UNIDAD TEMÁTICA I

M.C. Ocampo Suarez

Evaporación y concentración

Universidad Tecnológica de la CostaIngenieria en Procesos Alimentarios

Operaciones Unitarias II

CONCENTRACIÓN DE SOLIDOS

M.C. Iris Betsabee Ocampo Suarez

Tema 1

¿Qué es la concentración de sólidos?

la concentración de una disolución es las proporción o relación que hay entre la cantidad de soluto y la cantidad de disolvente , donde el soluto es la sustancia que se disuelve, el disolvente la sustancia que disuelve al soluto, y la disolución es el resultado de la mezcla homogénea de las dos anteriores. A menor proporción de soluto disuelto en el disolvente, menos concentrada está la disolución, y a mayor proporción más concentrada está.

La falta de un criterio único en el modo de expresarla concentración de sólidos en una mezcla sólido-líquido ha conducido, actualmente, a una diversidad de expresiones para referirse a este importante valor. No sólo cada país, sino cada individuo incluso dentro de la misma empresa emplea medios distintos para expresar dicho concepto.

Se podría citar numerosas formas de expresar la concentración

de sólidos, solo cuatro son de conocimiento y uso general hoy día:

- Concentración de Sólidos en peso,

- Concentración de sólidos en volumen,

- Peso de sólido seco por volumen (gr/l)

-Peso específico de pulpa

Expresiones de la concentración de sólidos

Cuatro son las formas más comunes de expresar la proporción de los sólidos frente al líquido.

A continuación se definen cada una de ellas y posteriormente se menciona las ecuaciones que permiten relacionarlas.

Porcentaje en peso

Por definición es la relación del peso de sólido seco contenido en la pulpa frente al peso total de la misma, expresado en porcentaje.

Se indica como CW y no tiene unidades.

Porcentaje en volumen

Por definición es la relación del volumen que ocupa el sólido seco contenido en la pulpa frente al volumen total de la misma, expresado en porcentaje.

Se indica como CV y no tiene unidades.

Peso por volumen

Por definición es el peso de sólido seco contenido en la unidad de volumen de pulpa.

Se indica como J y generalmente se expresa en gr/l.

Peso específico de pulpa

Por definición es el peso de una unidad de volumen de pulpa.

Se indica como P y generalmente se expresa en gr/cm3 o kg/dm3.

ECUACIONES DE RELACION

En primer lugar, antes de pasar a desarrollar todas las ecuaciones identificaremos los diferentes términos a emplear en las mismas.

Llamaremos Pp, Ps y Pi a los pesos de pulpa, sólido y líquido respectivamente, Vp, Vs y Vi a los volúmenes de pulpa, sólido y líquido respectivamente, y P, S y I a los pesos específicos de pulpa, sólido y líquido respectivamente

Tipos de concentración

Deshidratación

Evaporación

El agua es uno de los componentes primordiales en la mayoría de los productos alimenticios. Su importancia radica en que sirve de vehículo para sustancias reaccionantes como los sistemas enzima-sustrato,además de ser clave en el desarrollo de microorganismos, principales agentes de deterioro de los alimentos. La disminución del agua presente en un alimento ha sido una estrategia utilizada desde la antigüedad para conservar la calidad durante los períodos de almacenamiento.

Deshidratación

La deshidratación es un método de estabilización de alimentos que se basa en la reducción de la actividad del agua (aw) para ralentizar los procesos de deterioro a los que se ve sometido un alimento. Se distingue muy claramente de la concentración o evaporación porque, aunque ambas operaciones se basan en disminuir la actividad del agua, la concentración u evaporación da productos líquidos, que aun contienen cantidades del orden de hasta el 50% en agua. Los productos de la deshidratación son sólidos con un contenido en agua inferior al 10%.

Se utiliza el término genérico “deshidratación” porque durante esta operación no solo se retira el agua que actúa como disolvente o inerte que diluye el alimento, sino que se retira agua que entra en la constitución de las estructuras y tejidos del alimento. Por ello, la deshidratación provoca a menudo profundos cambios en las cualidades organolépticas de los alimentos, por lo que no es adecuada para muchos alimentos.

En el SECADO por ARRASTRE la retirada de agua se realiza poniendo el alimento en

contacto con un medio, normalmente aire, relativamente seco (es decir, que tiende a

retirar agua del alimento). Este medio se renueva lo suficientemente a menudo para que el

secado prosiga hasta el grado de deshidratación deseado. Puesto que para una misma

humedad absoluta el aire resulta relativamente más seco cuanto más se incrementa la

temperatura, el secado por arrastre es a menudo realizado con un chorro de aire caliente.

