FACULTAD DE INGENIERA EN INDUSTRIAS ALIMENTARIAS

Catedrtico: Ing. Msc. Luz Buenda Sotelo Ctedra: ingeniera De Alimentos III

Alumnos: Bernab Meza Yesica

Cancho Mallma Fanny

Canchihuaman Quijada Cesar

Corilla Flores Denis

Sifuentes Cateo Gustavo

Paitan de la Cruz Marco

Semestre: V III

I.INTRODUCCINLa liofilizacin es un proceso de conservacin mediante sublimacin utilizado con el fin de reducir las prdidas de los compuestos voltiles o termo-sensibles. Es una operacin unitaria que permite que los alimentos pasen de un estado natural a un estado deshidratado donde el fundamento de este tipo de equipo permite la evaporacin del agua.Esta operacin unitaria utiliza varias operaciones previas, antes de ser sometidas a la liofilizacin, dado que la liofilizacin es una operacin de cambios de estado de materia, estos cambios de estado son convertir a la materia en el estado slido y realizar la evaporacin del agua, sin pasar por el estado lquido (fenmeno de la sublimacin), este fenmeno hace que la materia en el estado slido sea agua libre.El agua ligada est en estado slido y por efecto de la temperatura y la presin de vaco se produce la sublimacin. Haciendo que el agua se evapore del alimento, esta evaporacin hace que el alimento no sufra cambios significativos en su composicin qumica porque lo nico que se ha eliminado es el agua, por ello esta tcnica se secado desde el punto de vista de la tecnologa de los alimentos y la ingeniera de los alimentos es considerado como una de las operaciones unitarias ms eficientes porque permite secar los alimentos sin que el alimento nativo pierda sus composiciones como son las vitaminas, aminocidos, protenas, carbohidratos, antioxidantes, minerales,etc.Por lo tanto esta tcnica se secado permite conservar los alimentos desde el punto de vista natural. El objetivo del mtodo es alargar la vida til del producto, eliminando el contenido de agua. Para esto se desarrollan diferentes tcnicas y otras ya existentes continan evolucionando a fin de aumentar el rendimiento, bajar costos, lograr mejoras en determinados parmetros de calidad de los alimentos (textura, sabor, color), entre otras cosas.II.REVISIN BIBLIOGRAFICA2.1 CONCEPTO DE LIOFILIZACION La liofilizacin es un proceso en el que se congela el producto y posteriormente se introduce en una cmara de vaco para realizar la separacin del agua por sublimacin. De esta manera se elimina el agua desde el estado slido al gaseoso del ambiente sin pasar por el estado lquido. Para acelerar el proceso se utilizan ciclos de congelacin-sublimacin con los que se consigue eliminar prcticamente la totalidad del agua libre contenida en el producto original pero preservando la estructura molecular de la sustancia liofilizada. Es utilizado principalmente en la industria alimentaria para conseervacion de los alimentos, de este resulta productos de una mayor calidad ya que al no emplear calor, evita en gra medida las perdidas nutricionales y organolepticas.

PERERA y YANOVSKY (1996), menciona que la liofilizacin se basa en el desecado de determinados materiales por medio de la sublimacin del agua contenida en stos. Se realiza congelando el producto y se remueve el hielo aplicando calor en condiciones de vaco, de esta forma el hielo sublima evitando el paso por la fase lquida. Dicha tcnica constituye un efectivo sistema de preservacin de elementos biolgicos como clulas, enzimas, vacunas, virus, levaduras, sueros, algas, frutas, vegetales y alimentos en general. Todos estos materiales contienen sustancias voltiles o termosensibles que no se ven afectadas por este proceso, ya que se trabaja a temperaturas y presiones reducidas. Lo ms importante del mtodo es que no altera la estructura fisicoqumica del producto y admite su conservacin sin cadena de fro, ya que su bajo porcentaje de humedad permite obtener un producto con elevada estabilidad microbiolgica. Asimismo, el hecho de no requerir refrigeracin facilita su distribucin y almacenamiento.MinAgri-Alimentos argentinos , afirman que una sustancia pura puede existir como slido, lquido o gas y puede cambiar de estado por medio de un proceso en el cual libera o absorbe calor a temperatura constante (calor latente), de esto depende hacia donde se direcciona dicho cambio. El cambio de fase de slido a gas o sublimacin, debe realizarse en condiciones de presin y temperatura menores a las del punto triple (punto en el que conviven los tres estados de la materia), ya que por debajo de ste no existe la fase lquida. En el caso del agua el punto triple se encuentra a 4,58 Torr y 0,008 C. Por ejemplo si se tiene agua congelada, al calentarla a una presin menor a la de dicho punto el hielo sublima.

