secado de los alimentos
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¿Por qué un alimento, como la harina, sale del proceso de producción con un 14-15 % de humedad y durante su distribución y almacenamiento este valor disminuye a 10-12 % con una humedad ambiente promedio de 50-60 %? ¿Cómo se seca? Mecanismos ¿Qué pasa con el agua? ¿Dónde se va? ¿A qué velocidad se seca bajo ciertas condiciones? SECADO-DESHIDRATACIÓN Humedad relativa? Absoluta?
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¿Por qué un alimento, como la harina, sale del proceso de
producción con un 14-15 % de humedad y durante su distribución y
almacenamiento este valor disminuye a 10-12 % con una humedad
ambiente promedio de 50-60 %?
¿Cómo se seca? Mecanismos
¿Qué pasa con el agua? ¿Dónde se va?
¿A qué velocidad se seca bajo ciertas condiciones?
SECADO-DESHIDRATACIÓN
Humedad relativa? Absoluta?
La deshidratación es una operación en la que la mayor parte del
agua presente en un alimento es eliminada por evaporación
o sublimación bajo condiciones controladas
El aire que nos rodea es "aire húmedo", contiene vapor
de agua
Propiedades de las mezclas aire-vapor
SECADO-DESHIDRATACIÓN
Propiedades:
- del aire seco,
- del vapor de agua,
- y de la mezcla: el aire húmedo.
Ciencia que se ocupa de las propiedades termodinámicas del aire
húmedo, y el efecto de la humedad atmosférica sobre los materiales y el
confort humano
Psicrometría
¿Qué es la humedad relativa? Absoluta?
¿Cómo se produce la condensación de la humedad en un serpentín
de enfriamiento?
¿Por qué "suda" un ducto de aire frío?
Las respuestas tienen que ver con el conocimiento de las propiedades
de la mezcla de aire y vapor de agua (humedad)
Las tablas psicrométricas (mayor precisión) y carta psicrométricas
(menos precisa pero más rápida)
Para el secado de alimentos es de particular interés estudiar las propiedades de
la mezcla aire-vapor de agua.
Utilidad
• Análisis y diseño de sistemas de almacenamiento y procesamiento de
alimentos.
• Diseño de sistemas de aire acondicionado (conservación de alimentos
frescos, secadores de granos, torres de enfriamiento en plantas procesadoras
Aire seco =====> no contiene vapor de agua.
Aire húmedo ==> aire seco + vapor de agua
La humedad está "en el aire", aire y vapor de agua, existen juntos en un
espacio dado al mismo tiempo.
Los dos son independientes uno del otro, y no responden de la
misma manera a los cambios de condiciones, especialmente a los cambios de
temperatura.
Psicrometría
El aire es una mezcla de gases incolora, inolora e insabora
El aire seco gas puro (mezcla) por lo tanto no
se ajusta exactamente a las leyes de los gases,
pero los gases que los componen son
verdaderos gases; así que, para el propósito
práctico, se considera a esta mezcla de gases
(aire seco sin vapor de agua) como un solo
compuesto, que sigue la ley de los gases.
Retiene sustancias en suspensión y en solución.
El aire tiene baja conductividad térmica.
El aire tiene peso, densidad, temperatura, calor específico, y cuando está en movimiento,
tiene momento e inercia.
Propiedades del Aire
Es es una mezcla de gases altamente sobrecalentados. Por lo que, cuando calentamos o
enfriamos aire seco, solamente estamos agregando o quitando calor sensible
ley de Dalton
Si el aire seco se calienta, se expande; y su densidad disminuye, cuando la presión permanece
constante. Inversamente, si se enfría el aire seco, aumenta su densidad. Las temperaturas,
densidades, volúmenes y presiones, todas varían proporcionalmente.
Propiedades del aire seco
Volumen específico del aire seco (Vas)
Vas: (m3/kg)
R: constante de los gases
(m3.K.Pa/kg)
T: temp absoluta (K)
pas: presion parcial del as (Pa)
Calor específico del aire seco (Cpas)
A 1 atm (101,325 kPa) es f(T) entre -40°C y 60°C varía desde 0,997 hasta 1,022 kJ/kg.K
Valor medio: Cpas =1,005 kJ/kg.K
Entalpía del aire seco (Has)
H o contenido energético del as es un término relativo
que necesita de un punto de referencia.
En cálculos psicrométricos: presión atmosférica y 0°C
Has: (kJ/kg)
Ta: temp de bulbo seco (°C)
T0: temp de referencia (°C)
Temperatura de bulbo seco (Ta)
En el acondicionamiento de aire, la temperatura del aire indicada es normalmente la
temperatura de «bulbo seco» (bs), tomada con el elemento sensor del termómetro en
una condición seca. Es la temperatura medida por termómetros ordinarios en casa.
Su variación expresa una medida de la cantidad de energía absorbida o cedida por el sistema
La humedad describe la presencia de vapor de agua en el aire.
Aire y vapor de agua, existen juntos en un espacio dado al mismo tiempo.
El vapor de agua es producido por el agua, a cualquier temperatura (aun sobre hielo).
El vapor ejerce una presión definida encima del agua, determinada por la temperatura del
agua, independientemente de si el agua está o no en ebullición o de si el espacio por
encima del agua contiene aire.
Vapor de Agua (Humedad)
No hay diferencia si hay o no aire en ese espacio; la presión del vapor de agua
será la misma, ya que ésta depende totalmente de la temperatura del agua
Presión de vapor: Es la presión ejercida por las
moléculas de un componente que está en el estado
vapor y que se encuentran en equilibrio dinámico con
las moléculas del mismo componente que está en
estado líquido.
pv de un compuesto es función de la temperatura
pw
Temperatura (°C)
La humedad está "en el aire", solamente en el sentido de que los dos, aire y
vapor de agua, existen juntos en un espacio dado al mismo tiempo
Propiedades del vapor de agua
El vapor en el aire es esencialmente vapor sobrecalentado a baja presión parcial y
temperatura (muy lejos de su temperatura de saturación).
Bajo ciertas condiciones, el aire puede contener gotas de agua en suspensión (niebla)
PM: 18,01534
Volumen específico del vapor de agua (Vw)
Vw: (m3/kg)
Rw: constante de los gases para el vapor (m3.K.Pa/kg)
T: temp absoluta (K)
pw: presion parcial del va (Pa)
Entalpía del vapor de agua (Hw)
Calor específico del vapor de agua (Cpw)
El Cpw saturadp o sobrecalentado no varía apreciablemente entre -71°C y 124°C
Cpw = 1,88 kJ/kg.K
Hw: (kJ/kg)
Ta: temp ambiente(°C)
T0: temp de referencia (°C)
Calor latente de vaporización del vapor:
2501,4 kJ/kg
Presión atmosférica: presión del aire + presión del vapor de agua que éste contiene (Ley de Dalton)
agua
15C
Sistema en equilibrio
Pt= 101.325 kPa
Pv= 1.70 kPa
Presión del aire seco= 99.625 kPa
Aire seco saturado con humedad. Incorrecto,
porque el aire en sí permanece seco, solamente
está mezclado con el vapor de agua saturado,
pero es un término usado
agua
21C
Aplicamos calor
Algo del agua se evaporara
>peso de vapor y Pv
<Vol específico (m3/kg)
El aire se expande (cuarto no
sellado y algo de aire se escapa)
>Vol específico aire
El aire ganó algo de capacidad para retener
humedad. En realidad, el aire nada tiene que
ver con eso. La temperatura del espacio es lo
que cuenta.
