INSTITUTO POLITCNICO NACIONAL

Unidad Profesional Interdisciplinaria de Ingeniera

Campus Guanajuato

Ingeniera Farmacutica

Bioseparaciones Slido-Fluido

Tarea 2_Secadores

3er Departamental

Alumna: Jana Arriaga Moreno

Boleta: 2012660169

Grupo: 7FV1

Docente: Rosa Hernndez Soto

Clasificacin de los secadores

Los equipos de secado son muy variados. Los que se emplean en procesos biotecnolgicos

se pueden clasificar de acuerdo al mtodo de secado empleado:

Secadores adiabticos

Secadores no adiabticos

Dentro de los secadores adiabticos encontramos que los principales son: (Quinn, 1983)

- El secador por aspersin

- El secador instantneo

- El secado de lecho fluidizado

Los principales secadores no adiabticos utilizados en biotecnologa son: el tipo charola, el

de doble cono, el tambor rotatorio y el liofilizador. (De Vivo, 1983)

(a) Secador de lecho fluidizado

El Lecho fluidizado est diseado para secar los productos en tanto flotan en un capa de aire o de gas.

- Modo de operacin:

El aire del proceso se suministra al lecho a travs de una placa especial de distribuidor perforada y fluye a travs del lecho de slidos a una velocidad suficiente para soportar el peso de las partculas en estado fluidizado. Se forman burbujas y caen en el lecho fluidizado del material, promoviendo un intenso movimiento de partculas. En este estado, los slidos se comportan como un lquido en ebullicin que fluye libremente. Las temperaturas muy altas y los valores de transferencia de masa se obtienen como resultado del contacto ntimo con los slidos y el diferencial de velocidades entre cada una de las partculas y el gas fluidizante. (Belter, 1988)

- Principales caractersticas:

1. Para lograr una eficiencia trmica an mayor y en los casos en que se requiere inertizacin, los gases de escape se pueden reciclar.

2. Los tubos de contacto se pueden incorporar utilizando materiales no-cohesivos que se

pueden procesar a temperaturas que alcancen las del lquido dentro de los tubos. El

resultado es una reduccin considerable en el flujo de aire en comparacin con el lecho

fluidizado tpico estndar. (Quinn, 1983)

3. Durante el procesamiento, muchos de los materiales inician en o pasan por una fase

pegajosa, de ablandamiento o cohesiva. Las camas vibratorias son muy tiles para que el

material se mantenga en un estado fluidizado vivo durante esta fase de transicin. (Quinn,

1983)

4. El lecho fluidizado se puede usar para secar productos en muchas industrias incluyendo las de alimentos, productos qumicos, minerales y polmeros. La gama de materiales alimentados puede ser muy diversa como polvos, cristales, grnulos y esferas pequeas. (Quinn, 1983)

6. Esta tecnologa tambin se puede usar para aplicaciones de enfriamiento, en unidades individuales o combinadas con el secado en una sola cama zonificada.

- Ejemplo de aplicacin:

En la industria farmacutica se utilizan mucho este tipo de secadores para la microencapsulacin de principios activos. La microencapsulacin es una operacin que consiste en rodear a una base medicamentosa slida, lquida o gaseosa (ncleo) con una envoltura suficientemente resistente y estable, inmiscible aunque adherente con el ncleo, y que solamente se altera liberando su contenido en determinados medios. (Tecnologa Farmacutica, 2015).

Figura 1. Unidad de microencapsulacin en lecho fluido.

La cmara donde se desarrolla el proceso puede construirse

de metal, acero inoxidable, vidrio o plstico. En su parte

inferior, se encuentra una malla o tamiz inclinado, que recibe

la alimentacin del material a recubrir en la parte superior

encontrndose el dispositivo de salida en la parte inferior de

este plano inclinado. Por debajo de la malla se encuentra un

sistema que inyecta aire a una determinada presin. Tambin

en la parte inferior, se encuentran algunos dispositivos de

calefaccin, que permiten dar al aire la temperatura deseada.

El material de recubrimiento se inyecta en el interior de la

cmara y en una posicin inmediatamente debajo de la

regin de trabajo de la columna. Para efectuar el

recubrimiento, se introducen las partculas en la parte alta de

la malla que se encuentra dentro de la columna; all las toma

inmediatamente la corriente de aire que viene desde el fondo

y las levanta hasta la zona de trabajo, donde adquieren un

movimiento de turbulencia particularmente apropiado para

efectuar el recubrimiento. Se inyecta a continuacin la

solucin del material formador de pelcula finamente

atomizado, el cual se va depositando sobre las partculas y

construyendo sobre ellas la cubierta. Cuando las partculas

alcanzan un cierto grado de recubrimiento, sobrepasan el

peso que soporta la columna de aire y caen sobre la malla,

deslizndose en el plano inclinado hacia la zona de salida, de

donde pueden, despus retirarse.

