análisis de mecanismos de transferencia en alimento

5/24/2018 An lisis de Mecanismos de Transferencia en Alimento

Anlisis de mecanismos de transferencia en alimentos porososAnalysis of transport mechanisms in porous foodsReinheimer MA (1)

, Prez GA (2)(1)INGAR -Instituto de Desarrollo y Diseo- CONICET-UTN. Santa Fe, Argentina(2)Facultad de Ingeniera Qumica, Universidad Nacional del Litoral. Santa Fe, [email protected] objetivo del trabajo es analizar el mecanismo de

intercambio de materia en un alimento slido.Tambin se analizarn brevemente algunos aspectos relacionados al transporte de energa y/omovimiento. El enfoque es para aquellos alimentos slidos que pueden considerarse como una matrizmultifsica porosa. Se enfatiza que los diferentesfenmenos que estn presentes en el sistemadependen de las propiedades fsicas del fluido: densidad y viscosidad; y de propiedades relacionadas

con la matriz slida: porosidad, tortuosidad, formay tamao de poros. La discusin de este trabajo sebasa en marcar las diferencias que se pueden presentar en el transporte dentro del alimento en funcinde la microestructura del mismo. Cabe destacar quediferentes fenmenos prevalecern en cada caso,dependiendo del fluido (gases, vapor, agua) que ocupe los poros. Pero, solamente, aquellos quepermiten el flujo de fluidos sern los responsablesde la transferencia o intercambio de materia. Se

analizaron diferentes operaciones y se listaron cuales de las posibles fuerzas probablementeintervinientes: fuerzas capilares, gradientes de presin, de concentraciones, etc., prevalecern en losflujos; que pueden ser convectivos (flujo Darcy) y/o difusivos (molecular, capilar, Knudsen). Esta


caracterizacin, tambin, se basa en la interpretacin de la microestructura porosa y su participacinen la transferencia. De lo aqu planteado, se concluye que no solo conocer el parmetro porosidad, esnecesario para hacer una descripcin completa de los fenmenos intervinientes en las distintasoperaciones, sino inclusive, caracterizar la naturaleza de los poros con un conocimiento de lamicroestructura o hiptesis conducentes a la interpretacin de sta. Tambin se concluye luego delanlisis, que contemplar solamente el gradiente deconcentracin como fuerza impulsora, despreciafenmenos internos importantes a causa de la presin y en menor medida la temperatura del sistema

durante la transferencia de materia.ABSTRACTThe present study aims at analysing the transfer mechanism of matter found in solid foods. Otheraspects related to energy and/or momentum will be also briefly analysed. This study focuses on thekind of solid foods that can be considered as a porous multi-phase matrix. It is emphasized that themechanism of the transport phenomena within depends

not only on the physical properties of fluids,such as density and viscosity, but also on the properties related to the solid matrix, such as porosity,tortuosity, shape and size of the pores. This paperattempts to highlight the differences that can bepresent in the transport within the food as a consequence of its microstructure. It is worth mentioningthat different phenomena will prevail in each case,

depending on the fluid (gas, vapour, water) insidethe pores. Nevertheless, only the pores that allowthe flow of fluids are responsible for the mattertransfer or exchange. Different unit operations andthe possible driven forces which mainly act in eachcase, such as: capillary forces, pressure driven, c


oncentration gradients were analysed. Also, the typeof flow, which canbe convective (Darcy Flow) and/or diffusive (molecular, capillary, Knudsen), wasexamined. This characterization is supported by theinterpretation of the porous microstructure and itsrole in transfer phenomena. Therefore, knowing theporosity is not enough to make a completedescription of what happens inside the solid foodsduring processing, because the nature andcharacterization of the pores are also important factors. In conclusion, considering concentration

gradient as the only driven force disregards otherimportant internal phenomena which can be drivenby the system pressure or temperature to a lesser extent during matter transfer.PALABRAS CLAVE:microestructura, transporte multifsico, flujo convectivo, flujo difusivo.204