Figura n1: Diagramas de cambio de fase

Fuente : Alimentos Argentinos MinAgriFLESIA, indica que, las sustancias moleculares disueltas en el agua disminuyen su punto de fusin (descenso crioscpico), por esto es conveniente describir el enfriamiento y posterior congelacin de una solucin de este tipo en varias etapas. Al bajar la temperatura de una solucin, inicialmente se produce un subenfriamiento que origina los ncleos de cristalizacin, luego la temperatura aumenta hasta la de equilibrio. A partir de ese momento comienzan a desprenderse los cristales de hielo puro, por lo que la solucin se concentra hasta alcanzar la menor temperatura a la cual puede existir solucin en equilibrio con hielo, denominada temperatura eutctica. Por debajo de esta temperatura debera existir, idealmente, equilibrio entre hielo y soluto. Sin embargo las soluciones que contienen polmeros naturales como azcares no cristalizan en este punto, sino que aumentan su viscosidad a medida que disminuye la temperatura y el agua se congela. Esta etapa finaliza cuando el sistema alcanza su temperatura de transicin vtrea, donde su viscosidad aumenta significativamente en un pequeo rango de temperatura dando lugar a un slido amorfo y frgil. Con relacin a la conservacin de alimentos, es importante destacar que el flujo viscoso dentro de este slido es prcticamente nulo, casi no existe flujo de materia, lo que evita que ocurran reacciones qumicas. Cabe aclarar que no toda el agua que compone un alimento est disponible para que los microorganismos puedan llevar a cabo sus actividades metablicas, solo el agua libre cumple dicho propsito. El contenido de agua libre en un alimento se define como aw (actividad de agua). Al deshidratar un producto su disponibilidad de agua (libre) disminuye drsticamente. Para eliminar entonces la mayor parte del agua libre contenida en el slido obtenido, se le debe entregar calor a fin de lograr la sublimacin total del hielo, cuidando que la temperatura del producto se mantenga siempre por debajo de su temperatura de transicin vtrea. Al final de este cambio de fase se obtiene un producto que conserva el volumen y tamao original, presentado la forma de un vidrio altamente poroso.

Figura n2: Estructura de un producto en proceso de liofilizacin.Fuente: FLESIA, Miguel ngel. Universidad Tcnica Nacional. Facultad Regional Santa F. Ingeniera Industrial. Procesos Industriales La conservacin de sustancias perecederas por medio de la liofilizacin.La ventaja de esta estructura es que permite una rpida rehidratacin, no obstante es frgil por lo que requiere de una proteccin que prevenga los posibles daos ocasionados por una inadecuada manipulacin. Asimismo, debido a la porosidad de dicha estructura es necesario realizar el empaque del producto de forma tal que se evite la penetracin de oxgeno, a fin de impedir procesos oxidativos sobre los lpidos.2.2 ETAPAS DE LIOFILIZACION

La liofilizacin involucra varias etapas (Fig.3):

Congelacin (y acondicionamiento en algunos casos) a bajas temperaturas.

Secado por sublimacin del hielo (o del solvente congelado) del producto congelado, generalmente a muy baja presin (Fig.4), generalmente se estudia en dos etapas, a saber: atapa primaria de secado y secundaria de secado. Almacenamiento del producto seco en condiciones controladas.

