LIOFILIZACION-termodinamica

TERMODINAMICA

INTEGRANTES:

A

B

C

D

UNIVERSIDAD NACIONAL

FEDERICO VILLAREAL

FACULTAD INGENIERIA INDUSTRIAL Y DE SISTEMAS

UNFV / FIIS / EPIA [LIOFILIZACIÓN]

Termodinámica

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ÍNDICE

I. INTRODUCCIÓN .................................................................................................................... 4

II. LIOFILIZACIÓN ................................................................................................................ 4

2.1 DEFINICIÓN ........................................................................................................................... 5

2.2 FUNDAMENTOS DE LA LIOFILIZACIÓN ......................................................................... 6

Vista de los micros poros en productos liofilizados..................................................................

3.5 IMPORTANCIA DE LA LIOFILIZACIÓN ........................................................................... 9

2.3 APLICACIONES ................................................................................................................... 10

III. PROCESO DE LA LIOFILIZACIÓN ............................................................................. 11

3.1SIMBOLOGÍA ........................................................................................................................ 12

3.2 ETAPAS DE LA LIOFILIZACIÓN. ..................................................................................... 13

3.2.1 La congelación ................................................................................................................ 16

3.2.1.1. Porosidad del producto ................................................................................................... 18

3.2.1.2. Mecanismo de transferencia de calor durante el equilibrio de la congelación. .......... 18

3.2.2 La sublimación ................................................................................................................ 18

3.2.2.1 Secado Primario por sublimación del hielo .................................................................. 19

Mecanismo de transferencia de calor y masa durante la sublimación. ........................... 23

Mecanismo de remoción de agua en el secado secundario. ........................................... 24

3.2.3. Almacenamiento del producto seco en condiciones controladas ..................................... 24

3.3 LIOFILIZACIÓN ATMOSFÉRICA ...................................................................................... 26

3.4 SISTEMA CONTINUO DE ABSORCIÓN.......................................................................... 27

3.4.1 funcionamiento de una máquina de aire acondicionado a absorción ................................ 28

IV. MODELOS MATEMÁTICOS EN LA LIOFILIZACIÓN ............................................ 31

3.5.1. Ecuaciones de diseño y modelos matemáticos de la liofilización ...................................... 31

V. ASPECTOS FUNDAMENTALES DE UNA INSTALACIÓN DE LIOFILIZACIÓN ... 36

VI. EL CONTROL DE CALIDAD EN LA LIOFILIZACION DE ALIMENTOS ............ 38

VII. VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LA LIOFILIZACIÓN......................................... 42

Quitar el agua guarda el alimento del estropeo por un período de tiempo largo............... 42

La liofilización perceptiblemente reduce el peso total del alimento. .................................. 42

VIII. EQUIPOS DE LIOFILIZACIÓN ................................................................................. 46

1) Partes Generales del equipo de Liofilización ...................................................................... 48

a. Cámara del liofilizador ......................................................................................................... 49


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b. Condensador ........................................................................................................................ 49

c. Sistema de vacío .................................................................................................................. 49

d. Instrumentación .................................................................................................................. 49

2) Clases de equipos ................................................................................................................ 50

3) Industrias de liofilización destacadas ................................................................................. 51

IX. PRODUCTO LIOFILIZADO ........................................................................................... 52

X. LIOFILIZACIÓN EN LA INDUSTRIA .............................................................................. 59

1. LAS VENTAJAS DE LA PLANTA ............................................................................................. 61

2. PROCEDIMIENTOS HABITUALES EN LA PLANTA ................................................................. 62

3. APLICACIONES DE LOS LIOFILIZADORES DE PRODUCCIÓN ................................................ 66

4. LA LIOFILIZACIÓN DE PRODUCTOS FARMACÉUTICOS ........................................................ 67


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I. INTRODUCCIÓN La liofilización es un proceso de deshidratación de productos bajo baja presión (vacío) y moderada temperatura. En la liofilización no ocurre la evaporación del agua a partir del estado líquido - normal en procesos de secados - sino la sublimación del hielo. Por este motivo los productos deben permanecer obligatoriamente solidificados (congelados) durante el secado. La liofilización es un conjunto de procesos – no solo el secado – y en ello el material resultante se presentará seco, pero con todas las características del producto original - forma, color, aroma, sabor y textura estarán preservados en el producto seco. Eso diferencia y destaca el proceso de liofilización de los otros utilizados en deshidrataciones.

La liofilización es una forma de desecado en frío que sirve para conservar sin daño los más diversos materiales biológicos. El producto se conserva con muy bajo peso y a temperatura ambiente y mantiene todas sus propiedades al rehidratarse.

II. LIOFILIZACIÓN Es el procedimiento más sofisticado para comercializar en polvo un líquido orgánico. Este es un sistema que comprobadamente, en una larga serie de medicamentos y otros productos naturales líquidos o en material vegetal fresco, permite una deshidratación completa sin el aumento de temperatura que puede hacer variar la composición química y la actividad curativa del producto final. Se usa generalmente en la preparación comercial de antibióticos, de algunas vacunas y de muchos productos vegetales alimenticios y saborizantes. Es un proceso de congelación - desecación (freeze-drying).


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Como todos sabemos, según la temperatura, una sustancia cualquiera tiene tres estados: sólido, líquido y gaseoso. Si queremos convertir el agua en gaseosa (vapor) la tenemos que hervir o por lo menos dejarla reposar largo tiempo para que “se seque” espontáneamente. Si queremos que un pedazo de hielo se derrita, le aplicamos el calor ambiental o lo calentamos para acelerar su licuación. La liofilización consiste en sacarle el agua a una sustancia congelada saltándonos el pasaje por el estado líquido: se congela una solución acuosa de la sustancia química que deseamos liofilizar y, a esa baja temperatura que impide cambios químicos de deterioro, se le somete a un alto vacío que hace pasar el agua del estado sólido al estado gaseoso, sin pasar por el estado líquido. Es una forma de secar un producto químico a temperaturas bajísimas, sin el deterioro que produciría el recalentamiento. El resultado de la liofilización lo conocemos por una serie de alimentos y algunas medicinas de consumo masivo. Cebollas y ajos, sopas, ciertos cafés importados, productos medicinales (vacunas, antibióticos, uña de gato), etc., se producen por liofilización. Estos productos en el caso de los alimentos, tienen la virtud de recuperar, en un alto porcentaje, su sabor y textura originales. La diferencia con el producto original está en el trozado, ya que se trata de congelar y sublimar rápidamente el agua, se requiere que los trozos tengan la máxima superficie de evaporación; en otras palabras, tienen que ser pequeños, ya que, cuanto menor el tamaño mayor la superficie con relación al volumen. Es por esto que en las sopas liofilizadas, la cebolla, el ajo y otros productos de sabores complejos y delicados vienen en polvo o en trozos pequeños. A cambio de eso, a pesar de haber sido cosechados a gran distancia, trozados o pulverizados, envasados al vacío y mantenidos en estantes por largo tiempo, conservan intactas sus características. Esto es de suma importancia para la comida que, además de las cualidades alimenticias, deben de conservar su sabor y de crucial importancia para las plantas medicinales que deben conservar sus principios activos

2.1 DEFINICIÓN

La liofilización es una forma de desecado en frío que sirve para conservar sin daño los más diversos materiales biológicos. El producto se conserva con muy bajo peso y a temperatura ambiente y mantiene todas sus propiedades al rehidratarse. En el proceso, primero se congela el material, y luego el hielo se elimina por sublimación.


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La liofilización es un proceso que consiste en desecar un producto previamente congelado, lográndose la sublimación del hielo bajo vacío. Es por lo tanto el paso directo del hielo (sólido) a gas (vapor), sin que en ningún momento aparezca el agua en su estado líquido. Se obtiene una masa seca, esponjosa de más o menos el mismo tamaño que la masa congelada original, mejorando su estabilidad y siendo fácilmente redisuelta en agua.

2.2 FUNDAMENTOS DE LA LIOFILIZACIÓN

El proceso de liofilización consta de dos etapas: congelación y secado. La congelación debe ser muy rápida con el objeto de obtener un producto con cristales de hielo pequeños y en un estado amorfo. La etapa de secado se realiza a presiones bajas para permitir la sublimación del hielo. En la Figura se presenta un diagrama de fases del agua, mientras que en la siguiente Figura se presentan las etapas del secado por liofilización.

La sublimación sólo puede conseguirse si la temperatura y la presión parcial de vapor del agua (hielo) son inferiores a las del punto triple del agua. En la gráfica se representa la presión de vapor del agua en función de su temperatura, se puede apreciar que el punto triple del agua se sitúa a la presión de 610 Pascal (4.58 Torr = 4.58 mm de Hg). para una temperatura de 0.01°C.

Diagrama de fases del agua

Frambuesas liofilizadas en el laboratorio de ensayos donde se determinan las condiciones óptimas para la liofilización de cada producto.


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Estos valores corresponden al agua puro pero en los alimentos no existe agua pura sino disoluciones más o menos concentradas de sólidos en agua. En consecuencia el punto triple se desplaza hacia temperaturas más bajas, según la concentración de estos sólidos. El proceso de liofilización se desarrolla en tres fases:

1- La fase de precongelación hasta la temperatura en la que el material está completamente sólido, que será inferior a 0°C.

2- La fase de sublimación propiamente dicha, también llamada "desecación primaria" en la que se elimina alrededor del 90% del agua. Lo que lleva al producto a una humedad del orden del 90%. Se elimina el hielo libre.

3- La fase de "desorción" o "desecación secundaria", que elimina el 10% de agua ligada restante. Con lo que se puede llegar hasta productos de una humedad del 2%. Esta fase consiste en una vaporización a vacío, a una temperatura positiva de 20 a 60°C.

Fuente: http://www.labconco.com En la gráfica se representa, sobre el diagrama de fases, la comparación de los procesos que tienen lugar en el secado evaporativo y en la liofilización. En el secado evaporativo el agua en el punto A es calentada hasta alcanzar el equilibrio con su presión de vapor en B. En este punto si se suministra la energía correspondiente al calor latente de vaporización, se produce el paso de líquido a vapor. En el secado por liofilización el agua en el punto A se enfría hasta un punto inferior al de congelación D. Cuando el agua está completamente congelada, se reduce la presión, se hace vacío, hasta el punto E consiguiendo una presión absoluta inferior a la presión de vapor del hielo. Por último, con el suministro del calor latente de cristalización y evaporación, el hielo sublima a vapor de agua a temperatura constante. Como los constituyentes del material están congelados, permanecen inmo-vilizados durante la sublimación. La forma de la sustancia seca es prácticamente la misma que la de la congelada y se reduce o incluso se elimina la migración de sólidos hacia la superficie. Como el secado por liofilización tiene lugar a baja

La congelación en frascos puede aumentar la relación superficie a volumen, distribuyendo el producto congelado dentro del frasco.


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temperatura, se minimizan los daños por calor y se retienen los componentes volátiles. El secado por atomización requiere exposiciones a temperaturas de más de 100°C durante periodos de segundos, el secado en homo requiere temperaturas típicas de 60°C durante periodos de minutos, y la liofilización expone el material a temperaturas por debajo de 0°C durante periodos de horas.

Fuente: http://www.labconco.com Por otra parte como los cristales sublimados de hielo dejan cavidades, el material seco contiene miles de intersticios por los que el agua puede penetrar produciendo una rápida y completa rehidratación cuando sea necesaria.

Fuente: http://www.labconco.com

Vista de los micros poros en productos liofilizados

La temperatura ambiente proporciona calor para estimular la extracción del vapor de agua de las muestras congeladas.