Y si se enfría el sistema de 21 a 15 C
Mezclas aire-vapor
21C
Aire
saturado
Aplicamos calor
Enfriamos
15C
Vapor condensa gradualmente (gotas de agua) hasta la condición
de saturación a 15 C (nuevas características de presión, volumen,
densidad y otras)El aire disminuirá su volumen, y algo de aire
exterior entrará
15C
Aire
saturado
21C
El aire se expande (cuarto no sellado y algo de aire se escapa)
>Vol específico aire
El vapor se sobrecalienta (no hay fuente de agua) y su presión
(Pv) no cambia
Propiedades de las mezclas aire-vapor
Estas mezclas no siguen estrictamente las leyes de los gases ideales aunque
pueden utilizarse con buena precisión a presiones < 3 atm
Las mezclas aire-vapor de agua en la atmosfera siguen la ley Gibbs-Dalton
pB: presión total o barométrica del aire húmedo
pas: presión parcial del as (Pa
pw: presión parcial del va (Pa)
Contenido de humedad
Humedad Relativa
La humedad relativa (Hr), expresa la cantidad de humedad en una muestra de
aire, en comparación con la cantidad de humedad que el aire tendría, estando
totalmente saturado y a la misma temperatura de la muestra
Humedad absoluta, W
Se define como la masa de vapor de agua por unidad de masa de aire
secomw: masa vapor (kg)
mas: masa aire seco (kg)
xw: fraccion molar del vapor de agua
xas: fracción molar del as
pw: presión de vapor de agua (Pa)
pws: presión de saturación del vapor de
agua (Pa)
xw: fracción molar del vapor de agua
xws: fracción molar de saturación del vapor
de agua
Medida relativa que proporciona información de la cantidad de agua presente
en el aire en relación con la máxima cantidad que pueda existir en el aire
saturado a esa temperatura (de bulbo seco)
Temperatura o punto de rocío
El aire se encontrará saturado cuando su temperatura sea la de saturación
correspondiente a la P parcial ejercida por el vapor de agua
El punto de rocío se define como:
la temperatura debajo de la cual el
vapor de agua en el aire comienza
a condensarse.
También es el punto de 100% de humedad relativa.
Temperaturas entre los -40º y -70º C
Motores: expulsan casi 10 kg /s de vapor de agua
Los gases liberados ~600ºC y se enfrian muy rápido.
Si imperan la temperatura y humedad necesarias, éste vapor
cae por debajo del punto de rocío y se condensa.
Calor especifico aire húmedo o calor húmedo de una mezcla aire-vapor (Cs )
Es el calor que hay que suministrar a un kg de aire seco y al vapor que
contiene, para elevar un grado de temperatura (a presión constante)
Cpw = 1,88 kJ/kg.K
Cpas =1,005 kJ/kg.K
W: humedad (kg agua /kg as)
Volumen especifico del gas húmedo o volumen húmedo (Vm )
Es el volumen específico ocupado por 1 kg de aire seco más el del vapor presente [m3/kg aire seco]. Se obtiene a partir de la ecuación del estado gaseoso ideal, en donde P es la presión, V el volumen R es una constante y T la temperatura y M la masa del gas
En el caso de los gases húmedos la entalpía especifica es la suma del calor
sensible de una masa de gas, y el calor latente de vaporización a la
temperatura a la que se refieren las entalpías.
Entalpía específica o húmeda (Hs )
L: es el calor latente de vaporización del
agua a T0
W: humedad (kg agua /kg as)
Temperatura de saturación adiabática del aire
Si una corriente de aire se mezcla perfectamente con una cantidad de agua a la temperatura
Ts(Ta2) en un sistema adiabático, la temperatura del aire descenderá y su humedad aumentará.
La evaporación del agua en el aire produce su saturación.
El calor latente de evaporación es suministrado por el calor sensible transferido desde el aire.
Si Ts es tal que el aire que sale del sistema está en equilibrio (saturado) con el agua, Ts es la
temperatura de saturación adiabática y la línea que relaciona la temperatura con la humedad
del aire es la línea de saturación adiabática
Ta1: Temp aire entrada
Ta2: temp aire salida (temp de saturación, Ts)
L: es el calor latente de vaporización del agua a Ta2
W1: humedad aire entrada
W2: humedad aire salida (saturación)
Temperatura de estado estacionario (equilibrio dinámico) de una superficie de agua que se
está evaporando en condiciones adiabáticas en una corriente de aire.
Se mide por medio de un sensor de temperatura cubierto por un trapo que se mantiene
saturado de agua.
Cuando la superficie de agua se expone al aire sin saturar, parte al agua se evapora (Pv del
paño húmedo saturado > Pv del aire sin saturar). Este proceso consume calor latente y
produce un descenso de la temperatura del bulbo cubierto.
El estado estacionario se alcanza cuando el flujo de calor desde el aire hacia el paño es igual
al calor latente de evaporación necesario para evaporar la humedad del paño.
La T de equilibrio, es la temperatura de bulbo húmedo.
Termómetro de Bulbo Húmedo, Tbh
Si el aire estuviese saturado con humedad (100% Hr), la lectura de la
temperatura en el termómetro de bulbo húmedo, sería la misma que la del
termómetro de bulbo seco.
Mientras más seco esté el aire, más rápida será la evaporación de la
humedad de la mecha y menor será la Tbh
Termómetro de Bulbo Húmedo, Tbh
Solamente en el sistema de vapor de agua – aire, la temperatura de bulbo
húmedo coincide con la temperatura de saturación adiabática.
El diagrama psicrométrico es la representación gráfica de las ecuaciones analíticas
descritas para las mezclas aire-vapor de agua.
Diagrama psicrométrico Las propiedades de las mezclas aire-vapor de
agua están interrelacionadas y pueden ser
calculadas por ecuaciones matemáticas.
Determinación de propiedades de una mezcla aire-vapor de agua, en un
diagrama psicrométrico.
Utilización del diagrama psicrométrico para el análisis de
procesos de acondicionamiento del aire
Calentamiento – enfriamiento simple
CALENTAMIENTO (W = cte)
• Propio de sistemas de calefacción residenciales (estufa, resistencia eléctrica…)
• Línea de W = cte en la dirección de aumento de Tbs y disminución de la Hr
ENFRIAMIENTO (W = cte)
• Línea de W = cte, en la dirección de disminución de Tbs con aumento de la Hr
m: masa aire seco (kg/h)
Mezcla de dos masas de aire (A y B) con distinta humedad
La mezcla (M) situada en la recta
que une los dos puntos
Enfriamiento con deshumidificación
Si la sección de enfriamiento es suficientemente largo el aire sale saturado.
