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May 19, 2023

Cómo optimizar las tecnologías de secado y evaporación para alta

La Asociación de Alimentos a Base de Plantas (PBFA) informa que el 57 por ciento de todos los EE.

La Asociación de Alimentos a Base de Plantas (PBFA, por sus siglas en inglés) informa que el 57 % de todos los hogares estadounidenses compraron alimentos a base de plantas en 2020, frente al 53 % en 2019. Imagen de johndavi de Pixabay

Los frijoles secos, las lentejas y los guisantes son una opción popular y creciente en las dietas occidentales, después de haberse establecido durante mucho tiempo como alimentos básicos en muchas culturas orientales. Los factores que impulsan el crecimiento del consumo de legumbres incluyen el interés generalizado en los alimentos étnicos y los cambios en la conciencia dietética. Como grupo, son uno de los alimentos nutricionalmente más completos, económicos y ampliamente disponibles. Altas en proteínas, fibra y carbohidratos, y bajas en grasas, estas semillas de soja, frijol mungo, garbanzos, lupinos, lentejas y guisantes se han convertido en un sustituto saludable y popular de los lácteos y la carne, y la tendencia hacia las dietas veganas, vegetarianas y flexitarianas es muy importante. influir en el uso de proteínas de origen vegetal como sustitutos de los lácteos y la carne.

En 2020, el impulso continuo en la industria basada en plantas condujo a un rápido crecimiento. Cientos de nuevos productos llegaron al mercado y las principales victorias regulatorias en el etiquetado de alimentos ayudaron a garantizar la igualdad de condiciones para los productos de origen vegetal. La Asociación de Alimentos a Base de Plantas (PBFA, por sus siglas en inglés) informa que el 57 % de todos los hogares estadounidenses compraron alimentos a base de plantas en 2020, frente al 53 % en 2019.

El principal impulsor del mercado para construir una instalación que fabrique proteínas de origen vegetal es satisfacer la creciente demanda de proteínas e ingredientes no animales, al tiempo que se reduce la dependencia de la agricultura animal. Históricamente, los fabricantes de ingredientes con experiencia en el fraccionamiento de granos se centraron en el almidón como un interés principal para sus muchas aplicaciones industriales y alimenticias. Las proteínas y la fibra eran fuentes de ingresos menos importantes y, en su mayoría, se destinaban a la alimentación animal. Aprovechando los cambios en los hábitos dietéticos y los intereses sociales, estos fabricantes, así como los nuevos inversores, ahora centran su atención en las valiosas proteínas de los guisantes y otras legumbres para impulsar la rentabilidad.

La mayoría de las nuevas plantas buscan procesar de 35 000 a 70 000 toneladas de materia prima molida por año. Estas plantas están interesadas en capitalizar el sector de mercado de alto crecimiento de los sustitutos de la carne a base de plantas, produciendo proteína de alto valor para ser procesada en proteína vegetal texturizada (TPP), también llamada proteína vegetal texturizada (TVP), donde se extruye como un sustituto de la carne para uso minorista y de servicio de alimentos.

Los sustitutos de la carne se fabrican para tener un rango de 70 a 75% de proteína y se extruyen o se transforman en productos cárnicos de origen vegetal terminados. Los procesos de extrusión se pueden utilizar para definir la textura y la forma de los productos, y luego se moldean en formas como migas, tiras, empanadas y salchichas. Esencialmente, el costo por tonelada métrica de esta proteína de alto valor, tal como se vende a los extrusores, establece el punto de referencia más real para determinar el valor de mercado del producto.

Pero la proteína, siendo el foco principal, representa solo del 20 al 25% de toda la estructura del pulso. El 75 a 80 % restante de las legumbres termina como coproductos: almidón, fibra y solubles. Los desafíos que enfrentan estas instalaciones es identificar y evaluar los procesos más óptimos para separar la proteína, el almidón, la fibra y los solubles, y cómo utilizar estos productos para obtener la máxima rentabilidad.

