Conceptos básicos de liofilización por sistema de eyectores

Actualizado: 8 de may de 2019

Para conocer y entender el paso a paso de esta tecnología milenaria, mejorada y dominada en la actualidad para un nuevo concepto de alimentación.


Por Ing. Agr. Miriam Echave




1. Definición

La liofilización, llamada en inglés freeze-drying (secado congelado) es el proceso por el cual el agua es eliminada de un producto directamente del estado sólido (hielo) al estado vapor.


Estas transformaciones entre el estado sólido y el vapor reciben el nombre de sublimación, y son producidas a bajas temperaturas y presiones.

Si el secado es el método más antiguo de preservación de alimentos, el “secado congelado” es el mejor y más moderno método de hacerlo, actualmente utilizado para producir la comida de los astronautas, entre otras muchas aplicaciones.


2. Antecedentes

Los primeros antecedentes conocidos de la preservación de alimentos mediante la liofilización provienen de la cultura inca, en el altiplano andino.


En esas extremadamente secas planicies de Sudamérica, a 4000 m sobre el nivel del mar, los nativos acostumbraban a depositar las papas en el suelo: durante la noche las papas se congelaban por la baja temperatura ambiente y durante el día el sol y el viento seco producían la sublimación del agua. El producto, aún realizado de la misma manera en nuestros días, se llama Chuño.


3. La tecnología Industrial

La tecnología industrial de la liofilización fue desarrollada durante la segunda guerra mundial para preservar el plasma humano sin requisitos de cadena de frío y, a partir de ese momento, alcanzó amplias aplicaciones en la industria farmacéutica, siendo posteriormente utilizada en la liofilización alimentaria.


Consiste de una cámara en la que el producto congelado se somete a niveles de vacío del orden de 1 torr, dando origen a la sublimación del agua. La temperatura del producto disminuye espontáneamente a menos que se le suministre el calor latente de sublimación (alrededor de 550kcal/Kg.). Esto se realiza por medio de la radiación infrarroja proveniente de placas calefactoras ubicadas cercanas al producto.


El vacío se efectúa por medio de bombas mecánicas, pero, como el vapor se encuentra muy expandido a las bajas presiones utilizadas en la liofilización, entre el producto y la bomba de vacío se interpone una trampa de vapor consistente en una pared fría sobre la cual se produce la solidificación del vapor sublimado (éste condensador recibe el nombre de desublimador).


3.1 Diagrama de fases

Para una mejor comprensión de la liofilización es conveniente considerar el diagrama de fases correspondiente a: el estado sólido S, al estado líquido L y al estado vapor V. Solo existe un punto donde las tres fases pueden coexistir, el punto triple T, a 0ºC y 4,6 Torr (4.6mm Hg). Por debajo de ese punto, el estado líquido no existe, y las transformaciones entre la fase sólida y la de vapor se denominan sublimación.


Si se trata de soluciones de sal en agua, el diagrama de fases se desplaza a la izquierda y el punto triple se obtiene debajo de 0º C. Esta diferencia se denomina descenso crioscópico y es proporcional a la concentración de sal.


En el caso de soluciones reales, las cosas son más complejas, existiendo a veces más de una fase sólida, y el diagrama se torna muy especializado y difícil de entender a primera vista.


En el caso de los productos biológicos, la complejidad es aún mayor y el agua se encuentra en diversas situaciones: puede estar libre (como pequeñas gotas en la superficie); intersticial (entre distintas partes de la estructura); intercelular (entre células en cada parte de la estructura); intracelular (dentro de la célula): absorbida en las pequeñas superficies de las fibras o siendo parte de las estructuras cristalográficas.


El agua absorbida y la cristalográfica no es considerada en estado líquido y no interviene en el proceso de liofilización.


Para preservar la funcionalidad biológica, la estructura celular debe permanecer sin alteraciones durante el proceso, lo que implica asegurarse que el agua eliminada de todas las situaciones estaba congelada y no en estado líquido. Para asegurar esto, se requieren temperaturas del orden de los -100 º C lo que implica presiones del orden de 10-3 torr para producir la sublimación. Este es el caso de algunos productos farmacéuticos.


