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Modelo computacional para la liofilización de alimentos de geometría finita

Héctor Eduardo Gómez Hernández, Francisco Javier Parra Rodríguez, Juan Manuel de Santos Avila, Frédéric René

Resumen


La liofilización es una técnica de conservación por deshidratación aplicada a productos químicos, farmacéuticos,
médicos, biológicos y alimenticios. El proceso es también llamado criodesecación porque consiste primero en congelar un
producto húmedo y luego en vaporizar directamente el hielo a baja presión. Este fenómeno es conocido como sublimación y era
ya practicado por los incas del Perú, desde el siglo XIII, para conservar papas. Los productos liofilizados, a diferencia de los
deshidratados por otras técnicas de secado, conservan prácticamente en 100% su forma y propiedades naturales, tienen mayor
vida de anaquel y son fácilmente rehidratables. En el presente trabajo la liofilización es estudiada experimentalmente y
caracterizada por medio de un modelo matemático y computacional. Para ello fue utilizada una hortaliza: la papa Solanum
tuberosum, variedad blanca, como material para el modelado de la liofilización por contacto. Se prepararon muestras individuales
en forma de placas y cilindros finitos a tres espesores diferentes. Se operó a dos presiones de vacío y tres temperaturas de
calentamiento. Se obtuvieron así 36 cinéticas de deshidratación y de temperatura del producto en monocapa, con 8 repeticiones
cada una. Se propone un modelo de liofilización que considera tres frentes de sublimación que se retiran uniformemente pero a
velocidades interdependientes. Para el estudio se recurrió a las leyes de Fick y de Fourier en estado cuasi-estacionario,
considerando despreciable el colapso en el producto. Las temperaturas de cada frente de sublimación se consideran variables. El
modelo dinámico resultante es un sistema de tres ecuaciones algebraicas no lineales y tres ecuaciones diferenciales ordinarias.
Para la solución del sistema de ecuaciones diferenciales-algebraicas se recurrió a los algoritmos acoplados de Runge-Kutta y
Newton-Raphson. Para la estimación de los parámetros de transporte o coeficientes efectivos de transferencia de masa y calor del
sistema, se recurrió al algoritmo de ajuste de curvas o de regresión no lineal de Levenberg-Marquardt, con excelentes resultados.


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