (mermeladas y jaleas) así como para reducir el volumen en el almacenamiento y en el transporte (zumos concentrados). Productos lácteos. Se realiza una evaporación de los productos lácteos líquidos, antes del secado por atomización, para obtener productos en polvo, con lo cual se minimizan los costes energéticos del proceso de secado. Se utiliza también para producir concentrados para múltiples aplicaciones. Refinado de azúcar y sal. El azúcar refinado de remolacha o de caña, se obtiene por extracción del azúcar con agua caliente, evaporación de parte de esta agua hasta conseguir un jarabe concentrado, y después, por medio de una evaporación controlada, se genera la supersaturación necesaria para el proceso de cristalización. Caramelos duros. Los jarabes de azúcar se concentran por medio la eliminación por ebullición del exceso de agua, hasta un contenido muy alto de sólidos. • Hortalizas. El agua de los zumos de algunas hortalizas se elimina para obtener productos de textura especial, tales como purés y pastas. Ventajas de la concentración por evaporación frente a concentración por congelación: Las plantas modernas de evaporación son muy efectivas en la utilización de pequeñas cantidades de vapor para producir una elevada eliminación de agua. Técnicas tales como la evaporación de múltiple efecto y la recompresión térmica reducen de forma importante el vapor requerido para conseguir un grado determinado de concentración. Otra ventaja de la evaporación es el grado de concentración que se puede alcanzar. La evaporación con frecuencia supera concentraciones de 80-85% de sólidos, mientras que los procesos de membrana y la concentración por congelación están limitados, por efectos de transferencia de masa, a niveles de concentración mucho más bajos. 1.1. VAPORIZACIÓN La vaporización es un fenómeno natural de cambio de fase de un líquido a vapor. Si un recinto cerrado, térmicamente aislado, se llena parcialmente con un líquido y se evacúa el aire existente, el líquido comenzará a evaporarse ocupando el espacio del que se ha eliminado el arre y desarrollando por tanto una presión. Llegará un momento en que se alcanzará la saturación en dicho espacio y comenzarán a condensarse algunas de las moléculas vaporizadas. Se habrá alcanzado entonces una condición de equilibrio en el cual la presión de vapor será constante para una temperatura dada y la evaporación neta será cero. Sin embargo, si se evacúa el vapor del recinto y las moléculas que abandonan el líquido son eliminadas continuamente, no pudiendo volver a incorporarse a la capa de líquido, la evaporación continuará, aunque cada vez a menor ritmo puesto que la temperatura del líquido bajará como resultado de la evaporación. Ahora bien, si se transmite calor al citado recinto para mantener el líquido a la temperatura de ebullición, se conseguirá mantener la velocidad de evaporación a un nivel alto. Así pues, para que la evaporación se desarrolle de forma continua se requieren dos condiciones: 1. Que se suministre el calor necesario para la vaporización del líquido 2. Que se eliminen continuamente las moléculas de líquido que escapan a través de la capa límite. Un evaporador es, por tanto, un aparato en el que se evapora el disolvente de un producto líquido diluido, para conseguir otro líquido más concentrado. El producto que alimenta al evaporador puede ser una solución o una emulsión de materiales sólidos en un líquido. El calor necesario para esta vaporización se consigue por condensación de vapor contra una superficie metálica. Por lo tanto, la operación de evaporación básicamente implica transferencia de energía (calor para la vaporización y la condensación), transferencia de masa (eliminación del disolvente) y flujo de fluidos (alimentación y flujo de vapor). El fluido caloportador que. cómo se ha dicho generalmente es vapor de agua, se llama vapor primario, cede su calor latente al producto a evaporar. La superficie de contacto entre el vapor primario y el producto separa el aparato en dos partes: un evaporador. donde se elimina el vapor secundario (producido en la evaporación) y un condensador del vapor primario. Por lo tanto, se trata de un intercambiador de calor latente. 1.2. CARACTERÍSTICAS DEL LÍQUIDO Las características del alimento líquido que se va a concentrar tienen un marcado efecto sobre el rendimiento del proceso de evaporación, son, por tanto, el principal factor que afecta en la selección de un tipo particular de evaporador. Las propiedades térmicas y reológicas de muchos alimentos líquidos cambian con la temperatura y con el contenido de sólidos. La densidad aumenta con el contenido de sólidos. La viscosidad de muchos alimentos líquidos, como por ejemplo zumos de frutas y hortalizas, aumenta drásticamente con el contenido de sólidos a bajas temperaturas. Una viscosidad alta afecta no sólo a la transferencia de calor sino también afectará al flujo del producto, es necesaria una adecuada alimentación del producto para que cubra por completo la superficie de transmisión