El procesamiento de ingredientes casi siempre depende de la escala y se basa en grandes volúmenes para compensar los bajos márgenes. Incluso cuando la demanda de nuevas harinas, aislados y concentrados de proteínas crece rápidamente, el costo y la complejidad de construir instalaciones de procesamiento pueden hacer que la capacidad de producción de ingredientes se materialice lentamente. Una de las principales prioridades para la fabricación de proteínas a base de plantas es identificar métodos de procesamiento que ofrezcan alto rendimiento, beneficios de funcionalidad y eficiencia.

La preparación de legumbres para la separación de alta pureza de proteínas, fibra, almidones y solubles se basa en un proceso de fraccionamiento húmedo que incorpora secado y evaporación para el procesamiento final. Estos procesos de fraccionamiento abarcan: a) purificación de proteínas; b) separación de fibra y almidón; yc) recuperación de solubles.

Extracción y purificación de proteínas: El proceso de extracción de proteínas separa la legumbre en proteína, fibra, almidón y solubles. Después de la separación inicial, la fracción de proteína se modifica para producir propiedades específicas y características de uso final. El proceso más utilizado es un método de precipitación activa, realizado ajustando el pH de las legumbres, para promover la extracción de la fracción proteica.

Luego, a través de la modificación de proteínas funcionales, las enzimas se utilizan para producir las propiedades de proteínas deseadas por los fabricantes, como una propiedad nutricional o funcional, como en emulsificación, gelificación o solubilidad. La corriente de proteína resultante se puede secar en forma de polvo en un secador por aspersión para producir un aislado de proteína del 80 al 95%.

Separación fibra/almidón: La fracción de fibra y almidón puede mantenerse como una corriente compuesta y secarse en un secador de anillo, o separarse aún más en productos constituyentes de fibra y almidón. Como fibra dietética de alto valor para la nutrición humana u otro ingrediente alimentario, la fibra se puede secar en un secador de anillo.

La fracción de almidón se puede secar en un secador instantáneo y, posteriormente, se puede usar en productos horneados, alimentos precocinados y otros fines alimentarios o industriales.

Recuperación de solubles: La corriente de descarga de agua del paso de purificación de proteínas contiene nutrientes adicionales que se pueden recuperar como producto de valor agregado. Se pueden considerar muchos procesos de recuperación, pero la simple implementación de un evaporador permite la concentración de un producto líquido rico en nutrientes al tiempo que mejora el impacto ambiental de la corriente de aguas residuales. Este producto concentrado se puede utilizar como fertilizante líquido o mezclado con fibra como alimento para animales. Además, la corriente de condensado con una concentración reducida de compuestos orgánicos puede recuperarse como fuente de calor o tratarse más para la recuperación de agua de proceso a fin de reducir el consumo de agua dulce.

A medida que evolucionan los desarrollos en el mercado de proteínas de origen vegetal, los fabricantes de procesos continúan innovando nuevas soluciones para satisfacer necesidades especializadas. Al igual que muchos proveedores, Dedert Corporation se ha asociado con fabricantes de ingredientes para desarrollar tecnologías de procesos de ingeniería personalizada. Veamos algunos ejemplos a continuación.

Como proceso crítico en la fabricación de muchos ingredientes en polvo, como las proteínas de origen vegetal, el secado por aspersión realiza una función vital de secado del producto que debe equilibrar la seguridad alimentaria, la calidad del producto, la funcionalidad y la sostenibilidad.

Al pasar a través de un atomizador, las gotas de agua se evaporan al entrar en contacto con el aire caliente para liberar la proteína en forma de polvo, que cae al fondo del secador por aspersión. La proteína en polvo seca se transporta neumáticamente a ciclones de recolección de productos, luego se descarga a una línea de transporte de proteína en polvo para su almacenamiento en silos o envasado en bolsas o contenedores.

