Liofilización en la Industria Alimentaria

  Si bien es cierto, en la industria alimentaria un pilar fundamental se basa en la conservación de los alimentos. Y es que, se convierte en necesario poder contar en los diferentes hogares, con productos que mantengan sus propiedades organolépticas y nutritivas con que originalmente fueron sintetizados.  Para que así de parte de la industria se reciba la garantía de que lo que se va a consumir proviene de un procesamiento responsable.

En respuesta a esta necesidad, surge mediante la técnica de sublimación, la liofilización. Este mecanismo se basa en la desecación de un producto mediante un congelamiento inicial, posterior a esto, el removimiento del hielo aplicando calor en condiciones de vacío, permitirá que el hielo sublime evitando el paso por la fase líquida. Este proceso otorgará la prolongación de la vida útil de los productos y la preservación de sus cualidades que percibimos con los sentidos.

Es digno mencionar, que este tipo de tratamiento es factible también en la preservación de elementos biológicos tales como células, vacunas, enzimas, levaduras, virus, algas, sueros, etc. Ya que, la estructura fisicoquímica de los mismos no se verá afectada en ningún momento debido a su estabilidad microbiológica.  Lo que es ampliamente ventajoso porque  posibilitará la conservación del material sin cadena de frío. Es decir, que se podrá conservar sin la necesidad de una cámara de enfriamiento, lo que facilita finalmente su transporte.

Ahora bien, para arrancar con la descripción de este proceso, es necesario definir lo que es la sublimación como tal. Y es que este fenómeno, se basa en el paso de una sustancia de estado sólido directamente a estado gaseoso, sin la necesidad de atravesar la fase líquida. (Véase figura I. Sublimación del Iodo). Además de ello, se encuentra también la sublimación regresiva o deposición, que es el paso directo de gas a sólido.

Figura I. Sublimación del Iodo. De izquierda a derecha. 1) Iodo sin sublimar,
 2) Iodo durante la sublimación 3) Iodo pulverizado posterior a la sublimación regresiva.

PROCESO DE LIOFILIZACIÓN

Este mecanismo involucra cuatro etapas bien definidas, las cuales son: Preparación, congelación, desecación primaria y desecación secundaria.

I. Preparación.

Previo a iniciar un tratamiento como este, es necesario acondicionar la materia prima, ya que los productos liofilizados no se pueden manipular inmediatamente una vez terminado el proceso. Esta preparación puede significar en guisantes o arándanos por ejemplo, el agujerarles la piel finamente con el objetivo de aumentar su permeabilidad. (Véase figura II. Guisantes liofilizados y figura III. Maíz liofilizado)  Por otra parte, la concentración de líquidos se controla con el fin de bajar el contenido del agua para acelerar la liofilización.

Figura II. Guisantes Liofilizados

Figura III. Maíz Liofilizado

II. Congelación.

Esta etapa puede llevarse a cabo en el equipo mismo de liofilizado, o en congeladores independientes. Y se realiza con el fin de congelar el agua libre del producto, bajando la temperatura entre -40 y -20ºC. El agua libre de un producto, se define como el medio necesario que requieren los microorganismos para efectuar reacciones metabólicas, por lo que puede denotarse la importancia que tiene la liofilización en si misma al eliminar por sublimación este líquido primario.

En esta etapa de congelamiento, para la optimización del procedimiento, es fundamental  conocer y controlar tres factores:

·   Temperatura máxima de solidificación.

·   Velocidad óptima de enfriamiento.

·   Temperatura mínima de fusión incipiente.

Con respecto a la velocidad óptima de enfriamiento, puede verse la diferenciación en el Cuadro 1. Velocidad de congelamiento.

Cuadro I.

Con el manejo de estas variables, se pretende que el producto congelado tenga una estructura sólida, sin que haya líquido concentrado para que el secado ocurra únicamente por sublimación. Estas estructuras sólidas pueden presentarse en forma de cristales de hielo eutécticos, mezclas de eutécticos y zonas vítreas amorfas. (Véase figura IV. Estructura cristalina del hielo) Las regiones amorfas se dan cuando hay presencia de azúcares, alcoholes, cetonas, aldehídos y ácidos. 

