Enfriamiento por vacío “del campo a la mesa” 11 de abril de 2022
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Este artículo apareció por primera vez en el 2019 Physics World Focus on Instruments & Vacuum bajo el título “From field to table” https://physicsworld.com/a/vacuum-keeps-food-fresh-and-cool-from-field-to-table/
«La refrigeración por vacío es un método rápido y energéticamente eficiente para enfriar alimentos y prolongar su vida útil. Ahora, su éxito en la industria alimentaria está impulsando un mayor interés"
- Pierre Lantheaume
El reloj empieza a tickear tan pronto como se recoge una lechuga del campo o se saca un panecillo del horno, y sin alguna intervención para ralentizar o detener ese reloj, muchos productos alimentarios se volverán desagradables o inseguros para comer en cuestión de días. Para los consumidores que viven justo al lado de una granja o panadería, esto puede ser aceptable, pero para aquellos de nosotros que vivimos a decenas o incluso cientos de kilómetros de distancia del lugar donde se cultiva o procesa nuestra comida, simplemente no es práctico.
En la lucha por evitar desperdicios y mantener frescos los productos alimentarios, la refrigeración es un arma importante. Reducir la temperatura de los alimentos aumenta su vida útil, mantiene su frescura y ralentiza el crecimiento de bacterias que, de lo contrario, podrían provocar su deterioro. Por esta razón, los alimentos suelen enfriarse lo más rápido posible después de su producción o cosecha, y toda una industria ha crecido para satisfacer esta necesidad.
Los métodos tradicionales de refrigeración utilizan 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. El enfriamiento de un palé de verduras mediante circulación forzada de aire o chorros de agua puede llevar horas.
Durante ese tiempo, las bacterias continúan multiplicándose y el líquido refrigerante (aire o agua) puede contaminarse con microorganismos dañinos a menos que se tomen precauciones estrictas. La refrigeración convencional también produce una distribución desigual de la temperatura, ya que los productos alimenticios de los bordes de los contenedores se enfrían más rápido que los del centro. Y, por supuesto, el proceso consume mucha energía.
Una alternativa es enfriar los alimentos colocándolos en una cámara de vacío. La refrigeración por vacío se basa en el principio de evaporación: a medida que el agua se evapora del producto, se elimina la energía y la temperatura desciende. El proceso de evaporación comienza tan pronto como la presión cae lo suficiente como para que el agua hierva, y la temperatura final deseada se puede ajustar controlando la presión en la cámara de vacío.
En comparación con la refrigeración convencional, la refrigeración por vacío es rápida. Con el equipo adecuado, un palé de verduras que tardaría varias horas en enfriarse mediante circulación de aire forzada se puede enfriar en pocos minutos. La refrigeración por vacío también es eficiente, ya que requiere una cuarta parte de la energía de la refrigeración por aire forzado.
Una ventaja final de la refrigeración por vacío es la seguridad . Dado que el flujo de aire se dirige completamente en una dirección, desde el interior hacia el exterior, no hay posibilidad de que se introduzca aire potencialmente contaminado y circule alrededor de los alimentos. La velocidad de la refrigeración por vacío también mejora la seguridad, ya que la rápida reducción de la temperatura da menos posibilidades a las bacterias de multiplicarse.
Otra ventaja es que, dado que la evaporación se produce en todas las superficies al mismo tiempo, la distribución espacial de la refrigeración es homogénea (especialmente para productos con una alta relación superficie-volumen). Esto prolonga considerablemente la vida útil de los alimentos refrigerados al vacío.
No todos los alimentos son adecuados para la refrigeración al vacío. Dado que el proceso se basa en la evaporación, el producto debe contener suficiente agua para que la refrigeración sea eficaz. Además, las verduras de hojas, como la lechuga, que tienen una gran superficie, se pueden enfriar de forma más eficiente que las verduras 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 enfriarse al vacío. Y como la refrigeración por vacío suele eliminar solo un poco del contenido de agua del producto, la pérdida de masa es menor que la que se obtendría con la refrigeración por aire forzado, lo que minimiza la pérdida de ingresos por alimentos vendidos por peso.