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3.5 IMPORTANCIA DE LA LIOFILIZACIÓN

La liofilización se ha mostrado como un método efectivo para ampliar la vida media de los alimentos y tiene dos características importantes:

1. Virtual ausencia de aire durante el procesado. La ausencia de aire y la baja temperatura previene el deterioro debido a la oxidación o las modificaciones del producto.

2. Secado a una temperatura inferior a la ambiente: los productos que se descomponen o sufren cambios en su estructura, textura, apariencia, y/o aromas como consecuencia de temperaturas altas, pueden secarse bajo vacío con un daño mínimo.

Los productos liofilizados que han sido adecuadamente empaquetados pueden ser almacenados durante tiempos ilimitados, reteniendo la mayoría de propiedades físicas, químicas, biológicas y sensoriales de su estado fresco; además, reduce las pérdidas de calidad debidas a las reacciones de pardeamiento enzimático y no enzimático. Sin embargo, la oxidación de lípidos, inducida por los bajos niveles de humedad conseguidos durante el secado, es superior en los productos liofilizados. Esta oxidación lipídica puede controlarse con envasados en paquetes impermeables al paso del oxígeno. El pardeamiento no enzimático apenas ocurre durante el secado, ya que la reducción de la humedad del producto en el proceso es casi instantánea. El uso de bajas temperaturas también reduce la desnaturalización de proteínas en este tipo de secado. Los productos liofilizados pueden volver a su forma y estructura original por adición de agua. La estructura esponjosa del producto liofilizado permite una rápida rehidratación del mismo. Las características del producto rehidratado son análogas a las que poseía el producto fresco. La porosidad de los productos liofilizados permite una rehidratación mucho más completa y rápida que la de alimentos secados con aire. Sin embargo, una de las mayores desventajas de la liofilización son los costos energéticos y los largos períodos de secado. Es importante resaltar que en el contexto del presente libro la liofilización se discute sólo en términos de la relación agua-alimento, pero esta operación se puede utilizar para eliminar otros tipos de líquidos en mezclas complejas. Algunos de los productos comerciales obtenidos por liofilización son extractos (de café y té), verduras, frutas, carnes y pescado. Estos productos son ligeros, poseen de un 10% a 15% del peso original y no requieren refrigeración; incluso se puede llegar a obtener productos con humedad inferior al 2%. Carnes, pescado y polio se pueden secar sin que el producto quede aplastado o desmenuzado.


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2.3 APLICACIONES

Por regla general, la liofilización da lugar a productos alimenticios de más alta calidad que con cualquier método de secado. El factor principal es la rigidez estructural que se preserva en la sustancia congelada cuando se verifica la sublimación. Esto evita el colapso de la estructura porosa después del secado. Al añadir agua posteriormente, el producto rehidratado retiene la mayor parte de su estructura original. La liofilización de materiales biológicos y alimenticios también tiene la ventaja de que conserva su sabor o aroma. Las temperaturas bajas que se emplean reducen al mínimo las reacciones de degradación que casi siempre ocurren en los procesos comunes de secado. Sin embargo, el secado por congelación es una forma de deshidratación de alimentos bastante costosa, debido a la velocidad lenta de secado y a la necesidad de usar vacío. (C. J. Geankoplis 1999) La primera aplicación de la liofilización reportada por R. Altman (1890), quien utilizó un sistema similar a la liofilización, fue la preservación de tejidos animales. B. W. Hammer (1911), comprobó la posibilidad de preservar bacterias utilizando el método de Shackell. L. A. Roger (1914), reportó el uso del proceso de liofilización para preparar grandes cantidades de ácido láctico; y en 1958 se aplicó al sector alimentario enfocándose solamente a unos pocos alimentos, como la leche, las sopas, los huevos, la levadura, los zumos de frutas o el café. Oscar Cuper (1965), aplicó la liofilización a diferentes alimentos, (carnes, frutos de mar, hortalizas, infusiones). J. Alvarado (1979), aplicó los principios de liofilización atmosférica (sin vacío), a diferentes variedades de papa. La mayor aplicación de la liofilización está en el campo farmacéutico (comprimidos, tejidos, plasma, sueros y otros productos biológicos), en la industria química para preparar catalizadores, seguida del secado de materiales orgánicos como madera, flores, preservación de animales (taxidermia), preservación de documentos y libros antiguos y finalmente está el campo de los alimentos, siendo una de las empresas más importantes Nutripac S.A. con sus plantas en Brasil, Argentina y México. Los alimentos liofilizados han tenido un gran auge en proyectos multinacionales con el fin de preparar productos para astronautas, montañistas y comandos militares, pero en la actualidad el mercado se está ampliando al comensal común, gracias a las firmas alimentarias que descubrieron los liofilizados por su sabor intenso, su consistencia crocante y su carácter novedoso.


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III. PROCESO DE LA LIOFILIZACIÓN T. A. Jennings (1993) reportó que el primer paso del proceso de liofilización debe ser el establecimiento de una formulación o un producto reproducible, es decir, en la cual exista un control cuidadoso sobre la composición química y las concentraciones de los constituyentes activos e inactivos. Considerando los medios a través de los cuales las propiedades físicas, ópticas y eléctricas pueden ser usadas para determinar si la naturaleza de la formulación cae dentro de límites predeterminados. El punto clave en la preparación de un producto a liofilizar es la reproducibilidad. Un producto liofilizado reproducible debe comenzar con una formulación reproducible o una composición conocida. El conocimiento de la formulación o composición del producto a liofilizar es el paso más importante del proceso. La naturaleza, tiempo y gasto del proceso de liofilización son directamente dependientes de la naturaleza química y física del producto, su impacto sobre el proceso de secado y sobre la naturaleza del producto final no es frecuentemente bien entendido. La disminución del costo de la liofilización es un paso inmediato que se logrará mediante una reducción de la temperatura en la operación. Para atender este objetivo, la comprensión a profundidad de la transferencia simultanea de calor y masa del proceso es probablemente una condición sin igual (T.A. Jennings 1993; S. Khalloufi, J. L. Robert y C. Ratti 2004). T. A. Jennings (1993) indica que existen conocimientos previos de vital importancia:

En lo relacionado a la composición o formulación del producto es conveniente conocer el o los ingredientes activos y los constituyentes del producto, con la finalidad de analizar sus límites de concentración y propiedades tales como color, conductividad, índice de refracción, turbidez, etc., que al liofilizar podrían cambiar.

También es muy importante el agua contenida en el producto a liofilizar, por la formación de los cristales de hielo durante la congelación, el súper-enfriamiento, el grado de cristalización y la conductividad del hielo.

En lo referente a los cambios de fase se debe determinar qué tan homogéneo o heterogéneo son sus componentes y cuáles son las variables de estado intensivas.

Otros conceptos que deben manejarse adicionalmente son el análisis térmico, análisis térmico diferencial (ATD) Y análisis electro térmico.

Con éstos se puede comenzar el proceso de estudio y profundización de conocimientos acerca de la liofilización con mayor éxito. Además en lo relacionado al proceso es importante definir:

El tipo de congelación empleado La tecnología de vacío aplicada. Las características del equipo, así como sus limitaciones, y Las características texturales y otras propiedades del producto a obtener.


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3.1SIMBOLOGÍA


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3.2 ETAPAS DE LA LIOFILIZACIÓN.

La liofilización involucra varias etapas (Fig. 3):

Congelación (y acondicionamiento en algunos casos) a bajas temperaturas Secado por sublimación del hielo (o del solvente congelado) del producto

congelado, generalmente a muy baja presión (Fig. 4), generalmente se estudia en dos etapas, a saber: etapa primaria de y secundaria de secado.

Almacenamiento del producto seco en condiciones controladas. En la liofilización el material original está construido por un núcleo central de material congelado. A medida que el hielo se sublima, el plano de sublimación, que se inicia en la superficie exterior, penetra al interior dejando atrás una corteza porosa de material ya seco. El calor para el calor latente de sublimación del hielo, equivalente a 2838 kJ/kg (1220 btu/lbf), procede por conducción a través de la corteza de material seco. En algunos casos, también se conduce a través de la capa congelada desde la parte posterior. El vapor de agua que se forma se transfiere a través de la capa de material seco. El agua congelada se sublima a menos 0ºC y a una presión de 627 Pa o menos. Por consiguiente, las transferencias de calor y de masa se verifican simultáneamente. (M. R. Okos, et al 1992; C. J. Geankoplis 1999; P. Fellows 2000) Durante este proceso hay absorción de calor y hay que evitar que la mezcla supere la temperatura eutéctica, a fin de que durante todo el proceso permanezca en estado sólido. Procediendo de este modo los productos orgánicos termolábiles conservan sus propiedades indefinidamente y recuperan su forma y estado primitivo al hidratarlos. En los estudios biológicos la liofilización supone el poder conservar indefinidamente cepas de bacterias y virus sin necesidad de


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resiembras, etc.

En el secado mediante la liofilización se distinguen tres fases o etapas que se esquematizan en la figura 4 (C. E. Orrego A 2003). Cuando en el proceso de liofilización comienza el calentamiento empieza a formarse un frente de sublimación o interfase entre la capa seca y la capa congelada de la muestra el cual avanza progresivamente, y, para un determinado instante, a una temperatura de interfase le corresponde una determinada. Presión de saturación. La transferencia de masa ocurre por la migración de vapores a través de la capa seca de la muestra bajo la acción de una diferencia de presión, esta transferencia es alta cuando la diferencia de presión es grande. Generalmente, al liofilizar adecuadamente un material se puede almacenar por períodos muy largos con reducciones muy bajas de sus características organolépticas, físicas, químicas y biológicas. En la figura 5 se ilustra el proceso de liofilización de un material. El calor transferido desde la fase gaseosa por conducción, convección o radiación, llega a la superficie seca y setransfiere por conducción hasta la capa congelada. En


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algunos casos, el calor tambiénpasa a través del material congelado para llegar al plano de sublimación. El tiempo total de secado debe ser lo suficientemente largo como para que el contenido final de humedad sea inferior al 5% en peso, y evitar así la degradación del producto final durante su almacenamiento. Las temperaturas máximas que se alcanzan en alimentos secos y productos congelados deben ser bastante bajas para mantener la degradación a un mínimo. (C. J. Geankoplis 1999) El proceso más común de liofilización se basa en que los gases que rodean al material suministran a la superficie del sólido el calor de sublimación necesario. Después, el calor se transfiere por conducción a través del material seco hasta la superficie congelada. En la figura 6 se muestra el modelo simplificado de Sandall y colaboradores (H. H. Steinour1944; C. J. Geankoplis 1999). En la figura 6 el flujo específico de calor a la superficie del material se verifica por convección, y una vez en el sólido seco, por conducción hasta la superficie de sublimación. El flujo de calor a la superficie es igual al que pasa por el sólido seco, suponiendo un estado seudo estacionario. Los perfiles de temperatura y humedad en el interior del alimento durante la liofilización dependen de las velocidades de transferencia de masa y calor. El calor se transfiere a través del frente de sublimación o línea frontera entre las fases congelada y seca del producto. Dependiendo de la fuente de calor la transferencia podrá ser a través de la capa congelada, la capa seca o ambas. (M. R.Okos, et al 1992; C. J. Geankoplis 1999; P. Fellows 2000; C. E. Orrego A 2003)


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EL PROCESO DE LIOFILIZACIÓN

PARTE PROCESO I Congelación del producto

II Sublimación del agua

3.2.1 La congelación La acción deshidratadora básica es la formación de hielo. Antes se pensaba, de que la sublimación del agua era el paso más importante, sin embargo ha quedado demostrado que la congelación es igual o aún más trascendente para el curso exitoso de la liofilización, ya que en esta etapa se crean las condiciones que culminarán con un secado óptimo y aún más, se determina la calidad del producto seco. Conforme la temperatura desciende el agua se congela, se cristaliza, se solidifica; este cambio de estado propicia ciertos cambios en el sistema biológico que pueden o no ser reversibles, dependiendo principalmente de la manera con la cual se llegó a la temperatura de solidificación. Es también importante que la temperatura llegue a un punto por debajo de la temperatura de solidificación y se mantenga ahí durante la liofilización o cualquier almacenamiento intermedio. El método de congelamiento se escoge según el producto mismo, el curso de la temperatura de congelación y el tipo de envase en que se encuentra el producto. El punto de congelación de un alimento dado se debe en gran parte, a la naturaleza de los constituyentes solubles y a la concentración relativa de aquellos, cuyas propiedades hacen descender el punto de congelación. FASES.- El proceso de congelación puede dividirse en dos fases:

1. Formación y crecimiento de cristales de hielo. 2. Descenso de la temperatura hasta el punto eutéctico del producto, garantizándose cristalización completa.