(b) Secador por aspersin

- Modo de operacin

Constando de tres etapas bsicas, el secado por aspersin comienza con la atomizacin de una alimentacin de un lquido en un espray o finas gotas, el espray entra en contacto y es suspendido por una corriente de gas caliente, permitiendo la evaporacin del lquido y sacando el slido seco, en esencial con el mismo tamao y forma que las gotas atomizadas. Finalmente, de la corriente de gas, el polvo seco es separado y colectado. El gas de secado empleado es tratado para alcanzar los requerimientos ambientales y entonces ser emitido a la atmsfera o, en algunos casos, re circulado al sistema. (Quinn, 1983)

Los elementos de un secador de este tipo son: (GEA Process Engineering S.A de C.V, 2015)

Unidad de concentracin Atomizador Cmara de secado Sistema de manejo de aire Sistema de separacin Sistema de transporte y enfriamiento - Principales caractersticas

1. Se pueden emplear distintos tipos de atomizacin incluyendo centrfugo, boquilla neumtica y atomizacin snica. (GEA Process Engineering S.A de C.V, 2015)

2. La distribucin del tamao de partcula sobre el medio es casi constante para un mtodo dado de atomizacin. (GEA Process Engineering S.A de C.V, 2015)

3. Las gotas atomizadas que estn formadas a corta distancia del dispositivo de atomizacin tienen una velocidad y direccin iniciales establecidas por el atomizador (Figura 2). Es necesario para los gases calientes el mezclarse con la nube de gotitas, comenzar la evaporacin e influir en el movimiento de las gotas dentro del secador, de tal forma que puedan secarse suficientemente y no incrustarse al contacto con las paredes del secador. Esto se logra colocando el atomizador en, o adyacente a un dispersor de aire con diseo apropiado. (De Vivo, 1983)

Figura 2. Patrones de flujo en secado por atomizacin. Una configuracin co-corriente con atomizador de boquilla es conveniente para sustancias qumicas; un diseo con una boquilla de atomizacin contra corriente es ms conveniente para productos que requieren tratamiento trmico; una unidad de flujo mezclado con atomizador de boquilla es ideal para polvos toscos de productos estables al calor. (GEA Process Engineering S.A de C.V, 2015)

- Ejemplo de aplicacin:

El secado por aspersin es el mtodo ms econmico para producir caf soluble. (Figura 3) La alimentacin en la secadora por atomizacin es una mezcla de aroma concentrado y fracciones hidrolizadas, con los componentes preservados del aroma. Para maximizar la retencin del aroma, el secado del extracto tiene lugar bajo condiciones que aseguran bajas temperaturas de los polvos. (De Vivo, 1983)

Varios tipos de secadoras por aspersin pueden ser utilizados para el procesamiento de caf instantneo. El control de densidad de volumen y el color es posible por medio de mezcladoras de gas en lnea. El gas inerte es inyectado en el sistema de alimentacin justo antes que el atomizador de toberas es utilizado en el sistema de secado por atomizacin. (De Vivo, 1983)

En los casos en los que los polvos secados por atomizacin requieran de aglomeracin adicional, una etapa adicional de proceso es utilizada involucrando humidificacin de polvo, post-secado y enfriamiento. El control de la humidificacin es realizado con agua y/o vapor saturado en una cmara de aglomeracin equipada con un impactador rotatorio. Los aglomerados son entonces secados y enfriados en el lecho fluidizado adosado, seguido de un cernido y empaque. Los finos y fracciones de dimensiones excesivas se procesan nuevamente dentro de la planta de aglomeracin. (De Vivo, 1983)

Figura 3. Vista Inferior de un secador por aspersin FSD, que produce caf instantneo secado por atomizacin. (GEA Process Engineering S.A de C.V, 2015)

(c) Liofilizador

- Modo de operacin

La liofilizacin se lleva a cabo de la siguiente forma:

Congelacin del alimento: En el caso de slidos se utiliza una congelacin rpida dando

lugar a pequeos cristales que daan en menor grado su estructura, comparativamente.