El enfriamiento adicional del aire provocará la condensación de parte la humedad
El aire permanece saturado durante todo el proceso de condensación, sigue la
línea de saturación hasta el estado final
Necesario si la humedad relativa
alcanza niveles extremadamente
altos durante el enfriamiento a W =
cte
El aire caliente y húmedo entra en la
sección de enfriamiento, su T
disminuye y su humedad relativa
aumenta a W = cte
Pasando aire por pulverizadores de agua en una cámara térmicamente aislada
Se realiza a Tbh cte ⇒ H cte
Enfriamiento y humidificación
El aire se atura adiabáticamente
Secado
Cuando se hace pasar aire
caliente a través de un lecho de
alimentos húmedos
El proceso puede describirse en el
diagrama como un proceso de
saturación adiabática
El calor de vaporación necesario para secar el alimento proviene solamente del
aire seco (sin transmisión de calor desde y hacia el exterior).
Conforme el agua pasa a través del sólido parte del calor sensible del aire es
convertido en calor latente y en consecuencia más agua pasa al aire.
Tbs disminuye, H cte Tbh cte
Encuentre las propiedades de un aire húmedo cuando la temperatura
de bulbo seco es de 27 ºC y la de bulbo húmedo de 19 ºC. Determinar
humedad absoluta y relativa, entalpía, Volumen específico y punto de
rocío.
EJEMPLO 1
El aire a 50 C y 10% de humedad relativa se utiliza para secar arroz en un silo. El aire sale
del silo bajo condiciones saturadas. Determine la cantidad de agua removida por kg de aire
3. Leer el valor de humedad absoluta (0.019 kg agua/kg aire seco).
4. La cantidad de agua removida es 0.019 – 0.0078 0.0112 kg
kg agua/kg aire seco.
1. Ubicar el aire de entrada en la tabla.
Leer el valor de humedad absoluta
(0.0078 kg agua/kg aire seco).
2. Seguir la línea de entalpía constante
(temperatura de bulbo húmedo constante)
hasta saturación (B).
EJEMPLO 2
En un secador continuo se insufla aire a 60 ºC con un 8 % de humedad
relativa y lo abandona a 35 ºC. Calcule la cantidad de agua eliminada por
kg de aire que pasa y el volumen de aire requerido para eliminar 20 kgh-1
de agua.
EJEMPLO 3
La DESHIDRATACIÓN es un método de
estabilización de alimentos que se basa en
la reducción de la actividad del agua (Aw)
para ralentizar los procesos de deterioro a
los que se ve sometido un alimento
Forma la matriz continua de los constituyentes alimenticios (coloidal,
solución o emulsión).
Puede encontrarse en los medios intracelulares o como un componente
extracelular (vegetales, productos de origen animal). Es necesaria para la
integridad de las células. Determinan su textura y sus propiedades
reológicas.
Actor principal en reacciones: hidratación, deshidratación, hidrólisis,
descomposición
Facilita el deterioro de los alimentos (microorganismos, enzimas,
reacciones químicas)
AGUA - ALIMENTOS
El agua en los alimentos existe en diferentes estados energéticos,
con distintas propiedades físico-químicas
Agua no ligada agua pura
Agua ligada agua pura
El estado del agua es importante para el proceso de secado y la
estabilidad de los alimentos
AGUA - ALIMENTOS
En los tejidos animal y vegetal el agua no está uniformemente distribuida
debido a los complejos hidratados que se establecen con proteínas, hidratos de
carbono. Pero también zonas microscópicas con alta acumulación de lípidos.
HETEROGENEIDAD
Agua ligada no congela en las condiciones normales de
congelamiento a -20 ºC (ATD, RMN)
Agua libre es la que se volatiliza fácilmente, se pierde en el
calentamiento, se congela primero y es la principal responsable de la
actividad acuosa.
Actividad de agua (Aw)
CANTIDAD AGUA CANTIDAD AGUA DISPONIBLE
CRECIMIENTO MICROBIANO Y ACTIVIDAD QUIMICA
aw = pv / pw
pv: Presión vapor de agua del alimento
pw: Presión vapor de agua pura
Mezcla aire-vapor agua:
Si la HR = aw sólido y atmósfera están EQUIILIBRIO
A la misma
temperatura
pv
La disponibilidad de agua en un alimento se relaciona con ACTIVIDAD DE AGUA
Fenómeno de
histéresis
aW
Hu
med
ad
de e
qu
ilib
rio
del
só
lid
o (
bs)
A: moléculas fuertemente ligadas al sólido (enlaces H, ión-dipolo). Agua constitucional, no
disolvente, no congela a -40°C, no contribuye actividad microbiologica o química. Valor
monocapa. aw:0-0,35 - Humedad: 0,05-0,11 kg/kg ss
Difícil de eliminar por secado (alta energía) – no recomendable
La relación entre los contenidos de humedad de equilibrio del alimento y la humedad
relativa del ambiente para una temperatura dada, se obtienen a partir de las:
ISOTERMAS DE SORCIÓN
Daños térmicos que alteran los
grupos polares (hidroxilos,
aminas, carbonilos,…)
Prácticamente la isoterma de adsorción de un producto representa la cinética con la que adsorbe
la humedad del medio que la rodea y con la que se hidrata
aW
Hu
me
dad
de
eq
uili
bri
o d
el s
ólid
o (
bs)
C: Agua libre o atrapada. Disminución Pv por razones estructurales (atrapada en
macro- capilares) y por efectos de disolución (contiene solutos de bajo PM). Fácil
de congelar. Agua libre: Pv próxima a la del agua pura, disponible para reacciones
y como solvente (Agua < 1 kg/kg ss). Representa 95% del agua
ISOTERMAS DE SORCIÓN
B-C: agua ligada menos fuertemente. Distinción dudosa. la disminución de Pv se
debe a enlaces débiles, fuerzas capilares en la estructura del sólido y presencia
de SS en disolución.
B: región multicapas, agua localizada en capas estructuradas y en microcapilares.
La mayor parte no congela a –40°C, propiedades solvente reducidas. Movilidad
reducida
Efecto de la Temperatura La cantidad de agua absorbida a
cualquier valor de Aw disminuye al
aumentar la temperatura
Velocidad de estabilidad máxima en los límites entre zona A y B
(0.2-0.3). Oxidación de lípidos es la excepción
El conocimiento de características de sorción facilita la predicción de su vida útil
Relación entre la aw, estabilidad de los alimentos e isotermas
El contenido de humedad de equilibrio depende de la
naturaleza del solido y de su temperatura.
La humedad de equilibrio es el límite inferior del gradiente para la
eliminación del agua del producto.
La humedad de equilibrio y la Aw determinan la estabilidad del producto
almacenado.
Mayores temperaturas implican menores humedades de equilibrio y
mayores gradientes de humedad para el flujo de agua.
