EVAPORACIÓN DE ALIMENTOS. La evaporación es el método por el cuál se elimina una parte del agua contenida en un alimento fluido, mediante evaporación.

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1 EVAPORACIÓN DE ALIMENTOS

2 La evaporación es el método por el cuál se elimina una parte del agua contenida en un alimento fluido, mediante evaporación de la misma (ebullición) con objeto de obtener un producto “concentrado”

3 Existen diferentes métodos para concentrar alimentos: 1. POR ELIMINACIÓN DE AGUA a) Concentración por Evaporación b) Concentración por Membranas (Osmosis Inversa) c) Concentración por Congelación (Crio-concentración) 2.POR ADICIÓN DE SÓLIDOS a) b) c) Adición de azúcar (mermeladas, jaleas, ates, fruta cristalizada) Adición de hidrocoloides (fruta estabilizada) Adición de sal (carnes y pescados salados) 3.POR ADICIÓN DE SÓLIDOS + ELIMINACIÓN DE AGUA a) Adición de azúcar + Evaporación (leche condensada)

4 CONCENTRACIÓN DE ALIMENTOS Se logra una reducción de la Actividad de agua (Aw) del alimento a valores entre 0.6 y 0.8 (humedad intermedia) Con estos valores de Awel desarrollo de microorganismos y la velocidad de las reacciones químicas, bioquímicas y enzimáticas se reducen, pero no se inhiben. Por ello, los productos concentrados requieren técnicas coadyuvantes de conservación: - Refrigeración - Congelación - Tratamiento Térmico y Envasado al vacío - Adición de conservadores, etc

5 CONCENTRACIÓN POR EVAPORACIÓN Ventajas: ---- Mejora la conservación del producto (  Aw) Permite un ahorro energético en operaciones subsecuentes (deshidratación, congelación) Reduce gastos de almacenamiento, transporte de empaque (reduce volumen) -y material -Facilita el uso del producto, tanto al consumidor (sopas, puré tomate) como a la industria (pectina líquida conc., fruta conc. para helados, yogurts, pastelería) Desventajas: - Por sí sóla no conserva al producto. Requiere métodos coadyuvantes de conservación (refrigeración, congelación, tratamiento térmico y envasado al vacío,etc) - Puede haber pérdida del aroma del producto (si no se recupera )

6 EVAPORACIÓN Eliminación de una parte del agua del producto en forma de vapor, mediante la aplicación de calor suficientepara: 1) Elevar la temperatura del producto hasta su punto de ebullición (depende P sistema) calor sensible 2) Evaporar el agua del producto calor latente

7 El calor necesario para efectuar la evaporación generalmente es sumistrado por vapor a alta presión (  alta temperatura), quien cede su calor latente de condensación. No se utiliza calefacción directa o resistencias eléctricas debido a que proporcionan temperaturas locales muy elevadas, dañando al producto. El agua caliente podría utilizarse cuando la temperatura de ebullición del líquido a evaporar es baja, pero los grandes volúmenes de agua caliente requerida son muy problemáticos para el diseño y operación de los evaporadores.

8 ELEVACIÓN DE LA TEMPERATURA DE EBULLICIÓN(Tb) A medida que el líquido se concentra, su temperatura de ebullición aumenta (propiedad coligativa), por lo que el  T disminuye, reduciendoa su vez la velocidad de transferencia de calor (Q) La elevación del punto de ebullición con el cambio de concentración puede determinarse de 2 formas: a)Mediante los Diagramas de Dühring b)Mediante estimación matemática basada en la molalidad de la solución

9 DIAGRAMA DE DÜHRING ParaSoluciónes Acuosas de Sacarosa

10 TIPOS DE EVAPORADORES

11 Los evaporadores industriales normalmente constan de: Un intercambiador de calor para aportar el calor sensible y el calor latente de evaporación del alimento liquido. (En la industria de los alimentos normalmente se utiliza vapor saturado como medio de calentamiento) Un separador en el que el agua evaporada del alimento se separa de la fase líquida concentrada. Un condensador para condensar el agua evaporada del alimento y eliminarla del sistema (a menos que se utilicen múltiples efectos)

12 Evaporador discontinuo El evaporador discontinuo, mostrado en la Figura es quizás uno de los más simples y quizás el más antiguo de los utilizados en la industria alimentaria. El producto se calienta en un recipiente esférico rodeado de una camisa de vapor. El recipiente de calentamiento puede abrirse a la atmósfera o conectarse a un condensador o a un sistema de vacío. El vacío permite trabajar a menores temperaturas de ebullición del producto que cuando se trabaja a presión atmosférica, reduciendo el daño térmico en productos sensibles al calor.

