Estudio del proceso de liofilización para la conservación de arándanos

Abstract

La liofilización de arándanos plantea dificultades específicas desde el punto de vista del modelado y del diseño del proceso. El secado ocurre en un sistema heterogéneo, que se puede considerar como esferas dispuestas a granel, en el que variables internas relevantes, como la temperatura y la presión interfacial o la evolución del frente de sublimación, no pueden medirse de forma directa. La piel del fruto introduce una resistencia importante a la transferencia de masa, Además, en materiales vegetales, las condiciones admisibles de operación no están principalmente definidas por variables térmicas, sino por restricciones mecánicas asociadas al colapso estructural del fruto. En estas condiciones, los modelos fenomenológicos resultan necesarios para describir el proceso, estimar variables no medibles y avanzar hacia el desarrollo racional de recetas de liofilización. En esta tesis se estudió la liofilización de arándanos mediante una estrategia que integró experimentación, modelado fenomenológico y optimización. En una primera etapa se evaluó el efecto de distintos pretratamientos sobre la velocidad de secado y la calidad del producto final. Se observó que la piel del arándano constituye la principal limitación a la transferencia de masa y que su perforado produce aumentos importantes en la velocidad de sublimación y una mayor homogeneidad en el comportamiento del lote y entre lotes durante el secado. Se formularon y compararon distintos modelos macroscópicos del secado primario. El modelo seleccionado incorporó la heterogeneidad del lote mediante una distribución del coeficiente de transferencia de masa asociado a la piel del fruto. Luego, esta formulación se extendió a condiciones de operación variables en el tiempo, lo que permitió describir el calentamiento inicial, el inicio progresivo de la sublimación y la evolución de la presión y la temperatura interfacial para condiciones de temperaturas de estante variables en el tiempo. De este modo, fue posible analizar la influencia de las resistencias a la transferencia de calor y masa y de las variables de operación sobre la evolución del proceso. Por otra parte, se relacionó el daño estructural observado experimentalmente con las presiones interfaciales predichas por el modelo. Esto permitió estimar una presión interfacial límite asociada al colapso de la piel del fruto y utilizarla como restricción de integridad en el problema de diseño. A partir de ello, el diseño de las condiciones de liofilización se formuló como un problema de optimización sujeto a restricciones del equipo y del producto. Los resultados mostraron que perfiles térmicos escalonados permiten mantener la presión interfacial próxima al límite admisible durante la mayor parte del secado primario, favoreciendo velocidades de sublimación más altas y reduciendo el tiempo de secado sin comprometer la integridad estructural del fruto.