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Engenharia AlimentarProcessamento Geral de Alimentos
LIOFILIZAÇÃO
ESAC - Ivo Rodrigues 2008
LIOFILIZAÇÃO
Definição:A liofilização remove a água e outros solventes do produto congelado pelo processo de sublimação. A sublimação ocorre quando a água no estado sólido é convertida directamente em vapor de água, sem passar pelo estado líquido.
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LIOFILIZAÇÃOFundamentos da Liofilização:
a liofilização só pode ocorrer quando a temperatura e a pressão parcial do vapor da água forem inferiores à s do ponto triplo da água (610 Pa à temperatura de 0,01 ºC , para a água pura)
LIOFILIZAÇÃOFundamentos da Liofilização:
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LIOFILIZAÇÃO
Etapas da Liofilização:
- (Pré) Congelação (< 0ºC)- Secagem Primária (eliminada 90% da água – produto com 15% de humidade)
- Secagem Secundária (eliminada 10% da água –água ligada – produto desidratado até 2% de humidade)
LIOFILIZAÇÃO
Ciclo de Liofilização:
• Acondicionamento da matéria-primaProcesso caro, exige matéria-prima de qualidade e a aplicação de tratamentos prévios adequados,•Selecção•Limpeza (lavagem)•Inactivação enzimática (tratamento térmico ou químico)•Preparação do produto (corte p/ produtos sólidos ou pré-concentração p/ produtos líquidos)
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LIOFILIZAÇÃO
Ciclo de Liofilização:
• Congelação do produto•Cristais pequenos•Temperatura tal que permita a menor quantidade possível de água por congelar•Interna (congelação evaporativa e adiabática –20% da água é eliminada) •Externa
•Convecção forçada para legumes, carnes e pescado•Leito fluidizado para legumes de pequena dimensão•Condução (em cilindros rotativos) para alimentos lí quidos•Criogénica (azoto líquido)
LIOFILIZAÇÃO
Ciclo de Liofilização:
• Secagem primária•Sublimação do gelo controlando a pressão de vácuo e o aumento da temperatura (calor latente de sublimação –2840 kJ/kg)
• Secagem secundária•Eliminação da água ligada por evaporação a vácuo•Aumento da temperatura (20-60ºC)•Perigo de colapso•Até um conteúdo de água de 2%•Final controlado pela temperatura no produto ou pel o peso
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LIOFILIZAÇÃO
Ciclo de Liofilização:
• Armazenamento do produto seco•Conteúdo residual de água no produto seco éum factor critico que afecta a vida do produto em armazenamento•Produtos higroscópicos•Sensibilidade à oxidação•Embalagem a vácuo ou em atmosfera protectora de azoto ou CO 2
• Re-hidratação e utilização
LIOFILIZAÇÃOCiclo de LiofilizaçãoComo Funciona um Liofilizador?
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LIOFILIZAÇÃO
Transferência de calor e de massa:
• Os perfis de temperatura e humidade no alimento, durante a liofilização, dependem dos coeficientes d e transferência de calor e de massa
• O calor é transferido até à frente de sublimação (fronteira entre produto seco e produto congelado) através da camada seca, da camada congelada ou de ambas, dependo da fonte
LIOFILIZAÇÃO
Transferência de calor e de massa:
• Quando ocorre a sublimação, o vapor de água é conduzido até à superfície por um mecanismo de transferência de massa que depende da estrutura do produto desidratado.
• O vapor de água é transferido desde a frente de sublimação, através do produto seco, atéà superfície e retirado através do vácuo
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LIOFILIZAÇÃOTransferência de calor e de massa Como Funciona um Liofilizador?
Pressão de Vapor (mBar) Temperatura (ºC)6.104 02.599 -101.034 -200.381 -300.129 -400.036 -500.011 -600.0025 -700.0005 -80
LIOFILIZAÇÃOTransferência de calor e de massa Como Funciona um Liofilizador?
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LIOFILIZAÇÃOQual o tempo de liofilização?
( )hsa TTL
Ak
dt
dQ −=
( )L
ppAp
dt
dw wh −=
( )L
pp
RT
DA
dt
dw wh
h
−=
dt
dLWWA
dt
dwt )( 0 −= ρ
dt
dQ
dt
dw
sλ1−=
Lei de Darcy
Lei de Fick
(no equilíbrio a v.t.c. = v.t.m.)