Es el contenido de humedad limitante en ciertas condiciones de
humedad y temperatura. Si el material se seca a un contenido de
humedad inferior al que posee en equilibrio con el aire atmosférico, volverá
a su valor de equilibrio al almacenarse, a menos que se tomen
precauciones especiales
Este valor es especialmente importante en la deshidratación:
ISOTERMA DE ADSORCIÓN de un producto representa la cinética con la
que adsorbe la humedad del medio que la rodea y con la que se hidrata
Es muy importante conocer estas curvas, ya que con base en ellas se
pueden:
diseñar sistemas de almacenamiento, secado, rehidratación (predicción de
tiempos de secado y enegía necesaria para estos procesos)
determinar la estabilidad de un gran número de alimentos, tales como
granos, frutas, hortalizas, cárnicos, etcétera.
Ejemplo.
Refleja el comportamiento de la leche deshidratada almacenada en
atmósferas húmedas; de manera semejante, la isoterma de desorción
equivale al proceso de deshidratación.
Modelos matemáticos para aproximar las isotermas experimentales
M = contenido de humedad en equilibrio en base seca (g agua/g sólidos secos).
Xm = humedad de la monocapa seca (g agua/g sólidos secos).
C, K, A y B = constantes.
aw = actividad de agua.
aw < 0,9
Alimento Agua % aw Grado de protección requerida
Carne fresca 70 0.99Envasar para prevenir pérdida de humedad
Pan 40 0.96
Queso 55 0.95
Arroz 15-17 0.80
Envasado mínimo
Harina de trigo 14.5 0.72
Pasas 27 0.60
Macarrón 10 0.45
Avena 10 0.65
Nuez 18 0.65
Caramelos duros 3.0 0.30
Envasar para prevenir hidratación
Galletitas 5.0 0.20
Leche 3.5 0.11
Chips 1.5 0.08
Especias 5-8 0.50
Vegetales secos 5 0.20
Cereal desayuno 5 0.20
SECADO-DESHIDRATACIÓN
Secado Concentración
• Prolongar Vida útil (reducción de Aw)
• Reducción costo (packaging, transporte y almacenamiento)
• Conservación de atributos sensoriales
• Conservación de valor nutricional
Objetivos
• Térmico: cuando el medio es gas o vacío
• Osmótico: cuando una solución o solvente sirve para remover agua
• Mecánico: fuerza o presión (centrifugación, filtración-separación por membranas)
Clasificación
La deshidratación es una operación en la que la mayor parte del agua presente en
un alimento es eliminada por evaporación o sublimación bajo condiciones
controladas
Secado con aire caliente (convección)
Secado por contacto directo con una superficie caliente (conducción)
Secado mediante el aporte de energía por una fuente radiante, por
microondas o dieléctrica.
Liofilización
Principales métodos de secado utilizados en la industria de
alimentos
Mecanismo de secado: incluye dos procesos
fundamentalesy simultáneos
TRANSMISIÓN DE CALOR EN EL INTERIOR DEL ALIMENTO T con el exterior:
calentamiento del sólido (calor sensible)
evaporación del líquido (calor latente vaporización)
TRANSMISIÓN DE MASA (agua y vapor):
Movimiento de líquido dentro del sólido impulsado por un gradiente de
concentración
Movimiento de vapor dentro del sólido impulsado por un gradiente de Pv
Transporte de vapor desde la superficie del sólido al aire (Pv)
La velocidad de secado será proporcional
al mas lento de los procesos mencionados
Mecanismos internos mas importantes de transporte del agua
DIFUSIÓN
DIFUSIÓN de vapor. El gradiente de temperatura crea un gradiente de
presión de vapor que impulsa la vaporización y la difusión de vapor.
DIFUSIÓN de líquidos. Impulsado por gradientes de concentración.
En sólidos monofásicos con estructura coloidal y geliforme (gelatinas, pastas,
jabones, gomas)
FLUJO CAPILAR. La humedad contenida en intersticios de los sólidos se
desplaza por gravedad y capilaridad cuando existen “pasadizos” para un flujo
continuo.
En sólidos porosos (textiles, papel pieles), y polvos finos y sólidos granulados
(pigmentos, arcillas, leche en polvo).
En muchos casos ambos mecanismos participan en una misma operación de
secado, en las primeras fases, el agua se desplaza por capilaridad y, cuando
el contenido de agua es bajo, por difusión
Otros mecanismos menos importantes: flujo provocado por gradiente de
contracción y presión, flujo producido por gravedad y flujo generado por una
secuencia de vaporización y condensación
SECADO POR AIRE
CONVECCIÓN
Aire caliente (temperatura y humedad constante).
Aire = Qsensible + Qlatente + elimina vapor de agua que se
forma en el alimento
Cambio en el contenido de
agua del sólido
La curva representa el caso general en que los sólidos
mojados pierden humedad:
• Evaporación desde una superficie saturada de agua del
sólido
• Evaporación desde la superficie saturada que tiene un
área que decrece gradualmente
• Por último, evaporación del agua en el interior del sólido
Considere: un sólido inerte, humedecido con agua pura, se seca en una corriente de aire,
que fluye paralelamente a la superficie de secado. Temperatura y humedad del aire sobre la
superficie de desecación son constantes. Todo el calor se aporta por convección.
CURVAS DE SECADO: determinan experimentalmente
y representan el comportamiento del material durante el
secado. Son válidas sólo para las condiciones de
ensayo y a partir de ellas se puede determinar:
Tiempos de secado
Tasa de evaporación
Períodos de secado
A-B: ESTABILIZACIÓN:
Las condiciones de la superficie del sólido se
equilibran con la temperatura del aire. La
temperatura de la superficie del alimento
incrementa hasta alcanzar la temperatura de
bulbo húmedo del aire.
Velocidad de cambio en el contenido de agua
B-C: VELOCIDAD CONSTANTE:
Velocidad desplazamiento del agua hacia la superficie es mayor que la velocidad de remoción
desde la superficie La superficie del alimento permanece saturada con agua.
Velocidad de secado controlada por la velocidad de transmisión del calor a la superficie
de evaporación.
La temperatura de la superficie es constante e igual a la temperatura de bulbo húmedo (s).
