Ing. Carlos Avilés Avilés
Dr. Mario Moscosa Santillán
Dr. Miguel A. Ruiz Cabrera

"Diseño y Construcción de un concentrador para alimentos líquidos a temperaturas constantes y por debajo del punto de ebullición del agua"

Estudiantil

Facultad de Ciencias Químicas. Universidad Autónoma de San Luis Potosí

Correo Electrónico: mruiz@uaslp.mx

La concentración es una práctica común en la industria de alimentos, con la finalidad de aumentar la vida de anaquel, y funcionalidad de los alimentos, además de disminuir los costos de empaque, transporte y almacenamiento. Los métodos más comunes para concentrar alimentos líquidos son la evaporación, la filtración por membranas y la crioconcentración. Con la evaporación se alcanzan concentraciones del orden de los 80 ºBrix pero con severos daños térmicos en los alimentos; mientras que los dos últimos procesos, debido a problemas de transferencia de masa, están limitados a proporcionar productos con niveles de concentración por debajo de los 60ºBrix. El objetivo de esta investigación fue el diseño de un concentrador para alimentos líquidos de operación isotérmica a temperaturas por debajo del punto de ebullición del agua, de funcionamiento continuo y en régimen permanente. Se requirió del diseño de una cámara de acondicionamiento para el control de la temperatura y humedad relativa del aire y el diseño de una cámara de concentración isotérmica. El acoplamiento de estas dos cámaras produjo un equipo capaz de controlar la temperatura de bulbo seco, bulbo húmedo, H.R. y velocidad del aire, y por consiguiente, predecir la concentración final del producto. Se determinó la altura mínima necesaria de la cámara de humidificación para lograr una saturación del aire a 100% de humedad mediante simulación por computadora con el software COMSOL Multiphysics 3.3. Se simuló el ascenso de burbujas de entre 1mm y 7mm de diámetro, y se encontró que el tiempo de saturación para la burbuja de mayor tamaño fue de 0.332s en una altura de columna de agua de 11.6cm. Por otro lado, basándose en los principios básicos del diseño de cámaras de secado por aspersión, se determinó que la cámara de concentración debía tener 17.8 cm de diámetro y 56.3 cm de altura. Para la validación del funcionamiento del equipo, se realizaron pruebas de concentración con jugo de tuna a diferentes niveles de temperatura de bulbo seco (25 a 50°C) y diferentes temperaturas de bulbo húmedo (20 a 30°C), lo que permitió fabricar jugos de tuna con concentraciones que van desde los 16 hasta los 80° Brix. Los resultados fueron examinados con un análisis de varianza (ANOVA) a un nivel de confianza de 99% (p<0.01). Se encontró que la temperatura de bulbo seco y la de bulbo húmedo tuvieron un efecto significativo sobre la concentración final del producto.

Es evidente que uno de los retos más grandes en la concentración de alimentos líquidos es lograr eliminar una cantidad considerable de agua del producto sin dañar sus propiedades nutricionales y organolépticas, como sucede con el método de evaporación. Con los procesos basados en la utilización de membranas, se han logrado productos con concentraciones de hasta 60 ºBrix y de calidad inigualable, sin la utilización del calor. Sin embargo, los costos de operación y la inversión de capital de los métodos de membrana aún son altos, la tecnología se encuentra en vías de desarrollo, los flujos de procesos son muy bajos (1 a 10 L/m2h) y difíciles de implementar a escala industrial (Jiao et al., 2004). Por otro lado, la crioconcentración es un proceso que trabaja a temperaturas por debajo del punto de congelación del agua, por lo que es un proceso ideal para productos termosensibles. Sin embargo solamente se han alcanzado como máximo concentraciones del orden de los 50º Brix, debido a las viscosidades tan altas alcanzadas y además hay que considerar que por su naturaleza es un proceso lento y se requieren grandes inversiones, por lo que no cuenta con gran aceptación para su aplicación a nivel industrial (Zhang y Hartel, 1996, Raventós et al., 2007).

IV.1. Principio teórico
El principio teórico de la remoción de agua mediante deshidratado de un sistema constituido principalmente de agua libre fue considerado para el diseño del concentrador que propone este trabajo de investigación. Ruiz-Cabrera et al., (2005) han demostrado que es posible eliminar el agua de un producto biológico manteniéndolo a una temperatura de equilibrio denominada “temperatura de bulbo húmedo (Tb). El estado de equilibrio inicial, cuando la presión del agua en la superficie es igual a la presión de vapor saturado, está representado por el punto b (Figura 1). Cuando la actividad del agua en la superficie disminuye, el punto representativo del equilibrio temporal aire/producto se encuentra sobre la línea b-a en el caso de una evolución natural o sobre la línea b-c si la muestra es mantenida a la temperatura de bulbo húmedo (Tb). En base a éste fundamento teórico, lo ideal es mantener al producto a Tb desde el inicio del proceso de evaporación hasta la concentración deseada siguiendo siempre la trayectoria b-c de la Figura 1.
IV.2. Dispositivo experimental
Para lograr una evaporación a la temperatura de bulbo húmedo (Tb) y para que esta temperatura siempre se mantuviera constante durante todo el proceso, fue necesaria la construcción de una columna de agua para la saturación del aire y de una cámara de concentración de operación isotérmica, cuyo acoplamiento se muestra en la Figura 2. El principio de funcionamiento es el siguiente: un compresor (1) genera el aire comprimido el cual es almacenado en un tanque (2) para permitir un flujo “continuo” de aire. Una válvula (3) controla la cantidad de aire y un medidor de flujo (4) permite conocer su velocidad (v). El aire se envía hacia un difusor de aire (5) para romper el flujo en pequeñas burbujas que entrarán a la columna de humidificación (6). Las variaciones de temperaturas debidas a la saturación fueron controladas mediante un serpentín de cobre (8). La humedad del aire antes de salir de la columna se mide con un higrómetro (7). Después con una resistencia eléctrica (9) se ajusta su humedad relativa hasta el valor deseado. La temperatura a la que se recalienta el aire es la temperatura de bulbo seco (Ta) del proceso y corresponde a la temperatura de entrada del aire (10) a la cámara de concentración (14). De forma paralela, en la cámara de concentración se alimentan el producto líquido (11) y una corriente aire comprimido (12) que se juntan en el atomizador y para generar un flujo de alimentación asperjado dentro de la cámara. El proceso de evaporación de agua se realiza a la temperatura de bulbo húmedo (Tb) del aire. El proceso de concentración a temperaturas constantes requiere de un control de temperatura y este se logra mediante un enchaquetado (15) por el que se hace circular agua proveniente de un baño circulador (16, 17). El producto concentrado es recolectado por la parte inferior de la cámara de concentración (13).
IV.3. Diseño de la cámara de concentración
El diseño de la cámara de concentración se realizó utilizando las ecuaciones de diseño de un secador por aspersión propuestas por Masters (1991). Se determinó el volumen en función del tiempo de residencia, y posteriormente el tipo de aspersor. El diseño incluyó el cálculo del serpentín de calentamiento de aire de secado.