(variação da humidade na camada seca)
(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
(v.t.c. na superfície de aquecimento do alimento)
LIOFILIZAÇÃOQual o tempo de liofilização?
( ) ( ) ( )dt
dLWWA
L
pp
RT
DA
L
ppAp
L
TTAk
dt
dwt
wh
h
wh
s
hsa −=−=−=−−= 0
)( ρλ
Substituindo na equação (5) a equação (1)…
e integrando entre os limites: t = 0, L = 0 e t = t, L = Lt …
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LIOFILIZAÇÃOQual o tempo de liofilização?
( )( )
( )( )
( )( ) 222
20
20
20 t
wh
tht
wh
tt
hsa
tst
L
ppD
WWRTL
ppp
WWL
TTk
WWt
−−=
−−=
−−= ρρρλ
Onde:
λs – calor latente de sublimação
Ka – condutividade térmica da fracção seca do alimento; A – área sujeita a sublimação
Ts – temperatura da superfície seca; Th – temperatura da frente de gelo
L – espessura da camada seca ; p – permeabilidade da fracção seca do alimento
ph- pressão de vapor do gelo na frente de sublimação; pw – pressão de vapor de água na sup. do produto
D – difusividade interna do vapor de água; ρ - massa especifica do produto seco
W0 – humidade inicial do produto (b.s.); Wt – humidade (b.s.) da capa seca no tempo t
LIOFILIZAÇÃOEquipamentos de Liofilização
Componentes de um liofilizador:
• Sistema de arrefecimento do produto (pode não ter)
• Equipamento para produção de vácuo• Sistema de aquecimento do produto (condução ou radiação)
• Condensador frigorífico para converter o vapor produzido em gelo
Sistemas descontínuos (pequena-média escala)
Sistemas contínuos
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LIOFILIZAÇÃOMétodos de Liofilização
LIOFILIZAÇÃOMétodos de Liofilização
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LIOFILIZAÇÃOMétodos de Liofilização
LIOFILIZAÇÃOMétodos de Liofilização
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LIOFILIZAÇÃOMétodos de Liofilização
LIOFILIZAÇÃOMétodos de Liofilização
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LIOFILIZAÇÃOA Liofilização é vulgarmente utilizada
na:- Indústria Farmacêutica- Indústria Alimentar
e ainda para:- Estabilização de Culturas Microbianas- Conservação de Animais para Exposição- Restauração de Livros
- etc .
LIOFILIZAÇÃOLiofilização versus Secagem em Fase Líquida
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LIOFILIZAÇÃOLiofilização versus Secagem em Fase Líquida
Vantagens:
- Produtos com estrutura inalterada, fáceis de transf ormar em pó e de dissolver, fáceis de (re)hidratar;
- Reduzidas alterações nos nutrientes, cor, aroma e g osto (alimentos) e mínima perda de actividade em materiais sensíveis a o calor (microrganismos);
- Produtos liofilizados tem melhor qualidade que os mes mos produtos desidratados por outros métodos;
- Processo não poluidor, água residual baixa (1 a 3%) , fácil de armazenar e de transportar;
LIOFILIZAÇÃOLiofilização versus Secagem em Fase LíquidaDesvantagens:
- Equipamento muito caro (3 vezes mais que em outros métodos de secagem), difícil de atingir a temperatu ra de liofilização (-60º C), bombas de vácuo muito potente s;
- Custo energético muito caro (2-3 vezes mais que em outros métodos de secagem)
- Processo muito demorado (mais do 24 horas)
- Produtos com facilidade de hidratar e frágeis pelo que devem ser cuidadosamente embalados e armazenados.
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LIOFILIZAÇÃOLiofilização versus Secagem em Fase LíquidaQuando utilizar a liofilização?
- Produtos instáveis;
- Sensível ao calor;
- Quando a rápida e completa re-hidratação é requerida;
- Produtos de elevado valor;
- Minimização do peso;
- Não é aconselhável o armazenamento em refrigeração o u congelação;
LIOFILIZAÇÃO
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LIOFILIZAÇÃO