Humedad crítica
(Wc)
Fuerza impulsora del movimiento de vapor a través de la capa de aire
estático (saturado en vapor de agua) es el gradiente de Pv entre la superficie
de desecación y la corriente del aire de secado
Capa de aire
estancado
Aire de secadoDifusión de
vapor
Superficie del
alimento (saturada
con agua)
Mecanismo de secado
El secado se desarrolla por difusión de vapor desde la superficie saturada del sólido,
pasando por una capa de aire estancado hasta el medio que lo rodea
La velocidad de transferencia de masa desde la superficie es:
Velocidad de secado =
(dw/dt)c = - Kg A (ps-pa) [kg agua/s]
w masa de agua/masa de sólidos secos [Kg/Kg]
Kg coeficiente de transferencia de masa [kg/(s.m2.atm)]
A superficie de secado [m2]
ps presión de vapor del agua en la superficie (pv a la temperatura de
la superficie [atm]
pa presión de vapor del agua en el aire [atm]
Humedad absoluta = masa de agua/de masa de aire seco [kg agua/kg aire seco]
H = Mw pv / Ma (P-pv)
Mw masa molecular agua
Ma masa molecular aire
P presión total, pv presión parcial de vapor de agua en el sistema
Ya que pv << P, P - pv P (sistema aire-agua)
H = (Mw / Ma) ( pv / P )
(dw/dt)c = - Kg1 A ( Hs - Ha )
Kg1 = Kg ( Ma P / Mw )
Hs es la humedad en la superficie (humedad de saturación del aire a la
temperatura de la superficie)
Ha es la humedad del aire de secado
Esta ecuación puede ser expresada en términos de humedades absolutas:
La velocidad de transferencia del calor desde el aire de secado hacia la
superficie del alimento es:
(dQ/dt)c = hc A ( a - s )
hc coeficiente de transferencia del calor por convección [J/(m2.s.K)]
A superficie de secado [m2]
a temperatura del aire de secado (temperatura de bulbo seco)
s temperatura de la superficie de secado (temperatura de bulbo húmedo cuando
sólo se transfiere calor por convección)
Puesto que todo el calor transferido hacia la superficie de secado es usado para
producir la evaporación de agua desde la superficie:
(dW/dt)c L = - (dQ/dt ) L = Calor latente de evaporación a s [J/kg]
Combinando: (dW/dt)c = - (hc A/L) (a - s)
En términos de velocidad de cambio de humedad (W) [kg agua/kg ss]
(dW/dt)c = - (hc A‘ / L ) (a - s) [Kg agua/(s.kg ss)]
A' es la superficie efectiva de secado por unidad de masa de
sólidos secos en el alimento [m2/kg ss]
Para una “bandeja” de material de profundidad “d” [m], se asume que la evaporación se
produce desde su superficie superior y que no se produce contracción del material durante el
secado. La velocidad de cambio en el contenido de humedad de los sólidos secos se expresa
como:
(dW/dt)c = - (hc /s d L ) (a - s)
s es la densidad a granel del material seco [kg/m3]
El tiempo de secado puede ser estimado integrando esta ecuación para las siguientes
condiciones W: (W0Wc) y t: (0tc) [s]
tc = (W0 – Wc) s L d / [hc (a - s)]
Factores que controlan (dW/dt)c
• Área de la superficie de secado
• T o contenido de agua entre el
aire y la superficie de desecación
• Hc y Kg
El hc esta relacionado con la velocidad de flujo másico del aire, por lo que se puede
aplicar las siguientes ecuaciones:
Flujo paralelo hc = 14,3 G08
Flujo perpendicular hc = 24.2G037
G [kg/(m2 .s)] flujo másico del aire por unidad de área
(dW/dt)c afectada velocidad del aire y las dimensiones del sistema
C-E: VELOCIDAD DECRECIENTE: El movimiento de
agua dentro del material no es suficiente para mantener
la superficie del alimento saturada de agua y comienza a
secarse.
Wc = migración evaporación deshidratación y
aumento de temperatura superficial hasta aproximarse a
la temperatura de bulbo seco del aire a medida que el
alimento se acerca a la sequedad.
Humedad crítica
(Wc)
Humedad de equilibrio (We)
Desecación de la superficie saturada de agua
(disminución del área de evaporación,
contracción)
El plano de evaporación de desplaza al
interior. Velocidad de secado depende de la
transmisión de masa en el interior del solido y
pierden influencia las variables externas
La velocidad de secado esta determinada por la
velocidad en que se desplaza el agua en el solido
Normalmente el período de velocidad decreciente da
cuenta de la mayor parte del tiempo total de secado
La velocidad de secado en esta fase se puede expresar como:
(dW/dt)f = - K (W - We)
W humedad del producto al tiempo t [kg agua/kg ss]
We humedad del producto cuando está en equilibrio con el aire de secado con un
aire a a y Ha
La K está relacionada con el periodo de velocidad constante:
K = (-dW/dt)c / (Wc - We)
Sustituyendo: (dW/dt)f = -hc ( a - s ) (W - We) / s L d (Wc- We)
s es la densidad del material seco [kg/m3]
La expresión de velocidad de secado depende del mecanismo
interno de desplazamiento del agua:
FLUJO EN VIRTUD DE FUERZAS CAPILARES. En sólidos
porosos, polvos finos y sólidos granulados.
El tiempo de secado en el periodo de velocidad decreciente puede determinarse
integrando esta expresión desde t=0, W=Wc y hasta t=tf, W=We
Si el secado se produce desde ambas superficies “d” es igual a la mitad del espesor de la placa de secado.
Para una “bandeja” de material de profundidad “d” [m], se asume que la evaporación se produce desde su superficie superior y que no se produce
contracción del material durante el secado.
tf = s L d (Wc- We) / -hc ( a - s ) ] ln [(Wc- We)/ (W - We)]
DIFUSIÓN DEL LIQUIDO en sólidos homogéneos continuos. Sólidos monofásicos con estructura coloidal o geliforme.
Expresión sugerida:
(W - We)/(Wc- We) = 8/2 { [1/(2n+1)] e - (2n+1) 2 D t (/2d)2] para n=0 a n=
D difusividad del liquido [m2/s]d espesor de la placa de secadoW humedad del producto al tiempo t [kg agua/kg ss] We humedad de equilibrio [kg agua/kg ss]
Se supone:
D = constante (normalmente varia con la humedad y la temperatura)Largos tiempos de secadoPlacas cuyo espesor es relativamente pequeño con respectos a las otras dimensiones
(W - We)/(Wc- We) = 8/2 [e -D t (/2d)2]
Para sólidos cortados en rodajas, desecación tiene lugar por una de las dos caras y los movimientos de agua estén controlados por difusión
Si el secado se produce desde ambas superficies “d” es igual a la mitad del
espesor de la placa de secado.
Diferenciando:
-(dW/dt)D = 2 D/(4d2) (W - We) [kg/s]
La ecuación aproximada es válida para valores de (W - We)/(Wc- We) < 0,6
Integrando para el período de velocidad decreciente se obtiene el tiempo de
secado en el periodo de velocidad decreciente:
tf = 4d2/(2 D) ln (Wc - We) / (W - We) [s]
PRINCIPALES INCONVENIENTES EN LA DESHIDRATACIÓN DE ALIMENTOS:
Complejidad de composición: sistemas complejos y heterogéneos de
proteínas, carbohidratos, grasas, sales inorgánicas; fuertemente hidratados, no
agua pura sino formando soluciones, geles y emulsiones aw, We, mecanismo de
secado.
Los tejidos vegetales y animales son de naturaleza celular: membranas
semipermeables. Resistencia al flujo de materia mecanismo de secado.
Movimiento de solutos
•El agua fluye a la superficie conteniendo material soluble: acumulación de
solutos en la superficie
• Existe migración hacia el interior de la pieza debido al gradiente de
concentración que se establece entre la superficie (seca) y el centro húmedo, lo
que provoca la difusión de solutos al interior.
Estos procesos se dan en alimentos, la prevalencia de uno de ellos depende del
proceso de secado y el tipo de alimento.
Generalmente: acumulación de solutos en la superficie al evaporarse el agua
cambios estructurales, s
Contracción del alimentos: es grande al principio del secado y continua hasta la
rigidización de la estructura (antes del final del secado).
• Altas velocidades iniciales de secado: la rigidización se logra antes por lo que
el volumen final es mayor. Al avanzar el secado se rompen los tejidos internos,
generando estructuras abiertas, provocando menor densidad de producto y
mayor rehidratabilidad.
