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