FACULTAD DE INGENIERA EN INDUSTRIAS ALIMENTARIAS
Catedrtico: Ing. Msc. Luz Buenda Sotelo Ctedra: ingeniera De
Alimentos III
Alumnos: Bernab Meza Yesica
Cancho Mallma Fanny
Canchihuaman Quijada Cesar
Corilla Flores Denis
Sifuentes Cateo Gustavo
Paitan de la Cruz Marco
Semestre: V III
I.INTRODUCCINLa liofilizacin es un proceso de conservacin
mediante sublimacin utilizado con el fin de reducir las prdidas de
los compuestos voltiles o termo-sensibles. Es una operacin unitaria
que permite que los alimentos pasen de un estado natural a un
estado deshidratado donde el fundamento de este tipo de equipo
permite la evaporacin del agua.Esta operacin unitaria utiliza
varias operaciones previas, antes de ser sometidas a la
liofilizacin, dado que la liofilizacin es una operacin de cambios
de estado de materia, estos cambios de estado son convertir a la
materia en el estado slido y realizar la evaporacin del agua, sin
pasar por el estado lquido (fenmeno de la sublimacin), este fenmeno
hace que la materia en el estado slido sea agua libre.El agua
ligada est en estado slido y por efecto de la temperatura y la
presin de vaco se produce la sublimacin. Haciendo que el agua se
evapore del alimento, esta evaporacin hace que el alimento no sufra
cambios significativos en su composicin qumica porque lo nico que
se ha eliminado es el agua, por ello esta tcnica se secado desde el
punto de vista de la tecnologa de los alimentos y la ingeniera de
los alimentos es considerado como una de las operaciones unitarias
ms eficientes porque permite secar los alimentos sin que el
alimento nativo pierda sus composiciones como son las vitaminas,
aminocidos, protenas, carbohidratos, antioxidantes,
minerales,etc.Por lo tanto esta tcnica se secado permite conservar
los alimentos desde el punto de vista natural. El objetivo del
mtodo es alargar la vida til del producto, eliminando el contenido
de agua. Para esto se desarrollan diferentes tcnicas y otras ya
existentes continan evolucionando a fin de aumentar el rendimiento,
bajar costos, lograr mejoras en determinados parmetros de calidad
de los alimentos (textura, sabor, color), entre otras
cosas.II.REVISIN BIBLIOGRAFICA2.1 CONCEPTO DE LIOFILIZACION La
liofilizacin es un proceso en el que se congela el producto y
posteriormente se introduce en una cmara de vaco para realizar la
separacin del agua por sublimacin. De esta manera se elimina el
agua desde el estado slido al gaseoso del ambiente sin pasar por el
estado lquido. Para acelerar el proceso se utilizan ciclos de
congelacin-sublimacin con los que se consigue eliminar prcticamente
la totalidad del agua libre contenida en el producto original pero
preservando la estructura molecular de la sustancia liofilizada. Es
utilizado principalmente en la industria alimentaria para
conseervacion de los alimentos, de este resulta productos de una
mayor calidad ya que al no emplear calor, evita en gra medida las
perdidas nutricionales y organolepticas.
PERERA y YANOVSKY (1996), menciona que la liofilizacin se basa
en el desecado de determinados materiales por medio de la
sublimacin del agua contenida en stos. Se realiza congelando el
producto y se remueve el hielo aplicando calor en condiciones de
vaco, de esta forma el hielo sublima evitando el paso por la fase
lquida. Dicha tcnica constituye un efectivo sistema de preservacin
de elementos biolgicos como clulas, enzimas, vacunas, virus,
levaduras, sueros, algas, frutas, vegetales y alimentos en general.
