ES2350428B1 - LIQUID CRIOCONCENTRATION METHOD - Google Patents
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Abstract
Método de crioconcentración de líquidos.#Se describe un método que permite obtener productos concentrados a partir de líquidos y evita la utilización de intercambiadores de calor de superficie raspada en la etapa de cristalización en procesos de crioconcentración.Method of cryoconcentration of liquids. # A method is described that allows to obtain concentrated products from liquids and avoids the use of scraped surface heat exchangers in the crystallization stage in cryoconcentration processes.
Description
Método de crioconcentración de líquidos. Method of cryoconcentration of liquids.
Objeto de la invención Object of the invention
La presente invención se refiere a un método de crioconcentración mediante congelación por cambio de presión. The present invention refers to a cryoconcentration method by freezing by pressure change.
El objeto de la invención consiste en un método que incluye cambios de presiónytemperatura para conseguir la congelación en procesos de crioconcentración. The object of the invention is a method that includes changes in pressure and temperature to achieve freezing in cryoconcentration processes.
Antecedentes de la invención Background of the invention
De todas las técnicas de concentración existentes hoy en día en la industria alimentaria, la crioconcentración es laque permite obtenerlos productosde mayor calidadorganolépticaynutricional graciasalas bajas temperaturasa las que se desarrolla el proceso. Sin embargo, la implantación de esta tecnología en la industria es limitada debido principalmente a razones económicas. Of all the concentration techniques that exist today in the food industry, cryoconcentration is what makes it possible to obtain the highest quality organic and nutritional products thanks to the low temperatures at which the process is developed. However, the implementation of this technology in the industry is limited mainly due to economic reasons.
El sistemade crioconcentración industrial más empleado actualmente esel patentado por GrencoN.V., Holanda, subsidiaria de Niro Inc. Consta básicamente de tres etapas: cristalización en un intercambiador de calor de superficie raspada, maduración/crecimiento de los cristales de hielo formados en un recristalizadoryseparación de los mismos en una columna de lavado. Los mayores costes del proceso tienen lugar en el intercambiador de calor de superficie raspada,queesun elementode diseño complejo, altos costesdeinversiónyconun alto consumo energético (tantopor la necesidadde rotacióndelas cuchillas comoporlabaja temperaturaalaquehade mantenerse). The most widely used industrial cryoconcentration system is the one patented by GrencoN.V., Holland, a subsidiary of Niro Inc. It basically consists of three stages: crystallization in a scraped surface heat exchanger, maturation / growth of the ice crystals formed in a recrystallization and separation thereof in a wash column. The higher costs of the process take place in the scraped surface heat exchanger, which is a complex design element, high investment costs and high energy consumption (due to the need for rotation of the blades with the low temperature to be maintained).
Descripción de la invención Description of the invention
Talycomo seha comentado enel apartado anteriorla etapade cristalización en los métodosde crioconcentración actuales implica altos costesdeinversióny un alto consumo energético.En este documento se describe un métodode crioconcentraciónque sustituyela etapade cristalizaciónenel intercambiadorde calorde superficie raspadapor una congelación por cambio de presión. As mentioned in the previous section, the crystallization stage in the current cryoconcentration methods implies high investment costs and high energy consumption. This document describes a cryoconcentration method that replaces the crystallization stage in the surface heat exchanger for a pressure change freeze.
El método consiste en comprimir un líquido, enfriarlo bajo presiónydespués provocar la formación de cristales de hielo enel mismo mediante unaexpansión hasta condiciones atmosféricas.Acontinuación, los cristalesde hielo formados se hacen crecer en un tanquede recristalizaciónydespués se separan paraobtenerel concentrado final. The method consists of compressing a liquid, cooling it under pressure and then causing the formation of ice crystals in it by means of an expansion to atmospheric conditions. Then, the formed ice crystals are grown in a recrystallization tank and then separated to obtain the final concentrate.