Figura IV. Estructura cristalina del hielo

  I. Desecación Primaria.

En esta fase de la liofilización, se debe trabajar con presión reducida mediante una bomba de vacío y un calor de sublimación controlado (550 kcal/kg en el caso del agua).

Esta se realiza en la cámara de secado, que industrialmente utiliza la conducción y radiación para proveer de calor. Ya que los efectos se combinarán al exponer el producto sobre bandejas con placas calefactoras separadas a una distancia bien definida.

A la hora de que el hielo del producto empieza a sublimar, el vapor es captado por un condensador que debe tener capacidad suficiente de enfriamiento para condensarlo todo a una temperatura menor a la del producto.

Para optimizar un correcto desempeño de esta fase, es primordial efectuar controles sobre la velocidad de secado y la velocidad de calentamiento de las bandejas. Pues, si se seca de manera apresurada, el producto podría dirigirse hacia el condensador, y por ende se desgastaría perdiendo materia. Ahora bien, si se da un calentamiento veloz de las bandejas, el producto podría fundirse y perder calidad. No obstante, al finalizar esta primera desecación, la temperatura del producto aumentará asintóticamente a la temperatura de las placas.

II. Desecación Secundaria.

Esta última etapa se da a partir de la desorción. Esta consiste en evaporar el agua no congelable del producto, logrando que la humedad final del alimento sea menor al 2%. En este punto, la temperatura de las bandejas puede subir sin riesgo de que se produzca fusión, pues no hay existencia de agua libre en estado sólido. Sin embargo, el cuidado principal que se debe tener es con respecto a la presión, ya que esta debe estar al mínimo asimilando capacidades de vacío.

Finalmente, se obtendrá un producto con un índice de humedad mínimo, y con las propiedades y valores nutricionales intactos. Además, este producto puede ser rehidratado para su cocción o manipulación. 

ANEXOS

ANEXO I. Diagrama de fases del Agua (Punto Triple: Temperatura de sublimación)

ANEXO II. Lista de productos liofilizados.

ANEXO III Planta de liofilización Chubut, Argentina 

ANEXO IV. Ventajas del liofilizado.

"Destilación fraccionada en la industria energética: Petroleo y algunos de sus derivados."

   En los procesos industriales es fundamental la aplicación de técnicas químicas, que favorezcan una adecuada síntesis de productos y que consoliden además un aprovechamiento máximo de la materia prima. Estos procesos involucran una compleja metodología que debe ser cumplida a cabalidad, para obtener así el mayor rendimiento posible en la obtención de distintos materiales o sustancias.

En el proceso para la obtención de hidrocarburos a partir del crudo, se cumple meramente la anterior afirmación. Esto debido a que, el mecanismo que se debe seguir para la consumación de los derivados del petróleo, involucra una serie de pasos y técnicas que deben darse bajo condiciones controladas.Tal tratamiento del crudo se basa específicamente en la destilación fraccionada, ya que mediante la diferenciación de temperaturas de ebullición, se logra contar por separado con distintas sustancias que serán útiles para gran cantidad de aplicaciones.

La destilación como tal, es una técnica de separación de mezclas, por la cual se pueden disociar los componentes de una solución líquida, que presentan puntos de ebullición considerablemente alejados. Esta arranca con un calentamiento que hará que se evapore en primera instancia, el constituyente con un menor punto de ebullición para que posteriormente se trasmita el gas mediante un condensador que lo enfriará, y se logre contar con el ingrediente en su estado original; solamente, que de forma destilada. (Véase figura I. Equipo de destilación simple de laboratorio ITCR, Costa Rica)

Figura I. Equipo de destilación simple de laboratorio ITCR, Costa Rica.

