Enfriamiento mediante vacío con bombas Leybold

“El enfriamiento mediante vacío es un método rápido y energéticamente eficiente para enfriar alimentos y prolongar su vida útil. Su éxito en la industria alimentaria está generando un mayor interés”. -Pierre Lantheaume

El reloj comienza a correr en cuanto se arranca una lechuga del campo o se saca un panecillo del horno. Sin un método confiable para ralentizar o detener este reloj, muchos productos alimenticios se volverían desagradables o peligrosos para comer en cuestión de sólo días. 

Para los consumidores que viven justo al lado de una granja o panadería, esto puede ser aceptable, pero para quienes viven a decenas o incluso cientos de kilómetros de donde se cultivan o procesan los alimentos, simplemente no es una opción.

Contenido de este artículo:
Refrigerar es la clave
El reto de la ensalada
Trabajo de campo
Más allá de las verduras
Conclusiones finales

Refrigerar es la clave

En la lucha por evitar desperdicios y mantener frescos los productos alimenticios, la refrigeración es un arma importante. Reducir la temperatura de los alimentos aumenta su vida útil, mantiene la frescura y ralentiza el crecimiento de bacterias que de lo contrario podrían hacer que se echen a perder. Por esta razón, los alimentos a menudo se enfrían lo más rápido posible después de ser producidos o cosechados, dando lugar al desarrollo de una industria dedicada a satisfacer esta necesidad.

Los métodos de enfriamiento tradicionales usan aire o agua para eliminar el calor de los alimentos mediante una combinación de conducción y convección. Estos métodos existen desde hace décadas, pero tienen varios inconvenientes. Puede llevar horas enfriar una tarima de verduras usando circulación de aire forzado o chorros de agua.

Durante ese tiempo, las bacterias continúan multiplicándose y el fluido refrigerante (aire o agua) puede contaminarse con microorganismos dañinos a menos que se tomen precauciones estrictas. El enfriamiento convencional también produce una distribución desigual de la temperatura, ocasionando que los productos alimenticios en los bordes de los contenedores se enfríen más rápidamente que los del centro. Este proceso consume mucha energía.

Una alternativa es enfriar los alimentos colocándolos en una cámara de vacío. El enfriamiento mediante vacío se basa en el principio de evaporación: a medida que el agua se evapora del producto, se elimina energía y la temperatura desciende. El proceso de evaporación comienza tan pronto como la presión desciende lo suficiente como para que hierva el agua, y la temperatura final deseada puede establecerse controlando la presión en la cámara de vacío.

A comparación con el enfriamiento convencional, el enfriamiento por vacío es más rápido. Con el equipo adecuado, una tarima de verduras que tardaría varias horas en enfriarse mediante circulación forzada de aire puede enfriarse en unos pocos minutos. El enfriamiento mediante vacío también es eficiente y requiere una cuarta parte de la energía del enfriamiento por aire forzado.

Otro beneficio del enfriamiento por vacío es una mayor seguridad. Debido a que el flujo de aire es completamente en una dirección, desde adentro hacia afuera, no hay posibilidad de que entre aire potencialmente contaminado y circule alrededor de la comida. La velocidad del enfriamiento por vacío también mejora la seguridad ya que la rápida reducción de la temperatura reduce la posibilidad de que las bacterias se multipliquen.

Otra ventaja es que debido a que la evaporación tiene lugar en todas las superficies al mismo tiempo, la distribución espacial del enfriamiento es homogénea (especialmente para productos con una alta relación superficie-volumen). Esto le da a los alimentos enfriados al vacío una vida útil significativamente más larga.

No todos los alimentos son aptos para enfriamiento al vacío. Debido a que el proceso se basa en la evaporación, el producto debe contener suficiente agua para que el enfriamiento sea efectivo. Además, las verduras de hoja como la lechuga, que tienen una gran superficie, se pueden enfriar de manera más eficiente que las sólidas como los tomates. Pero ninguno de estos requisitos es tan restrictivo como cabría esperar. Muchos alimentos que se sienten relativamente secos en la boca, como el pan, contienen suficiente agua para ser enfriados al vacío. Y debido a que el enfriamiento por vacío generalmente solo elimina un pequeño porcentaje del contenido de agua del producto, la pérdida de masa es menor que la que obtendría con el enfriamiento por aire forzado, lo que minimiza la pérdida de ingresos en los alimentos vendidos por peso.

El reto de la ensalada

Para los expertos en vacío, la tarea de diseñar un sistema que satisfaga las necesidades de un cliente en la industria alimenticia (a diferencia de, por ejemplo, la investigación científica) plantea algunos desafíos interesantes. Pero los principios básicos son los mismos. En particular, el cálculo del tamaño que debe tener el sistema de enfriamiento por vacío se basa en la ley de conservación de la energía: la cantidad de calor liberado al enfriar los alimentos debe ser igual a la cantidad de calor absorbido por la evaporación del agua, Qliberado = Qtomado.

