1. Principio de funcionamiento del equipo
1.1 Estructura básica
Un concentrador industrial típico calentado al vacío consta de:
Un recipiente de concentración (reactor o tanque) cuyas paredes o camisa exterior se calientan (mediante resistencia eléctrica, vapor o aceite térmico). Esto permite la transferencia de calor al producto líquido en su interior.
El recipiente está conectado a una bomba de vacío para reducir la presión en el interior o en el cabezal de evaporación, disminuyendo así el punto de ebullición del líquido o disolvente.
Un condensador (o conjunto de intercambiadores) enfría los vapores que escapan del tanque, condensándolos para la recuperación (o eliminación) del disolvente/vapor, o incluso para recuperar la esencia o el disolvente/alcohol.
Un sistema de vacío, además de válvulas de aislamiento, manómetros, control de temperatura y sistemas de descarga o recepción para el líquido concentrado y el condensado/vapor.
En muchos casos, un agitador o rascador dentro del tanque evita la sedimentación, la formación de costras, el aumento de la viscosidad, la quema del producto o la adhesión a las paredes. Se utilizan concentradores de raspador para productos de alta viscosidad.
1.2 Operación térmica y de vacío
Al aplicar vacío (reduciendo la presión a, por ejemplo, <100 mbar o incluso menos), el punto de ebullición de la solución o disolvente también disminuye. Esto permite evaporar o concentrar líquidos a temperaturas más bajas, lo cual es crucial al tratar materiales sensibles al calor, como aromas, extractos farmacéuticos, vitaminas y disolventes volátiles.
El calentamiento a través de la camisa o resistencia proporciona el calor necesario para generar vapor en el líquido. La capa de calentamiento debe ser uniforme para evitar puntos calientes que degraden el producto. En sistemas industriales, es común utilizar materiales de acero inoxidable (304, 316L) y acabados sanitarios para cumplir con las normas GMP o cosméticas.
El condensador recoge el vapor generado; de esta manera, el sistema queda cerrado o casi cerrado a la atmósfera, manteniendo el vacío y reduciendo las pérdidas. También permite la recuperación de disolventes (alcohol, etanol, etc.) que pueden reutilizarse y evita la vaporización de aromas o compuestos valiosos a la atmósfera. Algunos sistemas están diseñados para la recuperación de disolventes o alcoholes.
La camisa térmica o el calentamiento por resistencia permiten un control más preciso de la temperatura, importante para prevenir la degradación de compuestos sensibles. El sistema de vacío reduce el punto de ebullición, reduciendo así la necesidad de altas temperaturas. El sistema de condensación mantiene la eficiencia del proceso y la seguridad ambiental.
1.3 Ventajas del sistema
Evaporación a baja temperatura: reduce el riesgo de degradación térmica de compuestos sensibles (aromas, extractos, vitaminas, cosméticos) al combinar un calentamiento moderado con una presión reducida.
Mayor rendimiento y calidad: preserva mejor el perfil aromático o la actividad de los compuestos (menos pérdidas por oxidación o volatilización incontrolada). Un caso real citado informa que la industria de los aceites esenciales utiliza la destilación al vacío para mantener la pureza y el aroma.
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Recuperación de disolventes o alcohol: si el sistema está diseñado para este fin, se reducen los costes y el impacto ambiental.
Control y estandarización de procesos: con vacío y calentamiento controlado, se permite la estandarización del grado de concentración, los sólidos remanentes, la viscosidad, etc.
Compatible con las normas industriales (GMP, higiene, acero inoxidable, limpieza CIP): muchos equipos están diseñados para uso farmacéutico, cosmético o alimentario.
1.4 Consideraciones de Ingeniería
Materiales de construcción: piezas en contacto con el producto, generalmente acero inoxidable 316L o similar, acabado sanitario, estanqueidad al vacío, juntas especiales (p. ej., soldaduras, bridas, mirillas, válvulas de vacío).
Control de vacío: bomba de vacío adecuada (anillo líquido, bomba de paletas, bomba de tornillo seco) para alcanzar la presión deseada; instrumentación para medir el vacío, termómetros de líquido, vacuómetros. Ejemplo: 0,01 mbar en hornos de vacío para electrónica/farmacéutica.