Por el contrario, en los lquidos conviene que la congelacin sea lenta para que se forme

una red cristalina con sus canales que posibilitarn la salida del vapor de agua en la etapa

del secado. (Brocklebank, 1990)

Vaco: El vaco consiste en la disminucin de la presin del sistema por debajo de la

atmosfrica. Si la presin en el alimento se mantiene por debajo de esa presin y se

calienta el alimento, el hielo sublimar, es decir se convertir en vapor sin pasar por el

estado lquido. (Brocklebank, 1990)

La liofilizacin se lleva a cabo en dos pasos: En primer lugar se disminuye el contenido

de agua hasta un 15%, y a continuacin el contenido de agua se reduce hasta un 2%

aproximadamente por deshidratacin evaporativa manteniendo el alimento a presin

reducida y aumentando ms la temperatura. (Brocklebank, 1990)

Finalmente, el vapor se recupera en forma de hielo en otro recinto, para ser reutilizado en otra parte del proceso.

Para acelerar el proceso se utilizan ciclos de congelacin-sublimacin con los que se consigue eliminar prcticamente la totalidad del agua libre contenida en el producto original.

Las etapas de la liofilizacin fundamentalmente son dos:

Secado primario. Aproximadamente el 90% del total de agua en la muestra (bsicamente toda el agua libre y un poco de agua determinada) se elimina por sublimacin.

Secado secundario. El Agua ligada se elimina por desorcin, dando como resultado un

producto que tiene el agua menos del 1% de agua residual. Este paso requiere de 1/3 a

1/2 del tiempo necesario para el secado de primaria. (Brocklebank, 1990)

Para efectos del trabajo prctico de la Liofilizacin en materiales alimentarios lquidos, hay dos tipos de materiales: soluciones y suspensiones.

Las soluciones suelen tener el agua como disolvente. Los Solutos tienden a formar eutcticos, una combinacin de solutos que se congelan a una temperatura ms baja que el agua u otros solutos. Toda el material debe ser congelado, incluyendo los eutcticos, antes de que la muestra est lista para el secado, de lo contrario, el material no congelado se expande y se derrite cuando es sometido al vaco. La temperatura de congelacin de materiales eutcticos que se conoce como la temperatura eutctica.

Suspensiones, las cuales forman un material vtreo en la medida que estn ms viscosas durante la congelacin. Aqu no se forman Eutcticos. En el punto de transicin vtrea de la suspensin se forma un slido vtreo. Cada suspensin tiene una temperatura de transformacin nica. Las suspensiones son muy difciles de congelar en seco. (Universidad Nacional Abierta y a Distancia. 2015)

Factores que afectan la eficiencia de la liofilizacin (GEA Process Engineering S.A de C.V, 2015)

1. Tamao de la muestra

2. Superficie de la muestra

3. Espesor de la muestra

4. Caractersticas de la muestra

5. Temperatura eutctica

6. Concentracin de solutos

7. Temperatura del condensador

8. Vaco

La temperatura eutctica es el factor ms importante para determinar la cantidad de

muestra puede ser liofilizada a la vez. Presin de vapor disminuye a medida que disminuye

la temperatura eutctica, pero la tasa de absorcin de calor por la muestra sigue siendo la

misma y puede causar la fusin. Diluyendo la muestra con agua antes de la congelacin

puede evitar la fusin. (Brocklebank, 1990)

La Presin de vapor depende de la temperatura eutctica y la concentracin de solutos. La presin de vapor de agua disminuye a medida que la concentracin de la muestra se incrementa, lo que se disminuye la tasa de sublimacin. En productos alimenticios voltiles al aumentar la presin de vapor en su superficie, requieren menos calor para la sublimacin, lo que aumenta la tendencia a derretirse. Estos materiales pueden necesitar ser diluidos con agua antes de la congelacin. (Universidad Nacional Abierta y a Distancia. 2015)

En general, cuanto mayor sea la superficie del material congelado, mayor ser la velocidad de liofilizacin y, por el contrario, el grueso del material congelado, ms lenta es la velocidad de liofilizacin.

El espesor de la muestra afecta a la capacidad de una muestra de absorber y de transferencia de calor a la superficie sometida a la sublimacin. Debido a que el vapor de agua debe pasar a travs de material seco, la tasa de liofilizacin es ms lenta, especialmente si el material seco cae sobre la superficie del material congelado. (Universidad Nacional Abierta y a Distancia. 2015)

- Principales caractersticas

Un Liofilizador se encuentra integrado por cinco grupos bsicos (figura 4). 1) Cmara de secado 2) Condensador 3) Sistema frigorfico 4) Sistema de vaco 5) Panel de comando e instrumentacin

Figura 4. Liofilizador

La contaminacin del liofilizador

Los principales contaminantes en un liofilizador son microorganismos y sustancias qumicas nocivas.

