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Universidad Nacional del Callao
Facultad de Ingeniería Pesquera y de Alimentos
UNIDAD DE INVESTIGACION DE LA FACULTAD DE INGENIERIA
PESQUERA Y DE ALIMENTOS
INFORME FINAL DEL TEXTO
“TEXTO: LIOFILIZACION DE
ALIMENTOS. CÁLCULOS PARA EL
DISEÑO DE UN LIOFILIZADOR
INDUSTRIAL”
AUTOR: Prof. Dr. David Vivanco Pezantes
(PERIODO DE EJECUCIÓN: Del 01/Mayo/2015 al 30/Abril/2017)
(Resolución de aprobación Nº 302-2015-R)
CALLAO - 2017
AGRADECIMIENTO
A mis profesores de la АГТУ – Астраханский Госудорственний Текнический
Университет (Universidad Técnica Estatal de Astrakhan) de Rusia:
Абдульманов, Широков, Галимова, Гаврилкин y Голиков de la cátedra de
Maquinarias Frigoríficas, por los conocimientos que nos alcanzaron y las dudas
que lograron despejar de nuestras mentes en el área de refrigeración y aire
acondicionado.
1
Pag.
I INDICE 1
Índice de Figuras 3
Indice de tablas 5
II PROLOGO 6
III INTRODUCCIÓN 7
IV CUERPO DEL TEXTO O CONTENIDO 9
CAPITULO I. INTRODUCCIÓN A LA LIOFILIZACION 9
CAPITULO II. ETAPAS DE LA LIOFILIZACIÓN 12
2.1 Variación de la humedad y temperatura durante la liofilización 12
2.2 Calculo para el proceso de secado por sublimación 15
CAPITULO III. VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LA LIOFILIZACIÓN 24
CAPITULO IV. PARTES GENERALES DEL EQUIPO DE
LIOFILIZACIÓN
28
4.1 Instalación modelo de un sistema de liofilización a escala industrial 28
4.2 Calculo de las cargas térmicas y del fluido calo-portador en un
liofilizador
31
4.2.1 Determinación de la cantidad total de humedad retirada del
producto durante el secado
31
4.2.2 Periodo de enfriamiento y congelado. 33
CAPITULO V. LIOFILIZADORES A ESCALA DE LABORATORIO PARA
INVESTIGACIÓN
36
5.1 Liofilizador de laboratorio L101 de la marca LIOTOP fabricación
brasileña.
36
5.2 Liofilizador de laboratorio L120 de la marca LIOTOP fabricación
brasileña.
37
5.3 Liofilizador Telstar. LyoBeta Mini. Liofilizador de laboratorio de
sobremesa de fabricación española.
39
2
CAPITULO VI. CALCULOS PARA EL DISEÑO DE UN LIOFILIZADOR
INDUSTRIAL
42
6.1 El túnel de Congelado
42
6.1.1 Calculo del tiempo de enfriamiento y congelado del producto
seleccionado para el proceso de liofilización.
42
6.1.2 Dimensionamiento de las bandejas. 46
6.1.3 Dimensionamiento del carro porta-bandejas. 46
6.1.4 Dimensionamiento del túnel de Congelado. 47
6.1.5 Cálculo de las cargas térmicas. 48
6.1.6 Sistema de doble compresión para el túnel de congelamiento 56
6.1.7 Cálculos del sistema de doble compresión 60
6.2 Cámara de secado o Liofilizador 64
6.3 Condensador- sistema de condensación 70
6.3.1 Datos de Diseño de los Condensadores 71
6.3.2 Calculo de diseño del condensador 74
6.4 Sistema de vacio 77
6.4.1 La presión de trabajo 77
V REFERENCIALES 81
VI APÉNDICE 83
VII ANEXO 84
3
INDICE DE FIGURAS
Pag.
Figura 1.1 Esquema de una instalación de Liofilización 9
Figura 1.2 Tiempo de la duración de la sublimación vs tiempo para
pescado desmenuzado en bloques
11
Figura 2.1 Cinética de la variación de la humedad con el tiempo y
humedad del producto durante la liofilización
13
Figura 2.2 Variación de la temperatura durante la liofilización 13
Figura 2.3 Diagrama de fases – punto triple 16
Figura 2.4 Proceso de gestión de la Liofilización. (A) Esquema de
distribución de los elementos sensibles de control de temperatura (B)
Termograma del proceso
18
Figura 2.5 Gráfica de simulación de la curva de los tiempos de secado
por liofilización de la carne de vacuno en láminas
23
Figura 4.1 Instalación de secado por sublimación – instalación de
Liofilización
28
Figura 4.2 Balance de masa en el liofilizador 32
Figura 5.1 Liofilizador a escala de laboratorio L 101 marca LIOTOP del
Brasil
36
Figura 5.2 Liofilizador a escala de laboratorio L 120 marca LIOTOP del
Brasil
38
Figura 5.3 Liofilizador a escala de laboratorio Telstar. LyoBeta Mini.