KEYWORDS:microstructure, multiphase transport, convective flow, diffusion.INTRODUCCINTpicamente, un sistema alimenticio se considera que es isotrpico, homogneo y continuo, con solodos o tres componentes distribuidos en una o dos fases (Crank 1985). Se generaliza diciendo que losalimentos slidos son sistemas multifsicos similares a medios porosos, pudiendo aplicar lafluidodinmica de los medios porosos para describirlos cambios que sufren durante las diferentesoperaciones unitarias o tratamientos de acondicionamiento o preservacin.Utilizando el concepto de continuo ficticio puedendefinirse las propiedades que describen el medio


poroso, que son la densidad (real y aparente) porosidad (fraccin de poros), tortuosidad (relacin entrela distancia recta entro dos puntos en un paso curvo) y permeabilidad de las fases. Existes diferentesmtodos para lograr medir estas propiedades publicados en Sahin y Sumnu (2006).A los fines de una caracterizacin para la modelacin ms rigurosa conviene describir a los alimentosslidos como slidos con caractersticas porosas ypropiedades resultantes de su textura, contenido deagua, capacidad gelificante, etc. Es decir que su caracterizacin ms general ser de un medio poroso,con capacidad de intercambio de materia y energa e

n toda su superficie, pudiendo su interiorconectarse con el medio ambiente a travs de los canales porosos o por la misma capa slidasuperficial.Existen antecedentes de distintas teoras del uso de medios porosos para describir los procesos detransporte. La descripcin del transporte de flujoen un medio poroso considerando exactamente lageometra interna de la estructura slida es genera

lmente intratable (Bear 1972). Este aspecto, sevuelve ms relevante an, para el caso de los alimentos, ya que tanto los animales que se destinan paraconsumo humando, como las frutas y hortalizas, varan en la composicin de sus tejidos, dependiendode la poca del ao para el caso de cultivos, el clima, el tipo de alimentacin para los animales,caractersticas del suelo, etc. Esto hace casi imposible generalizar, tanto propiedades fsicas, como

estructurales. Una manera exacta se refiere a la solucin de las ecuaciones de Navier-Stokes paradeterminar la distribucin de velocidad del fluidoen los espacios huecos. Inclusive si podemosdescribir y resolver tales detalles, las solucionesconducen a valores de poco uso prctico (Datta 2007).


Por esta razn el continuo estndar no puede ser usado en estos casos. Si bien el estudio demecanismos de transporte en medios porosos es un campo muy activo, las aplicaciones en materialesalimenticios son escasas, tal vez debido a la dificultad de obtener parmetros de procesos, y lacomplejidad de las formulaciones de las teoras existentes. La intencin del trabajo, es marcar algunosconceptos claves para el estudio del transporte enalimentos slidos, en donde se relacionen aspectosestructurales con propiedades y mecanismos de transporte.MATERIALES Y MTODOS

Caractersticas de los alimentos porososUn medio poroso, se refiere a un slido conteniendoespacios huecos, o poros, los cuales se encuentranllenos de algn fluido (gas o lquido). Para el anlisis, los poros de los alimentos son divididos entresgrupos: poros cerrados, que tienen todos sus ladoscerrados; poros ciegos o tapados, que tienen unextremo cerrado; y los poros que permiten el paso d

e materia a travs de ellos, donde ocurre el flujodefluidos (Figura 1).Figura 1.Clasificacin de los diferentes poros (Sahin y Sumnu 2006).205A los fines de la transferencia de cantidad de movi

miento, los medios porosos tendrn uncomportamiento global como slido, pero podrn sufrir internamente procesos fluidodinmicos talescomo capilaridad, aumento de presin en los canales, etc.Anlisis de mecanismos de transferenciaLos mecanismos de movimiento de humedad dentro de l