Los secadores por aspersión se han aplicado principalmente con atomización de boquilla para proteínas de origen vegetal debido a la familiaridad de los fabricantes con las aplicaciones de proteínas lácteas, que especifican rangos de distribución de tamaño de partícula estrechos. La atomización con boquilla requiere el uso de una bomba de alta presión que tenga una capacidad apreciable de retención de alimentación y, por lo tanto, puede tener importantes consideraciones de mantenimiento y saneamiento. Dependiendo de la aplicación, la atomización con boquilla puede ser un requisito, pero alternativas como la atomización rotatoria podrían ofrecer beneficios.

Los secadores por aspersión para proteínas de origen vegetal deben cumplir con los altos estándares de calidad alimentaria de acuerdo con las pautas de la FDA, pero los estándares de nivel lácteo más altos, como los Estándares Sanitarios 3-A o las pautas de diseño recomendadas por el Grupo Europeo de Diseño e Ingeniería Higiénica (EHEDG, por sus siglas en inglés) son necesarios. todavía no es la norma. Algunos proveedores ya fabrican secadores por aspersión que cumplen con los estrictos estándares de diseño higiénico de EHEDG, que se pueden implementar de acuerdo con los requisitos del cliente. Estos sistemas a menudo incorporan nuevos diseños, por ejemplo, un panel removible, aislamiento de espacio de aire con puertas de revestimiento exterior con bisagras para facilitar el acceso de inspección, que se puede abrir y cerrar en una fracción del tiempo en comparación con los paneles atornillados. Como sugiere el nombre, no hay fibra de vidrio ni lana mineral; en su lugar, se usa aire para aislar entre el revestimiento interior y exterior del recipiente.

Esta secadora tiene paneles removibles que se pueden abrir y cerrar fácilmente en comparación con los paneles atornillables convencionales. Foto cortesía de Dedert Corporation.

Los secadores instantáneos se utilizan en almidón debido a su sensibilidad térmica. La exposición del almidón a altas temperaturas puede modificar las propiedades estructurales y químicas, causando desnaturalización, gelatinización u otros cambios funcionales. El secado instantáneo tiene un tiempo de residencia bajo, baja humedad y un perfil de baja temperatura, ideal para aplicaciones de almidón.

Los secadores instantáneos son sistemas neumáticos que combinan transporte de aire y secado simultáneos, donde los sólidos de almidón se introducen en el punto de alimentación y se secan en una disposición de un solo paso, antes de la descarga completa a un sistema de recolección de productos.

Con un tiempo de residencia corto de solo unos pocos segundos, los sólidos de almidón están en contacto con un ambiente de calor relativamente bajo durante un período corto. Como resultado, los secadores instantáneos producen productos finales de almidón de alta calidad con un contenido de humedad uniforme y una distribución uniforme del tamaño de las partículas.

El secador instantáneo, en configuración de circuito abierto, funciona a la temperatura más baja para una aplicación determinada, lo que garantiza un secado uniforme y un tratamiento suave del material de almidón. Usando aire fresco ambiental, el almidón siempre permanece en contacto con un medio de secado de baja humedad, limpio y sin adulterar para evitar el riesgo de contaminación o cambios en el estado deseado del producto.

El proceso de secado en anillo es una extensión del secado instantáneo y es aplicable cuando la fibra y el almidón requieren tiempos de secado más prolongados en comparación con el secado instantáneo de una sola pasada.

El secado en anillo proporciona una mejora significativa en la eficiencia al incorporar un clasificador múltiple para devolver por centrifugación el material semiseco y de gran tamaño al sistema de secado para un secado adicional. La recirculación interna de sólidos semisecos hasta el secado completo permite que el secador de anillo funcione a una temperatura más baja en comparación con un secador instantáneo para una aplicación idéntica. No obstante, el secador de anillo mantiene un tiempo de residencia corto de solo unos segundos, manteniendo así una exposición corta de los sólidos a las temperaturas de funcionamiento.