La congelación por cambiode presión permite obtener un altoporcentajede cristalesde hielo en todoelvolumen del productoalavez(del ordendel 25-30%del contenidodeagua total),de forma instantáneayuniforme,a diferencia deloque ocurreenel intercambiadordecalorde superficieraspadadondelanucleaciónsólotienelugarenlasuperficie de la muestra en contacto con las paredes del intercambiador. Pressure freezing allows a high percentage of ice crystals to be obtained in the entire volume of the product at the same time (of the order of 25-30% of the total water content), instantaneously and evenly, unlike the surface heat exchanger where the nucleation only takes place in the surface of the sample in contact with the walls of the exchanger.
Asimismo la cantidad de hielo formada en el producto tras la expansión y; por tanto, el grado de concentración alcanzado enel mismo pueden controlarse eficazmente ajustando las condicionesde presiónytemperatura empleadas parala congelación. Cuanto mayor seala presiónde trabajoymásbajala temperatura, mayorvaa serlacantidadde hielo obtenida. Also the amount of ice formed in the product after expansion and; therefore, the degree of concentration achieved in it can be effectively controlled by adjusting the pressure and temperature conditions used for freezing. The higher the working pressure and the lower the temperature, the greater the amount of ice obtained.
Además, la temperaturade trabajo puede ser relativamente alta, incluso mayor que el punto de congelación del producto. Esto obviamente constituye una ventaja muy importante frente a la crioconcentración tradicional que conlleva temperaturas muy bajas enel intercambiadorde calor, conelgasto energético que ello supone. In addition, the working temperature can be relatively high, even higher than the freezing point of the product. This obviously constitutes a very important advantage over the traditional cryoconcentration that entails very low temperatures in the heat exchanger, with the energy expenditure that this entails.
Este método permite que los cristales de hielo formados sean de mayor tamaño que los que se forman en el intercambiadorde calorde superficie raspada. Además,a diferenciade éstos tienen forma redondeadayuniformelo quefacilita su posterior separación. This method allows the ice crystals formed to be larger than those formed in the scraped surface heat exchanger. In addition, unlike these they have a round shape and a uniform shape that facilitates their subsequent separation.
La congelación por cambiode presión puede provocar además, en funciónde las condicionesde presiónytemperatura empleadas, una inactivación microbiológica y/o enzimática en el producto procesado que permitiría; por tanto, eliminar una operación de estabilización en el mismo. Pressure freezing may also cause, depending on the pressure and temperature conditions used, a microbiological and / or enzymatic inactivation in the processed product that would allow; therefore, eliminate a stabilization operation in it.
Descripción de los dibujos Description of the drawings
Para complementarla descripciónqueseestárealizandoyconobjetodeayudaraunamejor comprensióndelas características de la invención, de acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica de la misma, se acompaña como parte integrantede dicha descripción,unjuegodedibujosen donde con carácter ilustrativoy no limitativo,se ha representado lo siguiente: To complement the description that is being carried out and with the objective of helping a better understanding of the characteristics of the invention, in accordance with a preferred example of practical realization thereof, it is accompanied as an integral part of said description, a set of drawings in which for illustrative and non-limiting purposes, the following has been represented:
Figura 1.-Muestra un diagrama del procedimiento. Figure 1.- Shows a diagram of the procedure.
Figura 2.-Muestra un diagrama de la etapa de cristalización en el equipo de alta presión Figure 2.- Shows a diagram of the crystallization stage in the high pressure equipment
Realización preferente de la invención Preferred Embodiment of the Invention
A la vista de las figuras se describe, a continuación, un modo de realización preferente del método objeto de estainvenciónaplicado.Amododeejemplo,sepresentael procedimientopara concentrarzumodenaranja,conuna concentración inicial de 11.8º Brix, hasta una concentración final de 45.5º Brix. In view of the fi gures, a preferred embodiment of the method object of this applied invention is described below. For example, the procedure for concentrating an orange mold is presented, with an initial concentration of 11.8º Brix, to a final concentration of 45.5º Brix.
En la Figura1 se describe el procedimiento completo para obtener un líquido concentrado, mientras que en la Figura2 se presentalafasedel procesoque transcurreenelequipodealta presión;esdecir,lafasede cristalización. Enla Figura2 se observa, además,el diagramadefasesdel producto (líneasnegras)que indicaenqué estadosehalla éste (sólidoo líquido) para cada combinaciónde presiónytemperatura. Figure 1 describes the complete procedure for obtaining a concentrated liquid, while Figure 2 shows the phase of the process that takes place at high pressure equipment, that is, the phase of crystallization. Figure 2 shows, in addition, the diagram of product phases (black lines) that indicate what states it is (solid or liquid) for each combination of pressure and temperature.