En la liofilizacin el material original est construido por un ncleo central de material congelado. A medida que el hielo se sublima, el plano de sublimacin, que se inicia en la superficie exterior, penetra al interior dejando atrs una corteza porosa de material ya seco.

Figura n3 :Pasos del proceso de liofilizacion

Figura n4: Diagrama de fases del agua y sistemas de secadoEn el secado mediante la liofilizacion se distinguen tres fases o etepas que se esmatizan en la figura 5. Cuando en el proceso de liofilizacion el calentamiento empieza a formarse un frente de sublimacion o interfase entre la capa seca y la capa congelada de la muestra el cual avanza progresivamente, y para un determinado instante, a una temperatura de interfase le corresponde una determinada presion de saturacion. La trasferencia de masa ocurre por la migracion de vapores a traves de la capa seca de la muestra bajo accion de una diferencia de presion, esta transferencia es alta cuando la diferencia de presion es grande generalmente, al liofilizar adecuadamente un material se puede almacenar por periodos muy largos con reducciones muy bajas de sus caracteristicas organolepticas, fisicas, quimicas y bilogicas.2.2.1 Congelacin Indica que cad producto debe congelarse de una manera tal que garantice que sufrira pocas alteraciones en el proceso posterior de sublimacion. Se debe conocer con precision:

La temperatura en la que ocurre la maxima solidificacion.

La velocidad optima de enfriamiento.

La temperatura minima de fusion incipiente.

Se busca que el producto ya congelado tenga una estructura solioda sin intersticios en los que haya liquido concentrado para propiciar que todo el secado ocurra por sublimacion. En los alimentos se pueden obtener distintas mezclas de estructuras luego de la congelacion que incluyen cristales de hielo, eutecticos, mezclas de eutecticos y zonas vitreas amorfas. Estas ultimas son propiciadas por la presencia de azucares, alcoholes, cetonas, aldehidos y acidos, asi mismo como por las altas concentraciones de solidos en el producto inicial. Debido a que el agua en ese estado vittreo esta aun en forma liquida, la presion de vapor del agua en el vidrio, segn la Ley de Raoult, tendera a ser menor que la del hielo a la misma temperatura. Como resultado de la baja velocidad de evaporacion del agua, el sistema vitreo puede fundirse cuando la temperatura aumenta, es decir, la movilidad del agua sera mayor que cero, sin implicar ninguna cantidad significativa de calor de fusion.2.2.1.1 Porosidad del Producto

La difusion de vapor aumenta con la porosidad, razon por la cual la lenta velocidad de congelacion del producto provoca rapida velocidad de secado ya que los cristales formados son voluminosos y se transforman en poros despues de la sublimacion. Los cristales formados durante la congelacion son mas pequeos en cuanto mayor es el extracto seco inicial. Por lo tanto, la velocidad de liofilizacion disminuye cuando aumenta el extracto seco del producto.2.2.2 Secado Primario por Sublimacion del HieloEl proceso de secado como tal puede ocurrir o no a bajas presiones pero en tales condiciones es mucho ms eficiente el proceso difusivo. El paso de hielo a vapor requiere gran cantidad de energa que suministra en alto vaco pues la interfase de secado se mueve hacia el interior de la muestra y el calor tiene que atravesar capas congeladas (sistemas liofilizados en bandeja, sin granular) o secas (en granulos), generndose un considerable riesgo de fusin del material intersticial o quemar la superficie del producto que ya est seco.

Figura n5: Etapas del proceso de liofilizacin2.2.2 Secado Secundario

La humedad remanente en el producto despues del proceso de secado primario se absorve poe el material o se adsorbe por la superficie del mismo.

Manteniene mejor la estructura y el aspecot original del alimento. La baja temperatura de trabajo inpide la alteracion de productos termolabiles.

Al sublimarse el hielo quedan poros que permiten una reconstitucion rapida.

Inhibe el deterioro del color y sabor por reacciones quimicas y las perdidas de propiedaes fisiologicas. La humedad residual es baja.

El tiempo de conservacion es largo.