El reto de la ensalada
Para los expertos en vacío, la tarea de diseñar un sistema para satisfacer las necesidades de un cliente de la industria alimentaria (en lugar de, por ejemplo, la investigación científica) plantea algunos retos interesantes. Pero los principios básicos son los mismos. En particular, el cálculo del tamaño necesario del sistema de refrigeración por vacío se basa en la ley de conservación de la energía: la cantidad de calor liberada al enfriar los alimentos debe ser igual a la cantidad de calor absorbida por la evaporación del agua, Q liberado = Q tomado.
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, Q liberado = m alimento cp ΔT. Por ejemplo, si queríamos enfriar 1000 kg de ensalada, un material con un calor específico de 3,9 kJ/(kg K), ligeramente inferior al del agua, de 25 °C a 5 °C, tendríamos que disipar 78 000 kJ de calor. ¿Cuánta agua necesitaríamos evaporar? Bueno, Q tomado = m de agua × Δh vap, donde Δ hvap, el calor de evaporación del agua, es 2466 kJ/kg a 15 °C, por lo que la respuesta es 31,6 kg, un poco por ciento 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, lo que permite 5 minutos de bombeo entre los ciclos de enfriamiento, entonces necesitamos un sistema que pueda bombear m de vapor = 76 kg de vapor por hora. Para traducirlo en un caudal volumétrico efectivo v eff, usamos la ecuación v eff = m vapor × Vm /M × T eff /TN × PN /P eff, donde Vm es el volumen molar de agua (22,4 N m³/kmol); M es su masa molar (18 kg/kmol); T eff y P eff son la temperatura y presión efectivas; y TN = 273 K y PN = 1013 mbar son la temperatura y presión normales. A T eff = 25 °C (298 K), la presión de vapor del agua es de 31,7 mbar, por lo que nuestro sistema de vacío tendría que bombear inicialmente 3299 m3/h. A la temperatura final de 5 °C, la presión de vapor del agua cae a 8,72 mbar, lo que significa que el sistema tendría que bombear 11,188 m3/h.
La pelusa adecuada Las pruebas realizadas por la empresa de refrigeración y horneado al vacío Cetravac demuestran que el pan refrigerado al vacío mantiene su volumen y estructura mejor que el pan refrigerado con métodos tradicionales.
En teoría, una bomba de vacío debería ser capaz de eliminar estos flujos. Sin embargo, en la práctica, se necesitaría un sistema muy grande (y caro) 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, necesitamos aproximadamente 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 aproximadamente 8-10 m2.
Las consideraciones restantes son, en primer lugar, que el sistema de vacío debe ser capaz de evacuar la cámara de la presión atmosférica a la presión final en el tiempo deseado (25 minutos en el ejemplo de la ensalada). Esto se puede determinar mediante un cálculo sencillo 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 iniciales y deseadas. En segundo lugar, el sistema de vacío debe ser capaz de gestionar el flujo de gas que queda después del condensador. Suponiendo una fuga típica en la cámara de vacío (aproximadamente 5 kg de aire por hora para una cámara de 10 m3 con sellos estándar), calculamos el caudal generado por el vapor no condensado y las fugas dejadas 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 de 570 m3/h para la velocidad de bombeo y 1500 m3/h para el caudal debido a fugas y vapor no condensado, mucho menos de lo que se habría requerido sin un condensador.
Trabajo de campo
Los sistemas de enfriamiento al vacío para verduras de hoja caduca, ensaladas y flores tienen un diseño similar. Se instalan en un remolque situado junto al campo donde se cosecha la ensalada o se integran en las instalaciones donde se limpian y empaquetan las ensaladas antes de su envío. Las cámaras fijas más grandes pueden cargar hasta 20 palés simultáneamente y son capaces de procesar más de 300 toneladas de verduras al día.
La refrigeración por vacío es un método de refrigeración rápido y energéticamente eficiente con una amplia gama de aplicaciones en el procesamiento de alimentos y otras aplicaciones industriales
Antes de cargarlas en la cámara de vacío, las verduras, como la lechuga, a menudo se rocían con agua para compensar la pérdida de peso debido a la evaporación. En cuanto se cierra la puerta, 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 unos 20 °C, el agua comienza a evaporarse y comienza el proceso de enfriamiento. Después de 15-20 minutos, la presión sigue cayendo, hasta 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 -10 °C atrapa la mayor parte del vapor de agua, protegiendo las bombas. A continuación, los sistemas de bombeo y refrigeración se detienen y la cámara vuelve a ventilarse a la presión atmosférica en cuestión de minutos. Después, las ensaladas se almacenan en una cámara fría donde se pueden conservar durante 2-3 semanas sin deterioro.