• A bajas velocidades iniciales de secado: la retracción rinde un producto de
mayor densidad (menor volumen).
•La contracción genera gradientes de presión internos (transferencia de agua y
solutos)
Cambios s, d, área secado (afecta la velocidad de secado) , porosidad,
rehidratabilidad, textura final
Formación de corteza: la deshidratación de vegetales y carnes suele formar una
película impermeable y dura en la superficie, lo que frena el secado. Factores que
provocan la formación de corteza:
• Migración de sólidos solubles a la superficie
• Elevadas temperaturas que se alcanzan en la superficie al final del secado
que inducen cambios físicos y químicos
Cambios: reducción de la velocidad de secado, rehidratabilidad, textura final
Fuente: Rev. Fac. Agron. (LUZ). 2003, 20:
306-319
Velocidad del aire: 11 m/s, Carga de trabajo 0,5 kg
repartidas en cuatro bandejas de aluminio de de área
0,022 m2). El espesor del área de secado fue de 0,5 cm
Cambios de la humedad del sólido durante el proceso de
deshidratación en bandeja del brócoli a 60, 70 y 80°C
Humedad del sólido
Deshidratación en bandeja del brócoli
Secador de armario o bandeja
EQUIPOS DE SECADO POR AIRE
CALIENTE
Flujo transversal: 2-5 m/s. Flujo ascendente: 0,5-
1,25 m3/s
Capacidad 1-20 t/dia. Escala piloto.
Baratos, flexibles, bajo costo mantenimiento
Principalmente frutas y hortalizas
Calentadores de aire:
• Directo a gas natural
• Indirecto: serpentines (vapor, gas natural, fuel-oil
o resistencia eléctrica).
Producto se coloca en bandeja y carros
Ventilación forzada
Flujo horizontal entre bandejas (2,5-6,0 m/s)
Flujo ascendente (menos común)
Hasta 24 m + 2x2 m
Alta capacidad
Baratos, flexibles, bajo costo mantenimiento
Para frutas y hortalizas en forma semicontinua
Secador de túnel
Secador
contracorriente
Velocidad secado es relativamente baja en la parte inicial del túnel
Buenas condiciones en el final de túnel - aire seco y caliente - permiten
conseguir contenidos de humedad bajos
Existe riesgo de sobrecalentamiento
Generalmente más económico en el uso del calor que el concurrente
Secador concurrente
Elevada velocidad de evaporación inicial
Temperatura del aire relativamente altas con bajo riesgo de
sobrecalentamiento
Menor daño en el producto (aire mas frio a medida que avanza)
Pobres condiciones de desecación al final del túnel (aire frío y alta humedad)
OPCIÓN: Túnel concurrente + Túnel contracorriente
Aprovechamiento de altas velocidades iniciales de secado + condiciones
apropiadas al final (acabado mas rápido y menor humedad
Secador con salida de aire central
Ventilador arrastra aire caliente por ambos extremos
Aire parcialmente recirculado (expulsado)
Sección concurrente: temperaturas y velocidades altas
Sección contracorriente: aire fresco y seco, pero mas frio
Secadero de flujo transversal
Buen control, dispone de calentadores de aire entre las distintas fases
Humedad uniforme (frecuencia con que cambia la dirección del aire)
Mayor costo de funcionamiento y mantenimiento
Más complejos y mayor costo
Secador de cinta transportadora
Similar a túnel pero el producto es conducido sobre una cinta transportadora
Sistema de flujo de aire: el más común es el flujo a través en cual el aire atraviesa la
cinta transportadora y la capa de producto (levantamiento de producto).
También contracorriente y concurrente.
Partículas solidas que formen lecho poros (permitir paso aire)
Altas velocidades de desecación, alta transferencia de Q
Costosos (pre-secado)
Secador Atomizador
Tipo de alimentos: disoluciones y papillas
Nebulización (gotas 10-500 m) del producto, gran área
superficial por unidad de volumen
Contacto intimo con la corriente de aire caliente, tiempos
cortos de contacto (1-20 s)
Temperaturas de producto relativamente bajas
Bajo riesgo de sobrecalentamiento (si hay control del
tiempo de residencia)
El secado por rocío comprende tres procesos
unitarios fundamentales:
(1) la atomización del líquido,
(2) la mezcla de las gotitas y del gas, y
(3) el secado de las gotitas del líquido.
Es factible utilizar este proceso cuando el agua no puede evaporarse por medios
mecánicos, el producto es sensible a altas temperaturas o no puede ser expuesto mucho
tiempo a elevadas temperaturas, o se tratan de partículas ultra finas
Características del proceso:
Componentes principales:
Sistema de calentamiento y circulación de aire
Atomizador
Cámara de secado
Sistema de recuperación de producto
Secador Atomizador
Partes:
1. Quemador
2. Horno
3. Bomba dosificadora
4. Medidor de temperatura de entrada
5. Dispersor del flujo de aire
6. Atomizador
7. Cámara de secado
8. Medidor de temperatura de salida
9. Ciclón de recuperación de sólidos
10. Ventilador- exhaustor
Componentes Opcionales:
Lavador de gases efluentes
Aislamiento térmico
Automatización
Cámara de almacenaje
Homogeneizador
Concentrador al vacío
Colector de polvo
Transportador neumático
Enfriador del polvo
Puerta de explosión
La alimentación líquida es convertida en una cantidad enorme de pequeñas gotas (área
superficial específica se incrementa) (atomizador) las que son dispersadas en el aire (cámara). El
gas atomizante se expande adiabáticamente de la boquilla a la cámara de secado, (efecto Joule-
Thomson) y su temperatura disminuye. El sólido se aglomera en el centro de la partícula
Las gotas formadas viajan a través de la cámara para convertirse en materia seca. Durante esta
fase el solvente se evapora y el diámetro de la gota decrece. La evaporación del líquido «enfría» el
sólido y lo protege del choque térmico. Las condiciones favorecen el proceso a velocidad constante
(T apenas se eleva por arribade Tbh)
Recuperación del producto del aire
Fases del secado
Trayectoria de las partículas Humedad
Las condiciones favorecen el proceso a velocidad constante por lo que la
temperatura apenas se eleva por la Tbh
Presión ligeramente negativa en la cámara de secado por efecto del ventilador
extractor
SISTEMA DE CALENTAMIENTO:
• Serpentines (vapor, gas, fuel-oil, resistencia eléctrica)
• Calentamiento directo con gas natural
CIRCULACIÓN DE AIRE:
Ventiladores centrífugos
ubicados en la salida aire o/y
entrada
PRESIÓN LIGERAMENTE
NEGATIVA EN LA CAMARA DE
SECADO
Centrífugo
Alimentación por eje central (a baja presión)
Alta velocidad de giro (3500-50000 rpm)
Aceleración de líquido hasta velocidad lineal de la periferia
No sufren obturaciones ni ensanchamiento por sólidos
Productos viscosos a bajas presiones
Mayor desgaste
Distribución uniforme de tamaño de gotas
Posee alto costos de mantenimiento
Produce una gran cantidad de partículas finas (problema de
contaminación importante)
Dificultad con materiales de gran viscosidad
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La alimentación es introducida en el centro de la rueda para fluir a la
periferia, desintegrándose en gotas a medida que va circulando.