El lado izquierdo de esta ecuación se calcula multiplicando la masa del alimento por su calor específico y el cambio de temperatura antes y después del enfriamiento, Qliberado = m alimento  cp ΔT. Por ejemplo, si quisiéramos enfriar 1000 kg de ensalada –un material con un calor específico de 3.9 kJ/(kg K), ligeramente menor que el del agua– de 25°C a 5°C, necesitaríamos disipar 78.000 kJ de calor. Entonces, ¿cuánta agua necesitaríamos para evaporar? Bueno, Qtomado = m agua × Δhvap, donde Δhvap, el calor de evaporación del agua, es 2466 kJ/kg a 15°C, por lo que la respuesta es 31.6 kg, un pequeño porcentaje de la masa inicial de la ensalada.

La siguiente pregunta se refiere al flujo que debe manejar el sistema de vacío. Si queremos que el tiempo total de enfriamiento de la ensalada sea de 30 minutos, dejando 5 minutos para bombear entre ciclos de enfriamiento, entonces necesitamos un sistema que pueda bombear m steam = 76 kg de vapor por hora. Para traducir eso a un flujo de volumen efectivo v eff, usamos la ecuación v eff = msteam × Vm/M × Teff/TN ×  PN/Peff, donde Vm es el volumen molar de agua (22.4 N m³/kmol); M es su masa molar (18 kg/kmol); Teff y Peff son la temperatura y la presión efectivas; y TN = 273 K y PN = 1013 mbar son las normas de temperatura y presión. A Teff = 25°C (298 K), la presión de vapor del agua es de 31,7 mbar, por lo que nuestro sistema de vacío inicialmente necesitaría bombear 3299 m³/hr. A la temperatura final de 5°C, la presión de vapor del agua desciende a 8.72 mbar, lo que significa que el sistema debería estar bombeando 11.188 m³/h.

El esponjamiento ideal: Las pruebas llevadas a cabo por la empresa de horneado y enfriamiento al vacío Cetravac muestran que el pan enfriado al vacío mantiene su volumen y estructura mejor que el pan enfriado con métodos tradicionales.

En teoría, una bomba de vacío debería poder eliminar estos flujos. Sin embargo, en la práctica, necesitaría un sistema muy grande (y costoso) para hacerlo. La opción más económica suele ser utilizar un condensador para atrapar el flujo de vapor y convertirlo en líquido, lo que reduce drásticamente el flujo de gas a la bomba de vacío. Como regla general, se necesita alrededor de un metro cuadrado de superficie de condensación por cada 10 kg/h de flujo de vapor, por lo que para enfriar nuestros 1000 kg de ensalada necesitaríamos un condensador de unos 8-10 m².

Las consideraciones restantes son, en primer lugar, que el sistema de vacío debe ser capaz de evacuar la cámara desde la presión atmosférica hasta la presión final en el tiempo deseado (25 minutos en el ejemplo de la ensalada). Esto se puede determinar mediante un simple cálculo de la velocidad de bombeo, s = V/t  ln (p0/p1), donde V es el volumen de la cámara, y p0 y p1 son las presiones inicial y deseada. 

En segundo lugar, el sistema de vacío debe poder manejar el flujo de gas que queda después del condensador. Suponiendo una fuga típica en la cámara de vacío (alrededor de 5 kg de aire por hora para una cámara de 10 m³ con sellos estándar), calculamos el flujo generado por el vapor no condensado y las fugas que quedan detrás del condensador para las temperaturas inicial y final. El mayor de los dos cálculos anteriores determinará el tamaño del sistema de vacío. En el ejemplo de la ensalada, los resultados fueron 570 m³/h para la velocidad de bombeo y 1500 m³/h para el flujo debido a fugas y vapor no condensado, mucho menos de lo que se hubiera requerido sin un condensador.

Trabajo de campo

Los sistemas de enfriamiento mediante vacío para vegetales de hoja, ensaladas y flores tienen un diseño similar. Se instalan en un remolque colocado junto al campo donde se cosecha la ensalada o se integran en las instalaciones donde se limpia y envasa las ensaladas antes de enviarlas. Las cámaras estacionarias más grandes se pueden cargar con hasta 20 tarimas simultáneamente y son capaces de procesar más de 300  toneladas de vegetales por día.

El enfriamiento mediante vacío es un método rápido y de bajo consumo con una amplia gama de usos en el procesamiento de alimentos y otras aplicaciones industriales.

