Liofilização: Desidratação de Alimentos

Prévia do material em texto

LIOFILIZAÇÃO
Disciplina: Operações unitárias III
Professor: Raul Nunes
Monitora: Flávia Pires
DEFINIÇÃO
É um processo de desidratação via sublimação (Pressão e Temperatura);
Remoção de água e outros solventes do produto congelado.
FUNDAMENTO FÍSICO
Temperatura e pressão parcial do vapor da água inferiores às do ponto triplo (T =0,01 ºC/ P=6,103 mbar).
APLICAÇÃO
Produtos instáveis (não aconselhável a refrigeração ou congelamento);
Sensível ao calor; 
Rápida e completa reidratação;
Minimização do peso;
Pré-tratamento para outros processos industriais.
VANTAGENS
Qualidade do produto final (não há movimentações e encolhimento);
Ausência de ar e baixas temperaturas: poucas alterações nos nutrientes, cor, aroma e sabor;
Estrutura leve, porosa e de baixa aw: fácil dissolução, hidratação, armazenamento e transporte;
Processo não poluidor.
DESVANTAGENS
Equipamento muito caro: Temperatura e pressão baixas;
Alto custo energético;
Processo muito demorado (mais de 24 horas);
Produtos higroscópicos. 
COMPONENTES DO LIOFILIZADOR
Câmara de vácuo;
Fonte de calor;
Condensador;
Bomba de vácuo;
Controles (display). 
Esquema ilustrativo do liofilizador 
ETAPAS
Preparo da amostra
Congelamento
Desidratação primária
Desidratação secundária
Preparo da amostra
Seleção;
Lavagem;
Sanitização;
Inativação enzimática;
Corte/Despolpamento/Concentração.
Congelamento
Formação de cristais pequenos (amorfo);
-18 ºC;
95% de gelo;
Transmissão de calor
	- Condução: para alimentos líquidos;
	- Convecção forçada: para alimentos
 sólidos.
Desidratação primária (sublimação)
Sublimação do gelo: pressão de vácuo e aumento da temperatura;
	- Calor latente de sublimação (2840 kJ/kg): fornecido por radiação ou condução entre as placas;
Eliminada 90% da água – produto com 15% de umidade;
Temperatura do produto = temperatura da prateleira (concluído);
Coeficientes de transferência de calor e massa: Temperatura e umidade;
Força motriz: diferença entre as pressões de vapor (interface do gelo X câmara de secagem);
 Taxa de secagem: movimentação de água e calor pela camada seca.
Desidratação secundária (dessorção)
Não há mais cristais de gelo;
Eliminação da água ligada por evaporação a vácuo (até 2%);
Aumento da temperatura (20-60 ºC);
Perigo de colapso (menor volume e porosidade);
Final controlado pela temperatura no produto (30-50 ºC) ou pelo peso.
 A
 B
 C
 D
Funcionamento do liofilizador 
X
Diagrama de fases da água
A: T material (sólido);
B: T prateleira (> T material);
C: P sistema (↓P ↑T) (gasoso);
D: T condensador (Transição sólido para gasoso).
A
 B
 C
 D
T
P
ARMAZENAMENTO DO PRODUTO DESIDRATADO
Conteúdo residual de água no produto seco é um fator critico que afeta a vida do produto em armazenamento;
Produtos higroscópicos;
Sensibilidade à oxidação;
Embalagem a vácuo ou em atmosfera controlada (CO2).
Triturado
Embalado
MODELAGEM MATEMÁTICA
Fenômenos de transferência de calor e massa
Projeto do equipamento;
Localização no alimento;
Fontes de aquecimento.