3.2 Liofilización alimentaria

En la década del ’60 la liofilización comenzó a aplicarse a algunos productos alimenticios, y resultó ser la mejor manera de conservar alimentos. En la revista Scientific American, se relatan experiencias realizadas en la década del ´90 sobre guisos de carne liofilizados conservados a temperatura ambiente durante 25 años y que presentaron buen sabor textura y valores nutricionales.


Pero el costo del proceso de liofilización, si bien no es restrictivo para la industria farmacéutica, sí lo fue para los alimentos y la comida liofilizada fue reservada para usos especializados, como para los astronautas, las fuerzas armadas, actividades al aire libre, etc.


Sólo el café soluble fue un alimento liofilizado de difusión masiva. En los últimos años, sopas instantáneas, langostinos y otros alimentos liofilizados de alto valor están arribando exitosamente a los mercados


El caso de los alimentos, no es necesario preservar toda su funcionalidad biológica como en los fármacos. Sólo es necesario mantener el sabor, el aroma, textura y valor nutricional. Para este propósito, temperaturas del orden de los -15 º C son suficientemente bajas, y presiones de 1 torr son suficientes.


La estructura de un producto congelado no tiene movilidad y, mientras el agua sublima, no puede haber contracción y se forman agujeros microscópicos. El resultado es una estructura de tipo esponja.


A medida que el calor se transmite desde las placas calefactores, la esponja se forma en la parte externa del producto, dejando un núcleo congelado. El espesor de la esponja aumenta a medida que el proceso avanza, aumentando el aislamiento térmico del núcleo helado, y la velocidad de sublimación cae abruptamente.


3.2.1Tiempo de proceso y velocidad de liofilización.

Luego del retardo inicial, el proceso de liofilización sigue aproximadamente una ley de primer orden tal como: Me = 0 para ≥ T

Me = Mw (1-e –k(t-T) para t ≥ T

Donde:

Me es la masa de agua sublimada.

Mw es la masa inicial de agua.

k constante de velocidad del proceso.

T es el retardo del proceso (tiempo necesario para generar el vacío).

t es el tiempo de proceso = retardo + tiempo de liofilización.

La velocidad de sublimación es la masa sublimada por una unidad de tiempo = dm e/dt


Esta cambia durante el proceso, desde un valor máximo para t=T, disminuyen asintóticamente a cero para t-----co.


El tiempo de retardo T es siempre el mismo para una planta dada, pero la velocidad k depende de muchas variables tales como:

- Características del diseño (emisividad eh de las placas calefactores, factores geométricos)

- Características del producto (emisividad e y conductividad del producto)

- Características de la carga (densidad superficial y porosidad)

- Características del proceso (presión de vacío y temperatura de las placas)

Para una dada planta y producto, es siempre posible cambiar la carga y las características del proceso para optimizar la producción.


Como el tiempo de liofilización es aproximadamente proporcional al cuadrado del espesor del producto, es conveniente reducir ese valor a un óptimo. En ese punto, la suma de los retardos producidos por la carga, la descarga y el tiempo de retardo son importantes en relación con los tiempos de liofilización.


La variable más significativa del proceso es la temperatura de las placas calefactores, por lo que es conveniente establecer la mayor temperatura compatible con la calidad del producto deseada.


Como el núcleo congelado del producto disminuye a medida que el proceso avanza, el espesor aislante alrededor del mismo crece y la temperatura superficial se aproxima a la de las placas calefactores. Por lo tanto, a medida que el proceso se va desarrollando, es necesario reducir la temperatura de las placas calefactores para evitar excesiva temperatura superficial del producto.


La temperatura de las placas es la variable clave para alcanzar la mayor productividad con la mejor calidad del producto.


3.3 La tecnología de BIOFOODS

En este caso se ha implementado una nueva estrategia para la liofilización, desarrollando una nueva tecnología, basada en la preservación de las propiedades nutricionales y organolépticas de los alimentos cocinados por las prácticas culinarias habituales más que a preservar la estructura biológica del alimento crudo.

Como no es necesario preservar la funcionalidad biológica, no es necesario liofilizar a tan baja temperatura. Nuestra experiencia muestra que -20º C es suficiente para la mayoría de las prácticas culinarias, y, por lo tanto, el vacío a desarrollar no es tan alto (0,7 Torr). La mayoría de los liofilizadores industriales de alimentos trabajan alrededor de 1 torr.