Los resultados obtenidos por la liofilización son influidos considerablemente por la velocidad con la que se congelan. La congelación rápida o duradera es un proceso a través del cual la temperatura, de los alimentos desciende aproximadamente unos -20°C en 30 minutos. La congelación lenta es un proceso en que la temperatura deseada se alcanza en 3 a 72 horas, tal como sucede en los aparatos domésticos de refrigeración. Si la temperatura cae lentamente estos cristales se unen para formar cristales más grandes que, al aumentar de tamaño, causan lesiones en las células por ruptura de la membrana o pared celular y estructuras internas, de forma de que al rehidratarse el producto aparece con una textura y sabor bastante diferente al original siendo imperativo, dado el caso, "no volver a congelarlos alimentos una vez que han sido congelados". Del mismo modo podemos decir que con una rápida congelación se obtienen cristales pequeños.


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El tamaño de los cristales define en gran medida la apariencia del producto. Un preparado con cristales muy pequeños tendrá una vez seco, una apariencia mucho más clara que un producto que tenía cristales más grandes y que fue lentamente congelado.

VELOCIDAD DE CONGELAMIENTO

CONGELACIÓN RÁPIDA CONGELACIÓN LENTA

La temperatura de los alimentos

desciende aproximadamente unos -20 °C en 30 min.

Cristales pequeños.

Al rehidratarse conservan textura y sabor original.

Apariencia clara del producto seco.

La temperatura deseada se

alcanza en 3 a 72 horas (aparatos domésticos de liofilización).

Cristales grandes, en su formación causan ruptura de la membrana o pared celular y estructuras internas.

Al rehidratarse presentan textura y sabor diferente al original.

Apariencia oscura del producto seco.

MÉTODOS: De los métodos de congelación que se usan en la industria, referimos los siguientes:

1. Congelación por contacto con una superficie fría denominado Método Eutectico. 2. Congelación por rotación en un baño frío o Método Dinámico, empleado para congelar grandes cantidades de líquido.

El Método particular de congelación determina la posición y las características del hielo y predetermina su accesibilidad para la desecación, tanto si se facilita o no mediante el tratamiento de las paredes celulares, por escaldado, cocimiento parcial. Si la formación del hielo no cambia durante la sublimación también se ha predeterminado así la porosidad, que tan importante papel juega en la readmisión de agua al espacio libre dejado por el hielo o rehidratación. La congelación de un producto puede tener efectos dañinos debido a la concentración de las sales o azucares en la región intersticial de la matriz. Si el crecimiento del hielo en la formulación es relativamente lento, entonces el ingrediente activo, por ejemplo proteínas, en el fluido intersticial está expuesto por largos períodos a una solución electrolítica concentrada, bajo esas condiciones, las proteínas se desnaturaliza o se vuelve inservibles para el uso final pretendido. En las células, la formación de una solución de sal concentrada, causará un incremento de la presión osmótica, el exceso del agua que ingresa a la célula destruye la membrana. La reducción del tiempo de exposición a una solución electrolítica concentrada se logra mediante una congelación rápida del producto. Así, el método de congelación es un elemento importante en la liofilización de


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algunos productos. (D. Griff y W. Rightsel, 1964; T. A. Jennings, 1993; V. Pujol et al; 1996) Finalmente, no es posible dar una indicación concreta sobre el método más apropiado de congelación por lo que, para cada producto, es necesario hacer investigaciones en el proceso da liofilización y determinar el punto de congelación y la temperatura a la cual al producto está completamente solidificado antes de comenzar con la sublimación. 3.2.1.1. Porosidad del producto La difusión de vapor aumenta con la porosidad, razón por la cual la lenta velocidad de congelación del producto provoca rápida velocidad de secado ya que los cristales formados son voluminosos y se transforman en poros después de la sublimación. Los cristales formados durante la congelación son más pequeños en cuanto mayor es el extracto seco inicial. Por lo tanto, la velocidad de liofilización disminuye cuando aumenta el extracto seco del producto (Mafart 1994; L. V. Coral A., M. A. Mora G. y K. B. Muñoz G. 2005) 3.2.1.2. Mecanismo de transferencia de calor durante el equilibrio de la congelación. El flujo de calor (q) a través de una sustancia sólida se ilustra en la Figura 3. El flujo de calor (q) puede ser obtenido mediante la ecuación (1)

Ec. (1) 3.2.2 La sublimación La sublimación del agua tiene lugar por debajo del punto triple que es el aquel donde coexisten los tres estados físicos o lo que es lo mismo, donde las tres fases se hallan en equilibrio. En la Liofilización de alimentos el problema es más complejo debido a la existencia de compuestos sólidos y soluciones líquidas de composición determinada, por lo que es necesario operar debajo de la temperatura eutéctica del producto. En el caso del equilibrio de un sólido con su vapor saturado, que varía su presión con la temperatura, la curva se llama CURVA DE SUBLIMACIÓN. Congelado el producto se inicia el proceso de la sublimación del agua mediante la transmisión de calor. El suministro de calor al producto congelado se puede hacer por conducción, radiación o fuente de microondas. Los dos primeros se utilizan comercialmente combinándose su efecto al colocarse el producto en bandejas sobre placas calefactoras separadas una distancia bien definida. De esta manera se consigue


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calentar por conducción, en contacto directo desde el fondo y por radiación, desde la parte superior. De otro lado la calefacción con microondas se manifiesta ideal, aunque se presenta dificultades para controlar la cantidad de calor añadida que puede conducir a la fusión del producto, por lo que actualmente no se conoce de su aplicación comercial. Numerosas pruebas efectuadas bajo consideración de todos los parámetros de operación, a efectos de una óptima transmisión de calor, dieron los siguientes resultados:

Espacio entre las placas calefactoras y las bandejas (recipientes de productos): No mayor de 0.5 mm.

Presión dentro de la cámara: No menor de 0.5 mbars. , por cuanto hay que considerar que al ir bajando la presión se va reduciendo el número de partículas de gas dentro de la cámara, de tal forma que la calefacción por convección es mínima a una presión de 10 mbars. y prácticamente nula a una presión por debajo de 10-2 mbars.

Al comenzar el proceso, el hielo se sublima de la superficie del producto, retrocediendo el nivel de sublimación dentro de él, teniendo entonces que pasar el vapor por capas ya secas para salir del producto. El calor es requerido en las zonas límites, punto en el cual el hielo pasa de la forma sólida a la gaseosa. Debido a la temperatura máxima admisible y a la pobre conductividad térmica del producto, el gradiente de temperatura necesaria se hace siempre mayor, debiendo cuidar de no sobrepasar la temperatura máxima admisible para el producto, a fin de no ocasionar daños en él y al mismo tiempo evitar el descongelamiento. Para tener una liofilización buena y rápida es necesario poder controlar exactamente la temperatura de las placas y tener la posibilidad de regular la presión total y parcial del sistema. El proceso de secado se divide en dos partes: el principal y el final. La principal dura mientras halla hielo por sublimar. Lo importante en él es transferir al producto una cantidad óptima de calor, a la presión más alta posible. Durante el secado final, lo importante es lograr condiciones de presión (caída de presión) que permitan el secado del producto a humedades residuales mínimas, de modo que pueda retirarse el agua intramolecular y ligada por absorción. 3.2.2.1 Secado Primario por sublimación del hielo El principio fundamental en la liofilización es la sublimación, el cambio de un sólido directamente en un gas. Justo como la evaporación, sublimación ocurre cuando una molécula gana bastante energía para romperse libremente de las moléculas alrededor de ella. El agua sublimará de un sólido (hielo) a un gas (vapor) cuando las moléculas tienen bastante energía a romperse libremente pero las condiciones no están a la derecha para que un líquido forme.


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La sublimación se utiliza para materiales que no se pueden purificar con facilidad mediante las operaciones unitarias mejor conocidas. Se ha observado un interés creciente por la separación de mezclas de componentes volátiles mediante métodos de sublimación(Gillot y Goldberger, 1969). Mafart (1994) reportó que esta primera etapa generalmente dura de 10 a 15 minutos. (L. V. Coral A., M. A. Mora G. y K. B. Muñoz G. 2005)

Las tres fases que se distinguen en la figura 7 son (C. E. Orrego A 2003):

Fase 1: Llamada etapa conductiva. Inicialmente, por el calentamiento de la muestra, la velocidad de sublimación crece rápidamente hasta llegar a un máximo. El tiempo para agotar esta fase es relativamente corto; en ella se lleva a cabo la mayor parte de remoción de agua del producto (entre un 75-90 %), siendo el mecanismo preponderante la transferencia de calor por conducción.

Fase 2: Primera etapa difusiva. Muestra un descenso importante de la velocidad de sublimación debido a la formación de una capa porosa de material seco que opone resistencia creciente al flujo de calor y al vapor a medida que procede el secado.

Fase 3: Segunda etapa difusiva. La velocidad de sublimación continúa decreciendo de forma que se aproxima a cero. Esto debido a que el calor necesario para retirar el agua ligada es más alto que el calor de sublimación. Puesto que la difusividad de los aromas disminuye sensiblemente cuando la humedad es pequeña es posible en esta etapa incrementar la temperatura de la calefacción y del producto hasta valores del orden de 50ºC, dependiendo del material que se trate.

Como en todo proceso de secado, coexisten los fenómenos de transferencia de masa y calor, la curva de transferencia de calor en función del tiempo se obtiene multiplicando la cantidad de agua sublimada por su correspondiente calor de sublimación o desorción. En la transferencia de calor y masa se combinan la acción de la temperatura y los


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gradientes de presión como fuerzas impulsoras, que deben vencer las resistencias puestas por el espesor de la muestra y sus características físicas. El espesor es importante: mientras este es más delgado hay menor resistencia para que el flujo de calor y masa pase a través de la muestra. Hay dos factores importantes que se determinan qué fase (sólido, líquido o gas) tomará una sustancia: calor y presión atmosférica. Para que una sustancia tome cualquier fase particular, la temperatura y la presión deben estar dentro de cierta gama. Sin estas condiciones, esa fase de la sustancia no puede existir. La carta abajo demuestra los valores necesarios de la presión y de la temperatura de diversas fases del agua.