Tamaño deseado y uniforme de gota y buena distribución en el aire
caliente
ATOMIZADORES
Boquilla a presión
Alimentación a alta presión
Producto más grueso y libre de polvos que los
atomizadores rotatorios
Núcleo acanalado imparte movimiento de giro al líquido
(cono de nebulización hueco)
Diseño ranurado: obturaciones o ensanchamiento
orificio por sólidos
Alta flexibilidad en el tamaño de las partículas y
velolcidad de flujo (250 – 10000 PSI)
El fluido en rotación permite a la boquilla convertir la
energía potencial del líquido bajo presión en energía
cinética, formando una película fina y de alta velocidad
en la salida de la boquilla.
Esta película, inestable, sale de la boquilla y se
desintegra, formando primero filamentos y luego gotas
Boquilla de dos fluidos
Obturaciones/ensanchamiento orificio
Capacidad baja
Tamaño de gota variable
Atomiza líquidos altamente viscosos y produce finas
partículas
Mayor costo de operación debido a la utilización de
aire comprimido
Utilizada en laboratorio o en plantas a escala piloto
debido a su capacidad de trabajar en un amplio rango de
flujos y tamaños de gotas.
Posee 2 alimentaciones paralelas: líquido y aire comprimido.
Este diseño utiliza la energía de compresión del gas para
atomizar el líquido.
CÁMARA DE SECADO
Cámaras de secado con flujo en paraleloMás usadas
Flujo de aire rotatorio
e inclinado, esto se
logra por una entrada
tangencial o por aspas
inclinadas
el aire no crea rotación
por el uso de platos
perforados o aspas
rectas
Diseños: Recuperación de los productos en la base, o transporte de los productos con el aire de
salida (y recuperación posterior en otra unidad, como ciclón).
El tamaño óptimo de la cámara y su forma dependen del tamaño de la gota y del patrón de spray
producido por la boquilla de aspersión.
Es de especial importancia que las gotas no toquen las paredes de la cámara cuando todavía
están húmedas
Flujo de aire opuesto
que permite que las
partículas secas se
depositen en la base
de la cámara.
Aire debe prevenir
que las partículas
secas se asienten
cuando el flujo está
dirigido hacia arriba.
CÁMARA DE SECADO
Menos usado: contracorriente (riesgo
de daño térmico
Cámara de secado con flujo en contracorriente
(a) El flujo de aire tiene dos direcciones, mientras que el de producto es único.
(b) La alimentación tiene dos direcciones y el aire de secado una sola
Cámaras de secado con flujo mezclado
CÁMARA DE SECADO
SISTEMA DE RECUPERACIÓN DE PRODUCTO
Producto en el fondo de la
cámara:
• Rastrillos
• Tornillos sin fin
• Válvulas rotatorias
Producto arrastrado (purificación del aire):
• Separadores de ciclón seco
• Depuradores húmedos (corriente de
alimentación) para lavar y purificar aire, y
calentar alimentación
• Filtros de tela
• Precipitadores electrostáticos de polvo
• Combinación de los anteriores
Separadores de ciclón
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Ventajas
Amplio rango de aplicaciones (desde fármacos asépticos hasta polvos cerámicos)
Puede ser utilizado a cualquier capacidad (unos pocos kg/h hasta 100 tn/h)
La calidad de la partícula permanece constante a lo largo del proceso de secado
La operación es continua y puede ser adaptada a control automático
Existe una gran variedad de tipos de spray
Puede ser utilizada con productos resistentes al calor o sensibles
La alimentación puede estar en solución, mezcla, pasta, gel, suspensión o en forma fundida
La densidad del producto puede ser controlada (tamaño de gota)
El material no tiene contacto con las superficies metálicas hasta ser secado (menor corrosión)
Proceso de alto rendimiento, realizado en segundos
Permite usar altas temperaturas sin afectar las cualidades del producto
Requiere de pocos operarios
Homogeneidad de la producción
Desventajas:
Altos costos de instalación
Manejo del aire agotado (puede ser necesario tratar el aire utilizado)
Calor residual producido
USOS:
Lácteos: leche, suero, caseinatos.
Farmacéuticos: Vitaminas, enzimas, antibióticos.
Huevos: Huevo entero, yema, clara de huevo.
Subproductos del matadero: Sangre, extracto de carne, gelatina.
Extractos de carne y levaduras
Zumos de frutas y verduras
Cereales: Almidón, gluten, proteínas.
Plásticos: Melanina, resinas.
Otros: Fertilizantes, cerámica, café, detergentes, minerales, curtientes.
Microcápsulas de aceite de chía
Secador de lecho fluidizado
Contacto íntimo entre el sólido y el gas, altos coeficientes de transferencia de calor
Tipos de alimentos: arveja, zanahoria, cebolla, cubos de carne, harina, cacao, café,
sal, azúcar
Para aglomerar partículas secadas por atomización
Aire calefaccionado es forzado a través
de un lecho de sólidos que lo mantiene en
suspensión
La caída de presión en el gas que pasa
por el lecho debe equilibrar su peso, si el
flujo se aumenta, el lecho se expande y las
partículas no están en contacto estático
sino se han fluidizado
FLUIDIZACION
Proceso se logra por una corriente de gas desde
el fondo de un lecho de sólidos en partículas
A velocidades bajas de gases el lecho es estático
El lecho de partículas se está sobre una placa
distribuidora de gas (uniformidad)
La caída de presión a través del lecho aumenta
a medida que incrementa la velocidad del gas
Velocidad mínima de fluidización: flujo de
gas soporta el peso del lecho
P a través del lecho se mantiene casi contante,
incluso si la velocidad del gas incrementa
FLUIDIZACION aparición de burbujas
y canales
Expansión y distribución
uniforme de
Los factores más importantes a considerar en este proceso son:
TEMPERATURA: factor crítico, constante. Control para neutralizar perturbaciones del ambiente (cambios de
humedad y de temperatura) mediante una aislación o constitución adecuada del equipo
TAMAÑO DE PARTÍCULA: desde unas cuantas décimas de mm hasta ~ 4mm. Este factor se encuentra
relacionado con la densidad de partícula
VELOCIDAD DEL GAS: doble o triple de la mínima velocidad de fluidización.
TIEMPO DE SECADO: Para procesos continuos, de 1 a 2 minutos; para secadores discontinuos el tiempo es
mayor. Algunos productos requieren de 2 a 3 horas como el caso de productos farmacéuticos.
TIPO DE CICLO:
Ciclo Cerrado: solventes orgánicos que no pueden ser liberados al ambiente o se busca recuperarlos.
Ciclo Abierto: si la sustancia a liberar no requiere una manipulación especial o no se desea su recuperación.
Continuo / Discontinuo
Secador rotatorio Para materiales granulares de flujo libre que
pueden arrojarse sin temor de romperlos
Elevadores que se extienden desde las paredes del cilindro en la longitud total del
secador levantan el sólido y lo riegan en una cortina móvil a través del aire; así lo exponen
completamente a la acción secadora del gas.