El líquido a concentrar (solución madre) se introduce en el equipo de alta presión que se halla atemperado a la temperaturade trabajo, entre 0ºCy-40ºC,y se comprime hasta unnivelde presión entre 100MPay700MPa.La combinaciónde presiónytemperaturade trabajohade sertalquegaranticequeel productose mantiene líquidobajo presión;es decir,nose congelaalas condicionesde presiónytemperaturaelegidas.Enel ejemploquese presenta con zumode naranja,la compresión (tramo1-2 enla Figura2) se llevaa caboa 500MPayla temperaturade trabajo es de -5ºC. Esta temperatura comparada con las temperaturas más bajas necesarias en el recristalizador de superficie raspadatradicionalimplicaun considerableahorroenergético.Elempleodepresioneselevadasconlleva,además,una inactivaciónmicrobiológicay/o enzimática enel productoa concentrar.Trasla compresión,elproducto se enfríabajo presión, manteniéndoseentodo momentoen estado líquido(tramo2-3delaFigura2).Unavez alcanzadalatemperatura deseadaentodoelvolumendelproducto,sellevaacabounaexpansiónhastapresiónatmosférica(tramo3-4 en Figura 2). Esto provoca la formación instantánea de una cierta cantidad de cristales de hielo gracias al subenfriamiento alcanzado a presión atmosférica (señalado como ΔTen la Figura 2). Dado que el grado de subenfriamiento alcanzadoeselmismoentodoelvolumendelproducto,los cristalesde hieloqueseformanse hallan repartidosde forma homogéneayuniformeentodala masadel mismo. Esto constituye una diferencia importanteen relaciónalo que ocurre en la cristalización tradicional, en el intercambiador de calor de superficie raspada, donde los cristales sólo se forman en la superficie del producto en contacto con las paredes frías del equipo. La cantidad de cristales de hielo formadaenla congelaciónporcambiodepresión,oloqueeslomismo,elgradode concentración alcanzadotrasla expansión,se controla,de manera eficiente,variandolascondicionesde presiónytemperatura empleadasen función del productoa concentrar. Cuanto mayor seala presióny menorla temperaturade trabajo, mayorvaa serla cantidad de hielo formada, hasta un máximo del orden de un 25-30% del contenido total de agua delproducto. The liquid to be concentrated (stock solution) is introduced into the high-pressure equipment that is tempered at the working temperature, between 0ºC and -40ºC, and is compressed to a pressure level between 100MP and 700MPa.The combination of pressure and working temperature must be guaranteed that the product is kept under pressure; that is, the selected pressure and temperature conditions are not frozen. In the example presented with orange juice, the compression (section 1-2 in Figure 2) is carried out at 500MP and the working temperature is -5ºC. This temperature compared to the lower temperatures required in the traditional scraped surface recrystallizer implies a considerable energy saving. It also uses elevated microbiological and / or enzymatic inactivation in the product to concentrate. If the volume of the product is desired, there is only an expansion to atmospheric pressure (section 3-4 in Figure 2). This causes the instantaneous formation of a certain amount of ice crystals thanks to the subcooling achieved at atmospheric pressure (indicated as ΔTen in Figure 2). Since the degree of subcooling achieved is the same as the volume of the product, the ice crystals that are formed are distributed evenly and evenly in the same mass. This constitutes an important difference in relation to what happens in traditional crystallization, in the scraped surface heat exchanger, where the crystals only form on the surface of the product in contact with the cold walls of the equipment. The amount of ice crystals formed in freezing by exchange of pressure, or only the concentration, the degree of concentration reached after expansion, is controlled, efficiently, by varying the pressure and temperature conditions used depending on the product to be concentrated. The higher the pressure and the lower the working temperature, the greater the amount of ice formed, up to a maximum of the order of 25-30% of the total water content of the product.