13 El área de transmisión de calor por unidad de volumen en un evaporador discontinuo es pequeña, por lo que el tiempo de residencia del producto es generalmente muy alto, incluso de varias horas. El calentamiento del producto se produce principalmente por convección natural, obteniéndose bajos coeficientes de transmisión de calor. Las pobres características de la transmisión de calor disminuyen sustancialmente la capacidad de procesamiento de este tipo de evaporadores.

14 Evaporador de circulación natural En los evaporadores de circulación natural se distribuyen tubos cortos en vertical, normalmente de 1 ó 2 m de longitud, dentro de un cuerpo de vapor. La calandria (nombre con que se denomina a los tubos y el cuerpo de vapor) se localiza en el fondo del recipiente. Cuando se calienta el producto, éste asciende a través de los tubos por circulación natural mientras que el vapor condensa por el exterior de los tubos. El producto se va concentrando mientras se produce la evaporación dentro de los tubos. El líquido concentrado retorna a la base del recipiente a través de una sección anular central. En la Figura se muestra un evaporador de circulación natural. El alimento líquido puede precalentarse antes de ser introducido al evaporador mediante un cambiador de calor tubular normal situado fuera del evaporador principal.

15 En un evaporador de película ascendente pueden utilizarse alimentos líquidos de baja viscosidad, los cuales hierven en el interior de tubos verticales de 10-15 m de longitud. Los tubos se calientan con el vapor existente en el exterior, de tal manera que el líquido asciende por el interior de los tubos arrastrado por los vapores formados en la parte inferior. El movimiento ascendente de los vapores produce una película que se mueve rápidamente hacia arriba. Para alcanzar una película bien desarrollada es necesaria una diferencia de temperaturas entre el producto y el medio de calefacción de al menos 14°C. En este tipo de evaporadores se alcanzan elevados coeficientes de transmisión de calor, pudiendo recircularse el alimento líquido hasta alcanzar la concentración deseada si ésta no se consigue en el primer paso. Evaporador de película ascendente

16 Evaporador de película descendente

17 A diferencia de los evaporadores de película ascendente, los evaporadores de película descendente desarrollan una película de líquido dentro de los tubos verticales que descienden por gravedad. El diseño de estos evaporadores es complicado ya que la distribución del liquido en una película uniforme fluyendo hacia abajo en un tubo es más difícil de lograr que el flujo ascendente. Para lograrlo se utiliza unos distribuidores especialmente diseñados denominados boquillas de pulverización. Este evaporador permite instalar un mayor numero de efectos a diferencia del de película ascendente y permite procesar liquidos mas viscosos, por lo que es el sistema más apropiado para el procesamiento de productos altamente sensibles al calor. El tiempo de residencia en un evaporador de película descendente es de 20-30 segundos en comparación con los 3-4 minutos necesarios en un evaporador de película ascendente.

18 Evaporador de película ascendente/descendente En un evaporador de película ascendente/descendente, el producto se va concentrando conforme circula a través de una sección de película ascendente seguida de otra de película descendente. Tal como se muestra en la Figura, el producto se concentra primero conforme asciende a través de la sección ascendente, el producto preconcentrado desciende a través de la sección de película descendente alcanzando la concentración final deseada.

19 Evaporador de circulación forzada El evaporador de circulación forzada consta de un cambiador de calor con calefacción indirecta en el que el líquido circula a elevadas velocidades. La carga hidrostática existente en la parte superior de los tubos elimina cualquier posibilidad de ebullición del líquido. Dentro del separador, se mantiene una presión absoluta ligeramente inferior a la existente en el haz de tubos, de tal manera que el líquido que entra al separador se evapora instantáneamente. La diferencia de temperaturas a lo largo de la superficie de calentamiento en el cambiador de calor es generalmente de 3-5°C. Para mantener elevadas velocidades de circulación se utilizan bombas de flujo axial, alcanzándose velocidades lineales de 2-6 m/s, altas si se comparan con las velocidades de 0,3-1 m /s existentes en los evaporadores de circulación natural. Sin embargo, los costes de fabricación y de operación de este tipo de evaporadores son muy bajos en comparación con otros tipos de evaporadores.