Calentamiento por camisa o resistencia: dimensionamiento del área de intercambio, comportamiento térmico, uniformidad, evitar puntos calientes, asegurar que el líquido no se queme ni se desprenda de la pared. En aplicaciones de alta viscosidad, se puede utilizar un sistema de raspado en la pared interior para mantener la transferencia de calor.
Condensador de vapor: generalmente un intercambiador de calor de carcasa y tubo o de serpentín, diseñado para las cargas de vapor previstas y el tipo de fluido de retorno (agua, glicol, etc.). Debe ser compatible con disolventes o vapores orgánicos, si corresponde.
Sistema de descarga/recepción: tanque receptor de condensado, separador vapor-líquido, válvulas de manipulación, sistema de limpieza CIP o acceso para mantenimiento.
Seguridad y calidad: válvulas de alivio, manómetros, purga de gas inerte si es necesario, conformidad con ATEX para vapores inflamables, registro de datos, limpieza sanitaria, etc.
2. Aplicaciones industriales del diseño Concentrador de Calentamiento por Vacío
A continuación, se presentan algunas áreas y productos donde este tipo de equipo se utiliza con frecuencia, con una explicación técnica de su idoneidad.
2.1 Industria de Aromas/Fragancias/Aceites Esenciales
Extracción o concentración de aceites esenciales de cítricos, flores, hierbas y especias. Por ejemplo, Capua 1880 utiliza tecnología de vacío en destiladores para aceites esenciales de cítricos con el fin de mantener la máxima calidad.
Concentración de extractos naturales para perfumería o alimentación: el vacío reduce el punto de ebullición y preserva los componentes aromáticos volátiles sin degradarlos ni oxidarlos.
Recuperación de disolventes/alcoholes tras la extracción del aroma: por ejemplo, cuando se obtiene un extracto aromático con disolvente o etanol, el concentrador puede evaporar y recuperar el disolvente al vacío.
Producción de aromas, esencias y aceites alimentarios concentrados para cosmética.
Técnicas específicas: clarificación pelicular, concentración de flujo continuo o por lotes, uso de un tanque con camisa calentada y vacío para reducir la temperatura y preservar el aroma. Ejemplos de equipos para este uso: concentrador de jugos o extractos herbales, concentrador al vacío para hierbas y aceites.
2.2 Industria farmacéutica
Concentración de extractos de plantas o productos farmacéuticos líquidos (herbales, nutracéuticos), donde la conservación de los compuestos activos es crucial.
Recuperación de disolventes en la síntesis o purificación de principios activos farmacéuticos (API). El proceso de vacío ayuda a eliminar los disolventes residuales sin exponer el producto a altas temperaturas.
Procesos de purificación donde se reduce el volumen de disolvente para su posterior cristalización o secado.
Producción de jarabes, líquidos farmacéuticos concentrados y formulaciones orales que requieren la eliminación de parte del agua o disolvente. Algunos ejemplos de equipos incluyen concentradores al vacío: equipos de fabricación y procesamiento farmacéutico con un rango de temperatura de 45 a 60 °C.
En la cosmética farmacéutica (bioactivos, extractos, vitaminas), el uso de una concentración suave preserva la integridad de los principios activos.
2.3 Cosméticos/Productos de Cuidado Personal
Producción de esencias y extractos botánicos concentrados para cosméticos o perfumes.
Eliminación de agua o disolventes para producir concentrados que se formularán posteriormente (cremas, sueros).
Reducir la temperatura de evaporación previene la pérdida de volátiles sensibles o cambios de color/olor. Ejemplos de concentradores para aromas, aditivos alimentarios y productos termosensibles a bajas temperaturas de 60 °C o menos.
2.4 Industria Química/Veterinaria/Otras
Concentración de líquidos químicos, recuperación de disolventes o alcoholes en síntesis químicas o concentración de soluciones de vitaminas, aditivos y enzimas. Por ejemplo, polímeros en ciernes e intermedios. Uso de evaporadores para sustancias químicas (ácidos, alcoholes, extractos de plantas) y para fines orgánicos/naturales.
En medicina veterinaria: producción de extractos o formulaciones veterinarias líquidas o concentraciones de ingredientes activos para formulaciones (jarabes, suspensiones concentradas, soluciones alcohólicas). Estas requieren la eliminación de disolventes o agua, la preservación de la actividad del compuesto y un proceso controlado.