La retencion de los aromas es muy alta.2.3 PROCESO DE LIOFILIZACINLa liofilizacin involucra cuatro etapas principales: 1. PREPARACIN

2. CONGELACIN

3. DESECACIN PRIMARIA

4. DESECACIN SECUNDARIA Antes de comenzar el proceso, es fundamental el acondicionamiento de la materia prima, ya que los productos liofilizados no pueden ser manipulados una vez completado el proceso. Lo que suele hacerse con alimentos como guisantes o arndanos es agujerear la piel con el objetivo de aumentar su permeabilidad. Los lquidos, por otro lado, se concentran previamente con el fin de bajar el contenido de agua, lo que acelera el proceso de liofilizacin. La segunda etapa se lleva a cabo en congeladores independientes (separados del equipo liofilizador) o en el mismo equipo. El objetivo es congelar el agua libre del producto. Para ello se trabaja a temperaturas entre -20 y -40C. Para la optimizacin de este proceso es fundamental conocer y controlar:

La temperatura en la que ocurre la mxima solidificacin.

La velocidad ptima de enfriamiento.

La temperatura mnima de fusin incipiente.

Con esto se busca que el producto congelado tenga una estructura slida, sin que haya lquido concentrado, de manera que el secado ocurra nicamente por sublimacin. En los alimentos se pueden obtener mezclas de estructuras luego de la congelacin, que incluyen cristales de hielo eutcticos, mezclas de eutcticos y zonas vtreas amorfas. Estas ltimas se forman por la presencia de azcares, alcoholes, cetonas, aldehdos y cidos, as mismo como por las altas concentraciones de slidos en el producto inicial. Respecto de la velocidad de congelacin se debe tener en cuenta lo siguiente:VELOCIDAD DE CONGELACIN

CONGELACIN RPIDA CONGELACIN LENTA

La temperatura de los alimentos desciende aproximadamente unos 20C en 30 minutos.

Cristales pequeos.

Al rehidratarse conservan textura y sabor original.

Apariencia clara del producto seco.

Se aplica en alimentos slidos, ya que evita la ruptura de la membrana o pared celular y estructuras internas.

La temperatura deseada se alcanza en 3 a 72 horas (aparatos domsticos de congelacin).

Cristales grandes. En su formacin causan ruptura de la membrana o pared celular y estructuras internas.

Al hidratarse presentan textura y sabor diferente al original.

Apariencia oscura del producto seco.

Se aplica en lquidos, ya que la formacin de cristales grandes favorece la presencia de canales para el movimiento del vapor de agua.

La tercera etapa del proceso consiste en la desecacin primaria del producto, por sublimacin del solvente congelado (agua en la mayora de los casos). Para este cambio de fase es necesario reducir la presin en el interior de la cmara, mediante una bomba de vaco, y aplicar calor al producto (calor de sublimacin, alrededor de 550 Kcal/Kg en el caso del agua), sin subir la temperatura. Esto ltimo se puede hacer mediante conduccin, radiacin o fuente de microondas. Los dos primeros se utilizan comercialmente combinndose su efecto al colocarse el producto en bandejas sobre placas calefactoras separadas una distancia bien definida. De esta manera se consigue calentar por conduccin, en contacto directo desde el fondo y por radiacin, desde la parte superior. Por otro lado la calefaccin por medio de microondas presenta dificultad porque puede provocar fusin parcial del producto, debido a la potencial formacin de puntos calientes en su interior; por lo cual actualmente no se aplica comercialmente. Los niveles de vaco y de calentamiento varan segn el producto a tratar. Al inicio de esta tercera etapa, el hielo sublima desde la superficie del producto y a medida que avanza el proceso, el nivel de sublimacin retrocede dentro de l, teniendo entonces que pasar el vapor por capas ya secas para salir del producto. Este vapor, se recoge en la superficie del condensador, el cual debe tener suficiente capacidad de enfriamiento para condensarlo todo, a una temperatura inferior a la del producto. Para mejorar el rendimiento de esta operacin, es primordial efectuar controles sobre la velocidad de secado y sobre la velocidad de calentamiento de las bandejas. El primero se debe a que si el secado es demasiado rpido, el producto seco fluir hacia el condensador junto con el producto seco. Producindose as una prdida por arrastre de producto. El segundo de los controles, debe realizarse siempre ya que si se calienta el producto velozmente, el mismo fundir y como consecuencia el producto perder calidad. Para evitarlo la temperatura de los productos debe estar siempre por debajo de la temperatura de las placas calefactoras mientras dure el cambio de fase. No obstante, al finalizar la desecacin primaria, la temperatura del alimento subir asintticamente hacia la temperatura de las placas. Para tener una liofilizacin buena y rpida es necesario poder controlar exactamente esta temperatura y tener la posibilidad de regular la presin total y parcial del sistema. La cuarta y ltima etapa del proceso de liofilizacin, se trata de la desecacin secundaria del producto por medio de desorcin. Esta consiste en evaporar el agua no congelable, o agua ligada, que se encuentra en los alimentos; logrando que el porcentaje de humedad final sea menor al 2%.Como en este punto no existe agua libre, la temperatura de las bandejas puede subir sin riesgo de que se produzca fusin. Sin embargo, en esta etapa la presin disminuye al mnimo, por lo que se realiza a la mxima capacidad de vaco que pueda alcanzar el equipo. Es importante, finalmente, controlar el contenido final de humedad del producto, de manera que se corresponda con el exigido para garantizar su estabilidad.Esquema general de un equipo de liofilizacin