Fabricación española
40
Figura 6.1 Curva de enfriamiento y congelado de láminas de carne de
vacuno de 5cm de espesor
45
Figura 6.2 Vista de perfil de la bandeja del carro porta-bandeja 46
Figura 6.3 Carro porta-bandeja del túnel de congelado para carne de
vacuno
47
Figura 6.4 Vista frontal del túnel de congelado de carne de vacuno 47
Figura 6.5 Vista de perfil del túnel de congelado para carne de vacuno 48
Figura 6.6 Sistema de doble compresión y depósito intermedio con
enfriamiento
57
Figura 6.7 Esquema del secador por sublimación 65
4
Figura 6.8 Tapa y fondo del liofilizador cilíndrico horizontal 66
Figura 6.9 Con valores de 𝐿/𝐷𝑜 y 𝐷𝑜/𝑡 se obtiene el valor del factor A 68
Figura 6.10 Con los valores del factor A y de tensión del material de
construcción a una temperatura de referencia del recipiente se obtiene
el valor del factor B
69
Figura 6.11 Esquema del sistema de condensación del liofilizador para
la condensación de los vapores del alimento liofilizado
71
Figura 6.12 Simulación del tiempo de liofilización para carne de
vacuno
73
Figura 6.13 Curva simulada de los valores de la presión de la cámara
como función a la temperatura de cámara del liofilizador
79
5
INDICE DE TABLAS
Pag.
Tabla 1.1 Simulación del tiempo de sublimación para pescado
desmenuzado en bloques
11
Tabla 2.1 Valores de las humedades en base seca de algunos
productos en el proceso de la Liofilización
18
Tabla 2.3 Valores simulados en la determinación del tiempo de secado
por liofilización de láminas de carne de vacuno
23
Tabla 3.1 Ventajas y desventajas de la liofilización 24
Tabla 3.2 Algunos productos liofilizados de importancia en el mercado
industrial
26
Tabla 6.1 Propiedades físicas de la carne de vacuno 43
Tabla 6.2 Coeficientes peliculares de transferencia de calor posibles 43
Tabla 6.3 Tiempo de las etapas de enfriamiento y congelado de
láminas de carne de vacuno
46
Tabla 6.4 Valores para el diseño de los equipos de frio 49
Tabla 6.5 Calor liberado por los motores 54
Tabla 6.6 Resumen de las cargas de calor 55
Tabla 6.7 Valores de presión, temperatura, entalpia y volumen
especifico de para el diagrama de compresión de doble etapa
61
Tabla 6.8. Valores de las constantes 76
Tabla 6.9. Valores simulados de la Presión de cámara del liofilizador 78
6
II. PROLOGO
A nivel conceptual una planta liofilizadora de alimentos a escala
industrial se ha de indentificar como una planta de proceso a baja
temperatura y presión reducida que estará siempre compuesta por un
congelador, un autoclave que deberá operar a presión de vacío, un
condensador y un sistema de vacío y de los sistemas auxiliares como
partes que controlaran el proceso.
El sistema de proceso será la instalación de liofilización que
efectúa el congelamiento del agua del producto, la evaporación de este
sin mojarse, consiguiendo así, la eliminación de una gran parte de la
humedad, obteniendo un producto seco a partir de una materia-prima
seleccionada. Es decir para conseguir este objetivo, los equipos a usarse
deberán estar correctamente diseñados y donde se procesan
adecuadamente el alimento.
Los equipos componentes del sistema, deberán tener interconexión
entre sí, obviamente obedeciendo a la optimización de los espacios y de
la calidad de los materiales involucrados en su construcción. Se contará
con la energía eléctrica suministrada para que puedan funcionar los
equipos eficientemente y de los sistemas de control que trabajaran y
corregirán las posibles desviaciones que se presenten al respecto.
En este proyecto de elaboración de un texto sobre liofilización
aplicado al diseño de un liofilizador a escala industrial, los capítulos
guardan una secuencia de los aspectos teóricos hasta una exposición de
las correlaciones matemáticas de Calculo en el proceso de la liofilización
de alimentos usados en la industria alimentaria, se realizó una abstracción
matemática necesaria en el ámbito de la Ingeniería.
7
III. INTRODUCCION
El material aquí presentado es una parte de los conocimientos
adquiridos durante el curso de SECADO DE ALIMENTOS dictado por el
suscrito en la Facultad de Ingeniería Pesquera y de Alimentos de la
Universidad de la Universidad Nacional del Callao.
El objetivo fue presentar un texto sobre aspectos tecnológicos y de
ingeniería sobre el proceso de la liofilización, como una de las tecnologías
de barreras más usadas por la industria de alimentos, ilustrado con
algunos ejemplos y simulando los ejercicios resueltos con el software
comercial de Excel de la MicroSoft corporación vs.7. que se encuentra en
todas las Pc de uso diario.
Se procuró en algunos ejercicios, presentar paso a paso, todas las
etapas de resolución de los ejemplos usando el programa ya mencionado,
y se trato de interpretar los resultados desde el punto de vista práctico e
ingenieril.
El uso de metodologías de cálculo está siendo aplicada por las
variadas actividades científicas e industriales en el control de procesos y
diseño de los equipos que resulta en la reducción de costos y del trabajo
exploratorio mediante procesos de simulación.
El capítulo 1, trata de los conceptos preliminares del proceso de la
liofilización.
El capítulo 2, aborda básicamente las etapas por la que transcurre
la sublimación del hielo en el alimento.
El capitulo 3, aborda las ventajas y desventajas del proceso de la
liofilización
8
El capítulo 4, describe las partes generales de un equipamiento de
liofilización teniendo en cuenta la geometría estandarizada para su
construcción.
En el capítulo 5, se describen los Liofilizadores a escala de
laboratorio que se emplea en la industria de alimentos y que forma parte
de la armadura experimental de los Departamentos I+D+i
En el capítulo 6, se presenta el proyecto de ingeniería de los
cálculos básicos (no en detalle) para el diseño de un liofilizador a escala
industrial.