Usted puede ver de la carta que el agua puede tomar una forma líquida en el nivel del mar (donde está igual la presión a 1 atmósfera) si la temperatura está entre el punto de congelación del nivel del mar (32 grados de Fahrenheit o grados de centígrado) y el punto que hierve del nivel del mar (212 ºF o 100ºC). Pero si usted aumenta la temperatura sobre 32 ºF mientras que guarda la presión atmosférica debajo de las atmósferas del 0,6 (atmósfera), el agua es bastante caliente deshelar, pero no hay bastante presión para que un líquido forme. Se convierte en un gas. Esto es exactamente lo que lo hace una máquina de la liofilización. Una máquina típica consiste en un compartimiento de la liofilización con varios estantes unidos a las unidades de calefacción, una bobina que congela conectada con un compresor del refrigerador, y una bomba de vacío.


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Con la mayoría de las máquinas, usted pone el material que se preservará sobre los estantes cuando sigue siendo no congelado. Cuando usted sella el compartimiento y comienza el proceso, la máquina funciona los compresores para bajar la temperatura en el compartimiento. El material es el sólido congelado, que separa el agua de todo alrededor de él, en un nivel molecular, aunque el agua todavía está presente. Después, la máquina gira la bomba de vacío al aire de la fuerza del compartimiento, bajando la presión atmosférica debajo de la atmósfera del 0,6. Las unidades de calefacción aplican una cantidad pequeña de calor a los estantes, haciendo el hielo cambiar fase. Puesto que la presión es tan baja, el hielo da vuelta directamente en el vapor de agua. El vapor de agua fluye del compartimiento de la liofilización, más allá de la bobina que congela. El vapor de agua condensa sobre la bobina que congela en forma sólida del hielo, de la misma manera que el agua condensa como helada en un día frío. Esto continúa por muchas horas (incluso días) mientras que el material deseca gradualmente. El proceso dura porque el recalentamiento del material puede cambiar perceptiblemente la composición y estructura. Además, la aceleración del proceso de la sublimación podría producir más vapor de agua en un período de tiempo entonces que el sistema de bombeo puede quitar del compartimiento. Esto podía rehidratar el material algo, degradando su calidad. Una vez que el material se seque suficientemente, se sella en un paquete sin humedad, a menudo con un material oxigeno que absorbe. Mientras el paquete es

Una máquina

simplificada de la

liofilización


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seguro, el material puede sentarse en un estante por años y años sin degradar, hasta que se restaura a su forma original con un poco agua (sigue habiendo una cantidad muy pequeña de humedad, así que el material eventual los escombros).

Mecanismo de transferencia de calor y masa durante la sublimación. La transferencia de calor se hace por conducción - convección gaseosa y radiación (o una combinación de ambos mecanismos) siendo esta última la preponderante cuando se opera a muy baja presión. (C. E. Orrego A 2003). El flujo específico de masa del vapor de agua que proviene del plano de sublimación se obtiene mediante la ecuación (2):

Ec. (2) Los coeficientes h y kg están determinados por las velocidades del gas y las características del secador y, por tanto, son constantes. Las condiciones externas de operación dictan los valores de Te y pew La naturaleza del material procesado determina los valores de k y D'. A medida que aumenta Te y, por tanto, Ts, con objeto de incrementar la velocidad de secado, se pueden alcanzar dos límites. Primero, la temperatura de la superficie exterior Ts, no puede llegar avalores muy altos, debido a la posibilidad de deterioro térmico. En segundo lugar, la temperatura Tf se debe mantener bastante por debajo del punto de fusión. Cuando k/L es pequeño en comparación con kg y D’/RTL, al aumentar el valor de Ts, el primer límite es la temperatura de la superficie externa. Para incrementar la velocidad de secado, es necesario aumentar k. Por consiguiente, se considera que el proceso esta controlado por la transferencia de calor. La mayor parte de los procesos de liofilización que se usan en la práctica están controlados por la transferencia de calor (G. J. Kynch 1952; C. J. Geankoplis, 1999). 3.2.2.2 Secado Secundario La humedad remanente en el producto después del proceso de secado primario se absorbe por el material o se adsorbe por la superficie del mismo (T. A. Jennings, 1993).


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Mecanismo de remoción de agua en el secado secundario. La velocidad de desorción de un gas desde una superficie puede ser expresada como:

Ec. (3) De la Ec (3) muestra que la velocidad de desorción se incrementará exponencialmente con la temperatura cuándo ?Hd no varía significativamente con ésta. La velocidad de desorción es también muy dependiente de la energía de desorción, o sea, a medida que la energía aumenta, la velocidad de desorción disminuye exponencialmente (T. A. Jennings, 1993). 3.2.3. Almacenamiento del producto seco en condiciones controladas Los productos liofilizados y adecuadamente empacados, pueden ser guardados por largos periodos de tiempo ya que en buena medida retienen las propiedades físicas, químicas, biológicas y organolépticas de sus estados frescos. La liofilización, reduce las pérdidas de calidad debidas a deterioro por reacciones químicas, causado por degradación enzimáticay no enzimática. Sin embargo, la oxidación de lípidos, inducida por los bajos niveles de humedad a los que lleva el producto durante el secado, es un problema a considerar para los productos liofilizados. Las reacciones de oxidación de lípidos se controlan, empacando los productos liofilizados en recipientes impermeables al oxígeno. La degradación no enzimática es evitada por la rápida transición de alto a bajo contenido de humedad. El uso de rangos bajos de temperatura también evita la desnaturalización de proteínas en los productos liofilizados. (C. E. Orrego A 2003).


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FLUJOGRAMA

3.3 LIOFILIZACIÓN ATMOSFÉRICA

Diagrama de flujo de la liofilización

Congelación

del producto

Sublimación

(desorción

primaria)

Deserción

(desecación

secundaria)

Acondicionamient

o de la materia

prima

Almacenamiento

después del

secado

Trasferencia

de calor y

masa


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3.3 LIOFILIZACIÓN ATMOSFÉRICA

Meryman (1959) demostró la posibilidad de secar productos congelados sin necesidad de vacío. Estableció que el gradiente de presiones de vapor es el que facilita el paso del agua entre el frente de secado y la zona seca. El proceso corresponde a la liofilización atmosférica. Lewin y Mateles (1962) obtuvieron resultados satisfactorios, en pruebas preliminares de liofilización sobre zanahorias, guisantes (arvejas) y carne de pollo. Sinnamon y colaboradores (1968), trabajaron con manzanas, reportaron de lo extenso del proceso de secado, si se desea obtener humedades inferiores al 15%. Heldman y Hohner (1974), en base a pruebas experimentales de liofilización atmosférica y al desarrollo de un modelo matemático, concluyeron que el principal limitante económico se debe a su baja velocidad de secado, controlada por la difusión molecular de vapor de agua en la estructura seca del producto. Schmidt y colaboradores (1977), liofilizaron zanahorias en cubos, observaron una disminución del tamaño y desarrollaron un modelo matemático para calcular las curvas de secado. Heldman (1977) mostró que el mayor potencial para hacer practicable el secado por liofilización atmosférica es la aproximación a lechos fluidizados intentada por Maléela y colaboradores (1970). Charm (1981) manifiesta que las bases que gobiernan la liofilización atmosférica son similares a las del secado convencional por aire. (citado por: J. de D. Alvarado 1996) J. S. Ramírez y J. Cañizares (2003) liofilizaron dos variedades de papa concluyendo que de las características de la matriz sólida dependía del tiempo de secado. Alvarado (1979); (citado por: J. de D. Alvarado 1996; J. S. Ramírez y J. Cañizares 2003) concluyó que la liofilización atmosférica está controlada principalmente por el mecanismo de transferencia de masa desde la superficie del producto hacia el aire. (Trabajo realizado a la papa característica de Guatemala).


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3.4 SISTEMA CONTINUO DE ABSORCIÓN La planta frigorífica de absorción es de una sola etapa. Trabaja con el siguiente par de agentes:

Amoniaco (refrigerante)

Agua (solvente) la calefacción del generador se realiza por vapor de agua producida en una instalación auxiliar de calderas. La descarga del calor que se forma por la condensación y por la absorción se hace utilizando agua refrigerante proveniente de una torre de enfriamiento en laque están conectados en paralelos al absorbedor , el condensador, y el enfriador de solución. La capacidad frigorífica se adapta siempre a la respectiva necesidad de frio, regulándose automáticamente entre el 25% y el 100% de carga. En el evaporador se efectúa la transmisión de calor del medio a enfriar al refrigerante al que primero se encuentra en estado líquido, siendo evaporador despues. La temperatura de evaporación del refrigerante debe ser mas baja que la temperatura maxima del medio de enfriar. La produccion continua de frio requiere una recondensación de refrigerante evaporado. Mientras que en la planta frigorífica de comprensión a base de vapor, frío, este proceso se realizará por medio del comprensor y del condensador, en la planta frigorífica de absorción para obtener el mismo resultado se requiere un equipo mas amplio, esto es :Un absorbedor que aspira del evaporador el refrigerante evaporado, con ayuda de solución pobre. Una vez “absorbido” el vapor refrigerante por la “solución pobre”, una bomba de solución impelara la solución fuerte obtenida asi al regenedador .calentandose en este aparato la solución fuerte se regenera al refrigerante en forma de vapor para luego ser licuado en el condensador. Para una producción continua de frío, tanto al refrigerante como la solución acuosa del amoniaco deben formar un ciclo:

Ciclo del refrigerante -Vapor de refrigerante Evaporador-subenfriador-absorbedor -Refrigerante contenido en la solución fuerte Absorbedor-colector de solución-bomba de solución - cambiador de temperaturas-regenerador -Refrigerante liquido Condensador- tanque colector de amoniaco líquido- subenfriador de amoniaco- válvula de expansión-evaporador. -Vapor de refrigerante de alta Regenerador- condensador


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Ciclo de la solución -solución fuerte Absorbedor- colector de solución - bomba de solución - cambiador de temperatura- regenerador. -solución pobre Regenerador- cambiador de temperatura- válvulas de expansión- Absorbedor. Los ciclos de la solución y del refrigerante se unen en el Absorbedor y regenerador. 3.4.1 funcionamiento de una máquina de aire acondicionado a absorción Desde hace más de veinte años, las máquinas comercializadas de más rendimiento (japonesas o construidas bajo licencia en los Estados Unidos) son o bien las de tipo amoníaco / agua, o "de efecto simple", o bien máquinas agua / bromuro de litio, o "de doble efecto". El efecto doble permite hacer pasar el coeficiente de realización (COP: Coeficiente de Rendimiento; coeficiente entre la energía frigorífica producida y el gasto calorífico necesario en el destilador), de una media de 0,6 a más de 1 en las condiciones nominales de funcionamiento (COP frigorífico medido sobre el PCS del gas natural). Este mejoramiento de los rendimientos está vinculado a la puesta en ejecución del paso de regeneración y de un intercambiador térmico suplementario. El doble efecto permite por otra parte, alternar el modo de calentamiento con el modo frío o simultanearlos. Por último , señalemos la aparición de máquinas de "efecto triple", experimentadas en los Estados Unidos en varios prototipos industriales, de los que el COP alcanza 1,2 - 1,3 en condiciones nominales de funcionamiento


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Máquina de ciclo de efecto simple amoníaco/agua El efecto simple representa la base técnica de las máquinas a absorción y ayuda a comprender el funcionamiento del ciclo efecto doble (descrito más abajo). El esquema de principio del efecto simple es representado en la figura de más abajo. En el generador 1. La solución amoníaco / agua es llevado a ebullición, gracias a una aportación calorífica asegurada por un quemador que funciona a gas natural. El fluido refrigerante (amoníaco) se vaporiza y se separa del agua bajo una presión próxima a 20 bares . Es enviado hacia el condensador 2. En este, el amoníaco se condensa por enfriamiento gracias al aire exterior. El amoníaco líquido luego se dirige hacia el evaporador 3, donde se detiene. La presión del amoníaco en el seno de este evaporador está próxima a los 4 bares. A causa de la variación de presión, el amoníaco se vaporiza absorbiendo las calorías del circuito de utilización (temperatura en el evaporador está próxima a los+3°C). Estos vapores de amoníaco pasan luego por el aparato de absorción 4, y son absorbidos por el aguaproveniente de la separación amoniaco agua que se produjo en el generador.