Los Microorganismos contaminan cualquier alimento secado por congelacin; la

contaminacin cruzada es ms probable en el mtodo por lotes; El condensador es la

parte ms contaminada y debe ser descontaminado peridicamente. (Brocklebank, 1990)

Los productos qumicos corrosivos y disolventes orgnicos pueden daar los liofilizadores. Los disolventes orgnicos no son eliminados por el condensador y pasan a la bomba de vaco donde se mezclan con el aceite de la bomba, adelgazando del aceite y daando la bomba si el aceite no se cambia peridicamente. Los productos qumicos corrosivos pueden daar todas las partes de un liofilizador.

Caractersticas del producto terminado

Productos liofilizados con un contenido

materiales sensibles al calor, tales como protenas, aminocidos, y otros componentes nutricionales de gran utilidad en la industria alimentaria. (GEA Process Engineering S.A de C.V, 2015)

(d) Secador de tambor rotatorio

- Principales caractersticas

1. El uso de este equipo constituye uno de los procesos ms utilizados para el secado de

una amplia gama de materiales a nivel industrial, esto porque es un mtodo rpido y de

bajo costo unitario cuando se trata de grandes cantidades de material. (Treybal, 2001)

2. En el secador rotatorio, el flujo de aire puede ser tanto en paralelo como a

contracorriente, el material hmedo esta en continuo movimiento gracias a la rotacin del

secador, dejndolo caer a travs de una corriente de aire caliente que circula a lo largo del

tambor del secador. (Treybal, 2001)

3. Estos equipos son muy adecuados para el secado de productos granulares, la accin de

volcado es beneficiosa, ya que se forma una cortina de arena expuesta perpendicular en

contacto directo con el aire caliente, con lo cual se facilita la salida de la humedad desde

el interior de las partculas. (Treybal, 2001)

4. Este tipo de secadores se pueden disear para tiempos de secado desde unos pocos

cientos de kilogramos por hora hasta alcanzar las 200 t/h. (Treybal, 2001)

- Modo de empleo

Un tambor metlico giratorio, calentado internamente con vapor se sumerge en un

tanque que contiene la sustancia por seca; una pelcula delgada de la sustancia se retiene

sobre la superficie del tambor. El espesor de la pelcula se regula mediante un cuchillo

repartidor, al ir girando el tambor, la humedad se evapora en el aire que lo rodea

mediante el calor transferido a travs del metal del tambor. El material seco se desprende

continuamente de la superficie el tambor mediante un cuchillo. Para un secador de este

tipo el factor que controla al proceso de secado es la transferencia de calor. El lquido o

solucin se caliente inicialmente hasta su punto de ebullicin; entonces se desprende la

humedad por ebullicin a temperatura constante. Con frecuencia, los vapores se recogen

en una campana con ventilacin construida directamente sobre el secador (Treybal, 2001)

- Ejemplo de aplicacin:

En la industria qumica su mayor uso es el secado de sales fertilizantes, como el sulfato

nitrato y fosfato de amonio, sales potsicas y fertilizantes, Arenas, cemento, azcar etc.

Los materiales fluidos y semifluidos, como soluciones, lodos, pastas y suspensiones como

leche, sopas, alimentos infantiles, purs de papa, entre otros, pueden secarse en estos

equipos.

Referencias

Belter, P.A., Cussler, E.L. y Hu, W. 1988. Bioseparatios: Downstream Processing for

Biotechnology, Jonh Wiley and Sons. New York, 11, 307-333.

Brocklebank, M.P.1990. Downstream processing plant and equipment. En:

Separation Process in Biotechnology, Asenjo, J.A. (Ed). Marcel Dekker. New York.

19, 617-740

De Vivo, J.1983.Nonadiabatic drying. En: Fermentation and Biochemical

Engineering Handbook. Principles, Process Design, and Equipment. Vogel, H.C.

(Ed.) Noyes Publications. New Jersey. 11,317-330.

Quinn, J.J. 1983. Adiabatic drying. En: Fermentation and Biochemical Engineering

Handbok. Principles, Process Design, adn Equipment. Vogel, H.C. (Ed.) Noyes

Publications. Newy Jersey. 12,331-362Treybal, R.E.1980.Operaciones de

Transferencia de Masa. Mc Graw Hill. 2Ed. Mxico. 12, 723-791

Universidad Nacional Abierta y a Distancia. 2015. Recuperado de:

http://datateca.unad.edu.co/contenidos/211618/EXELARNING/leccion_41_liofiliza

dores.html el 15/05/20145.

Tecnologa farmacutica. 2015. Recuperado de: http://www.fcn.un.

edu.ar/sitio/tecnofarma/wpcontent/uploads/2010/06/Microencapsulacin.pdf el

15/05/2015.

GEA Process Engineering S.A de C.V. Recuperado de: http://www.gea-

niro.com.mx/lo-quesuministros/conceptos_basicos_secado_aspersion.asp el

15/05/2014.