la crioconcentraciÓn en la industria agroalimentaria 2018... · ¿cómo concentrar? evaporación...
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LA CRIOCONCENTRACIÓN EN
LA INDUSTRIA
AGROALIMENTARIAMG. SC. ING. FLOR DE MARÍA VÁSQUEZ
CONTENIDO
• Qué es la crioconcentración
• Ventajas de la crioconcentración
• Métodos de crioconcentración
• Aspectos generales de la investigación
• Comparación de los sistemas de
crioconcentración
• Perspectivas de desarrollo
¿Cómo concentrar?
Evaporación Membranas Crioconcentración
Pérdida de
volátiles
Paradas en el
proceso para la
reposición de
membranas
Sin pérdidas
organolépticas,
ni nutricionales
Menor
calidad
organoléptica
del producto
Crecimiento
microbiológico
en periodos
largos de
filtración
Mayor vida útil del
alimento
Reacciones
químicas
Difíciles
protocolos de
limpieza
Fácil manejo y
limpieza del
equipo(?)
El punto de congelación
Al añadir un soluto al agua se produce un descenso del punto de congelación de la mezcla.
No se mantiene fijo durante todo el proceso de congelación.
COMPARACIÓN DE TÉCNICAS DE CONCENTRACIÓN
332Crioconcentración
2260Evaporación
7 - 70Microfiltración
Consumo energético
(kJ/kg de agua eliminada)Proceso
Comparación de la energia mínima necesaria para los procesos de
microfiltración, evaporación y crioconcentración (Van Mill,1990)
COMPARACIÓN DE TÉCNICAS DE CONCENTRACIÓN
7373ElectricidadCrioconcentración
80161Vapor
Evaporadores de 4
efectos
88ElectricidadOsmosis inversa
Energia eléctrica
Equivalente
consumida
(KWh/m3)
Energia consumida
(KWh/m3 de agua
eliminada)
Fuente de
energia
Proceso de
concentración
Comparación del consumo energético de diferentes técnicas de
concentración (Álvarez, Rius, Riera i Coca, 1996)
COMPARACIÓN DE TÉCNICAS DE CONCENTRACIÓN
15-25Osmosis inversa
45-55Crioconcentración
65-75Evaporador de película descendiente
65-75Evaporador de placas
75-85Evaporador de película agitada
GRADO DE CONCENTRACIÓN
(% SS)EQUIPO
Grado de concentración conseguido por diferentes equipos deconcentración (Van Weelden, Niro Process Technology, 1994).
COMPARACIÓN DE TÉCNICAS DE CONCENTRACIÓN
80Evaporación (triple efecto)
40Crioconcentración
30Osmosis inversa
28Ultrafiltración
CONCENTRACIÓN MÁXIMA
(% ss)
´MÉTODO
Comparación del grado de concentración máximo alcanzado por diferentesmétodos de concentración (Casp. A, Abril. J, 1999)
Comparación de las diferentes
técnicas de concentración
--+++++Crioconcentración
++++Osmosis inversa
+++++--Evaporación
Costes de
producción
Grado de
concentración
Calidad del
producto final
- Punto débil + Punto fuerte
Resumen de las ventajas de los diferentes procesos de crioconcentración (Van Weelden, 1994)
¿Cómo crioconcentrar?
Sistema de crioconcentración simple
Trabajo a presión atmosférica
Placas como intercambiadores de calor
Reducción de costes
Simplificación de la etapa de separación
Problemática
• Cristalización del hielo se realiza a presión elevada
Separación de los cristales se hace mediante centrífugas, filtros o columnas de lavado
Propuesta
SOLUCION
ALIMENTICIA
DILUIDA
AGUA PURA O
SOLUCION
DILUIDA
Sistema de
separación a bajas
temperaturas
SOLUCION
ALIMENTICIA
CONCENTRADA
Qué es la crioconcentración
Ventajas de la crioconcentración
Reducción de costos
Almacenamiento Empaque Transporte
Porqué concentrar soluciones?