Máquina de ciclo de doble efecto agua/bromuro de litio La máquina de doble efecto agua / bromuro de litio permite un funcionamiento en modo frío o en modo calor (como la máquina efecto simple pero con prestaciones muy superiores). La técnica es la misma la pareja fluido refrigerante / absorbente es lo que difiere. En el caso de estas máquinas, el fluido refrigerante es agua que cambiará de estado en el ciclo termodinámico. El absorbente es el bromuro de litio que es una sal muy ávida de agua y que absorberá el vapor de agua después de su paso en el evaporador.

Funcionamiento en modo frío Los elementos constitutivos de una máquina de doble efecto son los mismos que las de una máquina de efecto simple con el añadido de un generador de baja temperatura. 1. Si el evaporador 3, el sistema absorbente 4 y el condensador 2 desempeñan los mismos papeles y reciben los mismos fluidos que en el caso del efecto simple, la concentración de la solución (Es decir la producción de refrigerante y la regeneración del absorbente) se efectúa en dos etapas distintas (hablamos desde el punto de vista de termodinámica de dos efectos distintos). La primera etapa es idéntica de hecho a la del efecto simple; la solución diluida (o solución rica) se "pre concentra" en el generador a alta temperatura 1, a llama directa (quemador de gas natural 6). La segunda etapa consiste en una concentración final en el generador a temperatura baja de esta solución "intermedia" por el vapor del refrigerante obtenido en el generador alta temperatura 1. La solución concentrada resultante posteriormente es enviada al sistema de


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absorción 4; y el vapor total del refrigerante (salidas sucesivamente de los generadores de baja temperatura y de alta temperatura) es dirigidohaciaelcondensado2.

Funcionamiento en modo simultáneo Una recuperación de calor de baja temperatura (37 - 39 °C) sobre el condensador en modo frío es factible sobre toda máquina a absorción que funciona en frío durante el período invernal, con el fin, por ejemplo, de precalentar agua sanitaria, de asegurar el calentamiento de una fachada norte a mitad de temporada o de alimentar una red de suelo radiante. Algunos constructores añaden a sus máquinas intercambiadores complementarios para permitir una producción de agua caliente a alta temperatura (85 °C máximo) simultánea con la producción de agua helada. Estos intercambiadores permiten, por una parte, trabajar con parejas de temperaturas salida / retorno comparables a los modos clásicos de calentamiento (Incremento de T de 20°C con una temperatura de salida de 80 °C). Permiten, por otra parte, evitar la utilización del condensador y del evaporador cuando solo se utiliza en modo calor, transformando así el grupo a absorción en una caldera simple. La producción simultánea de calor para el calentamiento (80 / 60°C) y de frío para el enfriamiento (7/12 °C), adaptada a cada momento a las necesidades, es pues realizable fácilmente.


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IV. MODELOS MATEMÁTICOS EN LA LIOFILIZACIÓN M. Pardo B. (2002) reporta que:

Los modelos clásicos se han enfocado sobre la cinética de sublimación Existen algunos modelos de cinética de desorción de agua no congelada Se conocen modelos de cinética de congelación y de cristalización. Existen teorías que explican de manera cualitativa la retención de volátiles. Faltan modelos que cuantifiquen la retención de aromas. Se requieren modelos integrador que vincule la formación de cristales con

las velocidades de remoción de agua y de volátiles.

3.5.1. Ecuaciones de diseño y modelos matemáticos de la liofilización A continuación se presenta las ecuaciones de diseño y los modelos matemáticos que rigen la liofilización El flujo de calor (q) puede ser expresado como (C. J. Geankoplis 1983; M. R.Okos, et al 1992; C. J. Geankoplis 1999) mediante la ecuación (4).

Ec. (4) Sandall y colaboradores han ensayado el modelo en comparación con datos reales de secado por congelación (H. H. Steinour 1944). El modelo logra predecir satisfactoriamente los tiempos de secado para la eliminación del 65 a 90% del agua total inicial (H. H. Steinour 1944, G. J. Kynch 1952). La temperatura Tf de la interface de sublimación permanece casi constante. Sin embargo, durante la eliminación del restante 10 a 3.5% de agua restante la velocidad de secado disminuyó notablemente y el tiempo real fue bastante mayor al que se predijo teóricamente para este periodo. (C. J. Geankoplis, 1999). Se ha determinado que la conductividad térmica efectiva k del material seco varía de manera apreciable con la presión total y con el tipo de gas presente. Además, el tipo de material afecta al valor de k (H. H. Steinour 1944, G. J. Kynch 1952). La difusividad efectiva D' del material seco está en función de la estructura del material, de la difusividad de Knudsen y de la difusividad molecular (G. J. Kynch 1952; C. J. Geankoplis, 1999). La transferencia de calor a través del hielo será dependiente del grosor que tiene el mismo, mientras que la transferencia a través de la interfase hielo-líquido será inversamente dependiente de la capa (líquida). M. Jacob (1949) señaló que el perfil de temperatura a través de la interfase hielo-líquido no es lineal. La nueva capa de hielo puede ser obtenida a partir de la ecuación 5. (T. A. Jennings, 1993):


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Ec. (5) La velocidad de formación de hielo puede ser expresada por la ecuación (6). (T. A. Jennings, 1993):

Ec. (6) El tamaño del cristal de hielo formado (B. Woinet, J. Andrieu, M. Laurent y S.G. Min 1998) se obtiene mediante la ecuación (7):

Ec. (7) D. Chevalier, A. Le Bail, M. Ghoul (2000), presenta el modelo para calcular el tiempo de congelación en liofilización, mediante la ecuación 10.

Ec. (8) El flujo específico de masa del vapor de agua que proviene del plano de sublimación se obtiene mediante la ecuación (9): (C. J. Geankoplis 1983; M. R. Okos, et al 1992; C. J. Geankoplis 1999)

Ec. (9) El flujo de vapor de agua que sale del frente de sublimación es, desde la transferencia de masa a través de la capa seca o entre la superficie y el ambiente de la cámara para estado estacionario se obtiene mediante la ecuación (10): (C. E. Orrego A 2003).

Ec. (10) Si las moléculas de agua que salen de la superficie no sufren ninguna colisión gas-gas que les cause retornar a la superficie del hielo, entonces la velocidad de sublimación se obtiene mediante la ecuación (11): (RSub) sería (T. A. Jennings, 1993):


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Ec. (11) La presión de vapor de equilibrio del hielo Pv está relacionada con la distribución de la energía de las moléculas de agua en la superficie de la capa desordenada, a cierta temperatura T. La presión de vapor puede ser aproximada a partir de una versión modificada de la ecuación Clausius-Clapeyron, se obtiene mediante la ecuación (12): (T. A. Jennings, 1993):

Ec. (12) La velocidad total de sublimación del vapor de agua desde una superficie de hielo contenida en una matriz isotérmica es la suma de las velocidades de todas las superficies de hielo. La energía requerida para sublimar una cantidad de hielo, a una temperatura T’ y donde T’ < 273.2 K, se obtiene mediante la ecuación (13): (T. A. Jennings, 1993):

( ) Ec. (13)

De lo anterior puede verse que el calor de sublimación ( H) crecerá en magnitud a medida que la temperatura se reduce. La velocidad de desorción de un gas desde una superficie se obtiene mediante la ecuación (14): (T. A. Jennings, 1993).

Ec. (14) El tiempo de liofilización se puede calcular mediante varios modelos: Modelo presentado por C. J. Geankoplis (1983). (Citado por: M. R. Okos, et al 1992; C. J. Geankoplis 1999) el tiempo de liofilización se obtiene mediante la ecuación (15):

Ec. (15) Al integrar la Ec (20) entre los límites de t = 0 cuando x1 = 1.0, y t = t cuando x2 = x2, la ecuación para el tiempo de secado hasta x2 es la siguiente, cuando h es muy grande (resistencia externa despreciable) (C. J. Geankoplis 1983), el tiempo de liofilización se obtiene mediante la ecuación (16):


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Ec. (16) Modelo presentado por Karel (1974) (citado por: Fellows 2000), el tiempo de liofilización se obtiene mediante la ecuación (17):

Ec. (17) Williams y colaboradores (1950) diseñaron un modelo matemático (WLF) con el fin de determinar el tiempo de colapso por relajación de productos liofilizados, utilizado por G. Levi y M. Karen (1995) con gran efectividad y mínimo porcentaje de error, mediante la ecuación (18):

Ec. (18) M. C. Heller, J. F. Carpenter, and T. W. Randolph (1998) modelo termodinámico parapredecir las separaciones de fase en formulaciones crío-concentradas de Proteína Liofilizada, mediante la ecuación (19):

Ec. (19) Modelo de Lucas Washburn para rehidratar frutas liofilizadas (KuekTze Lee, Mohammed Farid, SingKiongNguang 2004) mediante la ecuación (20):

Ec. (20) Asumiendo que la estructura de alimento es simple, contiene poros individuales, que el flujo es unidireccional y constante, el flujo newtoniano con mínimos efectos sobre el alimento. La ecuación (21) sirve para calcular el valor de los coeficientes de transporte de masa y calor, km * y ht, respectivamente. Integrándola permite determinar el tiempo de secado.

Ec. (21) El número adimensional (NH), ecuación (22), según lo indicado por Heldman y Hohner (1974), es análogo al número de Biot, y permite definir las condiciones en


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las cuales el proceso es controlado por el mecanismo de transferencia de masa interna, que ocurre cuando este número es mayor que 100*109. Valores menores indican que el mecanismo predominante es la transferencia de masa superficial. (J. de D. Alvarado 1996; J. S. Ramírez y J. Cañizares 2003).

Ec. (22) Alvarado (1979) reportó 8,75x109 trabajos realizados a la papa característica de Guatemala e indica que los datos analizados señalan, en una gran extensión, que la liofilización atmosférica es controlada principalmente por el mecanismo de transferencia de masa desde la superficie del producto hacia el aire. (Citado por: J. de D. Alvarado 1996; J. S. Ramírez y J. Cañizares 2003) Con el desarrollo tecnológico, las técnicas de simulación son cada día más utilizadas como un medio preliminar para la evolución de la liofilización. En la literatura, se ha acertado varios modelos teóricos interesantes de fenómenos de transferencia de calor y materia durante la liofilización, como los citados anteriormente. Sin embargo, solamente algunos utilizan los parámetros de ajuste para validar las simulaciones con los experimentos dados. (S. Khalloufi, J. L. Robert y C. Ratti 2004; N.K. Sharma y C.P. Arora 1993; A.I. Liapis y J.M. Marchello 1984; M.J. Millman, I.A. Liapis y J.M. Marchello 1985; H. Sadikoglu, A.I. Liapis y O.K. Crosser 1998; P. Sheehany A.I. Liapis 1998) De otra parte los resultados de estos modelos no son comparables con los dados experimentalmente. (S. Khalloufi, J.L. Robert y C. Ratti 2004; A.I. Liapis y R. Bruttini 1995; J.A. Nastaj 1991.


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V. ASPECTOS FUNDAMENTALES DE UNA INSTALACIÓN DE

LIOFILIZACIÓN

ASPECTO INSTALACIÓN

CONGELAMIENTO Sistema de refrigeración que permita ejecutar la congelación con la velocidad deseada, llegar y mantener la temperatura determinada para el producto.