Esta operación tiene unos requerimientos energéticos de unas 600 Kcal kg-1 de aguaevaporada. En el secado por arrastre, esta energía es aportada normalmente por el

agentede arrastre (aire seco y caliente normalmente) que cede su calor sensible a la vez que

secarga de humedad. Cuando el agente de secado aporta todo el calor necesario para lavaporización, tenemos un secadero adiabático. Esta condición tiene importancia

en eldiseño

Todas las operaciones de deshidratación tienen en común la pérdida de agua. Sin embargo esta pérdida se puede realizar de diversas formas.

El SECADO por VAPORIZACIÓN consiste en calentar el alimento lo suficiente como para que el agua que contiene alcance el punto de ebullición y abandone el alimento al transformarse en vapor. Aunque el agua hierve a 100ºC a 1 atm, le eliminación del agua ligada, necesaria para obtener niveles de deshidratación adecuados, usualmente requiere el empleo de temperaturas mucho mayores. Este tipo de secado es, pues, muy agresivo y este secado a menudo se realiza simultáneamente con la etapa de cocinado del alimento (como pasa con los corn flakes u otros cereales inflados). El requerimiento energético de la vaporización es de unas 500 Kcal kg-1 sólo para el calor latente del agua evaporada.

La LIOFILIZACIÓNUna deshidratación en la que retirada de agua tiene lugar por

sublimación, sometiendo al alimento a condiciones de temperatura inferiores a las del punto triple. La liofilización es lenta y cara, ya que requiere una atmósfera de alto vacío, pero las ausencia de aire y el frió al que está sometido el alimento durante la mayor parte del tiempo del proceso hace que se obtengan alimentos de muy buena calidad que se rehidratan con suma facilidad. La sublimación requiere unos 700 Kcal kg-1 de agua.

Actividad de clase # 1: Define lo que es concentración y las diferentes formas que existen para expresarla.

Actividad de clase # 2: Define lo que es liofilización y deshidratación.

Evaporación

La evaporación es una operación unitaria La evaporación es una operación unitaria

que consiste en la eliminación de agua que consiste en la eliminación de agua

de una solución líquida mediante de una solución líquida mediante

vaporización o ebullición.vaporización o ebullición.

Los dispositivos para realizar esta eliminación de agua se denominan:

Evaporadores

La separación de agua o concentración de sólidos se logra por la diferencia en cuanto a volatilidad entre el agua (disolvente) y el soluto

Entre los ejemplos típicos de evaporación están :

En otros casos, se emplea para eliminar

pequeñas cantidades de minerales del agua

que se lleva a evaporar para obtener agua

libre de sólidos que se emplea en la

alimentación de calderas, para procesos

químicos especiales, o para otros propósitos

Por otro lado se tiene que el incremento

de sólidos por evaporación reduce la

actividad de agua, como en jaleas o

melaza, y en consecuencia ayuda a la

conservación.

Un evaporador consta, esencialmente, de dos cámaras:

Una de condensación

Otra de vaporación.

En la condensación un vapor de agua se transforma en líquido, con lo que cede su calor latente de condensación.

El cual es captado en la cámara de evaporación donde esta la solución que se desea eliminar el agua.

El agua evaporada abandona la cámara de vaporación a la temperatura de ebullición, al mismo tiempo que se obtieneuna corriente de solución concentrada.

Las propiedades físicas y químicas de la solución que se está concentrando y del vapor que se separa tienen un efecto considerable sobre el tipo de evaporador que debe usarse y sobre la presión y la temperatura del proceso.

Figura 1. Diagrama de un evaporador de efecto simple

En la figura 1, se muestra un diagrama simplificado del evaporador de una sola etapa o de efecto simple.

La alimentación entra a temperatura de alimentación (TF) y en la sección de intercambio de calor entra vapor a unatemperatura de saturación (TS).

El vapor condensado sale de la cámara de condensación.

Puesto que se supone que la solución del evaporador está completamente mezclada, el producto concentrado y la solución del evaporador tienen la misma composición y temperatura T1

En la evaporación, en principio, cada kilogramo de vapor condensado a 100 ºC debería proporcionar bastante

energía para evaporar de manera aproximada 1 kg de agua. Sin embargo, debido a diferencias de presión,

calor sensible y pérdidas de calor, esta relación puede ser menor que 1 a 100 ºC.

La economía de vapor de un proceso se define como la relación de la masa de agua evaporada y la masa de vapor utilizado, es decir:

E= masa de agua evaporada/masa de vapor utilizado

El factor de concentración se define como el cociente entre la masa inicial de la solución diluida y la masa final del concentrado.

CF= masa inicial de la solución diluida/ masa final del concentrado