Siempre que el condensador esté haciendo bien su trabajo, las exigencias que este ciclo impone a las bombas de vacío son sencillas, ya que la temperatura inicial es bastante baja (las verduras recién cosechadas rara vez están a más de 30 °C) y la cantidad de agua que se debe evaporar es limitada. Sin embargo, la presencia de partículas de suciedad o pequeñas partes de la planta puede suponer un reto, y existen algunas desventajas en el diseño de sistemas rentables y de bajo mantenimiento. Por ejemplo, las bombas de paletas rotativas selladas con aceite son fiables y rentables, con una buena compatibilidad con el vapor de agua y un diseño compacto y totalmente refrigerado por aire que las hace fáciles de usar en sistemas móviles. Sin embargo, necesitan filtros de entrada para protegerlos de las partículas, y su mantenimiento requiere un cambio regular de aceite, filtros de aceite y nebulizadores de escape.
Las bombas de vacío de tornillo tienen una mayor tolerancia a las partículas, y su pequeño tamaño, bajo nivel de ruido y bajo consumo de energía las hacen ideales para instalaciones industriales de procesamiento de alimentos. Por otro lado, la mayoría de las versiones requieren refrigeración por agua o aire, y su coste inicial es superior 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 de la refrigeración al vacío para mantener frescas las verduras significa que ahora se están aplicando técnicas similares a otros productos alimentarios. El pan y los productos de panadería son un ejemplo. En esta aplicación, la temperatura inicial es mucho más alta (hasta 90 °C cuando se descargan los panecillos del horno) y, por lo tanto, la cantidad de agua presente en el ciclo es drásticamente mayor que la de las verduras.
Las bombas de paletas rotativas no tienen una tolerancia al vapor de agua lo suficientemente alta como para realizar el trabajo, por lo que las bombas de tornillo son una mejor solución. Pueden tragar grandes cantidades de agua sin romperse y también son muy tolerantes a las partículas pequeñas (harina, amapolas o semillas de sésamo, etc.). Además de ahorrar energía y enfriar el pan más rápidamente, la refrigeración al vacío también ofrece ventajas para los consumidores: el pan refrigerado al vacío tiene una corteza crujiente y una miga esponjosa, lo que proporciona más placer al comer.
También estamos empezando a ver algunas aplicaciones no alimentarias de refrigeración por vacío. Por ejemplo, el césped del campo en los estadios de fútbol profesionales de primera categoría no crece realmente allí. En su lugar, se produce en granjas especiales, se cosecha en rollos y se transporta al estadio a tiempo para los partidos. Gracias a la refrigeración por vacío, estos rollos de hierba sobreviven fácilmente al proceso de transporte y permanecen colgados hasta el siguiente riego. Los requisitos de enfriamiento de la hierba son similares a los de las verduras, 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 barro). Por lo tanto, es un trabajo más exigente para la bomba de vacío. La combinación de bombas de paletas rotativas y soplantes Roots sigue funcionando bien, pero las bombas requieren más mantenimiento de lo habitual para enfriar verduras.
Recapitular
La refrigeración por vacío es un método de refrigeración 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 alimentaria y prolonga la vida útil de los productos alimentarios. Los retos que plantea a los sistemas de vacío son novedosos y dependen en gran medida del producto que se enfría: mientras que las bombas de paletas rotativas selladas con aceite han demostrado ser eficaces en la refrigeración de verduras, otras aplicaciones requieren un pensamiento innovador. La tecnología de bombeo en seco está creando oportunidades para procesos nuevos y más sofisticados, incluido el enfriamiento de arroz para sushi o alimentos preparados para catering.
Este artículo apareció por primera vez en el 2019 Physics World Focus on Instruments & Vacuum bajo el título “From field to table” https://physicsworld.com/a/vacuum-keeps-food-fresh-and-cool-from-field-to-table/