Industria alimentaria/agropecuaria: concentración de jugos, purés, extractos de plantas e ingredientes alimentarios funcionales. Si bien solicitó centrarse en sabores, productos farmacéuticos, químicos y medicina veterinaria, cabe mencionar que la tecnología también se aplica a los alimentos. Por ejemplo, se menciona un concentrador de vacío para tomates, leche y purés.
2.5 Ejemplos de productos específicos
Aceite esencial de bergamota, cítricos para perfumería/saborización alimentaria.
Extractos herbales concentrados para uso farmacéutico o nutracéutico.
Vitaminas hidrosolubles o solubles en disolventes, preparación de fórmulas líquidas concentradas: eliminación de agua para reducir el volumen y transportar menos peso.
Soluciones químicas intermedias (disolventes orgánicos tras la reacción, recuperación de etanol, concentración de ácidos o bases débiles).
Fórmulas cosméticas concentradas: esencias aromáticas, extractos botánicos para sueros.
Fórmulas veterinarias líquidas o semisólidas con extractos o ingredientes activos termosensibles.
3. Diseño del proceso y parámetros clave
3.1 Presión, temperatura y punto de ebullición
Existe una relación entre la presión absoluta (o manométrica) y la temperatura de ebullición. Al reducir la presión dentro del tanque, la ebullición se produce a temperaturas muy inferiores a las normales; por ejemplo, 45-60 °C (112 °F) en lugar de ~100 °C (210 °F) para el agua.
Conocer la curva de vapor del producto/disolvente es vital para determinar el grado de vacío necesario para alcanzar la temperatura de evaporación deseada. Por ejemplo, si se desea evaporar agua o disolvente a 50 °C, el vacío debe ser tal que el punto de ebullición descienda a ese valor.
El calentamiento (mediante camisa o resistencia) debe ajustarse para proporcionar suficiente energía para generar vapor a la velocidad de evaporación designada: la transferencia de Calor (Q) = área de intercambio × coeficiente de película × (ΔT), etc. En aplicaciones de alta viscosidad o con una película rasgada (rascador), este coeficiente cambia significativamente. Ejemplo: los concentradores con rascador alcanzan tasas de evaporación de 200 kg/m² h.
3.2 Tasa de evaporación / Rendimiento / Tiempo de proceso
El área de calentamiento, el área de condensación, la capacidad de vacío y el flujo de vapor/condensado deben dimensionarse para alcanzar el rendimiento deseado. Por ejemplo, en un catálogo de concentrador esférico: cantidad de evaporación kg/h = 20, 40, 60, 80, correspondientes a áreas de calentamiento de 0,4 a 1,1 m² y áreas de condensación de 1,2 a 3,0 m².
La eficiencia energética puede mejorarse con sistemas multiefecto para la reutilización secundaria del vapor y la reducción del consumo de energía.
Para productos de alta viscosidad o con tendencia a aglutinarse o adherirse a la pared del intercambiador, se puede utilizar un agitador o un raspador para mantener una transferencia de calor eficiente.
3.3 Materiales y Acabados
Las superficies internas pulidas, los orificios de limpieza, las tapas de inspección y los sistemas CIP (limpieza in situ) cumplen con los requisitos de higiene (como en las industrias farmacéutica o cosmética). Algunos ejemplos incluyen un diseño esférico, todas las piezas en contacto con el producto fabricadas en acero inoxidable y un vaciado sencillo.
Las juntas de vacío y las soldaduras bien diseñadas evitan fugas de aire o la entrada de oxígeno, que podrían comprometer el vacío y provocar la oxidación.
Materiales resistentes a la corrosión al trabajar con disolventes o extractos ácidos/alcalinos.
3.4 Control de Calidad y Seguridad
Monitoreo del vacío, la temperatura, la presión de calentamiento, las fugas, el condensado y el control del nivel de líquido en el tanque.
Si se utilizan disolventes inflamables o volátiles, se requiere un sistema de recuperación, sistemas a prueba de explosiones (ATEX), ventilación, sensores de disolventes e inertización.
La limpieza y separación de productos, la trazabilidad y la documentación (GMP/ISO) son requisitos para los sectores farmacéutico o cosmético.