SUBLIMACIÓN Cámara de secado herméticamente cerrada, recipiente de vacío en el que los requisitos fundamentales del sistema de calefacción son la uniformidad de la temperatura y el control preciso.

ELIMINACIÓN El objetivo es mantener una presión total en la cámara del orden de 0.076 – 0.760 mbars, sabiendo que una presión ambiente de 0.1 mbar, 1 kg de hielo ocupa un volumen de vapor de aproximadamente 10 000 m3 .

Solución: Condensación de vapor sobre superficies enfriadas a temperaturas más bajas fue las de la zona de hielo del producto. Adicionalmente, bombas de vacío para los gases no condensables.

CONVENCIONAL La deshidratación convencional es una deshidratación adecuada para secar frutas, hortalizas, etc. Se aplica a la mayoría de los alimentos, especialmente a los más difíciles de ser congelados. Con la deshidratación convencional se obtiene carne desecada, que no presenta las características organolépticas, propias pero con la deshidratación congelada los resultados son óptimos.

LIOFILIZACIÓN DE ALIMENTOS En la deshidratación convencional existe un procesado continuó, ya sea la deshidratación simple o la doble deshidratación. En la deshidratación congelada, se tiene procesado con dos fases bien delimitadas: Congelación y Sublimación. La deshidratación convencional usa temperaturas entre 100 °F y 200 °F. La deshidratación congelada busca temperaturas sumamente bajas para evitar de este modo la recongelación. La deshidratación convencional utiliza presión atmosférica. La presión en la deshidratación congelada es de 4 mmhg. La deshidratación convencional utiliza de 8 a 12 horas como máximo.


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La deshidratación congelada el tiempo que usa es de 12 a 24 horas. En lo referente al almacenamiento, con la deshidratación congelada los productos por ser muy livianos, ocupan un volumen mayor que los productos que han sido tratados por deshidratación convencional. Con la deshidratación convencional el olor no es idéntico al producto original. En alimentos liofilizados, el olor es el natural. Con la deshidratación convencional, el color tiende a ser oscuro con respecto al color original. En alimentos liofilizados, el color es natural, casi el mismo que presenta el alimento fresco. Al hacerse la rehidratación de productos liofilizados, ésta se produce en forma rápida y muy completa, durando entre 2 a 3 minutos como máximo la rehidratación total. Para productos de deshidratación convencional la rehidratación es lenta e incompleta. El sabor en los productos liofilizados es el natural, mientras que en los procesados con deshidratación convencional puede no ser tan idéntico al original y en algunos casos pueden presentar un sabor anormal o no característico. Los productos con deshidratación convencional presentan buena estabilidad al almacenamiento, con tendencia a oscurecerse en almacenamiento prolongado, e incluso pueden tornarse rancios. Los productos liofilizados mantienen una excelente estabilidad siempre y cuando se les almacene en el envase adecuado, puesto que son sumamente higroscópicos. Los costos de la deshidratación convencional generalmente son bajos y pueden abaratar el producto. En la liofilización los costos son altos.


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VI. EL CONTROL DE CALIDAD EN LA LIOFILIZACION DE

ALIMENTOS La capacidad de los productos es un objetivo fundamental para toda la empresa, en especial cuando se trata de la fabricación de alimentos. En términos generales, un producto es de calidad si satisface adecuadamente las necesidades potenciales de los consumidores para un nivel de precios dado: un producto es de calidad si satisface las especificaciones.

1) La Calidad: Es el grado de adaptación de un producto a las necesidades del consumidor, que puede sintetizarse como: aptitud para el uso.

Características y cualidades técnicas.

Fiabilidad.

Aptitud al mantenimiento.

Disponibilidad.

Duración y seguridad del empleo.

2) La certificación: Es el establecimiento de un conjunto de disposiciones destinados a garantizar al cliente o consumidor la calidad requerida.

3) El control:

Es la averiguación de la conformidad con una especificación. La gestión de calidad tiene un carácter permanente. Implica:

Definir la política de calidad.

La existencia de una organización de control.

Establecer los modos para alcanzar los objetivos de calidad.

Elevar y mejorar constantemente la actuación de todos los niveles (jerárquicos o de actividad) en relación con las metas de calidad alcanzadas. Se aplica en:

Definir las necesidades del producto.

El diseño de ingeniería.

La preparación de las condiciones de entrega del producto.

La producción de las diferentes etapas.

La venta y distribución hasta que llega al consumidor.


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RELACION COSTO/BENEFICIO DE LA CALIDAD Toda la gestión de calidad en la liofilización de alimentos gira alrededor de mantener a los productos liofilizados dentro de la definición del alimento: vehículo natural destinado a introducir uno o mas nutrientes del organismos; extendiéndose la aceptación de “introducir” en el sentido de que el alimento, después de su ingestión, debe experimentar su digestión, absorción, y asimilación.

EVOLUCIÓN DE LA FUNDACIÓN CONTROL DE CALIDAD. La evolución a través de las inversas etapas tecnológicas se presenta en la siguiente secuencia.

- Las tecnologías artesanales simples se caracterizan porque hay un amplio uso de mano de obra, máquinas simples y pequeñas capacidades de producción. En esta etapa, el encargado de control es el propio operario u obrero, luego sería el obrero más hábil y conforme aumente la capacidad de producción, lo sería el supervisor especializado en técnicas de control. El medio de control empleado en esta etapa es el de comparación con un patrón de referencia para obtener un producto similar. - En tecnologías de procesos complejos de fabricación, se tienen grandes

volúmenes de producción. El encargado del control es el departamento de inspección que luego se cambia por el departamento de control de calidad. El medio de control que se usa es el control estadístico de calidad. Además emplea herramientas no estadísticos de análisis, como la motivación y las técnicas grupales que permiten el gran salto por la creación de la gestión de calidad: con cero defectos y en la actualidad la aparición y reciente funcionamiento en nuestro país de los círculos de calidad.


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EVOLUCIÓN DE LA FUNCION CONTROL DE CALIDAD

4) Sistema de control de calidad

Para mejor proceso de fabricación y un mejor grado de conformidad del producto con especificaciones de calidad, se debe seguir un sistema de control de calidad siguiendo un programa interno de certificación de calidad. Este programa de certificación de calidad consiste en diseñar un producto cuya calidad sea económica en términos de su uso final y diseñar un proceso productivo que en términos económicos logre productos de conformidad al diseño en forma constante y uniforme.

5) Círculos de calidad Son grupos de trabajadores que se reúnen voluntariamente para contribuir a mejorar la calidad mediante la búsqueda en conjunto de las causas de problema de calidad, productividad, etc. Y encontrar las soluciones correspondientes.

6) Ventajas de los círculos de calidad 1. Los círculos de calidad otorgan la oportunidad de utilizar la inteligencia creativa

en su máxima capacidad, porque todos sus miembros van a expresar su punto de vista para solucionar los problemas.

2. Promover la elevación de la moral de trabajadores y la conciencia de calidad.

Hacer que el trabajador se identifique con el producto que se está elaborando.

Tecnología de producción Tecnología artesanal. Incremento de la capacidad de producción. Procedimientos complejos. Herramientas de análisis no estadísticos: Motivación Técnicas grupales

Función de control de calidad Control de calidad practicado Por el mismo trabajador por comparación con un patrón de referencia. Función del inspector: desempeñada Por el obrero mas hábil. Departamento de inspección y control de calidad. Control estadístico de calidad. Gestión de calidad CERO DEFECTOS. Círculos de calidad.


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3. Desarrollar el potencial de liderazgo de los miembros del grupo. 4. Aumentar la comunicación y se mejora las relaciones entre los trabajadores. 5. Incrementar la producción y la productividad. 6. Mejorar la calidad y se mantiene su continuidad. 7. Reducen los costos de diferencia índole.


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VII. VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LA LIOFILIZACIÓN

La idea básica de la liofilización es quitar totalmente el agua de un poco de material, tal como el alimento, mientras que deja la estructura básica y composición del material intacto. Hay dos razones que alguien pudo desear para hacer esto con el alimento:

Quitar el agua guarda el alimento del estropeo por un período de

tiempo largo. El alimento estropea cuando los microorganismos, tales como bacterias, alimentan en la materia y la descomponen. Las bacterias pueden lanzar los productos químicos que causan enfermedad, o pueden apenas lanzar los productos químicos que hacen malo del gusto del alimento. Además, las enzimas naturalmente que ocurren en alimento pueden reaccionar con oxígeno para causar el estropeo y la maduración.

La liofilización perceptiblemente reduce el peso total del alimento.

La mayoría del alimento se compone en gran parte del agua (muchas frutas son más de 80 a 90 por ciento de agua, en hecho). Quitar esta agua hace el alimento mucho más ligero, que los medios él son más fáciles transportar. Los militares y las compañías de la fuente que acampan liofilizan los alimentos para hacerlos más fáciles para que una persona lleve. La NASA también ha liofilizado los alimentos para los cuartos cramped onboard nave espacial.

Fuente: Imágenes de HowStutworks Los científicos de investigación pueden utilizar la liofilización para preservar las muestras biológicas por períodos del tiempo largos. Las muestras biológicas liofilizadas son también grandes en el mundo del florist, extrañamente bastante. Las rosas liofilizadas están creciendo en renombre como decoraciones de la

Una comida liofilizada del

espagueti y de las

albóndigas, diseñada

para los campistas: A la

izquierda está la versión

secada; a la derecha

está la versión

rehidratada


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boda. El proceso de la liofilización también se ha utilizado para restaurar los materiales agua-dañados, tales como manuscritos raros y valiosos.

Es bastante simple secar el alimento, drogas y apenas sobre cualquier otro material biológico. Fíjelo hacia fuera en un área caliente, árida, y el interior líquido del agua se evaporará: El calor da a moléculas de agua bastante energía "para romperse libremente" del líquido y para convertirse en partículas del gas. Entonces usted lo sella en un envase, y permanece seco. Éste es cómo los fabricantes hacen comidas deshidratadas como mezclas pulverizadas de la sopa y de la hornada. Hay dos problemas grandes con este acercamiento:

Primero, es difícil quitar el agua que usa totalmente la evaporación porque la mayoría del agua no se expone directamente al aire. Generalmente, deshidratar el alimento de esta manera quita solamente 90 a 95 por ciento del agua, que retrasará ciertamente bacterias y actividad enzimática, pero no los parará totalmente.

En segundo lugar, el calor implicado en el proceso de la evaporación cambia perceptiblemente la forma, la textura y la composición del material, de la misma manera que calienta en un alimento de los cambios del horno. La energía térmica facilita las reacciones químicas en el alimento que cambian su forma, gusto, olor o aspecto total. Éste es el propósito fundamental de cocinar. Estos cambios pueden ser buenos, si hacen que el alimento prueba mejor (o probar bueno de una diversa manera), pero si usted está secando algo así que usted puede revitalizarlo más adelante, el

NASA Los alimentos

liofilizados han sido

una grapa onboard

muchas de las

misiones de espacio

de la NASA


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proceso compromete calidad algo. La idea básica de la liofilización es "trabarse en" la composición y la estructura del material secándolo sin la aplicación del calor necesario para el proceso de la evaporación. En lugar, el proceso de la liofilización convierte el agua sólida -- hielo -- directamente en el vapor de agua, saltando la fase líquida enteramente.