Todos estos materiales contienen sustancias voltiles o
termosensibles que no se ven afectadas por este proceso, ya que se
trabaja a temperaturas y presiones reducidas. Lo ms importante del
mtodo es que no altera la estructura fisicoqumica del producto y
admite su conservacin sin cadena de fro, ya que su bajo porcentaje
de humedad permite obtener un producto con elevada estabilidad
microbiolgica. Asimismo, el hecho de no requerir refrigeracin
facilita su distribucin y almacenamiento.MinAgri-Alimentos
argentinos , afirman que una sustancia pura puede existir como
slido, lquido o gas y puede cambiar de estado por medio de un
proceso en el cual libera o absorbe calor a temperatura constante
(calor latente), de esto depende hacia donde se direcciona dicho
cambio. El cambio de fase de slido a gas o sublimacin, debe
realizarse en condiciones de presin y temperatura menores a las del
punto triple (punto en el que conviven los tres estados de la
materia), ya que por debajo de ste no existe la fase lquida. En el
caso del agua el punto triple se encuentra a 4,58 Torr y 0,008 C.
Por ejemplo si se tiene agua congelada, al calentarla a una presin
menor a la de dicho punto el hielo sublima.
Figura n1: Diagramas de cambio de fase
Fuente : Alimentos Argentinos MinAgriFLESIA, indica que, las
sustancias moleculares disueltas en el agua disminuyen su punto de
fusin (descenso crioscpico), por esto es conveniente describir el
enfriamiento y posterior congelacin de una solucin de este tipo en
varias etapas. Al bajar la temperatura de una solucin, inicialmente
se produce un subenfriamiento que origina los ncleos de
cristalizacin, luego la temperatura aumenta hasta la de equilibrio.
A partir de ese momento comienzan a desprenderse los cristales de
hielo puro, por lo que la solucin se concentra hasta alcanzar la
menor temperatura a la cual puede existir solucin en equilibrio con
hielo, denominada temperatura eutctica. Por debajo de esta
temperatura debera existir, idealmente, equilibrio entre hielo y
soluto. Sin embargo las soluciones que contienen polmeros naturales
como azcares no cristalizan en este punto, sino que aumentan su
viscosidad a medida que disminuye la temperatura y el agua se
congela. Esta etapa finaliza cuando el sistema alcanza su
temperatura de transicin vtrea, donde su viscosidad aumenta
significativamente en un pequeo rango de temperatura dando lugar a
un slido amorfo y frgil. Con relacin a la conservacin de alimentos,
es importante destacar que el flujo viscoso dentro de este slido es
prcticamente nulo, casi no existe flujo de materia, lo que evita
que ocurran reacciones qumicas. Cabe aclarar que no toda el agua
que compone un alimento est disponible para que los microorganismos
puedan llevar a cabo sus actividades metablicas, solo el agua libre
cumple dicho propsito. El contenido de agua libre en un alimento se
define como aw (actividad de agua). Al deshidratar un producto su
disponibilidad de agua (libre) disminuye drsticamente. Para
eliminar entonces la mayor parte del agua libre contenida en el
slido obtenido, se le debe entregar calor a fin de lograr la
sublimacin total del hielo, cuidando que la temperatura del
producto se mantenga siempre por debajo de su temperatura de
transicin vtrea. Al final de este cambio de fase se obtiene un
producto que conserva el volumen y tamao original, presentado la
forma de un vidrio altamente poroso.
Figura n2: Estructura de un producto en proceso de
liofilizacin.Fuente: FLESIA, Miguel ngel. Universidad Tcnica
Nacional. Facultad Regional Santa F. Ingeniera Industrial. Procesos
Industriales La conservacin de sustancias perecederas por medio de
la liofilizacin.La ventaja de esta estructura es que permite una
rpida rehidratacin, no obstante es frgil por lo que requiere de una
proteccin que prevenga los posibles daos ocasionados por una
inadecuada manipulacin. Asimismo, debido a la porosidad de dicha
estructura es necesario realizar el empaque del producto de forma
tal que se evite la penetracin de oxgeno, a fin de impedir procesos
oxidativos sobre los lpidos.2.2 ETAPAS DE LIOFILIZACION
La liofilizacin involucra varias etapas (Fig.3):
Congelacin (y acondicionamiento en algunos casos) a bajas
temperaturas.
Secado por sublimacin del hielo (o del solvente congelado) del
producto congelado, generalmente a muy baja presin (Fig.4),
generalmente se estudia en dos etapas, a saber: atapa primaria de
secado y secundaria de secado. Almacenamiento del producto seco en
condiciones controladas.