Verificación del rendimiento de la concentración (% de sólidos, densidad, contenido de volátiles) y estandarización de lotes.
Registro de parámetros y estandarización de tiempo/temperatura/vacío para la replicabilidad.
3.5 Integración en el flujo de producción (industrial)
El concentrador puede integrarse después de la extracción o prefiltración, antes del secado o la cristalización, o en la formulación líquida.
La solución puede precalentarse, filtrarse y desespumarse antes de entrar en el tanque de concentración.
El condensado puede devolverse al proceso o enviarse para la recuperación de disolventes, el reciclaje o la eliminación adecuada.
La infraestructura de servicios (vapor, agua de refrigeración, aire comprimido/inertetización, bomba de vacío, sistema de control) debe dimensionarse para las cargas del proceso.
Consideraciones sobre la limpieza (CIP) y el cambio de producto: En la industria farmacéutica o cosmética, el cambio de producto requiere una limpieza, validación y documentación rápidas; el tanque y las conexiones deben permitirlo.
4. Consideraciones específicas del segmento (sabores, farmacéutica, cosmética, veterinaria)
4.1 Aromas/Fragancias
La conservación de los compuestos volátiles es fundamental; muchas notas de salida de los perfumes se pierden a altas temperaturas o en presencia de oxígeno. El vacío reduce el tiempo de exposición al calor y permite temperaturas más bajas. Ejemplo práctico: En el caso de los aceites esenciales de bergamota, la tecnología de vacío ha permitido una alta calidad y la recuperación del aroma.
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Evitar la oxidación o el cambio de color/olor: Un calentamiento moderado y un entorno protegido (vacío/inertetización) ayudan.
Recuperación de disolventes/alcoholes tras la extracción: reduce costes y previene la contaminación ambiental.
Proceso de concentración de aromas para una forma más densa, un transporte más ligero y un volumen menor.
Al diseñar tanques de concentración de aromas, pueden requerirse recubrimientos no contaminantes, metales nobles o tratamientos superficiales para evitar la reacción con volátiles sensibles.
Control del perfil aromático: parámetros como la temperatura, la presión, el tiempo y la velocidad de evaporación tienen un impacto directo en el perfil sensorial del producto final.
4.2 Productos farmacéuticos
Los productos farmacéuticos (extractos de plantas, vitaminas líquidas, formulaciones, intermedios) suelen contener compuestos sensibles (enzimas, vitaminas, alcaloides, flavonoides) que se degradan a altas temperaturas o se oxidan rápidamente. La combinación de calentamiento por camisa y vacío permite la conservación de estos compuestos.
En formulaciones orales, como los jarabes, se puede eliminar parte del agua/disolvente para alcanzar la concentración deseada antes del envasado.
Para los intermedios de síntesis, una fase de concentración al vacío puede reducir el volumen y prepararlos para la posterior cristalización o secado.
El cumplimiento de las BPM exige que el equipo sea higiénico, esté documentado, sea validable, esté adecuadamente limpio y esté rigurosamente controlado.
En muchos casos se utilizan disolventes inflamables (alcoholes, éteres), por lo que el sistema de vacío y condensador debe estar diseñado para recuperarlos.
Protección y seguridad (sin fugas ni ignición).
4.3 Cosméticos/Cuidado Personal
Uso de extractos botánicos, aceites esenciales, fragancias y bioactivos sensibles al calor/oxígeno. El sistema de vacío garantiza un menor impacto térmico y una mejor retención de la actividad aromática/biológica.
Producción de concentrados de fragancias o esencias que se diluirán en la formulación final.
Reducción del volumen de disolvente o agua en los extractos para un transporte o almacenamiento más económico, o para la preparación de preformulaciones.
Integración con procesos de extracción, filtración y concentración, seguida de estabilización o encapsulación (p. ej., nanotecnología, microemulsiones); el concentrador puede actuar como paso intermedio.
4.4 Veterinaria
Producción de extractos líquidos o formulaciones para animales: jarabes, soluciones inyectables, suspensiones y concentraciones de principios activos.