Sólidos no pegajosos (adhesión a las paredes del secador
o tendería a apelotonarse)
Calor directo o indirecto
Flujo paralelo o a contracorriente
FASE DE VELOCIDAD CONSTANTE
La temperatura del sólido similar al punto de ebullición del agua a la
presión de trabajo
Superficie saturada de líquido, migración evaporación
FASE DE VELOCIDAD DECRECIENTE
VELmigración de agua VELevaporación de agua deshidratación
y aumento de temperatura superficial acercándose hasta la
temperatura de la superficie caliente.
A presión atmosférica supera los 100ºC, riesgo de alteraciones
(vacío)
SECADO POR CONDUCCIÓN
Qsensible + Qlatente se aportan por
conducción en contacto con una
superficie caliente
Tiene
lugar en
dos fases:
Ventajas:
Mayor rendimiento térmico
No se necesita de aire y en caso de alimentos oxidables se puede
eliminar
Principales inconvenientes:
Movimiento de solutos
Retracción, disminución de transferencia por mal contacto
Formación de costra
Excesiva elevación de temperatura (trabajar a presiones negativas)
Costos altos de instalación (productos sensibles al calor)
Suponiendo que el secado tienen lugar por una sola cara, que es despreciable el cambio
de volumen por contracción, la velocidad de secado global es:
dW/dt = (Wo - Wf) M /t = Kc A (w - e)
Wo humedad del producto inicial, Wf humedad del producto final [kg agua/kg ss]
M masa extracto seco [kg]
Kc coeficiente global de transferencia del calor [J/(m2.s.K)]
A área de superficie de secado [m2]
w temp de la superficie calentada, e temp de la superficie de evaporación [K]
EQUIPOS DE SECADO POR CONDUCCIÓN
Secador de armario
Secador de tambor
Secador a vacío de cinta
Para productos sensibles al calor se utilizan cámaras herméticas y se trabaja a presiones bajas
Cilindros metálicos huecos calentados internamente con
vapor o agua
Se aplica una película uniforme de alimento líquido (papilla o
dispersiones) sobre la superficie
Producto desprendido por cuchillas
Sopas, leches cereales desayuno
Alto costo de instalación
Productos sensibles al calor
(vacio)
Alto rendimiento
Altas velocidades de secado
Velocidad de secado depende
de velocidad de rotación,
temperatura del medio y grosor
de película
Tipos de secadores: esquemas
SECADO POR APLICACIÓN DE ENERGÍA PROVENIENTE DE
UNA FUENTE RADIANTE
Fuente radiante
- Secador de cinta con calentamiento IR bajo vacío
Combinada con convección y conducción (secador de armario)
Bajo rendimiento debido a pobre penetración
Absorción diferencial debido a la naturaleza heterogénea de los alimentos:
calentamiento/secado no uniforme
Sobrecalentamiento: control de las fuentes de alta temperatura
Sin problemas de contacto
Rápida respuesta cambios de T
Trozos de pan, almidones, almendras, especias, mezclas en polvo
LIOFILIZACIÓN
1- Congelación: separación del agua en forma de hielo o mezclas eutécticas
2- Sublimación: eliminación del agua
3- Evaporación: el agua no congelable (elevando temperatura o secando en
otro equipo)
Ventajas
Producto ligero, poroso
Conserva forma del producto
Mínima retracción
Movimiento de solutos limitados
Calentamiento mínimo
Rápida reconstitución
Alta retención volátiles
Desventajas
Daños por congelación de estructura
celular (depende de velocidad congelación)
Producto frágil y quebradizo
Costo instalación alto
Costo funcionamiento alto
La sublimación produce un gradiente de
presión de vapor entre el entorno inmediato
del alimento y el frente de hielo del interior
del alimento
Velocidad de secado es afectada por :
Velocidad de transferencia de vapor de agua desde la superficie de hielo
hacia el entorno, a través de la capa porosa del solido seco
Velocidad de transmisión de calor hacia el frente de hielo
Velocidad de flujo del vapor a través del solido:
dW/dt = A b (pi – pD)/ l
dW/dt = velocidad de flujo másico del vapor a través de la capa seca
A superficie de secado [m2]
b permeabilidad de la capa seca
pi presión de vapor del hielo a la temperatura de trabajo
pD presión de vapor del agua en la superficie de la capa seca
l espesor de la capa seca [m]
Para conseguir la máxima velocidad de secado, la temperatura del hielo
debe ser la más alta posible, por lo que se debe aportar calor al frente de
sublimación (hielo) ya que este proceso (endotérmico) hace descender la
temperatura y por tanto la velocidad de secado
Ls A b (pi – pD) = KD A (D - i)l se anula por lo que la relación es independiente de la
extensión del secado
Ls calor latente de sublimación
dW/dt = A m (W0 – We) dl/dt
Si se supone: sólido plano se liofiliza por una cara, el contenido de agua de la capa seca es We
y que el frente de hielo retrocede formando un plano uniforme, se puede describir la velocidad
de secado como:
m densidad del solido seco
W0 contenido inicial de agua del solido
Combinando las dos ecuaciones e integrando entre los limites t=0, l=0, t=t y l=l:
En sistemas que el calor se aporta a través de la capa seca y que la desecación
solo tiene lugar a partir de la superficie calentada, la velocidad de aporte del
calor es:
(dQ/dt)c = KD A ( D - i ) / l
KD conductividad térmica de la capa seca
D temperatura de la superficie seca
i temperatura de la superficie del hielo
t = m (W0 – We) lt2 / {2b (pi – pD)} = Ls m (W0 – We) / {2KD A (D - i)}
El balance de energía combinando las ecuaciones
t l2 Muy importante
EQUIPOS DE SECADO POR LIOFILIZACIÓN
1- Cámara de vacío
2- Sistema de producción vacío
3- Sistema de calentamiento
4- Sistema de eliminación del vapor de agua
Presión de trabajo
1º) 1-5 torr (0,001-0,007 atm) / 10 min
2º) 1 torr
-Discontinuos: normalmente cilindros horizontales
- Unidades de múltiples cámaras x 2 sistemas de vacio
- 100-1500 kg / batch
-Unidades grandes poseen dos condensadores (trabajo alternado)
Continuos: antecámaras herméticas de carga y descarga en los
extremos del túnel cilíndrico, unidas con compuertas especiales para
romper vacio y admitir carga o descarga
Alimentos: comida para montañistas, para
las misiones espaciales, las raciones de
campaña de los ejército.
Productos liofilizados que son más
fácilmente aplicables a las formulaciones:
sopas instantáneas, gelatinas con pulpa,
compotas para niños, yogures con fruta, y
demás bebidas lácteas
+ AGUAAgitación
Bibliografia
J. C. Brenan – LAS OPERACIONES DE LA INGENIERÍA DE LOS ALIMENTOS – Ed.
Acribia – 1998
R. Earle – INGENIERÍA DE LOS ALIMENTOS – Ed. Acribia –1998
P. Singh , D.R. Heldman. 1997. Introduction to Food Engineering. 2nd Edition