Tras la expansión, el producto junto con los cristales de hielo formados se pasa a un recristalizador (Figura 1) donde los cristales crecen hasta alcanzar el tamaño deseado para su fácil separación. Dadoque el crecimiento delos cristales de hielo se produce preferiblemente a bajos niveles de subenfriamiento, la temperatura en el recristalizador hade mantenersesólo ligeramentepordebajodelpuntode congelacióndel concentrado obtenido,entre0.1ºCy1.5ºC por debajo.Unavezquelos cristalesde hielo alcanzanel tamañoóptimo parasu separaciónsellevaa cabo éstapor cualquier sistema adecuado (filtración, centrifugación, ...).Trasla separación, parte del concentrado final obtenido retornaalalíneade alimentacióndelequipodealtapresióndondesemezclaconla soluciónmadre(Figura1).Se obtiene, así, una solución intermedia que, tras la congelación por cambio de presión, alcanza el nivel de concentración deseado en el producto final. Por otra parte, los cristales de hielo obtenidos tras la separación pasan a un equipo de lavado donde se recupera el producto concentrado impregnado en los mismos. After expansion, the product together with the ice crystals formed is passed to a recrystallizer (Figure 1) where the crystals grow to reach the desired size for easy separation. Since the growth of ice crystals occurs preferably at low levels of subcooling, the temperature in the recrystallizer must be maintained only slightly below the freezing point of the concentrate obtained, between 0.1 ° C and 1.5 ° C below.Also that the ice crystals reach the optimal size for their separation is carried out by any suitable system (filtration , centrifugation, ...) After separation, part of the final concentrate obtained returns to the feeding line of the high-pressure equipment where it is mixed with the mother solution (Figure 1), thus obtaining an intermediate solution that, after freezing by pressure change, reaches the desired concentration level in the product final. On the other hand, the ice crystals obtained after separation are transferred to a washing equipment where the concentrated product impregnated therein is recovered.
En el ejemplo del zumo de naranja, cuando el proceso se halla en estado estacionario, parte del concentrado 45.5º Brix obtenido tras la separación de los cristales de hielo se mezcla con la solución madre de 11.8º Brix (84% de concentrado45.5ºBrixmás16%de soluciónmadre11.8ºBrix).Seconsigueasízumode40ºBrixqueeselqueentra, en todo momento, en el equipo de alta presión para, tras la expansión, salir con una concentración de 45.5º Brix. In the example of orange juice, when the process is in a steady state, part of the 45.5º Brix concentrate obtained after the separation of the ice crystals is mixed with the stock solution of 11.8º Brix (84% of concentrate 45.5º Brixmore 16% 11.8º Brix solution). 40º Brixqueeselqueentraise is obtained at all times, in the high pressure equipment to, after expansion, leave with a concentration of 45.5º Brix.
Es importante hacer notar que un aumento en la presión de trabajo tiene un efecto similar a un descenso de temperatura en la cantidad de hielo formada. Por eso, pueden obtenerse cantidades de hielo significativas trabajando a temperaturas relativamente altas, incluso mayores que el punto de congelación del producto, si la presión de trabajo es lo suficientemente elevada. Así, en el ejemplo de la Figura 2, la temperatura de trabajo fue de -5ºC; por tanto, superioral puntode congelacióndel zumodenaranja40º Brix (-5.93ºC).Eldescensode temperaturaqueexperimenta la muestratraslaexpansiónpermitió alcanzar temperaturasdelordende-15ºC(punto4enlaFigura2)apesardetener todo el sistema atemperado a -5ºC. De esta manera, se pueden obtener cristales de hielo trabajando a una temperatura superioralade congelacióndel producto. It is important to note that an increase in working pressure has an effect similar to a decrease in temperature in the amount of ice formed. Therefore, significant amounts of ice can be obtained by working at relatively high temperatures, even higher than the freezing point of the product, if the working pressure is sufficiently high. Thus, in the example of Figure 2, the working temperature was -5 ° C; therefore, the freezing point of the orange juice is 40º Brix (-5.93ºC) .The temperature drop experienced by the sample after the expansion allowed temperatures to reach temperatures of -15ºC (point4 in Figure2) even though the whole system tempered to -5ºC has been stopped. In this way, ice crystals can be obtained by working at a higher freezing temperature of the product.
Claims (4)
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- Reivindicaciones 1-3 SI Claims 1-3 YES
- Reivindicaciones Claims
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