DESCRIPCIN GENERAL

EQUIPOS FUNCIONES

CAMARA DE SECADO Provee al proceso de un ambiente limpio y estril.

Da las condiciones de presin y temperaturas exigidas para la congelacin y posterior secado del producto.

CONDENSADOR Recoge el vapor de agua producto de la sublimacin, y lo desublima.

SISTEMA DE VACIO Est conectado a la cmara del condensador.

Proporciona las condiciones de presin indicadas para las etapas de desacado primarias y secundarias.

INSTRUMENTACIN (medidor de temperatura de producto-estante, controlador de calefaccin de estante, medidor de vaco cmara-condensador) Son de vital importancia para el control del proceso, de manera que el resultado del mismo siempre sea el mejor posible.

Como se mencion antes, la gran desventaja de este proceso, es el elevado costo de los equipos. En el esquema presentado se pueden observar tres elementos que son los responsables de estos costos:

Condensador (desublimador) y sistema de refrigeracin.

Energa requerida para completar las etapas de sublimacin del agua en la cmara de secado, y desublimacin y fundicin en el condensador.

Mantenimiento de las bombas mecnicas del equipo de vaco. Tipos de equipos

El sistema de liofilizacin descripto, se corresponde con los equipos convencionales de Liofilizacin; los cuales son fabricados por muchas empresas proveedoras de esta tecnologa, tanto en Argentina como en el resto del mundo. Los mismos se consiguen en escalas tipo laboratorio, piloto o industrial. En la siguiente tabla se especifican las caractersticas de cada uno:LABORATORIO PILOTO INDUSTRIAL

Bomba de vaco 6 m3/h 18 35 m3/h

Capacidad del condensador 6 10 kg 15 - 30 kg 30 - 300kg

Temperatura del condensador - 50C - 50 a - 80C - 75C

Superficie * (por cantidad de estantes) 0,33 m2* (3) 0,48 1,8 m2* (3 a 5) 2 - 12 m2* (5 a 8)

RAMIREZ NAVAS, Juan Sebastin. 2006. Liofilizacin, Estado del Arte. Universidad del Valle Programa Doctoral en Ingeniera. Ingeniera de Alimentos. Cali Colombia

DIFERENCIAS ENTRE SECADO CONVENCIONAL Y LIOFILIZACIN

SECADO CONVENCIONAL LIOFILIZACIN

Recomendado para tener alimentos secos (verduras y granos). Recomendado para la mayora de los alimentos, pero se ha limitado a aquellos que son difciles de secar a travs de otros mtodos.

Es poco satisfactorio para carne. Recomendado para carnes crudas y cocidas.