20 Evaporador de película ascendente/descendente

21 Evaporador de película agitada Cuando se utilizan alimentos líquidos muy viscosos, la alimentación se dispersa en el interior de la superficie de calentamiento cilindrica mediante paletas rotatorias, tal como se muestra en la Figura obteniéndose de esta manera altas velocidades de transmisión de calor. La configuración cilindrica del sistema produce menores áreas de transmisión de calor por unidad de volumen de producto, siendo necesario utilizar vapor a alta presión como medio de calefacción con el fin de conseguir elevadas temperaturas en la pared y, por tanto, velocidades de evaporación razonables. La mayor desventaja de este sistema son los elevados costes de fabricación y mantenimiento, así como la baja capacidad de procesamiento.

22 Evaporador de Placas Los evaporadores de placas. Los evaporadores de placas utilizan los principios de los evaporadores de película ascendente/descendente, película descendente, película agitada y de circulación forzada. La configuración en placas les proporciona ciertas características que las hacen más aceptables que la configuración tubular. En este sentido, un evaporador de placas de película ascendente/descendente es más compacto, necesitando menos superficie que la unidad tubular, a la vez que puede inspeccionarse más fácilmente su superficie de transmisión de calor. No es difícil encontrar un evaporador de placas de película descendente con una capacidad de 25.000 a 30.000 kg de agua por hora.

23 Factores que influencian la velocidad transferencia de calor (Q) en un evaporador Q = U A  T Se desea que Q sea grande, pero A sea pequeña,  los valores de U y  T deben ser grandes Factores que afectan el valor de U: dede a) b) Película Superficial Depósito de residuos o “costras” en superficie de intercambio de calor lala Factores que afectan el valor de  T: a) b) Temperatura del vapor de calentamiento Temperatura de ebullición del producto

24 EVAPORACIÓN DEUNSOLO EFECTO

25 ESQUEMA DE UN EVAPORADOR

26 m = flujo másico (kg/h) En la evaporación hay transferencia de masa y de calor. Balance Global del masa:................. Ecuación 1 Balance de sólidos: 0 mf Xf = mp Xp + mv Xv ........... Ecuación 2 mf Xf = mp Xp mf = mp + mv

27 Balance de calor: a) calor que se requiere administrar al producto para que pueda evaporarse (calor sensible hasta la temp. de ebullición + calor latente de evaporación) Q = mf Cp (Tb – Tf) + mv v ………… Ecuación 3 b)calor que debe ser suminstrado por la fuente de calentamiento calentamiento) (vaporde Q = ms s.............. Ecuación 4 c)la velocidad de transferencia de caloren el evaporador es: Q = U A  T = U A (Ts – Tb)..........................Ecuación 5 Donde: Q = velocidad de transferencia de calor (kcal/h) s = calor latente de condensación del vapor a Ts (kcal/kg) v = calor latente de vaporización del agua a Tb (kcal/kg) Cp = calor específico del producto alimentado (kcal/kg °C) U = coeficiente global del transferencia de calor (kcal/h m 2 °C) A = área de transferencia de calor ( m 2 ) Tf = Temperatura del producto alimentado (°C ) Tb = Temperatura de ebullición del producto (depende de Psist.) (°C ) Ts = Temperatura vapor de calentamiento (depende de Ps) (°C ) m = flujo másico (kg/h) Subíndices: f = alimentación p = prod. concentrado v = vapor del producto s = vapor calentamiento

28 EFICIENCIADELA EVAPORACIÓN Se requiere un valor determinado de Q (kcal/h), para evaporar una masa dada de producto, y alcanzar la concentración deseada.concentración deseada. (Q = mfCp (Tb – Tf) + mv v) Esa Q debe obtenerse en el evaporador: Q = A U TT Cuando se logra obtener altos valores de Q con pequeñas áreas de evaporación, entonces puede decirse que la evaporación es eficiente.

29 ECONOMÍADELA EVAPORACIÓN

30 La evaporación es el más económico. método de eliminación de agua El costo de una operación de evaporación depende directamente de la masa de vapor de calentamiento utilizada para evaporar una masa dada de producto y se cuantifica como “Economía de Vapor del Sistema” ECONOMÍA DE VAPOR DEL SISTEMA Economía de vapor = ms (kg vapor / kg agua evaporada) del sistema mv

31 Ejercicio Se concentra zumo de naranja en un evaporador de simple efecto con circulación natural. En estado estacionario, el zumo diluido se alimenta a una velocidad de 0,56 kg/s, concentrándose desde un 18% de contenido en sólidos totales hasta alcanzar una concentración del 65%. Los calores específicos del zumo de naranja diluido y concentrado son 3,9 y 2,3 kJ/(kg °C), respectivamente. La presión del vapor es 313 kPa, y la temperatura de entrada de la alimentación de 45°C. El producto hierve dentro del evaporador a 65°C, siendo el coeficiente global de transmisión de calor 945 W /(m 2 °C). Suponiendo despreciable el aumento en el punto de ebullición, calcular el caudal másico del producto concentrado, el vapor requerido, la economía del vapor y el área de transmisión de calor.