En la liofilizacin el material original est construido por un
ncleo central de material congelado. A medida que el hielo se
sublima, el plano de sublimacin, que se inicia en la superficie
exterior, penetra al interior dejando atrs una corteza porosa de
material ya seco.
Figura n3 :Pasos del proceso de liofilizacion
Figura n4: Diagrama de fases del agua y sistemas de secadoEn el
secado mediante la liofilizacion se distinguen tres fases o etepas
que se esmatizan en la figura 5. Cuando en el proceso de
liofilizacion el calentamiento empieza a formarse un frente de
sublimacion o interfase entre la capa seca y la capa congelada de
la muestra el cual avanza progresivamente, y para un determinado
instante, a una temperatura de interfase le corresponde una
determinada presion de saturacion. La trasferencia de masa ocurre
por la migracion de vapores a traves de la capa seca de la muestra
bajo accion de una diferencia de presion, esta transferencia es
alta cuando la diferencia de presion es grande generalmente, al
liofilizar adecuadamente un material se puede almacenar por
periodos muy largos con reducciones muy bajas de sus
caracteristicas organolepticas, fisicas, quimicas y bilogicas.2.2.1
Congelacin Indica que cad producto debe congelarse de una manera
tal que garantice que sufrira pocas alteraciones en el proceso
posterior de sublimacion. Se debe conocer con precision:
La temperatura en la que ocurre la maxima solidificacion.
La velocidad optima de enfriamiento.
La temperatura minima de fusion incipiente.
Se busca que el producto ya congelado tenga una estructura
solioda sin intersticios en los que haya liquido concentrado para
propiciar que todo el secado ocurra por sublimacion. En los
alimentos se pueden obtener distintas mezclas de estructuras luego
de la congelacion que incluyen cristales de hielo, eutecticos,
mezclas de eutecticos y zonas vitreas amorfas. Estas ultimas son
propiciadas por la presencia de azucares, alcoholes, cetonas,
aldehidos y acidos, asi mismo como por las altas concentraciones de
solidos en el producto inicial. Debido a que el agua en ese estado
vittreo esta aun en forma liquida, la presion de vapor del agua en
el vidrio, segn la Ley de Raoult, tendera a ser menor que la del
hielo a la misma temperatura. Como resultado de la baja velocidad
de evaporacion del agua, el sistema vitreo puede fundirse cuando la
temperatura aumenta, es decir, la movilidad del agua sera mayor que
cero, sin implicar ninguna cantidad significativa de calor de
fusion.2.2.1.1 Porosidad del Producto
La difusion de vapor aumenta con la porosidad, razon por la cual
la lenta velocidad de congelacion del producto provoca rapida
velocidad de secado ya que los cristales formados son voluminosos y
se transforman en poros despues de la sublimacion. Los cristales
formados durante la congelacion son mas pequeos en cuanto mayor es
el extracto seco inicial. Por lo tanto, la velocidad de
liofilizacion disminuye cuando aumenta el extracto seco del
producto.2.2.2 Secado Primario por Sublimacion del HieloEl proceso
de secado como tal puede ocurrir o no a bajas presiones pero en
tales condiciones es mucho ms eficiente el proceso difusivo. El
paso de hielo a vapor requiere gran cantidad de energa que
suministra en alto vaco pues la interfase de secado se mueve hacia
el interior de la muestra y el calor tiene que atravesar capas
congeladas (sistemas liofilizados en bandeja, sin granular) o secas
(en granulos), generndose un considerable riesgo de fusin del
material intersticial o quemar la superficie del producto que ya
est seco.
Figura n5: Etapas del proceso de liofilizacin2.2.2 Secado
Secundario
La humedad remanente en el producto despues del proceso de
secado primario se absorve poe el material o se adsorbe por la
superficie del mismo.
Manteniene mejor la estructura y el aspecot original del
alimento. La baja temperatura de trabajo inpide la alteracion de
productos termolabiles.
Al sublimarse el hielo quedan poros que permiten una
reconstitucion rapida.
Inhibe el deterioro del color y sabor por reacciones quimicas y
las perdidas de propiedaes fisiologicas. La humedad residual es
baja.
El tiempo de conservacion es largo.
La retencion de los aromas es muy alta.2.3 PROCESO DE
LIOFILIZACINLa liofilizacin involucra cuatro etapas principales: 1.