Predição: Taxa de secagem (Rs)
 Tempo de secagem (ttotal)
MODELAGEM MATEMÁTICA
Fenômenos de transferência de calor e massa
Taxa de secagem (Rs)
mms: massa de matéria seca (kg);
A: área de secagem (m2);
Xw: umidade (kg/kg b.s.);
t: tempo (s);
k: condutividade térmica da camada seca (W/m.K);
Tc: temperatura na superfície da camada seca (ºC);
Ts: temperatura na frente de sublimação (ºC);
∆subH: calor latente ou entalpia de sublimação (J/kg);
ec: espessura da camada seca (m);
Pvws: pressão de vapor na frente de sublimação (Pa);
Pm: permeabilidade mássica (kg.m/m2.s.Pa);
Pvwc: pressão de vapor na superfície da camada seca (Pa);
ρc: densidade da camada seca (kg/m3);
Xw0: umidade inicial do material (kg/kg b.s.);
Xwf: umidade final do material (kg/kg b.s.);
Dec/dt: taxa de variação da espessura da camada (m/s);
P’m: permeabilidade volumétrica (m3.m/m2.s.Pa);
P: pressão total do sistema (Pa);
MMw: massa molar da água (kg/kmol);
R: constante universal dos gases (8,314 J/Kmol).
MODELAGEM MATEMÁTICA
Fenômenos de transferência de calor e massa
Tempo de secagem (ttotal)
ρc: densidade da camada seca (kg/m3);
∆subH: calor latente ou entalpia de sublimação (J/kg);
Xw0: umidade inicial do material (kg/kg b.s.);
Xwf: umidade final do material (kg/kg b.s.);
k: condutividade térmica da camada seca (W/m.K);
Tc: temperatura na superfície da camada seca (ºC);
Ts: temperatura na frente de sublimação (ºC);
etotal: espessura total da camada seca (m);
Pm: permeabilidade mássica (kg.m/m2.s.Pa);
Pvws: pressão de vapor na frente de sublimação (Pa);
Pvwc: pressão de vapor na superfície da camada seca (Pa);
LIOFILIZAÇÃO
Exemplo: Deseja-se secar, por liofilização, um filé de frango 100 g, com área superficial igual a 40 cm2 e espessura de 1 cm. O filé, que recebe calor por radiação em apenas uma de suas superfícies, tem umidade inicial igual a 0,75 kg água/kg total (base úmida) e deve ser seco até atingir 0,05 kg água kg' total de umidade (base úmida). Sabendo-se que a temperatura de sublimação da água na carne de frango igual a -21 °C e que a temperatura da câmara de secagem é de 35 °C, calcule o tempo necessário para secar o filé de frango. O calor latente de sublimação da água é igual a 2800 kJ/kg e a condutividade térmica do frango é igual a 0,5 W/m.K. Considere que a temperatura na superfície do produto seja igual à temperatura da câmara de secagem, que permanece constante durante o processo.
Solução: Primeiramente é necessário converter as unidades para base seca
LIOFILIZAÇÃO
Solução: Primeiramente é necessário converter as unidades para base seca
Dados:
Xw0 = 0,75 kg água/kg total;
Xwf = 0,05 kg água/kg total;
m = 100 g;
As = 40 cm2;
ec = 1 cm;
Tsub = -21 ºC;
Tcam = 35 ºC = Ts;
ΔsubH = 2800 kJ/kg;
k = 0,5 W/m.K.
LIOFILIZAÇÃO
Solução: Para calcular o tempo de secagem, temos:
Dados:
Xw0 = 0,75 kg água/kg total;
Xwf = 0,05 kg água/kg total;
m = 100 g;
As = 40 cm2;
ec = 1 cm;
Tsub = -21 ºC;
Tcam = 35 ºC = Ts;
ΔsubH = 2800 kJ/kg;
k = 0,5 W/m.K.
Integrando em função das umidades e do tempo de secagem, temos:
LIOFILIZAÇÃO
Solução: onde:
Dados:
Xw0 = 0,75 kg água/kg total;
Xwf = 0,05 kg água/kg total;
m = 100 g;
As = 40 cm2;
ec = 1 cm;
Tsub = -21 ºC;
Tcam = 35 ºC = Ts;
ΔsubH = 2800 kJ/kg;
k = 0,5 W/m.K.
LIOFILIZAÇÃO
Solução: Para calcular a taxa de secagem, temos:
Dados:
Xw0 = 0,75 kg água/kg total;
Xwf = 0,05 kg água/kg total;
m = 100 g;
As = 40 cm2;
ec = 1 cm;
Tsub = -21 ºC;
Tcam = 35 ºC = Ts;
ΔsubH = 2800 kJ/kg;
k = 0,5 W/m.K.