os alimentos slidos pueden ser resumidos,como transporte de vapor y agua lquida. Los mecanismos de transporte de vapor y en algunos casosaire, consisten de la difusin molecular, difusinde Knudsen, difusin de Stefan, flujo Poiseuille, flujoDarcy y condensacin-evaporacin. Por otro lado, los mecanismos de transporte de agua lquidadentro de los alimentos slidos son, flujo capilar,difusin molecular y difusin superficial.A pesar deesto, la difusin es el mecanismo dominante:Difusin molecular: Los gases como el vapor de agua

y el aire en el medio poroso pueden moverse pordifusin molecular si los poros son suficientementegrandes.Difusin de Knudsen: este tipo de difusin ocurre en slidos con pequeos poros llenos de gases, o abaja presin cuando el principal camino libre de las molculas es mayor que el tamao del poro y lasmolculas colisionan con las paredes mas seguido que entre ellas mismas. En este caso, el flujo de

agua es una funcin de la densidad de vapor y de ladifusividad del vapor dentro del producto. Eltamao y cantidad de poros, la tortuosidad y la geometra de la matriz del slido afectan al flujo devapor.Difusin de Stefan: el flujo de agua es funcin dela presin de vapor, de la presin total y delcoeficiente de difusin de Stefan dentro del producto.Flujo de Poiseuille: es un flujo de presin inducid

o en un conducto largo, tambin llamado flujo decanal. En este caso, est asumido que hay un flujolaminar de un fluido newtoniano incompresible poruna diferencia de presin constante.Flujo Darcy: el transporte de gases y lquidos debido a la presin del gas o de la fase lquidarespectivamente puede ser descrito por la ley de Da


rcy, y depender de las propiedades del gas comoson densidad, viscosidad y permeabilidad, o de la permeabilidad hidrulica si el fluido es agua en vezde gas, donde el coeficiente de permeabilidad hidrulica depender de las propiedades del fluido y delas propiedades de la matriz slida, como son: distribucin del tamao de poro, forma de los poros,porosidad y tortuosidad.Flujo capilar: la humedad que est contenida en losintersticios del slido, como lquido sobre lasuperficie o como humedad libre en las cavidades delas clulas, se mueve por capilaridad y gravedad,proveyendo los pasillos para que se produzca el flujo continuo. En secado, el flujo de lquido

resultante de la capilaridad, se aplica a lquidosque no estn en solucin, y a toda la humedad cercanaa la humedad de equilibrio, como en polvos finos oslidos granulares. La presin capilar debido a lacapilaridad y otras fuerzas atractivas es funcin de la concentracin de lquido (contenido de agua) yde la temperatura para un material particular, porlo tanto el flujo capilar podr describirse como el

flujo capilar debido al gradiente de concentraciny el flujo capilar debido al gradiente de temperatura,siendo el gradiente de concentracin el componentems significante, suele llamarse a este trminodifusin lquida por analoga a la ecuacin de Fick(Datta 2007).Difusin superficial: fenmeno observado durante laadsorcin de una sustancia que difunde en unslido. Debido a que la concentracin de equilibrio

del gas sobre la superficie, se incrementa con unaumento de la presin parcial de las especies adsorbidas, un gradiente de concentracin superficial dela sustancia difusiva aparece en la capa superficial del poro.Concepto de Coeficiente EfectivoEs ampliamente utilizada la descripcin de la trans


ferencia de materia mediante un coeficiente dedifusin efectivo, pero es necesario tener en cuenta lo que el mismo es capaz de englobar. Ladifusividad,Deff

, representa alguna clase de difusividad efectiva para el transporte combinado delquido y vapor. La ecuacin de transferencia de materia con un coeficiente de difusin efectivo paralas dos fases combinadas, no puede ser derivada delas leyes fundamentales gobernantes de laconservacin de masa de las especies, que son basadas en los bien conocidos mecanismos de

transporte. En este caso, la difusividad efectiva es como un factor emprico. La formulacin de ladifusividad efectiva engloba los diferentes mecanismos de transporte como flujo capilar, flujo porpresin, como as tambin todos los mecanismos posibles; aunque no es fcil relacionarDeff

concapilaridad y difusividad del vapor.