PREPARACIN
2. CONGELACIN
3. DESECACIN PRIMARIA
4. DESECACIN SECUNDARIA Antes de comenzar el proceso, es
fundamental el acondicionamiento de la materia prima, ya que los
productos liofilizados no pueden ser manipulados una vez completado
el proceso. Lo que suele hacerse con alimentos como guisantes o
arndanos es agujerear la piel con el objetivo de aumentar su
permeabilidad. Los lquidos, por otro lado, se concentran
previamente con el fin de bajar el contenido de agua, lo que
acelera el proceso de liofilizacin. La segunda etapa se lleva a
cabo en congeladores independientes (separados del equipo
liofilizador) o en el mismo equipo. El objetivo es congelar el agua
libre del producto. Para ello se trabaja a temperaturas entre -20 y
-40C. Para la optimizacin de este proceso es fundamental conocer y
controlar:
La temperatura en la que ocurre la mxima solidificacin.
La velocidad ptima de enfriamiento.
La temperatura mnima de fusin incipiente.
Con esto se busca que el producto congelado tenga una estructura
slida, sin que haya lquido concentrado, de manera que el secado
ocurra nicamente por sublimacin. En los alimentos se pueden obtener
mezclas de estructuras luego de la congelacin, que incluyen
cristales de hielo eutcticos, mezclas de eutcticos y zonas vtreas
amorfas. Estas ltimas se forman por la presencia de azcares,
alcoholes, cetonas, aldehdos y cidos, as mismo como por las altas
concentraciones de slidos en el producto inicial. Respecto de la
velocidad de congelacin se debe tener en cuenta lo
siguiente:VELOCIDAD DE CONGELACIN
CONGELACIN RPIDA CONGELACIN LENTA
La temperatura de los alimentos desciende aproximadamente unos
20C en 30 minutos.
Cristales pequeos.
Al rehidratarse conservan textura y sabor original.
Apariencia clara del producto seco.
Se aplica en alimentos slidos, ya que evita la ruptura de la
membrana o pared celular y estructuras internas.
La temperatura deseada se alcanza en 3 a 72 horas (aparatos
domsticos de congelacin).
Cristales grandes. En su formacin causan ruptura de la membrana
o pared celular y estructuras internas.
Al hidratarse presentan textura y sabor diferente al
original.
Apariencia oscura del producto seco.
Se aplica en lquidos, ya que la formacin de cristales grandes
favorece la presencia de canales para el movimiento del vapor de
agua.
La tercera etapa del proceso consiste en la desecacin primaria
del producto, por sublimacin del solvente congelado (agua en la
mayora de los casos). Para este cambio de fase es necesario reducir
la presin en el interior de la cmara, mediante una bomba de vaco, y
aplicar calor al producto (calor de sublimacin, alrededor de 550
Kcal/Kg en el caso del agua), sin subir la temperatura. Esto ltimo
se puede hacer mediante conduccin, radiacin o fuente de microondas.
Los dos primeros se utilizan comercialmente combinndose su efecto
al colocarse el producto en bandejas sobre placas calefactoras
separadas una distancia bien definida. De esta manera se consigue
calentar por conduccin, en contacto directo desde el fondo y por
radiacin, desde la parte superior. Por otro lado la calefaccin por
medio de microondas presenta dificultad porque puede provocar fusin
parcial del producto, debido a la potencial formacin de puntos
calientes en su interior; por lo cual actualmente no se aplica
comercialmente. Los niveles de vaco y de calentamiento varan segn
el producto a tratar. Al inicio de esta tercera etapa, el hielo
sublima desde la superficie del producto y a medida que avanza el
proceso, el nivel de sublimacin retrocede dentro de l, teniendo
entonces que pasar el vapor por capas ya secas para salir del
producto. Este vapor, se recoge en la superficie del condensador,
el cual debe tener suficiente capacidad de enfriamiento para
condensarlo todo, a una temperatura inferior a la del producto.