IV.4. Diseño de la columna de humidificación del aire
El diseño de la columna de humidificación se basó fundamentalmente en el establecimiento de la altura mínima necesaria para saturar aire a una humedad relativa del 100% y se realizó con ayuda de un software de tipo CFD (Computational Fluid Dynamics): COMSOL Multiphysics 3.3. En la simulación se tomaron en consideración la transferencia de momento, transferencia de masa y transferencia de calor implicados en la saturación con agua de una burbuja de aire (1 a 7 mm de diámetro) estática e inmersa en una corriente descendiente de agua.
IV.5. Experimentos de concentración con jugo de tuna y validación del equipo
Se generó un diseño experimental de dos factores (Ta y Tb), seis niveles con 2 réplicas y en total se desarrollaron 39 experimentos. Para ello se utilizó un intervalo de temperatura de bulbo húmedo (Tb) de 20 a 30°C y un intervalo de temperatura de bulbo seco (Ta) de 25 a 50°C, para fabricar aire con humedades relativas comprendidas entre 12 y 70 %. Esto trajo como consecuencia fijar temperaturas de rocío (Tr) en la columna de saturación desde 7.9 a 28.7°C. Como variable de respuesta se midió la concentración de sólidos (°Brix) en los jugos concentrados. En el proceso de saturación de aire, se utilizó un flujo de aire seco de 88.23 L/min que representa una velocidad de 4.5 m/s. Para el asperjado, en cada experimento, se utilizó un volumen de 500 mL de jugo de tuna con una concentración inicial de 13.8 ± 0.50 ºBrix. El flujo de alimentación del jugo a la cámara de concentración se fijó en 3 mL/min con una presión en el atomizador de 0.14 MPa.
IV.6. Análisis estadístico
Se realizó un análisis de varianza (ANOVA) utilizando el software Modde 7.0 (Umetrics AB). Se aplicó un método de regresión lineal múltiple (MLR) para ajustar un modelo polinomial a los datos experimentales con un intervalo de confianza de 99 % para predecir las variables dependientes. El modelo consideró la interacción ‘temperatura de bulbo seco* temperatura de bulbo húmedo’:
()ε++++=TbTakTbkTakky*321 (1)
donde k, k1, k2 y k3 son las constantes de la regresión del modelo, Ta la temperatura de bulbo seco, Tb la temperatura de bulbo húmedo, (Ta*Tb) la interacción ‘temperatura de bulbo seco*temperatura de bulbo húmedo’, y ε el error experimental.

El tiempo necesario para saturar con agua una burbuja de aire de 7 mm de diámetro en la columna de humidificación fue de 0.35 s según los resultados de la simulación por computadora. Por lo tanto, aún las burbujas más grandes (consideradas en este trabajo) se saturaron al salir del difusor. La altura de la columna de humidificación fue definida en función del volumen de agua desplazado por la inyección de aire y por otros factores de funcionamiento, más que en función del tiempo que la burbuja debió permanecer en contacto con el agua. El equipo de concentración fabricado fue capaz de generar productos con concentraciones desde los 18 hasta 80 ºBrix utilizando temperaturas de tratamiento no superiores a los 50 ºC. Es un equipo versátil, ya que el operador puede fijar la concentración deseada en función de la temperatura de bulbo seco y temperatura de bulbo húmedo. La temperatura de bulbo seco a la que se opera el equipo tuvo un efecto positivo sobre la concentración del producto, mientras que la temperatura de bulbo húmedo tuvo un efecto negativo sobre esta misma variable. La cámara de concentración debe mantenerse a la temperatura de bulbo seco para evitar un enfriamiento del aire secante y aumentar su capacidad evaporativa. La concentración de alimentos líquidos a temperaturas constantes y por debajo del punto de ebullición del agua puede ser una alternativa para el procesamiento de alimentos que no implica tratamientos severos que dañen sensorial y nutricionalmente al producto. En este caso fue probado para concentrar jugo de tuna, sin embargo este equipo puede ser utilizado para una gran gama de productos alimenticios, en donde la única condición es que puedan ser asperjados.