Rango de temperatura 37 93C Temperaturas debajo del punto de congelacin.

Presiones atmosfricas Presiones reducidas (27-133 Pa)

Se evapora el agua de la superficie del alimento. Se sublima el agua del frente de congelacin.

Movimiento de solutos, lo que causa algunas veces endurecimiento. Movimiento mnimo de solutos.

Las tensiones en alimentos slidos causan dao estructural y encogimiento. Cambios estructurales o encogimientos mnimos.

Rehidratacin incompleta o retardada. Rehidratacin completa y rpida.

Olor y sabor frecuentemente anormal. Olor y sabor normalmente intensificado.

Color frecuentemente ms oscuro. Color normal.

Valor nutritivo reducido. Nutrientes retenidos en gran porcentaje.

Costos generalmente bajos. Costos generalmente altos, aproximadamente cuatro veces ms que el secado convencional.

2.3 APLICACIONES EN LA INDUSTRIA DE LOS ALIMENTOSSECTORES PRODUCTOS LIOFILIZADOS

Crnicos Carne bovina

Carne aviar: pechuga de pollo, pechuga de pavo, muslo de pollo.

Carne porcina: jamn, lomo.

Frutas Frutillas. Fresas, banana, anan, moras, frambuesa.

Vegetales Esprrago, choclo, zanahoria, brcoli, coliflor, apio, papa, hongos, aceituna, espinaca, ajes, arroz, arvejas, cebolla.

Quesos Queso Prato, Queso Mozzarella, Queso Provolone, Queso Blanco.

Otros Caf, sopas, zumos de frutas, levaduras, caldos, salsas, especias, championes

Por medio de la liofilizacin se puede extraer ms del 95% del agua contenida en un alimento, lo que se traduce en un gran beneficio con relacin al costo del transporte, ya que permite cargar mayor cantidad de mercadera sin necesidad de cadena de fro (se logra un producto ms estable microbiolgicamente). Al finalizar el proceso de liofilizacin, el alimento se convierte en una estructura rgida que conserva la forma y el volumen pero con peso reducido, preservando sus caractersticas nutritivas y organolpticas. Al rehidratarlo se recuperaran la textura, el aroma y el sabor original.Los alimentos pueden ser liofilizados en diferentes formatos: cubos, deshilachado, tiras, picado, granulado o polvo, y luego pueden ser utilizados como ingredientes industriales en la fabricacin de snacks, sopas instantneas, salsas, caldos en polvo, caldos en cubos, cup noodles, pur instantneo, mezclas para risotto, condimentos para "Lamen", entre otros.VENTAJAS DESVENTAJAS

Valorizacin y potenciacin de las producciones primarias.

Ausencia de temperaturas altas, por lo que previene el dao trmico.

Conservacin, fcil transporte y almacenamiento de los productos.

Inhibicin del crecimiento de microorganismos, estabilidad microbiolgica.

Recuperacin de las propiedades del alimento al rehidratarlo.

Ausencia de aditivos y/o conservantes.

Mantenimiento del valor nutricional del alimento.

Empleo de vaco, estabilidad qumica.

Largo tiempo de procesamiento.

Alto consumo de energa, en algunos casos.

Costo de inversin inicial alto

Figura n6: liofilizador para laboratorio

Figura n7:liofilizador para industrias

Figura n8: Sistema de carga y transporte de bandejas del liofilizadorBIBLIOGRAFIA PERERA HORACIO, YANOVSKY J. Proyecto LIAL Liofilizacin Alimentaria. Buenos Aires. 1996

FLESIA, Miguel ngel. Universidad Tcnica Nacional. Facultad Regional Santa F. Ingeniera Industrial. Procesos Industriales La conservacin de sustancias perecederas por medio de la liofilizacin.

DESHIDRATACIN DE ALIMENTOS. Autor: G. V. Barbosa Cnovas y otro Alimentos Argentinos MinAgri Pg. 3 de 12- www.alimentosargentinos.gob.ar

DESHIDRATACIN DE ALIMENTOS POR LIOFILIZACIN

Huancayo Per

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