Costo de producción
Eliminación de agua
Mayor eficiencia en
operaciones posteriores
Mantenimiento de calidad
en operaciones posteriores
Ventajas de la crioconcentración
0
2,5
5
Nivel de
concentración
Calidad
Costo de operación
Inversión inicial
Evaporación
Membranas
Crioconcentración
Métodos de concentración
Referencias bibliográficas
Técnicas
Suspensión
Película
Placas
Progresiva
Bloque
Parcial
Total
0
2
4
6
8
10
12
14
Publicaciones crioconcentración en bloque
BLOQUE
PELICULA
SUSPENSION
BLOQUE 18PELÍCULA 34
SUSPENSIÓN 10total 62
CRIOCONCENTRACIÓN
EN BLOQUE TOTAL: todo el
liquido es congelado y luego descongelado bajo diferentes condiciones para su separación.
PARCIAL: Se congela una fracción de la solución mediante el manejo de perfiles de temperatura
VENTAJAS CRIOCONCENTRACIÓN
EN BLOQUE
Requiere equipos simples
Puede ser ejecutada a pequeña escala
Permite manejar diferentes etapas en el proceso,
dentro del mismo equipo, como son la
congelación, maduración y separación.
La eficiencia en la separación es controlada por
medio del ajuste de las variables de proceso.
Métodos de crioconcentración
Placas
Suspensión
Película
Progresiva
Métodos de crioconcentración
SuspensiónCristalización
Alimentación Recristalizador
o madurador
Cristalizador
Refrigeración
Separación
Agua
pura
Columna
de lavado
Fluido
concentrado
Fuente: Adaptado de “Sales meeting Niro AS – 2002”
Métodos de crioconcentración
Evolución del método en suspensión
1970 1980 1990 2000
Huige y Thijssen, 72
Desarrollo
conceptual del
proceso
Desarrollo de los
equipos para ser
utilizados a nivel
industrial
Omran y King, 74
Omran y King, 76
La nucleación
secundaria es el
mecanismo de
formación de
cristales
Braddock y Marcy, 85
Las propiedades
organolépticas del
zumo de piña y del
zumo de kiwi
crioconcentrados
son iguales a las
del zumo fresco y
mucho mejores
que las del zumo
concentrado por
evaporación
R. W. Hartel y L.
A. Espinel, 1993
Bayindirli et al.,
1993
Patil, 1993
Matsuoka, 1996
Botsaris et al.,
1999 sustituyen el
intercambiador de
superficie rascada
por un sistema de
ultrasonidos
Frank G. F. Qin et
al., 03
Frank van der Ham
et al., 04
Frank Qin et al.,06
Habib y Farid, 06
Teduka et al., 06
Es factible utilizar un
lecho fluidizado para
reemplazar el
intercambiador de
superficies raspadas
Nazir y Farid, 08
Métodos de crioconcentración
Película - Placas
Alimentación
Cristalización
Separación
Refrigeración
Métodos de crioconcentración
Película - progresiva
Motor
Refrigerante
Fracción
congeladaAgitador
Solución
concentrada
Hielo
Refrigerante
Métodos de crioconcentración
Evolución del método en placas1990 2000
Scholz, 93
Hay una velocidad máxima en el
crecimiento del cristal de hielo que
permite que éste sea puro.
Flesland, 95
Es viable crioconcentrar en película
soluciones de sacarosa
Chen et al, 98
Es viable relacionar las variables de
proceso con el grado de impurezas en la
fase sólida
Qin et al, 04
La cinética de crecimiento de la película
está influenciada por la transferencia de
calor y puede ser representada con
funciones de Bessel.
Raventós et al, 07
La crioconcentración en película de
soluciones de sacarosa es viable en un
crioconcentrador a nivel piloto.
Muller et al, 92
La cristalización en capa permite una
operación sencilla, si bien la elevada
velocidad de cristalización produce hielo
de poca pureza
Métodos de crioconcentración
Evolución del método progresivo
1970 1990 2000
Halde, 79
A menor
velocidad del
frente móvil de
congelamiento y
mayor velocidad
de agitación se
obtendrán
menores niveles
de impurezas en
la fase sólida
Liu et al, 97
Los resultados se pueden
modelar con una ecuación
basada en el balance de masa.