32 EVAPORADOR DE MÚLTIPLE EFECTO

33 Esquema de un evaporador de triple efecto.

34 En un evaporador de triple efecto, la alimentación de líquido diluido se bombea dentro de la cámara del evaporador del primer efecto. El vapor entra al cambiador de calor y condensa, cediendo su calor al producto. El condensado se descarga y los vapores producidos en el primer efecto se utilizan como medio de calefacción en el segundo efecto, donde la alimentación es el producto parcialmente concentrado obtenido en el primer efecto. Los vapores producidos en el segundo efecto se utilizan en el tercer efecto como medio de calefacción, y el producto final, con la concentración deseada, se bombea fuera de la cámara del evaporador del tercer efecto. Los vapores producidos en el tercer efecto se envían a un condensador con un sistema de vacío. En los sistemas de alimentación directa mostrados, el producto parcialmente concentrado en el primer efecto se alimenta al segundo efecto. Después de la siguiente concentración, el producto deja el segundo efecto y se introduce en el tercero. Finalmente, el producto con la concentración deseada sale del tercer efecto.

35 Las expresiones para el diseño de un evaporador de múltiple efecto se obtienen de manera similar a las obtenidas para un evaporador de simple efecto Realizando balances de entalpia para cada efecto por separado. donde los subíndices 1, 2 y 3 se refieren al primero, segundo y tercer efecto, respectivamente. El resto de los símbolos han sido definidos anteriormente para un evaporador de simple efecto.

36 La transmisión de calor a través de los cambiadores de calor de los diferentes efectos puede expresarse mediante las siguientes relaciones:

37 La economía de vapor para un evaporador de triple efecto, como el mostrado en la figura viene dada por:

38 METODOS DE CALCULO PARA EVAPORADORES DE EFECTO MULTIPLE En la evaporación de soluciones en un evaporador de efecto simple, uno de los costos más importantes es el del vapor de agua utilizado para evaporar el agua. Un evaporador de efecto simple desperdicia bastante vapor de agua, pues no se utiliza el calor latente del vapor que sale del evaporador. Sin embargo, este costo puede reducirse en evaporadores de efecto múltiple que recuperan el calor latente del vapor que se desprende y lo vuelven a utilizar.

39 DIAGRAMA SIMPLIFICADO DE UN EVAPORADOR DE TRIPLE EFECTO CON ALIMENTACION HACIA DELANTE

40 DIAGRAMA SIMPLIFICADO DE UN EVAPORADOR DE TRIPLE EFECTO CON ALIMENTACION EN RETROCESO

41 Caídas de temperatura y capacidad de los evaporadores de efecto múltiple 1. Caídas de temperatura en los evaporadores de efecto múltiple. La cantidad de calor transferido por hora en el primer efecto de un evaporador de efecto triple con alimentación hacia adelante, tal como se muestra en la figura anterior, se expresa como: donde ∆T, es la diferencia entre el vapor de agua que se condensa y el punto de ebullición del líquido, Ts –T 1. Suponiendo que las soluciones no tienen elevación del punto de ebullición ni calor de disolución y despreciando el calor sensible necesario para calentar la alimentación hasta el punto de ebullición, puede decirse de manera aproximada, que todo el calor latente del vapor de agua que se condensa aparece como calor latente en el vapor que se produce. Entonces, este vapor se condensa en el segundo efecto, cediendo aproximadamente la misma cantidad de calor.

42 Este razonamiento es aplicable a q 3. Entonces, como q 1 = q 2 = q 3, se obtiene la siguiente expresión aproximada: U 1 A 1 ∆T 1 = U 2 A2∆T 2 = U 3 A 3 ∆T 3 En general, los equipos comerciales se construyen con áreas iguales en todos los efectos, y

43 RESUMEN Aspectos importantes de la evaporación de alimentos: 1) Calidad del producto evaporado - mínimo daño térmico - recuperación de aromas evaporaciónalvacío 2)Eficiencia de la Evaporación: - alta velocidad de evaporación QU y A con 3)Economía del proceso - bajo gasto de vapor de calentamiento ms mv