Diseño de un sistema de deshidratado de frutas mediante método de liofilización.

Abstract

En la actualidad, la preservación de los alimentos es vital, es por esto que la industria de alimentos ha empezado a desarrollar diferentes técnicas de conservación, entre ellas la liofilización, el cual es un proceso de deshidratación que contiene dos subprocesos: la congelación del alimento y posteriormente el secado del mismo en el que se genera la sublimación del hielo, eliminando un alto porcentaje de humedad. El presente proyecto tiene como objetivo el diseño de un sistema de liofilizado de tamaño piloto para deshidratar manzana. Esta oportunidad se genera debido a la existencia de una unidad de condensación en el laboratorio de termofluidos de la Universidad de Concepción, el cual puede ser reutilizado para los ciclos de congelado de la fruta. El proceso de liofilización es considerado un sistema costoso y complejo debido a las condiciones que requiere, sin embargo, posee ventajas importantes como lo son mantener la mayor parte de las propiedades organolépticas y llegar a una humedad final del producto cercana al 3%, bajo porcentaje con respecto a otros métodos que alcanzan alrededor del 15-20%. El diseño y definición del sistema se analiza posterior a una revisión bibliográfica sobre la teoría que involucra cada parte del sistema, los cuales son principalmente: sistema de enfriamiento, sistema térmico, condensador de hielo o también denominado trampa de hielo y sistema de vacío. Para esto se tiene en cuenta las características de la unidad de condensación, principalmente la potencia del compresor equivalente a 3.37 kW, siendo el factor limitante para determinar la escala del sistema. Se diseñó un sistema integrando en una misma cámara el proceso de congelado y de secado como un sistema continuo. El sistema de enfriamiento consistirá en un ciclo por compresión a vapor utilizando la unidad de condensación, estableciendo una temperatura de la fruta de -30°C. El sistema térmico será haciendo circular agua a una temperatura de 30°C por las bandejas en que estará depositada la fruta, entregando calor por conducción en la parte superior y calor por radiación por la parte inferior. Para esto se aprovecha el calor generado en el circuito de enfriamiento del condensador de hielo, que requiere permanecer a una temperatura de -45°C. Los tiempos de cada etapa son importantes, debido a que influyen tanto en la calidad como en la seguridad de un buen funcionamiento sin generar imprevistos ni colapsos en el proceso. Es por esto, que el diseño del sistema parte por determinar los tiempos, resultando una etapa de congelamiento de 96 minutos y una etapa de secado primario de 224 minutos. Con los parámetros determinados se estableció la posibilidad de operar con 15.5 kg de manzana fresca por ciclo. Como conclusión, se estructura un sistema que cumple en base a la teoría con el objetivo de generar manzana liofilizada. Siendo un sistema con un COP igual a 1 y 1.45 en los sistemas de refrigeración y de secado respectivamente. Es de vital importancia el respetar los principios de la liofilización, principalmente los tiempos y lograr las temperaturas y presiones establecidas. El proyecto es una buena oportunidad para recuperar la unidad de condensación. Generar un sistema con fines de estudio, para estudiar y analizar los comportamientos del proceso de liofilización, considerando que en un principio el sistema no es rentable debido a costos de funcionamiento, de mantención y de inversión.

Nowadays, food preservation is vital, which is why the food industry has started to develop different preservation techniques, among them freeze-drying, which is a dehydration process that contains two sub-processes: freezing the food and then drying it in which the ice sublimation is generated, eliminating a high percentage of humidity. The objective of this project is to design a pilot size freeze drying system to dehydrate apples. This opportunity is generated due to the existence of a condensation unit in the thermofluids laboratory of the Universidad de Concepción, which can be reused for the freezing cycles of the fruit. The freeze-drying process is considered a costly and complex system due to the conditions it requires, but it has important advantages such as maintaining most of the organoleptic properties and reaching a final product moisture content of around 3%, a low percentage compared to other methods that reach around 15-20%. The design and definition of the system is analyzed after a bibliographic review of the theory involved in each part of the system, which are mainly: cooling system, thermal system, ice condenser or also called ice trap and vacuum system. For this, the characteristics of the condensing unit are taken into account, mainly the power of the compressor equivalent to 3.37 kW, being the limiting factor to determine the scale of the system. A system was designed integrating the freezing and drying process in the same chamber as a continuous system. The cooling system will consist of a vapor compression cycle using the condensing unit, setting a fruit temperature of -30°C. The thermal system will be circulating water through the freezing chamber. The thermal system will circulate water at a temperature of 30°C through the trays in which the fruit will be deposited, delivering heat by conduction at the top and heat by radiation at the bottom. The heat generated in the cooling circuit of the ice condenser, which must remain at a temperature of -45°C, is used for this purpose. The times of each stage are important, since they influence both the quality and the safety of a good operation without generating unforeseen events or collapses in the process. For this reason, the design of the system starts by determining the times, resulting in a freezing stage of 96 minutes and a primary drying stage of 224 minutes. With the parameters determined, the possibility of operating with 15.5 kg of fresh apples per cycle was established. In conclusion, a system is structured that meets the theoretical objective of generating freeze-dried apples. Being a system with a COP equal to 1 and 1.45 in the refrigeration and drying systems respectively. It is of vital importance to respect the principles of freeze-drying, mainly the times and to achieve the established temperatures and pressures. The project is a good opportunity to recover the condensation unit. Generate a system for study purposes, to study and analyze the behavior of the freeze-drying process, considering that at the beginning the system is not profitable due to operating, maintenance and investment costs.