Los solutos presentes modifican
significativamente los resultados
de la crioconcentración
Liu et al, 98
Se puede evitar el
subenfriamiento introduciendo
una placa con agujeros
Liu et al, 99
Se puede crioconcentrar jugo de
tomate manteniendo la calidad
Miyawaki et al, 05
Es factible realizar la
crioconcentración
progresiva en un equipo
tubular, alcanzando altas
concentraciones y
obteniendo hielo de
elevada pureza
Ramos et al, 05
Es factible
crioconcentrar zumos
de mora obteniendo
propiedades
organolépticas iguales
a las del zumo fresco
Aspectos generales de
investigaciónCrioconcentración
Publicaciones en 63 revistas especializadas
Crioconcentración en suspensión Crioconcentración en película
Crioconcentración
progresiva vertical
Crioconcentración
progresiva tubular
Crioconcentración en
placas
Z. Zhang y R.W. Hartel,1996
Ola Flesland,1995
Yoshihito Shirai et al., 1998
Ping Chen et al., 1998
Ping Chen et al.,1999
S. Peters Erjawetz et al.,1999
Ping Chen et al., 2000
M. V. Rane y S. K. Jabade, 2005
M.Raventós et al., 2006
O. Caretta et al., 2006
A. Cliché y M. Lacroix, 2006
Y. Shirai et al.,1999
Rodríguez M. et al., 2000
M. Wakisaka,2001
R. Guardani et al.,2001
O. Miyawaki et al.,2005
Phil A. Kammerer Jr. y G.
Fred Lee., 1969
Richard E. Kepner et al., 1969
Halde R., 1979
Liu L. et al., 1997
Liu L. et al., 1998
Liu L. et al., 1999
F.A. Ramos et al., 2005
K. Kawasaki et al., 2006
Eksperiandova y
Shcherbakov, 2006
Huige y Thijssen,1972
Omran y King, 1974
Omran y King, 1976
Braddock y Marcy, 1985
Thijssen, 1986
Braddock y Marcy, 1987
R. W. Hartel y L. A. Espinel, 1993
Levent Bayindirli et al., 1993
A. G. Patil, 1993
M. Matsuoka, 1996
Silke Lemmer et al., 2001
Frank G. F. Qin et al.,2003
Frank van der Ham et al.,2004
Habib y Farid,2006
Frank Qin et al., 2006
Habib y Farid, 2006
Habib y Farid, 2006
Masahiro Teduka et al., 2006
Suspensión Vs. Película
Suspensión PelículaA través de la solución
10-7 – 10-8 m/s
Alta
Partes móviles diversas
Continuo
Alta
150 - 250
A través de la capa de hielo
10-6 – 10-7 m/s
Baja
Sin partes móviles, excepto
equipo de bombeo
Discontinuo
Baja
100
Transferencia de
calor
Velocidad de
crecimiento del
hielo
Pureza del hielo
Equipo
Proceso industrial
Superficie de
contacto sólido
liquido
Inversión inicial (%)
APLICACIONES
Industria Alimentaria
Lácteos
Cervezas
Vinos
Jugos
Café
Bioprocesos
Recuperación de componentes
Críopreservación
Industria Farmacéutica
Purificación de productos
Concentración de componentes
activos
Tratamiento de aguas
Eliminación de residuos
Desalinización
Congelación Maduración Separación
FASES
OBJETIVO DE LA CRIOCONCENTRACIÓNAPLICACIÓN TÍPICA
Reducir costes de almacenamiento y transporteCrioconcentración de salmueras
Obtener agua pura a partir de agua saladaDesalinización de agua marina
Reducir el volumen a depurar. Se requiere una depuradora
de menores dimensiones. Se evitan olores y pérdidas
de componentes volátiles inadecuados para el medioCrioconcentración de aguas residuales
Elaborar un nuevo producto líquidoObtención de licor de malta producido a partir
de cerveza u otros productos análogos
Elevar el contenido de azúcares de un productoElaboración de melazas mediante
crioconcentración
Concentrar un líquido para liofilizarlo posteriormente
evitando pérdidas de aromas y volátilesCrioconcentración de te y café
Aumentar el grado alcohólico de un vino o de una sidraCrioconcentración de mosto con bajo
contenido en azúcares (icewine, vinos
dulces y de alta graduación, sidra)
Obtención de concentados de alto valor nutricionalConcentración del lactosuero
Reducir costes de almacenamiento y transporte
Obtención de concentrados de alta calidad
Crioconcentración de zumos, cervezas , vinos
y vinagres
APLICACIONES Aplicaciones en la industria alimentaria
Perspectivas de desarrollo
Crioconcentración en Película
- Aplicación de técnicas de cristalización empleadas en la
industria química para purificación de productos
orgánicos
- Régimen hidraúlico turbulento Re > 2500 en el sistema
en placa y velocidad del fluido > 1 m/s en el sistema
tubular
- Régimen de trabajo en continuo