En la mayora de los estudios, el valor de difusividad efectiva esobtenido a partir del ajuste de datos experimentales, como son la evolucin de la concentracin en el206tiempo. Todos los posibles procesos alimenticios, incluyendo calentamiento por microondas, secadopor microondas y secado combinado convencional y microondas, han sido modelados usando un valorde difusividad efectivaDeff

.RESULTADOS Y DISCUSINDurante el procesamiento de los alimentos, varios de stos fenmenos pueden ponerse de manifiesto,en forma simultnea o puede ocurrir que al cambiar


las propiedades del sistema multifsico por elprocesamiento, cambien las fuerzas impulsoras intervinientes y por ende los mecanismos detransferencia. Sin embargo, cuando la intencin esmodelar un proceso en Ingeniera en Alimentos,conviene ver el mecanismo que prevalecer en el mismo. Este anlisis fue aplicado a la mayora de losprocesos que involucran alimentos slidos y para una mejor interpretacin se describen en laTabla 1,la cual lista en que tipo de operacin ocurren flujos de gases (o vapor) y lquidos dependiendo de sila

fuerza impulsora es debido a la presin o el gradiente de concentracin. En la tabla 1, el flujo msicototal fue desdoblado por el aporte de flujos convectivos y difusivos de fases lquidas y/o gaseosas.Tabla 1. Mecanismos de transferencia msica en diferentesOperaciones de alimentos slidos.moleculardifusingas

n)(DarcyFLujonconveccingascapilardifusinlquido

n)(DarcyFlujonconveccin


lquido

Difusin de vapor en lasoperaciones de:SecadoEvaporacinLiofilizacinEfecto secundario,producindose difusin devapor en operaciones de:CalentamientoHorneadoFredoEfecto secundario deprdida de humedad enforma de vapor porconveccin: se produceevaporacin interna, elvapor retenido produceaumento de presin, y seproduce la conveccin.Fenmeno apreciado enoperaciones de:Calentamiento pormicroondasCalentamientoconvectivoHorneadoLa presin capilar esfuncin de laconcentracin de lquido ytemperatura del material.

Fuerza impulsoradominante (gradiente deconcentracin) durante laoperacin de Secado dealimentos insaturados.Mecanismo dominante enel secado a bajatemperatura, donde laevaporacin es dbil y la


presin no es influyente.Operaciones de:LiofilizacinSecado bajo vacoSecado osmtico,mecanismo presentedentro del alimentoTambin presente en:Operaciones deExtraccin Slido Lquido: lixiviacinFenmeno presente en

el pretratamiento deblanqueado de alimentosde origen vegetal (solutossolubles en agua)Por capilaridad losalimentos tienden aretener agua en su interior,mecanismo que explica elpor qu de la humedadresidual en los alimentossecos y/o deshidratadosMecanismo detransferencia enalimentos de altocontenido de humedadUtilizado para describiroperaciones de:Impregnacin desolutos bajo vacoSecado osmtico defrutas, fenmeno presente

en la interfase delalimentoLaTabla 1, conduce a una mejor interpretacin de los fenmenos presentes en los alimentos slidos,evidenciando que no solamente, como suele tenerse e


n cuenta por practicidad, el gradiente deconcentracin es la nica fuerza impulsora en la transferencia de materia.207

Importancia del conocimiento de la forma de los porosLo mencionado anteriormente es vlido en los porosque permiten el flujo a travs. Pero es necesariotener en cuenta que los poros restantes tienen efecto en el procesamiento de los alimentos slidos. Losporos ciegos, no aportan demasiado a la explicacinfenomenolgica de las operaciones, pero enoperaciones de reduccin de humedad pueden llegar a

ser contradictorios porque suman resistencia ala transferencia de humedad del interior, adems deestar involucrados en los fenmenos deencogimiento en las operaciones de secado. Los poros cerrados que contienen aire en su interior,ponen resistencia al intercambio de calor con el medio ambiente, siendo esta una restriccin enoperaciones como enfriamiento. Un ejemplo prctico,que es un problema en las industrias de

golosinas, es el aire que queda retenido en la masade caramelo, por lo tanto, cuando el caramelo yaformado es enfriado en el tnel de fro, el aire pone resistencia al enfriamiento, y no se logra extraertodo el calor del interior, lo que causa problemasde deformacin en los caramelos, posterior a laenvoltura. Estos poros que retienen aire en el interior, influyen tambin en la densidad aparente delsistema (Reinheimer y Prez, 2008).