Conserva la mayor parte de la calidad dietética y organoléptica de los alimentos

Rehidratación instantánea sin necesidad de cocción Reducido peso, diez veces menor al peso inicial Técnica de conservación que no necesita aditivos Da como resultado productos más estables con una larga vida de anaquel. Los productos son duraderos en un rango muy amplio de temperaturas, lo

que elimina la necesidad de contar con sistemas complicados de cadena de distribución en frío.

El peso reducido y la facilidad en el manejo reducen notablemente los costos de embarque

Aseguran la conservación de una calidad excelente en una amplia variedad de productos como vegetales, frutas de climas templados y tropicales, pescados, carnes, comidas preparadas, café, esencias saborizantes y varios otros productos.

Se mantiene el sabor original, las proteínas y las vitaminas. Sus productos mantendrán su forma, color y texturas originales y la rehidratación es rápida e íntegra.

Detiene el crecimiento de microorganismos (hongos, moho, etc.), inhibe el deterioro de sabor y color por reacción químicas, enranciamiento y pérdida de propiedades fisiológicas; y facilita el almacenamiento y la distribución.

Se obtienen productos de redisolución rápida La forma y características del producto final son esencialmente las

originales Proceso idóneo para sustancias termolábiles Pérdida mínima de constituyentes volátiles Contenido muy bajo de humedad final Compatible con la elaboración en medio aséptico Los constituyentes oxidables están protegidos. DESVENTAJAS DE LA LIOFILIZACIÓN

Alto coste de instalaciones y equipos Elevado gasto energético Operación de larga duración


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VIII. EQUIPOS DE LIOFILIZACIÓN

La liofilización se desarrolló para superar las pérdidas de los compuestos responsables de los aromas en alimentos, los cuales se perdían en las operaciones convencionales de secado. El proceso de liofilización consiste esencialmente en dos etapas: 1) el producto se congela y 2) el producto se seca por sublimación directa del hielo bajo una presión reducida. Este tipo de secado se introdujo inicialmente a gran escala en la década de 1940 para la producción de plasma seco y productos de sangre. Después, antibióticos y materiales biológicos se prepararon a escala industrial por liofilización. En la Figura se muestra un esquema básico de un sistema de liofilización.

Fuente: http://conservacion-de-alimentos.blogspot.com El liofilizador más simple podría estar constituido por una cámara de vacío en la cual se coloca el material frío y un sistema para eliminar el vapor de agua. a medida que se produce la congelación por enfriamiento evaporativo y así mantener la presión de vapor de agua por debajo de la presión del punto triple. La temperatura del material puede continuar disminuyendo por debajo del punto de congelación y la sublimación podría retrasarse hasta que la ganancia de calor por conducción o radiación sea igual a la proporción de calor perdido a medida que se subliman más moléculas energéticas y se eliminan. Sin una aplicación de calor el proceso podría eventualmente detenerse. Por lo tanto el liofilizador deberá incluir, además de un equipo para producir vacío, un sistema de calentamiento del producto y un condensador frigorífico para convertir en hielo el vapor producido. A las presiones a las que se trabaja en la liofilización el vapor de agua tiene un volumen específico muy elevado: a estas presiones y a -25°C el volumen específico del vapor de agua es de 2.000 m3.kg-. Las bombas de vacío no pueden vehicular estos volúmenes en los tiempos que debe durar el proceso. por lo que es indispensable montar una trampa de hielo para eliminar el vapor antes de que

Sistema Básico de Liofilización


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llegue a la bomba de vacío. Esto se consigue montando un evaporador frigorífico de forma que el vapor se convierta en hielo al ponerse en contacto con su superficie fría. Normalmente, para la producción de vacío se utilizan dos bombas, una capaz de evacuar un caudal elevado (bomba de lóbulos), que no llegará a conseguir el vacío previsto, para ello se utiliza una bomba adicional de menor caudal (bomba rotativa), pero de mayor capacidad de vacío. La duración de la puesta en vacío viene a ser de unos 10-15 minutos. También se puede producir el vacío con un eyector de vapor, en este caso no será necesaria la utilización de la trampa de hielo. El calor que proporciona la energía para la sublimación puede ser transportado, como se ha dicho, por conducción o radiación. La necesidad de evitar la fusión significa que el gradiente térmico debe ser pequeño. Cuando el calentamiento se realiza por conducción, el producto se coloca entre dos placas. Por el interior de las cuales circula un fluido caliente, o se dispone en su interior unas resistencias eléctricas para su calentamiento. El calentamiento por radiación puede realizarse por infrarrojos. En el caso de que el calentamiento de las placas se realice por medio de un fluido caliente, puede montarse un circuito alternativo, para utilizar estas mismas placas como congelador en la segunda fase del tratamiento, haciendo circular por ellas un fluido a la temperatura adecuada. Para producciones de pequeña y mediana escala se utilizan liofilizadores discontinuos, mientras que para producciones mayores se trabaja en continuo. Los liofilizadores discontinuos generalmente constan de una cámara cilíndrica horizontal, en el interior de cada cámara se instalan una serie de estantes sobre los cuales se colocan las bandejas con el producto, los estantes proporcionan la energía calorífica por conducción. Sin embargo, es más frecuente que las bandejas de producto se monten sobre una "conducción" movible, que puede ser empujada al interior de la cámara, de forma que quedan entre placas horizontales de calentamiento, que proporcionan la energía por radiación y convección. Para las operaciones continuas las bandejas de producto se introducen por una pequeña cámara auxiliar de entrada que debe ser aislada de la cámara principal y aireada separadamente para proceder a la inserción de las bandejas. A través de la válvula de aislamiento el producto entra en la cámara principal. Después del secado las bandejas se extraen por el procedimiento inverso. Para plantas pequeñas el desescarche del condensador de hielo se lleva a cabo después de la aireación y descarga. El condensado fluye con el agua pre-calentada. El hielo se funde completamente después de aproximadamente 10 minutos y se drena el agua. El flujo de agua es ideal para pequeños sistemas. Suponiendo costes mínimos de inversión y un deshielo simple.


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Fuente: http://conservacion-de-alimentos.blogspot.com

La operación continua requiere que el equipo no se detenga para el desescarche cuando el condensador de hielo esté lleno. En este caso se instalan dos o más condensadores de hielo en compartimentos separados de forma que uno pueda ser aislado y desescarchado mientras que la otra continua condensando vapor de agua.

1) Partes Generales del equipo de Liofilización

En la Figura 8 se ilustra un esquema de un liofilizador típico, con un condensador externo. Éste tiene tres componentes principales: la cámara de secado, el condensador y el sistema de vacío. La función básica del liofilizador es crear el entorno necesario para el proceso de liofilización. Esta sección, en general, no se ocupará de la operación de este equipo, sino del efecto que diversos componentes en los secadores pueden tener sobre el proceso. (T. A. Jennings, 1993). Los equipos de pequeña escala, tipo planta piloto o de laboratorio constan exactamente de las mismas partes representadas en la fig. 8. con la diferencia que se ha integrado todas estas en un solo equipo.

Condensador de hielo para un

liofilizador discontinuo.


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a. Cámara del liofilizador La cámara del secador sirve al proceso de liofilización mediante las siguientes funciones:

(a) proporcionar un entorno limpio y a veces estéril para el proceso; y (b) proporcionar las temperaturas y presiones necesarias para congelar y secar el producto.

b. Condensador

La principal función del condensador es eliminar los vapores condensables antes de que entren en el sistema de bombeo de vacío.

c. Sistema de vacío El sistema de vacío, según se muestra en la Figura 8, está conectado a la cámara del condensador y su función es proporcionar las presiones necesarias para las fases de secado primario y secundario. Los dos rasgos principales de un sistema de vacío que requieren consideración son la tubería de comunicación con el condensador y la naturaleza de la bomba de vacío.

d. Instrumentación La instrumentación asociada con liofilizador es de gran importancia. El logro de un óptimo producto requiere un sistema de control que reproduzca el proceso de liofilización, siempre que esté dentro de los límites del equipamiento y de un sistema de recolección de datos que verifique la consistencia del proceso.


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2) Clases de equipos

En el mercado comercial se puede conseguir equipos de laboratorio (ver Fig. 9 – 10), para planta piloto (ver Fig. 11) e industria (ver Fig. 12), de variadas especificaciones (ver tabla 3)


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3) Industrias de liofilización destacadas A nivel nacional tenemos la empresa de Café liofilizado y actualmente la empresa del Doctor Mauricio Pardo, profesor de la Universidad de la Sabana en Bogotá. Además de varias farmacéuticas que tienen equipos piloto de liofilización o de pequeña escala, pero que no alcanzan una magnitud significativa como los citados a continuación.

Existen varias empresas a nivel mundial dedicadas a la liofilización: LioBras (fármacos y alimentos) en Brasil; CommercialFreezeDry (alimentos) en el Reino Unido; HULL an SP Industries brand (fármacos) en Estados Unidos; BotaniquePreservation, Inc (material botánico y taxidermia) en Estados Unidos; Nutripac S. A. (Fig. 13, 14) en Brasil, Argentina y México (fármacos, alimentos) En las innovativas plantas liofilizadoras de INVAP de Nutripac S. A. (Fig. 15) el vacío se realiza por medio de eyectores de vapor, sin bombas ni trampas frías. Los eyectores son equipos pasivos, de operación sencilla y escaso mantenimiento, activados por vapor. Para instalar un equipo liofilizador de INVAP no se necesita una fábrica altamente equipada: sólo hay que tener gas natural, electricidad y agua.


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IX. PRODUCTO LIOFILIZADO Los alimentos liofilizados son higroscópicos y susceptibles de oxidación y deterioro bajo el flujo de la luz son muy porosos y se reconstituyen en agua con gran rapidez. Un criterio general muy importante es la rapidez de reconstitución. Aunque se conserva escrupulosamente el aspecto, el aroma y la textura, si el proceso de restauración es demasiado lento resultará limitante como característica favorable del consumo. Los alimentos convenientemente liofilizados fijan al reconstituirse una cantidad de agua que se aproxima a su contenido original de modo que los constituyentes solubles de las células vuelvan a su estado primitivo. Los productos precocidos, como es el caso de los alimentos compuestos (guisos de carnes y vegetales, por ejemplo), al reconstituirse ofrecen todas las cualidades de las comidas corrientemente preparadas sin requerir nuevo tratamiento; los productos que no se cocieron pueden cocerse en casi todas las formas en que es posible hacerla con el producto fresco. A pesar de que el agua a emplearse en la rehidratación debería ser destilada, las características de consumo permiten la utilización del agua potable local. La liofilización propiamente dicha es una etapa preliminar de la conservación, por lo que se coloca el material de origen en una situación en la que quedan detenidos todos los procesos de alteración. Va seguida de una etapa de conservación en la que se evitan las condiciones ambientales propicias al deterioro y de una restauración final necesaria para el consumo. Los productos liofilizados han de envasarse al vacío o en gas inerte, en recipientes impermeables al vapor de agua y opacos. En ciertas circunstancias puede permitirse la descarga y el empaquetado en habitaciones de temperatura y humedad controladas, donde también se tengan estrictas condiciones de asepsia y manipuleo que descarten la contaminación microbiana y cruzada. En condiciones medias las alimentos liofilizados empaquetados adecuadamente (protegidos del oxígeno y el agua) y preparados según las especificaciones apropiadas, tienen una vida media de hasta dos años en climas tropicales. Los costos de almacenaje y distribución son bajos, su utilización es fácil y retienen considerablemente la calidad inicial atractivos que compensan el aún elevado costo de tratamiento.