de calor durante la evaporación. Las elevadas viscosidades que pueden alcanzarse con la evaporación, en los alimentos que contienen azúcares, almidones y proteínas a altas concentraciones, implican cambios de densidad, de conductividad térmica y calor específico, y reducen el flujo de calor en el evaporador. pudiendo limitar el nivel de concentración alcanzable. Generalmente, la evaporación puede concentrar alimentos hasta un contenido de sólidos entre 70 y 80%, aunque puede llegar hasta el 98% en determinadas circunstancias. La reología del producto puede también ser importante en términos de manejo del mismo o de problemas de bombeo. Por ejemplo, los productos concentrados de tomate forman soluciones tixotrópicas (o dependientes del tiempo) en las cuales la viscosidad cambia con el tiempo. Durante la evaporación se deben tratar de minimizar los efectos inducidos térmicamente. Los efectos negativos que pueden encontrarse son: • desnaturalización de las proteínas, que puede causar precipitaciones e incrustaciones, pérdidas de grado en las pectinas, etc. • producción de colores y olores desagradables, tales como pardeamiento de los productos lácteos y jarabes de azúcar, y • reacciones químicas, como, por ejemplo, la hidrólisis de la sacarosa o la degradación de las vitaminas. Se han desarrollado diferentes soluciones para reducir los efectos de las reacciones térmicas que se producen en la evaporación de alimentos y que generalmente se basan en tres principios. El primero es el uso de bajas presiones, baja temperatura de evaporación. La operación a baja presión produce la evaporación del agua a temperaturas más bajas, con lo cual es menor la destrucción térmica. El segundo principio de diseño implica reducir el tiempo de permanencia a altas temperaturas. El objetivo es minimizar la cinética de reacción del proceso de degradación, reduciendo el tiempo de permanencia bajo condiciones de alta velocidad de reacción. La tercera posibilidad para reducir la degradación térmica es minimizar el salto térmico para reducir la temperatura máxima que alcanza el producto (en la superficie de transmisión de calor), en la evaporación de alimentos sensibles se utilizan saltos térmicos bajos (2-3°C). 1.3. COEFICIENTES DE TRANSMISIÓN DE CALOR 1.3.1. COEFICIENTE GLOBAL DE TRANSMISIÓN DE CALOR: La ecuación general que describe el calor transferido desde un fluido calefactor, a través de una pared metálica, hasta el producto a evaporar es Q = V * λe = U * A (Tc - Te) = U * A * ΔT Donde: Q = calor transferido (W) V = vapor condensado (kg * s-1) λe = calor latente de vaporización del vapor a la temperatura de condensación (J * kg-1) U = coeficiente global de transmisión de calor (W * m2 * K-1) A = área de la superficie de calentamiento (m2) Tc = temperatura de condensación del vapor J Te = temperatura de evaporación del producto 1.3.2. AUMENTO DEL PUNTO DE EBULLICIÓN: El aumento del punto de ebullición de una solución (alimento líquido) se define como el incremento en el punto de ebullición sobre el del agua pura, a una determinada presión. La presencia de moléculas de soluto altera la presión de vapor de la solución y por lo tanto afecta al punto de ebullición de equilibrio. La elevación del punto de ebullición puede afectar de forma significativa la operación de un sistema de evaporación. Las sales y, en menor medida, los azúcares son los principales responsables del incremento del punto de ebullición de los alimentos. En sistemas alimentarios complejos, con frecuencia es difícil atribuir la subida del punto de ebullición a algún componente, por ejemplo, la leche contiene sales y azúcares y cada uno de ellos tiene su influencia sobre el punto de ebullición. Es importante tener en cuenta el aumento del punto de ebullición, ya que la diferencia de temperatura entre el vapor y el producto disminuye a medida que aumenta el punto de ebullición del producto, debido a su proceso de concentración. La disminución de la diferencia de temperatura entre ambos medios disminuye a su vez la velocidad de transmisión de calor entre el vapor y el producto. El incremento del punto de ebullición se puede predecir con la siguiente relación empírica, en función del contenido en sólidos: ΔT (°C) = 0,33 exp(4 X) donde X es la fracción música de los sólidos solubles. El incremento del punto de ebullición se puede determinar de varias formas. aunque la manera más precisa es la determinación experimental. 1.3.3. Efecto de las incrustaciones Uno de los problemas del proceso de evaporación es el efecto de la formación de costras o incrustaciones sobre la tasa de transmisión de calor. La producción y la calidad del producto se pueden ver afectadas por la acumulación de material desnaturalizado sobre la superficie de los tubos. El efecto de las incrustaciones sobre la tasa de transmisión de calor con el tiempo viene representado por la ecuación: 𝟏 =𝒂+𝒃𝜽 𝑼𝟐 donde: U = es el coeficiente de transmisión de calor en un determinado momento θ = tiempo de operación a y b = constantes.