Hay tres configuraciones de secadores de anillo disponibles según la aplicación:

Secadores de anillo de alimentación —están dispuestos de modo que el colector dirija el reciclaje de sólidos de regreso a la zona de alimentación de temperatura más alta para lograr la máxima eficiencia del secador. El colector actúa como un clasificador centrífugo, reciclando selectivamente el producto semiseco más pesado a través de una tolva al dispersor para otra pasada de secado. Esta disposición de secador de anillo es adecuada para tipos de productos más resistentes que pueden soportar una exposición limitada a altas temperaturas.

Secadores de anillo tipo P —El colector dirige el reciclaje de sólidos de regreso a la zona de escape de temperatura más baja para productos sensibles a la temperatura. Esta disposición ofrece a ciertos productos más difíciles de secar el tiempo de residencia adicional para alcanzar la sequedad suficiente sin causar una desnaturalización no deseada, y se usa tradicionalmente para secar almidones modificados.

Secadores de anillo completo —tener un diseño de colector único que puede proporcionar dos funciones: a) reciclaje de sólidos a través del conducto caliente a un desintegrador de barrido de aire, yb) residencia prolongada, si es necesario, dentro del colector para alcanzar la sequedad suficiente. Las aplicaciones de secado desafiantes que necesitan molienda adicional o mezcla dinámica en la corriente de aire, se benefician de este tipo de secador.

Cada uno de los tipos de secadores de anillo puede tener configuraciones de circuito abierto (OC) o de reciclaje parcial de gas (PGR) para adaptarse a la aplicación del producto o los requisitos operativos. Bajo OC, el aire ambiente se utiliza como medio de secado de una sola pasada. Bajo PGR, la eficiencia energética adicional se logra recirculando la mayor parte de la corriente de escape de la secadora de vuelta al calentador de aire como un medio de secado precalentado.

La recuperación de los nutrientes en el líquido que queda del paso de purificación de proteínas se puede lograr por evaporación. En las aplicaciones de proteínas de origen vegetal, el diseño de un evaporador de película descendente ofrece un concepto operativo simple.

Evaporación de película descendente— el fluido crea una película delgada a lo largo de las paredes del tubo, progresando hacia abajo (cayendo) por gravedad hacia el fondo del evaporador mientras el agua se evapora simultáneamente hacia el espacio de vapor tubular.

Recompresión mecánica de vapor (MVR)—con la adición de un compresor mecánico o un ventilador, el vapor del proceso evaporado se comprime a una presión más alta para servir como vapor impulsor para la evaporación, minimizando el consumo de vapor.

Recompresión térmica de vapor (TVR) — es más eficiente energéticamente que un sistema calentado por vapor cuando se dispone de vapor de media a alta presión. El vapor motriz ingresa a través del compresor de vapor y atrae el vapor evaporado. El vapor se mezcla en la sección convergente y la presión aumenta para servir como vapor impulsor para la evaporación, lo que minimiza el consumo de vapor.

El fraccionamiento húmedo para la extracción de proteína vegetal, almidón y fibra se basa en solventes y secado intensivo. Estos procesos son intensivos en energía y agua.

Dado que el secado es el que consume más energía de los procesos involucrados en el fraccionamiento húmedo, una disminución en el agua que debe secarse reduce considerablemente los requisitos de energía de todo el proceso. Los proveedores y otros socios de procesos con ideas afines están desarrollando actualmente innovaciones de procesos para la sostenibilidad y la mejora de la eficiencia energética.

Desde una perspectiva energética, el secado térmico tiene naturalmente un costo relacionado con los requisitos de combustible u otras fuentes de calor debido al calor latente de vaporización del agua de alrededor de 970 BTU/lb. (2256 kJ/kg). La eficiencia del proceso se puede ganar cambiando la reducción de humedad a otros procesos. En general, cuando sea posible, primero se debe implementar la deshidratación mecánica, seguida de la concentración y luego el secado térmico para maximizar la eficiencia del proceso integrado. Este acuerdo también abre la oportunidad de considerar tecnologías de secado alternativas con costos mejorados y eficiencia energética para la operación de la unidad. El éxito de este arreglo depende de un enfoque holístico para el diseño de procesos, lo que requiere una asociación colaborativa entre los proveedores de procesos para garantizar una solución de procesos perfectamente integrada.