Para mejorar el rendimiento de esta operacin, es primordial
efectuar controles sobre la velocidad de secado y sobre la
velocidad de calentamiento de las bandejas. El primero se debe a
que si el secado es demasiado rpido, el producto seco fluir hacia
el condensador junto con el producto seco. Producindose as una
prdida por arrastre de producto. El segundo de los controles, debe
realizarse siempre ya que si se calienta el producto velozmente, el
mismo fundir y como consecuencia el producto perder calidad. Para
evitarlo la temperatura de los productos debe estar siempre por
debajo de la temperatura de las placas calefactoras mientras dure
el cambio de fase. No obstante, al finalizar la desecacin primaria,
la temperatura del alimento subir asintticamente hacia la
temperatura de las placas. Para tener una liofilizacin buena y
rpida es necesario poder controlar exactamente esta temperatura y
tener la posibilidad de regular la presin total y parcial del
sistema. La cuarta y ltima etapa del proceso de liofilizacin, se
trata de la desecacin secundaria del producto por medio de
desorcin. Esta consiste en evaporar el agua no congelable, o agua
ligada, que se encuentra en los alimentos; logrando que el
porcentaje de humedad final sea menor al 2%.Como en este punto no
existe agua libre, la temperatura de las bandejas puede subir sin
riesgo de que se produzca fusin. Sin embargo, en esta etapa la
presin disminuye al mnimo, por lo que se realiza a la mxima
capacidad de vaco que pueda alcanzar el equipo. Es importante,
finalmente, controlar el contenido final de humedad del producto,
de manera que se corresponda con el exigido para garantizar su
estabilidad.Esquema general de un equipo de liofilizacin
DESCRIPCIN GENERAL
EQUIPOS FUNCIONES
CAMARA DE SECADO Provee al proceso de un ambiente limpio y
estril.
Da las condiciones de presin y temperaturas exigidas para la
congelacin y posterior secado del producto.
CONDENSADOR Recoge el vapor de agua producto de la sublimacin, y
lo desublima.
SISTEMA DE VACIO Est conectado a la cmara del condensador.
Proporciona las condiciones de presin indicadas para las etapas
de desacado primarias y secundarias.
INSTRUMENTACIN (medidor de temperatura de producto-estante,
controlador de calefaccin de estante, medidor de vaco
cmara-condensador) Son de vital importancia para el control del
proceso, de manera que el resultado del mismo siempre sea el mejor
posible.
Como se mencion antes, la gran desventaja de este proceso, es el
elevado costo de los equipos. En el esquema presentado se pueden
observar tres elementos que son los responsables de estos
costos:
Condensador (desublimador) y sistema de refrigeracin.
Energa requerida para completar las etapas de sublimacin del
agua en la cmara de secado, y desublimacin y fundicin en el
condensador.
Mantenimiento de las bombas mecnicas del equipo de vaco. Tipos
de equipos
El sistema de liofilizacin descripto, se corresponde con los
equipos convencionales de Liofilizacin; los cuales son fabricados
por muchas empresas proveedoras de esta tecnologa, tanto en
Argentina como en el resto del mundo. Los mismos se consiguen en
escalas tipo laboratorio, piloto o industrial. En la siguiente
tabla se especifican las caractersticas de cada uno:LABORATORIO
PILOTO INDUSTRIAL
Bomba de vaco 6 m3/h 18 35 m3/h
Capacidad del condensador 6 10 kg 15 - 30 kg 30 - 300kg
Temperatura del condensador - 50C - 50 a - 80C - 75C
Superficie * (por cantidad de estantes) 0,33 m2* (3) 0,48 1,8
m2* (3 a 5) 2 - 12 m2* (5 a 8)
RAMIREZ NAVAS, Juan Sebastin. 2006. Liofilizacin, Estado del
Arte. Universidad del Valle Programa Doctoral en Ingeniera.
Ingeniera de Alimentos. Cali Colombia
DIFERENCIAS ENTRE SECADO CONVENCIONAL Y LIOFILIZACIN
SECADO CONVENCIONAL LIOFILIZACIN
Recomendado para tener alimentos secos (verduras y granos).
Recomendado para la mayora de los alimentos, pero se ha limitado a
aquellos que son difciles de secar a travs de otros mtodos.
Es poco satisfactorio para carne. Recomendado para carnes crudas
y cocidas.
