Unidad_2

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

Justificación

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.

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


operaciones unitarias que incluyen tratamientos

térmicos. Así mismo, estará en capacidad de analizar y

resolver situaciones problémicas reales.

Intencionalidades

Formativas

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.

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 y

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


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


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 aire-

agua 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


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:


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:


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.


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:


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


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.


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


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.


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.


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

http://www.sc.ehu.es/nmwmigaj/CartaPsy.htm


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:


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:


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/m2°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.


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]:


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


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


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:


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 m2;

c es la concentración del componente B en kg/m3 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


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.

http://www.google.com.co/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=13&ved=0CDYQFjACOAo&url=http%3A%2F%2Foswaldoparra.files.wordpress.com%2F2007%2F10%2Fmembranas.doc&ei=1aC6Ue-TEo_49gTI5oDQAw&usg=AFQjCNGMRD6wGAcAIGjIWbD-U7RCqOZ2hg&sig2=55sqRriHgQiBCnGi6notsA&bvm=bv.47883778,d.eWU

http://www.tesisenred.net/handle/10803/107623

http://www.tesisenred.net/handle/10803/107623

http://ambiente.usach.cl/~jromero/imagenes/GUIAS%20MEMBRANA/Documento%201%20Antecedentes%20generales%20sobre%20membranas.pdf

http://ambiente.usach.cl/~jromero/imagenes/GUIAS%20MEMBRANA/Documento%201%20Antecedentes%20generales%20sobre%20membranas.pdf


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.

http://www.itescam.edu.mx/principal/sylabus/fpdb/recursos/r74287.PDF




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)


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.


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].


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.


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


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.


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:


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].


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 DENOMINACIÓN CARACTERÍSTICAS

Fluidos independientes del tiempo

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 dependientes del tiempo

Tixotrópicos La viscosidad aparente disminuye con el tiempo de aplicación del esfuerzo

Reopécticos La viscosidad aparente aumenta con el tiempo de aplicación del esfuerzo

Fluidos viscoelásticos.

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.


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


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.


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]


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.

http://datateca.unad.edu.co/contenidos/211616/Articulos/Material_extendido/Filtracion_y_centrifugacion.pdf


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.


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,


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 Gram-

negativos.

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.


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.

ACTIVIDAD DE INVESTIGACIÓN. Investigue acerca del uso de cultivos iniciadores en la fermentación de vegetales, realice un corto ensayo en donde se especifique:

Nombre del producto.

Tipo de fermentación.

Cultivo iniciador.

Metodología.

Resultados.

Ventajas y desventajas.


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


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.


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:


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.

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

PROFUNDIZA

Aspectos bioquímicos de relación entre el escaldado y la textura de vegetales procesados. Escaldado y pelado al vapor.

http://datateca.unad.edu.co/contenidos/211616/Articulos/Material_extendido/Aspectos_bioquimicos_de_la_relacion_entre_el_escaldado_y_la_textura_de_vegetales_procesados.PDF

http://datateca.unad.edu.co/contenidos/211616/Articulos/Material_extendido/Aspectos_bioquimicos_de_la_relacion_entre_el_escaldado_y_la_textura_de_vegetales_procesados.PDF

http://datateca.unad.edu.co/contenidos/211616/Articulos/Material_extendido/Escaldado_y_pelado_al_vapor.pdf


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


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.


Figura 6.2: Fases del tratamiento por congelación en alimentos.

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

I : Prenfriamiento.

II : Congelación.

III : Atemperado.


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


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


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.


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 Tfm, 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:


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/m3.

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; Lf 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)


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:


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


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.


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.


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.


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.


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.


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.


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 en kg

de agua/ kg de aire seco. Sus temperaturas inicial y fina se denotan por y

respectivamente.

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


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.


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


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:


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.


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:


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


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].


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 Objetivo Dosis en KGy Países

Patatas Inhibición de grillones 0.1-0.15 17

Cebollas Inhibición de grillones 0.1-0.16 10

Ajos Inhibición de grillones 0.1-0.17 2

Champiñones Inhibición de grillones 2.5 máx 1

trigo, harina de trig Desinfección de insectos 0.2-0.75 4

Frutas desecadas Desinfección de insectos 1 2

Semillas de cacao Desinfección de insectos 0.7 1

Concentrados de alimentos secos Desinfección de insectos 0.7-1 1

Carne de ave fresca Radicidación 7 máx. 2

Bacalao y pescado rojo Radicidación 2-2.2 1

Especias/Condimentos Radicidación 8-10 1

Carnes semiconservadas Radicidación 6-8 1

Frutas frescas Radicidación 2.5 6

Espárragos Radicidación 2 1

Cranes curdas Radicidación 6-8 1

Filetes de bacalao Radicidación 1.5 máx 1

Canales de aves evisceradas Radicidación 3-6 2

Camarones Radicidación 0.5 -1 1

Productos cárnicos culinarios Radicidación 8 1

Comidas congeladas Radapertización 25 mín. 2

Alimentos enlatados Radapertización 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


minimizar estas pérdidas se recomienda irradiar en condiciones anaerobias o en

estado de congelamiento.

Unidad_2

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