Antes de cargarse en la cámara de vacío, las verduras como la lechuga suelen ser rociadas con agua para compensar la pérdida de peso debido a la evaporación. Tan pronto como la puerta se cierra, el sistema de vacío comienza a bombear y la presión cae de 1000 mbar a 15-20 mbar en 5 minutos. A esa presión y a una temperatura de alrededor de 20°C el agua comienza a evaporarse y comienza el proceso de enfriamiento. Después de 15-20 minutos, la presión cae aún más, a 5-6 mbar, y el producto alcanza una temperatura de aproximadamente 2°C. Durante el proceso, un condensador que contiene una mezcla de glicol y agua a una temperatura de -6 a -0°C atrapa la mayor parte del vapor de agua, protegiendo las bombas. Después los sistemas de bombeo y enfriamiento se detienen y la cámara se ventila nuevamente a la presión atmosférica en unos pocos minutos. Luego, las ensaladas se almacenan en una cámara fría donde pueden conservarse durante 2 a 3 semanas sin que se echen a perder.

Mientras el condensador esté haciendo bien su trabajo, las demandas que este ciclo impone a las bombas de vacío son sencillas, ya que la temperatura de inicio es bastante baja (las verduras recién cosechadas rara vez superan los 30°C) y la cantidad de agua a ser evaporada es limitada. Sin embargo, la presencia de partículas de suciedad o pequeñas partes de la planta puede ser un desafío, para lo que existen algunas ventajas y desventajas en el diseño de sistemas rentables y de bajo mantenimiento adecuados. Por ejemplo, las bombas de paletas rotativas selladas con aceite son confiables y rentables, con buena compatibilidad con el vapor de agua y un diseño compacto y completamente enfriado por aire que las hace fáciles de usar en sistemas móviles. Sin embargo, necesitan filtros de entrada para protegerse de partículas, y mantenerlas requiere un cambio regular de aceite, filtros de aceite y desempañadores de escape.

Las bombas de vacío Leybold de tornillo tienen una mayor tolerancia a las partículas, y su pequeño tamaño, bajo nivel de ruido y bajo consumo de energía las vuelve ideales para instalaciones industriales de procesamiento de alimentos. Por otro lado, la mayoría de las versiones requiere refrigeración por agua o aire, y su costo inicial es mayor al de una bomba de paletas rotativas. Ambos tipos de bombas se pueden utilizar en combinación con una bomba de vacío roots, que aumenta la velocidad de bombeo del sistema a presiones inferiores a 50 mbar.

Más allá de las verduras

El éxito del enfriamiento al vacío para mantener frescos los vegetales significa que ahora se están aplicando técnicas similares a otros productos alimenticios. El pan y la bollería son un ejemplo. En esta aplicación, la temperatura inicial es mucho más alta (hasta 90 °C cuando los panecillos se descargan del horno) y, por lo tanto, la cantidad de agua presente en el ciclo es considerablemente mayor a la de las verduras.

Las bombas rotativas de paletas no tienen una tolerancia al vapor de agua lo suficientemente alta para hacer el trabajo, por lo que las bombas de tornillo son una mejor solución. Estos equipos pueden ingresar grandes cantidades de agua sin romperse y también son altamente tolerantes a las partículas pequeñas (harina, amapola o semillas de sésamo, etc.). Además de ahorrar energía y enfriar el pan más rápidamente, el enfriamiento al vacío también brinda ventajas para los consumidores: el pan enfriado al vacío tiene una corteza crujiente y una miga esponjosa, lo que brinda más placer al comer.

También estamos empezando a ver algunas aplicaciones no alimenticias del enfriamiento por vacío. Por ejemplo, la hierba de la cancha en los estadios de fútbol profesional de primer nivel no crece realmente allí. Sino que se produce en granjas especiales, se cosecha en rollos y se transporta al estadio a tiempo para los juegos. Gracias al enfriamiento por vacío, estos rollos de césped sobreviven fácilmente al proceso de transporte y aguantan hasta el próximo riego. Los requisitos para enfriar pasto son similares a los de enfriar vegetales, excepto que la cantidad de agua que se debe extraer para alcanzar la temperatura deseada es significativamente mayor, debido a la masa del producto (incluyendo tierra y lodo). Por lo tanto, es un trabajo más exigente para la bomba de vacío. La combinación de bombas de paletas rotativas y sopladores de raíces sigue funcionando bien, pero las bombas requieren un mayor mantenimiento de lo habitual para enfriar verduras.

Conclusiones finales

El enfriamiento mediante vacío es un método de enfriamiento rápido y energéticamente eficiente con una amplia gama de aplicaciones en el procesamiento de alimentos (y cada vez más fuera de él). Mejora la seguridad y prolonga la vida útil de los productos alimenticios. Los desafíos que plantea a los sistemas de vacío son novedosos y dependen en gran medida del producto que se enfríe: mientras que las bombas de paletas rotativas selladas con aceite han demostrado su eficacia en el enfriamiento de vegetales, otras aplicaciones requieren un pensamiento innovador. 

La tecnología de bombeo en seco está creando oportunidades para procesos nuevos y más sofisticados como el enfriamiento de arroz para sushi o alimentos preparados para catering.

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