Rango de temperatura 37 93C Temperaturas debajo del punto de
congelacin.
Presiones atmosfricas Presiones reducidas (27-133 Pa)
Se evapora el agua de la superficie del alimento. Se sublima el
agua del frente de congelacin.
Movimiento de solutos, lo que causa algunas veces
endurecimiento. Movimiento mnimo de solutos.
Las tensiones en alimentos slidos causan dao estructural y
encogimiento. Cambios estructurales o encogimientos mnimos.
Rehidratacin incompleta o retardada. Rehidratacin completa y
rpida.
Olor y sabor frecuentemente anormal. Olor y sabor normalmente
intensificado.
Color frecuentemente ms oscuro. Color normal.
Valor nutritivo reducido. Nutrientes retenidos en gran
porcentaje.
Costos generalmente bajos. Costos generalmente altos,
aproximadamente cuatro veces ms que el secado convencional.
2.3 APLICACIONES EN LA INDUSTRIA DE LOS ALIMENTOSSECTORES
PRODUCTOS LIOFILIZADOS
Crnicos Carne bovina
Carne aviar: pechuga de pollo, pechuga de pavo, muslo de
pollo.
Carne porcina: jamn, lomo.
Frutas Frutillas. Fresas, banana, anan, moras, frambuesa.
Vegetales Esprrago, choclo, zanahoria, brcoli, coliflor, apio,
papa, hongos, aceituna, espinaca, ajes, arroz, arvejas,
cebolla.
Quesos Queso Prato, Queso Mozzarella, Queso Provolone, Queso
Blanco.
Otros Caf, sopas, zumos de frutas, levaduras, caldos, salsas,
especias, championes
Por medio de la liofilizacin se puede extraer ms del 95% del
agua contenida en un alimento, lo que se traduce en un gran
beneficio con relacin al costo del transporte, ya que permite
cargar mayor cantidad de mercadera sin necesidad de cadena de fro
(se logra un producto ms estable microbiolgicamente). Al finalizar
el proceso de liofilizacin, el alimento se convierte en una
estructura rgida que conserva la forma y el volumen pero con peso
reducido, preservando sus caractersticas nutritivas y
organolpticas. Al rehidratarlo se recuperaran la textura, el aroma
y el sabor original.Los alimentos pueden ser liofilizados en
diferentes formatos: cubos, deshilachado, tiras, picado, granulado
o polvo, y luego pueden ser utilizados como ingredientes
industriales en la fabricacin de snacks, sopas instantneas, salsas,
caldos en polvo, caldos en cubos, cup noodles, pur instantneo,
mezclas para risotto, condimentos para "Lamen", entre
otros.VENTAJAS DESVENTAJAS
Valorizacin y potenciacin de las producciones primarias.
Ausencia de temperaturas altas, por lo que previene el dao
trmico.
Conservacin, fcil transporte y almacenamiento de los
productos.
Inhibicin del crecimiento de microorganismos, estabilidad
microbiolgica.
Recuperacin de las propiedades del alimento al rehidratarlo.
Ausencia de aditivos y/o conservantes.
Mantenimiento del valor nutricional del alimento.
Empleo de vaco, estabilidad qumica.
Largo tiempo de procesamiento.
Alto consumo de energa, en algunos casos.
Costo de inversin inicial alto
Figura n6: liofilizador para laboratorio
Figura n7:liofilizador para industrias
Figura n8: Sistema de carga y transporte de bandejas del
liofilizadorBIBLIOGRAFIA PERERA HORACIO, YANOVSKY J. Proyecto LIAL
Liofilizacin Alimentaria. Buenos Aires. 1996
FLESIA, Miguel ngel. Universidad Tcnica Nacional. Facultad
Regional Santa F. Ingeniera Industrial. Procesos Industriales La
conservacin de sustancias perecederas por medio de la
liofilizacin.
DESHIDRATACIN DE ALIMENTOS. Autor: G. V. Barbosa Cnovas y otro
Alimentos Argentinos MinAgri Pg. 3 de 12-
www.alimentosargentinos.gob.ar
DESHIDRATACIN DE ALIMENTOS POR LIOFILIZACIN
Huancayo Per
- 2014 -