Pero si la presión de trabajo es del orden de 1 torr, entonces no es necesario usar bombas mecánicas para evacuar la cámara de liofilización. Una cascada de cuatro o cinco etapas de eyectores es suficiente, económicamente conveniente, fácil de operar y de bajo costo de mantenimiento.


La clave es la concepción, ingeniería básica y de detalle, construcción, montaje y puesta en operación de la primera planta de liofilización de la Argentina en Gaiman, Chubut.

Esa tecnología, implementada en nuestra planta en Gaiman resuelve el problema del alto costo de la tecnología convencional eliminando los tres factores mencionados anteriormente:

- El vapor proveniente del producto que está siendo liofilizado es aspirado directamente por los eyectores de vapor. En su consecuencia, no se requiere condensador de pared fría ni su correspondiente sistema de refrigerado.

- No se requiere energía adicional para desublimar el vapor en el condensador y fundir posteriormente el hielo para dejar listo el condensador para el próximo ciclo.

- Como todo sistema está basado en la dinámica de fluidos, no hay partes móviles y el costo de mantenimiento es menor.


El diseño casi minimalista de la planta se completa con un exhaustivo sistema de control manual local. Una vez que se optimiza el proceso para cada tipo de producto, todas las variables son almacenadas en los registros manuales de proceso.


El proceso de liofilización permite que el alimento sobre el que se aplica mantenga sus propiedades originales, tratándose entonces de un verdadero proceso de conservación de los mismos, dado que preserva las condiciones originales en cuanto a sabor, aroma y propiedades nutricionales. El producto final resulta una verdadera esponja de muy rápida hidratación y ha mantenido sus condiciones en función de haber sido deshidratado a partir del estado congelado como se explicó anteriormente.




Basic concepts of freeze drying by ejector system


To know and understand the step by step of this ancient technology, improved and dominated today for a new concept of food.


By Ing. Agr. Miriam Echave


1. Definition

Freeze drying, called freeze drying, is the process by which water is removed from a product directly from the solid state (ice) to the vapor state.


These transformations between the solid state and the vapor are called sublimation, and are produced at low temperatures and pressures.

If drying is the oldest method of food preservation, "frozen drying" is the best and most modern method of doing so, currently used to produce food for astronauts, among many other applications.


2. Background

The first known antecedents of food preservation through freeze drying come from the Inca culture, in the Andean highlands.


In these extremely dry plains of South America, at 4000 m above sea level, the natives used to deposit the potatoes on the ground: during the night the potatoes were frozen because of the low ambient temperature and during the day the sun and the dry wind they produced the sublimation of water. The product, still made in the same way in our days, is called Chuño.


3. Industrial technology

The industrial technology of freeze drying was developed during World War II to preserve human plasma without cold chain requirements and, from that moment, it reached wide applications in the pharmaceutical industry, being later used in food freeze drying.


It consists of a chamber in which the frozen product is subjected to vacuum levels of the order of 1 torr, giving rise to the sublimation of water. The temperature of the product decreases spontaneously unless it is supplied with the latent heat of sublimation (around 550kcal / Kg.). This is done by means of infrared radiation coming from heating plates located close to the product.


The vacuum is made by means of mechanical pumps, but, since the steam is very expanded at the low pressures used in freeze-drying, a steam trap consisting of a cold wall is placed between the product and the vacuum pump. the solidification of the sublimated steam takes place (this condenser receives the name of desublimador).


3.1 Phase diagram

For a better understanding of freeze drying it is convenient to consider the phase diagram corresponding to: the solid state S, the liquid state L and the vapor state V. There is only one point where the three phases can coexist, the triple point T, at 0ºC and 4.6 Torr (4.6mm Hg). Below that point, the liquid state does not exist, and the transformations between the solid phase and the vapor phase are called sublimation.


In the case of salt solutions in water, the phase diagram moves to the left and the triple point is obtained below 0º C. This difference is called cryoscopic drop and is proportional to the salt concentration.


In the case of real solutions, things are more complex, sometimes there is more than one solid phase, and the diagram becomes very specialized and difficult to understand at first glance.


In the case of biological products, the complexity is even greater and the water is in various situations: it can be free (like small drops on the surface); interstitial (between different parts of the structure); intercellular (between cells in each part of the structure); intracellular (inside the cell): absorbed in the small surfaces of the fibers or being part of the crystallographic structures.