Eliminación del volumen de disolvente o agua para reducir el peso/volumen de transporte o para ajustar la concentración antes de la formulación final. Los productos veterinarios suelen requerir robustez y cumplimiento normativo (envasado, limpieza, compatibilidad con diferentes materias primas). Los equipos de concentración al vacío pueden utilizarse para preparar productos intermedios o finales con menor degradación térmica.
4.5 Otras aplicaciones complementarias
Concentración de vitaminas (soluciones acuosas con vitaminas hidrosolubles) o coenzimas termosensibles.
Recuperación de disolventes o alcoholes en procesos de producción química o farmacéutica para reducir residuos y costes.
Producción de ingredientes alimentarios funcionales (aunque fuera del ámbito principal de la aplicación, pero relevante): extractos de plantas, zumos concentrados, jarabes.
Evaporación de agua o disolventes de moldes, polímeros e intermedios finos en la química industrial (incluidas las industrias del plástico y los aditivos).
Concentración de residuos o efluentes líquidos para reducir el volumen y facilitar su eliminación o tratamiento.
5. Ejemplo de Proyecto para la Industria de Sabores/Farmacéutica
Para hacerlo más concreto, imagine un diagrama de flujo típico para una fábrica de sabores:
Extracción: La materia prima (cáscara de cítricos, hojas aromáticas, hierbas) se somete a extracción con disolvente o vapor, generando una solución/aroma puro.
Filtración/Pretratamiento: Eliminación de sólidos, clarificación.
Concentración: La solución/aroma puro ingresa a un concentrador de vacío con camisa de calentamiento. El vacío reduce la presión y la camisa de calentamiento eleva la temperatura de forma controlada. Los vapores fluyen al condensador, donde se recupera el disolvente/vapor, y el líquido restante (el aroma más concentrado) permanece en el tanque.
Recepción/Almacenamiento: El líquido concentrado se descarga a tanques de almacenamiento y luego se envía a formulación, dilución o embotellado. El disolvente recuperado se devuelve para su uso o tratamiento.
Control de calidad: medición de densidad, sólidos, perfil aromático (GC/MS), pureza, recuento de microorganismos, etc.
Parámetros de diseño típicos:
Presión del tanque: p. ej., 50-100 mbar o inferior, según el líquido/disolvente.
Temperatura de evaporación: se asume entre 40 y 60 °C para preservar el aroma volátil.
Área de calentamiento según el rendimiento deseado (p. ej., 0,4-1,1 m² para 20-80 kg/h, como en el modelo "en forma de bola" mencionado anteriormente).
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Condensador dimensionado para recuperar vapores con una carga determinada.
Materiales: acero inoxidable 316L, acabado sanitario, limpieza CIP, válvulas de vacío, purga de gas inerte si el disolvente es inflamable.
Seguridad: protección contra sobretemperatura, monitorización de vacío, sistema de detección de disolventes, ventilación y descarga de vapores si es necesario.
6. Limitaciones y Desafíos Técnicos
Lograr y mantener el vacío puede ser costoso y complejo: bombas de vacío, sellos, mantenimiento.
La transferencia de calor puede ser limitada en materiales con alto contenido de sólidos o alta viscosidad; requiere un diseño especial (rascador, agitador).
Posibilidad de formación de espuma o grumos durante la evaporación al vacío; requiere dispositivos antiespumantes o de mitigación.
Control de la degradación de compuestos sensibles: incluso a 50-60 °C al vacío, pueden ocurrir reacciones indeseables (oxidativas, térmicas, fotodegradación) si no se protege adecuadamente.
Costos de instalación relativamente altos (tanque de presión, vacío, control, condensador, seguridad de disolventes).
Para un funcionamiento continuo, se requiere un control estricto del nivel de líquido, el flujo, la automatización, los sensores y un sistema de monitoreo.
Compatibilidad de materiales: si hay disolventes agresivos, se requieren recubrimientos, se requieren materiales especiales y se evita la contaminación del aroma o producto farmacéutico.
7. Conclusión
El uso de un concentrador calentado por resistencia o camisa térmica, con sistema de vacío y condensador refrigerado, es una tecnología clave en diversos sectores industriales (sabores/fragancias, productos farmacéuticos, cosméticos, químicos y veterinarios) para la evaporación y concentración de líquidos, la eliminación de disolventes, la conservación de compuestos sensibles y la recuperación. |