Además de la eficiencia energética, el consumo de agua dulce es otra área de investigación de diseño innovador. Las integraciones de procesos entre los usuarios de agua aguas arriba y las tecnologías de evaporación y secado aguas abajo podrían dar lugar a la recuperación de agua para su uso como agua de proceso u otros beneficios de sostenibilidad mejorados.

Para obtener más información, visite el sitio web de Dedert en www.dedert.com.

Mercado de proteínas de origen vegetal

El mercado minorista de proteínas de origen vegetal de EE. UU. creció un 27,1 % en 2020, casi el doble de la tasa del mercado minorista total de alimentos, a poco más de $ 7 mil millones, según PBFA y el Good Food Institute (GFI). Liderando el crecimiento estuvo la carne de origen vegetal con ventas minoristas que crecieron un 45 por ciento durante 2019, a $ 1.4 mil millones. La categoría de carne de origen vegetal creció dos veces más rápido que la carne convencional, y ahora representa el 2,7 % de las ventas minoristas de carne envasada.

La carne de origen vegetal que atrae a los carnívoros es una innovación relativamente reciente. Aunque el tofu, el tempeh y el seitán han existido durante siglos, solo recientemente hemos descubierto cómo producir carne a base de plantas que ofrece una experiencia sensorial casi indistinguible de una hamburguesa convencional o un nugget de pollo.

Según GFI, "El mercado de la carne a base de plantas se ha expandido significativamente en los últimos años, ya que las empresas producen hamburguesas a base de plantas y otros productos que son prácticamente indistinguibles de la carne convencional. Este enfoque comenzó en 2012 con el lanzamiento del pollo de Beyond Meat. tiras, y realmente despegó con el lanzamiento en 2016 de Impossible Burger y Beyond Burger, los cuales han tenido éxito en los principales puntos de venta de comida rápida".

La PBFA informa que en 2020 el 17,6 % de los hogares estadounidenses compraron carne de origen vegetal. Pero la leche de origen vegetal sigue siendo el líder del mercado en este segmento, con un 39,0 % de los hogares que compraron leche de origen vegetal en 2020, lo que representa $2400 millones en ventas minoristas y un crecimiento anual de las ventas del 20,4 %. Combinadas, estas dos categorías representaron el 55,7 % ($3900 millones) de las ventas minoristas totales de alimentos de origen vegetal en los EE. UU. en 2020

Los $ 3.1 mil millones restantes en ventas minoristas de alimentos de origen vegetal en EE. UU. en 2020 provinieron de estas categorías: comidas congeladas $ 520 millones; helados/novedades congeladas $435 millones; crema $ 394 millones; yogur $343 millones; proteína en polvo $292 millones; mantequilla $275 millones; queso $270 millones; tofu/tempeh $175 millones; productos horneados $ 152 millones; bebidas listas para beber $137 millones; condimentos $81 millones; productos lácteos para untar/salsas $81 millones; y huevos $27 millones.

Este crecimiento en expansión en las ventas minoristas basadas en plantas ha abierto la puerta a oportunidades de inversión, de hecho, 2020 fue un año récord para las inversiones basadas en plantas en los EE. UU. Según GFI, nuevos inversores únicos en el espacio basado en plantas de EE. UU. aumentaron en un 44 por ciento en 2020, en comparación con 2019. Se recaudó más capital durante 2020 que en cualquier otro año en la historia de la industria desde 1980, con un total de $ 2.2 mil millones invertidos en el espacio basado en plantas.

Gregory See Hoye es gerente de industria en Dedert Corporation, un proveedor de soluciones de tecnología de secado y evaporación. Su función actual se centra en apoyar los desarrollos en la fabricación de ingredientes alimentarios de origen vegetal. Hoye cuenta con 17 años de experiencia en los sectores alimentario y agroalimentario, con 12 años especializándose en soluciones de evaporación y secado.