The water absorbed and the crystallographic is not considered in the liquid state and does not intervene in the freeze drying process.


To preserve the biological functionality, the cellular structure must remain unchanged during the process, which implies making sure that the water eliminated from all situations was frozen and not in liquid state. To ensure this, temperatures of the order of -100 º C are required, which implies pressures of the order of 10-3 torr to produce sublimation. This is the case of some pharmaceutical products.


3.2 Food freeze drying

In the 1960s, freeze drying began to be applied to some food products, and it turned out to be the best way to preserve food. In the Scientific American magazine, experiences are reported in the 90s about freeze dryed meat stews preserved at room temperature for 25 years and that presented good texture flavor and nutritional values.


But the cost of the freeze drying process, while not restrictive for the pharmaceutical industry, was for the food and freeze-dried food was reserved for specialized uses, such as astronauts, armed forces, outdoor activities, etc.


Only the soluble coffee was a freeze dryed food of massive diffusion. In recent years, instant soups, prawns and other freeze dryed high-value foods are successfully coming to markets


The case of food, it is not necessary to preserve all its biological functionality as in drugs. It is only necessary to maintain the flavor, aroma, texture and nutritional value. For this purpose, temperatures of the order of -15 º C are sufficiently low, and pressures of 1 torr are sufficient.


The structure of a frozen product has no mobility and, while the water sublimes, there can be no contraction and microscopic holes are formed. The result is a sponge type structure.


As the heat is transmitted from the heating plates, the sponge forms on the outside of the product, leaving a frozen core. The thickness of the sponge increases as the process progresses, increasing the thermal insulation of the frozen core, and the speed of sublimation drops abruptly.


3.2.1 Process time and freeze drying speed.

After the initial delay, the freeze drying process follows approximately a first-order law such as: Me = 0 for ≥ T

Me = Mw (1-e -k (t-T) for t ≥ T

Where:

Me is the mass of sublimated water.

Mw is the initial mass of water.

k constant speed of the process.

T is the process delay (time necessary to generate the vacuum).

t is the process time = delay + freeze drying time.

The sublimation velocity is the mass sublimated by a unit of time = dm e / dt


This changes during the process, from a maximum value for t = T, decreases asymptotically to zero for t ----- co.


The delay time T is always the same for a given plant, but the speed k depends on many variables such as:

- Characteristics of the design (eh emissivity of the heating plates, geometric factors)

- Characteristics of the product (emissivity e and conductivity of the product)

- Characteristics of the load (surface density and porosity)

- Process characteristics (vacuum pressure and temperature of the plates)

For a given plant and product, it is always possible to change the load and the characteristics of the process to optimize production.


Since the freeze drying time is approximately proportional to the square of the thickness of the product, it is convenient to reduce that value to an optimum. At that point, the sum of the delays produced by the load, the discharge and the delay time are important in relation to the freeze drying times.


The most significant variable of the process is the temperature of the heating plates, so it is convenient to establish the highest temperature compatible with the quality of the desired product.


As the frozen core of the product decreases as the process progresses, the insulating thickness around it grows and the surface temperature approaches that of the heating plates. Therefore, as the process develops, it is necessary to reduce the temperature of the heating plates to avoid excessive surface temperature of the product.


The temperature of the plates is the key variable to achieve the highest productivity with the best quality of the product.


3.3 The BIOFOODS technology

In this case, a new strategy for freeze drying has been implemented, developing a new technology, based on the preservation of the nutritional and organoleptic properties of foods cooked by habitual culinary practices rather than preserving the biological structure of raw food.

As it is not necessary to preserve the biological functionality, it is not necessary to freeze dry at such a low temperature. Our experience shows that -20º C is sufficient for most culinary practices, and, therefore, the vacuum to be developed is not so high (0.7 Torr). Most industrial food freeze dryers work around 1 torr.


But if the working pressure is of the order of 1 torr, then it is not necessary to use mechanical pumps to evacuate the freeze drying chamber. A cascade of four or five stages of ejectors is sufficient, economically convenient, easy to operate and low maintenance cost.


The key is conception, basic engineering

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BIOFOODS ARGENTINA S.A.

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