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CEBOLLA ROJA Allium cepa

Características Color: Blanco - rosa lileáceo Sabor y aroma: Característico de la cebolla roja fresca Humedad: 4% máximo

Estándares Microbiológicos Recuento Plaquetario Aerobio: 100000 /gr. Coliformes Totales: Mx. 50/g. E. Coli: Negativo Moho: Max 300/gr. Levaduras: Max 300/gr.


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AJO Allium sativum

Características

Color: Blanco - crema Aroma: Típico del ajo fresco Humedad: 4.0% máximo Tamaño: aprox 3 x 3mm. Empaque: 20kgs. netos en bolsas de polietileno, en cajas de cartón corrugado de doble línea.

Estándares Microbiológicos

Recuento Plaquetario Aerobio: 100000 /gr. Coliformes Totales: Mx. 50/g. E. Coli: Negativo


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PIÑA

Características

Color: Crema. Sabor y aroma: Característico de la piña fresca Humedad: 4% máximo Empaque: 40Kg. netos, en bolsas de polietileno contenidas en tambores de carton.

Estándares microbiológicos Recuento en placas de Aerobios: 100000/g max. Coliformes totales: 100/g max. E.coli: Negativo


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LÚCUMA

Características Color: Lúcuma. Sabor y aroma: Característico de la lúcuma fresca. Humedad: 4% máximo Empaque: 40Kg. netos, en bolsas de polietileno contenidas en tambores de carton.

Estándares Microbiológicos Recuento en placa de Aerobios: 100000/g max. Coliformes totales: 100/g max E.coli: Negativo Mohos: 300/g max Levaduras: 300/g max


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MARACUYÁ

Características

Color: Mostaza. Sabor y aroma: Característico del maracuyá fresco. Humedad: 4% máximo Empaque: 40Kg. netos, en bolsas de polietileno contenidas en tambores de carton.


Recuento en placa de Aerobios: 100000/g max. Coliformes totales: 100/g max. E.coli: Negativo. Mohos: 300/g max. Levaduras: 300/g max.


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PLATANO

Características

Color : Crema. Sabor y aroma : Característico del plátano fresco. Humedad : 4% máximo Empaque: 40Kg. netos, en bolsas de polietileno contenidas en tambores de carton.


Recuento en placa de Aerobios: 100000/g max. Coliformes totales: 100/g max. E.coli: Negativo


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X. LIOFILIZACIÓN EN LA INDUSTRIA Industrialmente, se liofilizan alimentos “instantáneos” (sopas y cafés, por ejemplo) y frutas finas como frambuesas, frutillas o frutas tropicales. Además, se pueden liofilizar para su conservación: Materiales no vivientes tales como plasma sanguíneo, suero, soluciones de hormonas, productos farmacéuticos biológicamente complejos como vacunas, sueros y antídotos. Transplantes quirúrgicos con mucho tejido conectivo: arterias, piel y huesos. Microorganismos simples destinados a durar largos períodos de tiempo sin heladera, como bacterias, virus y levaduras. El proceso no es apto para células de tejidos blandos, que si bien se pueden liofilizar, pierden su viabilidad en el proceso. La liofilización es ampliamente usada para la conservación de plasma sanguíneo y productos alimenticios: detiene el crecimiento de microorganismos (hongos, moho, etc.), inhibe el deterioro de sabor y color por reacción químicas, enranciamiento y pérdida de propiedades fisiológicas; y facilita el almacenamiento y la distribución. No sólo se obvia la necesidad de una cadena de frío, sino que, a pesar de la gran pérdida de peso, los productos mantienen el volumen y la forma original. El material es fácilmente rehidratable.

Sistema de carga y transporte de bandejas del liofilizador

Se dispone de instalaciones y equipos que reproducen los detalles de una liofilización industrial en pequeña escala.


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Bandejas con productos liofilizados. Cada producto terminado es livianísimo (ha perdido casi todo su contenido de agua) y se conserva indefinidamente sin cadena de frío. De los experimentos surgen protocolos operativos que pueden conducir a ajustes en el diseño de planta para optimizar la producción de cada cliente.El diseño de cualquier instalación industrial, sea nuestra o de otro fabricante, ya que las condiciones de liofilización varían entre límites muy amplios según los productos a conservar. Esto evita errores en la elección de equipos.

De los experimentos que se hacen sobre el material a liofilizar de cada cliente surgen no sólo nuevos protocolos de proceso, sino también cambios de diseño de planta a medida del comprador.


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1. LAS VENTAJAS DE LA PLANTA

Vista de uno de los eyectores que realizan el vacío en la planta de Querétaro, México.

Las plantas de liofilización tienen que competir exitosamente con las mejores del Primer Mundo. En efecto, requieren menos personal especializado y menos mantenimiento porque son más sencillas y robustas. El proceso de liofilización (en inglés "freeze-drying") consiste en introducir el producto a tratar en una cámara hermética y realizarle vacío rápidamente. El vacío baja la temperatura dentro de la cámara y el agua contenida en el material se congela. Entonces se comienza a calentar el material pero manteniendo el vacío, para que el hielo “sublime” (es decir, se vuelva vapor sin pasar por fase líquida). Los niveles de vacío y de temperatura de calentamiento varían según el producto a tratar.

Las plantas usan eyectores de vapor para crear vacío. En un liofilizador convencional, el vacío se logra mediante la combinación de bombas extractoras de aire y "trampas frías" que operan a -40 o -50 °C, para congelar el agua extraída del producto y crear, dentro de la cámara, una presión menor a la atmosférica. Estas bombas de vacío mecánicas y estos grandes equipos de frío requieren mucha mano de obra especializada para su operación y mantenimiento.


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La puerta del liofilizador a punto de cerrarse En la planta liofilizadora el vacío se realiza por medio de eyectores de vapor, sin bombas ni trampas frías. Los eyectores son equipos pasivos, de operación sencilla y escaso mantenimiento, activados por vapor. Para instalar un equipo liofilizador no se necesita una fábrica altamente equipada: sólo hay que tener gas natural, electricidad y agua.

2. PROCEDIMIENTOS HABITUALES EN LA PLANTA Las plantas se diseñan “a medida” del cliente cumpliendo todos los pasos, desde los ensayos previos para determinar las características del proceso necesario para cada producto, la ingeniería básica, su validación, la construcción, la puesta en marcha y la operación de esta planta. Las plantas concebidas para liofilizar alimentos usan una batería de eyectores supersónicos, con un eyector de arranque y dos condensadores barométricos. Debido a que el vacío se mantiene mediante una columna líquida de altura apropiada, la estructura alcanza una altitud considerable. El procesamiento de los alimentos depende del producto a tratar pero sigue aproximadamente las siguientes etapas.

Planta LIAL de la localidad de Gaiman, en el valle del río Chubut, en la provincia patagónica homónima.


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Acondicionamiento previo de los alimentos. Esta etapa puede constar de procedimientos como clasificación, lavado, pelado, cortado, triturado, cocción dependiendo del producto a obtener. Generalmente se procede al congelamiento del material, el que es almacenado en cámaras frigoríficas hasta el momento de liofilizarlo. A continuación se carga la cámara de liofilización y se procede a la liofilización propiamente dicha, haciendo vacío y calentando la carga suavemente según lo establecido previamente en el protocolo del tratamiento. Una vez completado el proceso, se procede a la descarga y envasado en recipientes herméticos, si es necesario, bajo atmósfera de nitrógeno, con lo que el producto está listo para su distribución y comercialización. Como es natural, la producción varía según los parámetros de diseño, dependiendo del producto a liofilizar y a los turnos de operación. Los equipos son de relativamente gran tamaño. En la planta de Gaiman, el caño de conexión entre el recipiente de liofilización y el eyector de primera etapa tiene un diámetro de 1 metro, y casi 9 metros de longitud. Hasta ahora, hay dos plantas de este tipo en operaciones: la de Gaiman, Chubut, Argentina, puesta en funcionamiento en 1999; y la de Querétaro, México, construida y puesta en operaciones en 2004.


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MODELO DE LIOFILIZADOR FARMACÉUTICO (MARCA TELSTAR)

Fuente: http://www.telstar-lifesciences.com



PARTES RESALTANTES

Funda Retráctil Del

Cilindro en Acero

Inoxidable

Compresores

Frigoríficos


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Sistema SIP para realizar el Test de seguridad

Sistema hidráulico de cerrado

Grupo de vacío


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3. APLICACIONES DE LOS LIOFILIZADORES DE PRODUCCIÓN

La consolidación definitiva de la biotecnología como fuente de nuevas moléculas terapéuticas ha incrementado la importancia de la liofilización. Las principales ventajas que ofrece la técnica de liofilización son:

Dosificación precisa en forma líquida. Estabilidad del producto. Rápida redisolución del producto liofilizado. Fabricación estéril.

Pero como cualquier técnica, tiene sus limitaciones que deben ser consideradas para cualquier fórmula de inyectable. Tanto la congelación como el proceso de secado, suponen un estrés del producto que puede resultar en una pérdida de actividad, incapacidad de reconstitución, etc. Muchas veces estos problemas se pueden solucionar variando ligeramente la formulación o cambiando parámetros de la receta del ciclo empleado. Se está desarrollando constantemente soluciones que permiten afrontar los nuevos retos que van surgiendo en la liofilización, tales como:

Sistemas de registros y firmas electrónicas, totalmente validados de acuerdo con las normativas GAMP y GMP, y los requerimientos de las FDA vigentes

Sistemas de refrigeración criogénica GN2-Tech por medio de nitrógeno líquido, para la liofilización de la nuevas fórmulas a más bajas temperaturas (<-90ºC).

Fuente: http://www.labconco.com

Sistemas de carga y descarga automática LyoLoader. Sistemas de producción con garantía de esterilidad, por ejemplo: sistemas

Intercambiador de calor

utilizando el sistema GN-2

tech


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con tecnología de aisladores, Steam in Place (SIP) o esterilización in situ, y Clean in Place (CIP) o limpieza in situ.

4. LA LIOFILIZACIÓN DE PRODUCTOS FARMACÉUTICOS

Uno de los problemas que siempre ha preocupado a los investigadores y científicos, es el de la habilidad que presenta un gran numero de de productos biológicos, químicos y alimenticios, que al ser facilmnente desnaturalizadas, no permite su conservación sin que sus cualidades originales sean alteradas. Los científicos franceses Bordas y D´Arsonval en 1906 y el americano Shackell en 1909 descubren la aplicación del principio físico de la sublimación, construyendo un sencillo aparato de liofilización de laboratorio. El gran impulso se la aplicación industrial de la liofilización, se debe a los trabajos de E.W Flosdonf y S.Murdd, que trabajando en la escuela de Medicina de la Universidad de Pennsylvania, liofilizan los primeros productos para uso clínico en gran escala, principalmente sueros y plasma humano.

Zona aséptica de

producción de

productos

farmacéuticos

liofilizados

Mecanismo de

carga por hileras

LyoLoader

Dispositivo de lectura y carga por estrella LyoLoader


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Durante la segunda guerra mundial, los bancos de sangre americanos, empiezan a producir industrialmente plasma humano liofilizado para el ejército. En esta época, Fleming, Florcy y Cain, descubren y sintetizan la penicilina. El gran éxito de la desecación del plasma y su buena conservación por liofilización fue rápidamente aplicado a la penicilina y a continuación a muy diversos antibióticos, enzimas, sueros y vacunas a fines de prolongar su actividad terapéutica. Gran número de resúmenes de eventos científicos y trabajos técnicos, han sido publicados en las dos últimas décadas, tanto perfeccionando la técnica del proceso y los equipos e instalaciones, como apareciendo nuevas aplicaciones de la liofilización a nivel de investigaciones o de la industria

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LIOFILIZACION-termodinamica