Como bien se señaló previamente, en el caso del petróleo es necesario utilizar la destilación fraccionada. Este sistema, presenta el mismo principio de la destilación simple, únicamente que se aplica para soluciones en las que sus constituyentes tienen puntos de ebullición relativamente cercanos.

Además, como bien se sabe, del crudo se extraen gran cantidad de sustancias, por lo que lo más conveniente es distribuir la destilación mediante una columna de fraccionamiento, para así contar con un proceso eficaz. (Véase figura II. Ejemplos de derivados del petróleo)

Figura II. Derivados del petróleo

La torre de destilación, se basa en un conducto dividido internamente por platos en los cuales se da el contacto entre la fase líquida y gaseosa. Esta semi-segmentación, permitirá que las sustancias con un mayor punto de ebullición, permanezcan en el la parte inferior de la tubería. Contrario a lo que sucede con los derivados de menor punto de ebullición, que subirán gradualmente hasta el segmento adecuado donde se condensan. (Véase figura IIl. Torre de Destilación industrial)

Figura III. Torre de destilación

Inicialmente, para que este traslado cinético ocurra, es necesario calentar el petróleo entre 350 y 400ºC. Así este podrá ascender a través de los comportamientos de la torre, y en cada piso determinado se condensará una sustancia distinta dependiendo de su punto de ebullición. Los primeros vapores que se licúan son los del gasóleo pesado a 300ºC. Es decir, ocuparán la segmentación inferior del conducto, ya que presentan un  punto de ebullición considerablemente alto.

De esta sección, se extraerá lo correspondiente a residuos sólidos, estos por su parte, contienen 20 carbonos en adelante. Donde es fácil distinguir que de 20 a 35 carbonos, se encuentran las parafinas y los aceites lubricantes que disponen de 350ºC como temperatura de ebullición. De 25 a 35 está el combustóleo pesado que evapora entre 325 y 400ºC. 

                                                                                                          

Finalmente de 39 Carbonos en adelante, se obtiene al asfalto. Posterior a esto, en un nivel ascendente, se transmitirá el gasóleo ligero a una temperatura de 200º C. Esta sustancia, se utiliza como combustible para hornos y motores diésel, presenta de 15 a 18 átomos de Carbono y gasifica entre 250 y 320ºC. 

A continuación, proseguirá el Queroseno,  que presenta una  temperatura de ebullición entre los 170 y 250ºC aproximadamente. Este compuesto posee de 10 a 14 Carbonos, y se caracteriza por utilizarse como combustible de avión. (Véase figura IV. Estructura molecular del Queroseno)

Figura IV. Estructura molecular del Queroseno

Un nivel hacia arriba, se encuentra la nafta y la gasolina, que se disponen entre 40 y 140ºC para evaporarse. Esta última, posee de 5 a 9 Carbonos y se utiliza en automóviles como bien se conoce.

Finalmente, en la sección superior de la torre, se encuentran los productos gaseosos que volatilizan entre -165 y 30ºC. Estos poseen de 1 a 4 Carbonos, y se venden en el mercado como combustibles para hogares y edificios; tales como el utilizado en cocinas que requieren esta fuente de energía. Entre estos productos gaseosos se encuentran el metano y el etano - los cuales son incondensables -  y el gas licuado que se distribuye en cilindros y tanques estacionarios conformados ya sea por propano o butano. (Véase figura V. Cilindros de gas Propano)

Figura V. Cilindros de Gas Propano

Es notable apreciar, que a medida que aumenta la cantidad de átomos de Carbono en una sustancia y otra, aumenta su punto de ebullición. Y que además, esta servirá para determinar en qué canal del conducto será succionada. Por otra parte, es conciso anotar que desde el nivel inferior hasta el nivel superior de la torre de fraccionamiento, todos los derivados muestran un uso o una aplicación en la que pueden ser empleados. Razón que si bien es cierto podría justificar la dependencia del ser humano para con estas sustancias obtenidas a partir del petróleo.