TRANSFERENCIA DE CALOR EN LA INDUSTRIA ALIMENTARIA

Last updated on marzo 13th, 2024 at 02:55 am

Una de las disciplinas de ingeniería más utilizadas en el procesamiento de alimentos es la transferencia de calor. Desempeña un papel fundamental en la mejora de la seguridad, los aspectos nutricionales y sensoriales del producto. Existen múltiples subprocesos como la esterilización, la congelación, la conservación y la refrigeración en la industria alimentaria. Todo ello se basa en ofrecer una calidad correcta y constante a sus clientes. 

Uno de los retos de la transferencia de calor en la industria alimentaria y de bebidas es la transferencia de calor constante y no constante que tiene lugar en diferentes subprocesos. Además de calentar materias primas con formas irregulares, propiedades físicas que varían durante el ciclo del proceso, consistencia no uniforme y a veces variable. 

Debido a la naturaleza no newtoniana de los alimentos, su comportamiento térmico siempre ha sido un reto a la hora de modelar y se requiere una mejor comprensión de la ingeniería para resolver las ecuaciones diferenciales de transferencia de calor inestables mediante una solución analítica con supuestos simplificadores. 

Función de los intercambiadores de calor en el procesamiento de alimentos

Tanto si el producto es leche tratada con UHT, albóndigas en salsa o helado de chocolate, casi todos los procesos alimentarios implican un intercambiador de calor. Los tratamientos térmicos o los procesos de transferencia de calor ofrecen posibles excepciones a esto, pero sigue habiendo una transferencia de calor.

El tipo de intercambiador de calor depende de múltiples factores relacionados con los atributos físicos del producto. Por ejemplo, el tamaño de las partículas, la viscosidad, la conductividad térmica, la difusividad térmica y el calor específico. 

Los productos más complejos con materias primas de tamaño irregular requieren un diseño más complejo del intercambiador de calor para garantizar las características de flujo deseadas. El objetivo es conseguir una transferencia de calor más eficiente para obtener un producto uniforme y de alta calidad cada vez. Las formas más comunes de intercambiadores de calor utilizados en la industria alimentaria son intercambiadores de calor tubulares o de placas. El diseño hace hincapié en la prevención del ensuciamiento, que es uno de los problemas fundamentales en el procesamiento de alimentos.

Ensuciamiento

El ensuciamiento se produce cuando se forman depósitos de material no deseado en las superficies de transferencia de calor. Esto produce la formación de una capa aislante, lo que reduce la eficacia del proceso de transferencia de calor. Esto afecta negativamente al rendimiento del flujo y a la caída de presión. 

Los tipos de incrustación más comunes son los causados por: 

• Carbonato de calcio
• Sulfato de calcio 
• Silicatos
• Sedimentación
• Crecimiento biológico
• Incrustación 

Un diseño revolucionario en los intercambiadores de calor utilizados en la industria de procesamiento de alimentos que ha resuelto los problemas de fugas de soldadura y ensuciamiento es el intercambiador de calor tubular diseñado por Tetra Pak. En un intercambiador de calor tradicional, las piezas están soldadas entre sí, y cuando el metal se calienta y se enfría se producen tensiones térmicas que, a su vez, provocan el agrietamiento de las juntas soldadas y la corrosión a lo largo del tiempo, lo que aumenta el riesgo de contaminación de los alimentos. En un intercambiador de calor Tetra Pak, esto se sustituye por juntas flotantes no soldadas. 

Tipos de intercambiadores de calor en la industria alimentaria

Los intercambiadores de calor más comunes utilizados en el procesamiento de alimentos son:

Intercambiador tubular de calor

Este es el tipo de intercambiador de calor más sencillo. Tiene una tubería de doble pared con un fluido que pasa por el tubo central y el segundo fluido que pasa por el espacio anular entre los dos tubos. También hay tres capas de pared donde el fluido procesado pasa a través de un pasaje intermedio y los fluidos de calentamiento y enfriamiento atraviesan otros espacios anulares para que el fluido procesado esté rodeado por ambos lados. Aunque el costo de capital de estos intercambiadores es bajo, son menos habituales en la industria alimentaria.

Tanque

Otro sencillo intercambiador de calor con un tanque de doble pared. El espacio anular contiene fluido calefactor, y se utilizan más comúnmente para la pasteurizaciónpor lotes. A veces también se proporciona un agitador para el movimiento del producto sobre las superficies de transferencia de calor.

Intercambiador de calor de placas

Es el intercambiador de calor más común en la industria alimentaria. Tiene placas finas apiladas para proporcionar una gran superficie de transferencia de calor dentro de un pequeño volumen. Los intercambiadores de calor de placas ofrecen un bajo costo de capital y un fácil mantenimiento debido a la facilidad de desmontaje y a la posibilidad de utilizar métodos de limpieza in situ. 

Cambiador de calor de superficie raspada

Se utiliza cuando el fluido procesado es muy viscoso y el riesgo de formación de grumos es alto. Tiene un intercambiador de tubos de doble pared con un eje central giratorio. El eje elimina cualquier exceso de material acumulado en la pared interior del tubo. Esto reduce el ensuciamiento de los fluidos altamente viscosos. 

Fluidos de transferencia de calor

La elección de los fluidos de transferencia de calor adecuados es una consideración importante para la industria alimentaria. La prohibición de vapor en algunos casos, y la ausencia de vapor en otros, suponen un reto especial, a la vez que se requiere una transferencia de calor segura y eficiente para evitar la contaminación. 

Los fluidos de transferencia de calor utilizados en las instalaciones de procesamiento de alimentos están certificados como grado alimentario NSF HT-1 con el fin de cumplir los requisitos operativos para el contacto incidental con los alimentos. Podría tratarse de fluidos de transferencia de calor de grado alimentario de alta inflamabilidad en los que la temperatura de funcionamiento debe estar por debajo del punto de inflamación del fluido. Normalmente, su rango de funcionamiento se sitúa entre los 15 ˚C y los 340 ˚C. Los fluidos de baja temperatura de calidad alimentaria también pueden actuar como limpiadores con rangos de funcionamiento entre -40 ˚C a 232 ˚C con mínimo olor y menor tendencia al barnizado. 

Al seleccionar el fluido de transferencia de calor en fase líquida y en fase vapor adecuado para la aplicación, es importante asegurarse de que el fluido está diseñado para resistir la formación de sólidos, evitar el ensuciamiento del sistema y proporcionar estabilidad térmica a alta temperatura. 

NSF HT1 es un programa de registro de la NSF que es un recurso internacional para evaluar y registrar los fluidos de transferencia de calor de grado alimentario. 

Impacto del calentamiento en las grasas y aceites

La transferencia de calor para calentar el aceite vegetal presenta un conjunto único de desafíos. Existe el riesgo de que el aceite se chamusque y se formen ácidos grasos. Un calentador de circulación con un sistema de control de temperatura automatizado es una solución común para mitigar estos riesgos. Los calentadores de circulación tienen boquillas en ambos extremos y un calentador eléctrico de inmersión con bridas para el calentamiento indirecto del fluido de proceso. Por lo general, para el aceite vegetal, el calentador eléctrico de inmersión utiliza material de revestimiento de acero inoxidable y baja densidad de potencia para evitar que el aceite vegetal se queme y mantener la viscosidad adecuada.