Si bien en este trabajo se ha hecho hincapi en mecanismos de transferencia, por lo tanto, los porosque permiten el flujo a travs, es importante analizar la influencia de los restantes poros, por lo quevuelve a destacarse la importancia de incorporar aspectos grficos reales microestructurales.


Se debe resaltar, que es escasa la informacin realacerca de las propiedades de los alimentos comosistemas porosos, y adems pueden observarse cambios entre materias primas y productos, y entreproductos obtenidos mediante diferentes operaciones, que se ven reflejado en la propiedadessensoriales detectadas por los consumidores. Para ejemplificar lo dicho anteriormente, los mtodos desecado evidencian las diferencias: el proceso de liofilizacin produce la mayor porosidad, mientrasque el secado con aire convencional la menor, comparada con secado osmtico, vaco, microondas debananas, manzanas, zanahorias y papas (Krokida y Maroulis 1997). Las propiedades mecnicas de los

alimentos obtenidos por extrusin se ven afectado por la porosidad (Guraya y Toledo 1996), y tambinproduce efecto en los productos de panadera, comoser la miga y cscara de pan (Mandala ySotirakoglou 2005). Tambin, cabe resaltar que durante el proceso de fredo de alimentos, los mismostomaran mayor aceite a mayor porosidad (Pinthuset al.1995).

Conjunto estructura-propiedades. Relacin con el consumidorLas propiedades finales de los productos alimenticios son los resultados de los cambios en la materiaprima como una consecuencia de las condiciones delproceso. En el caso de coloides o alimentos deorigen celular, estos cambios pueden ser observadoscomo diferencias en factores de calidad comocomposicin del alimento, aspectos nutricionales, sabor, aroma, forma y tamao, color, textura, etc.

Estos cambios en las propiedades de los alimentos pueden ser explicadas porque los fenmenos fsicosy qumicos producidos en lnea con el progreso delproceso, como deformaciones en las estructuras,reacciones qumicas o enzimticas, transiciones defase, etc.La estructura relaciona la manera en la que la mate


ria y la energa se organizan dentro del volumen delsistema. Como una consecuencia, complejidad se refiere al nivel de estructura como as tambinfuncionalidad refiere a las propiedades del sistema. El conjunto estructura-propiedades refiere alconocimiento de la estructura y propiedades en un sistema como as tambin el entendimiento ocomprensin de las relaciones existentes entre losdos conceptos y, por supuesto, la capacidad depredecir los cambios en las propiedades de los alimentos, producidos cuando ocurre algn cambio enla estructura del alimento.Como es sabido, algunos alimentos son monofsicos;

lquidos (soluciones acuosas como aceite o jugosclarificados) o cristales (como cloruro de sodio osucrosa) pero la mayora de ellos pertenecen a lascategoras mas complejas: coloides o estructuras celulares o multicelulares. Por lo tanto, en lossistemas alimenticios la estructura relaciona sus complejidades celular, coloidal, polimrica ymolecular y consecuentemente, su funcionalidad estrelacionada con sus propiedades qumicas,

fsicas, biolgicas y sensoriales. Algunas de estaspropiedades son usadas por los consumidores paradefinir la calidad del alimento. Por esta razn, esmuy importante ser capaz de analizar y evaluar, encualquier sistema alimenticio, el conjunto estructura-propiedades y su relacin con los factores decalidad y seguridad del alimento, como es apreciadopor los consumidores.

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