Clase de Secado
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Por qu un alimento, como la harina, sale del proceso de
produccin con un 14-15 % de humedad y durante su distribucin y
almacenamiento este valor disminuye a 10-12 % con una humedad
ambiente promedio de 50-60 %?
Cmo se seca? Mecanismos
Qu pasa con el agua? Dnde se va?
A qu velocidad se seca bajo ciertas condiciones?
SECADO-DESHIDRATACIN
Humedad relativa? Absoluta?
-
La deshidratacin es una operacin en la que la mayor parte del
agua presente en un alimento es eliminada por evaporacin
o sublimacin bajo condiciones controladas
El aire que nos rodea es "aire hmedo", contiene vapor
de agua
Propiedades de las mezclas aire-vapor
SECADO-DESHIDRATACIN
Propiedades:
- del aire seco,
- del vapor de agua,
- y de la mezcla: el aire hmedo.
-
Ciencia que se ocupa de las propiedades termodinmicas del aire
hmedo, y el efecto de la humedad atmosfrica sobre los materiales y el
confort humano
Psicrometra
Qu es la humedad relativa? Absoluta?
Cmo se produce la condensacin de la humedad en un serpentn
de enfriamiento?
Por qu "suda" un ducto de aire fro?
Las respuestas tienen que ver con el conocimiento de las propiedades
de la mezcla de aire y vapor de agua (humedad)
Las tablas psicromtricas (mayor precisin) y carta psicromtricas
(menos precisa pero ms rpida)
-
Para el secado de alimentos es de particular inters estudiar las propiedades de
la mezcla aire-vapor de agua.
Utilidad
Anlisis y diseo de sistemas de almacenamiento y procesamiento de alimentos.
Diseo de sistemas de aire acondicionado (conservacin de alimentos frescos, secadores de granos, torres de enfriamiento en plantas procesadoras
Aire seco =====> no contiene vapor de agua.
Aire hmedo ==> aire seco + vapor de agua
La humedad est "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.
Psicrometra
-
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; as que, para el propsito
prctico, 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 suspensin y en solucin.
El aire tiene baja conductividad trmica.
El aire tiene peso, densidad, temperatura, calor especfico, y cuando est 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 presin permanece
constante. Inversamente, si se enfra el aire seco, aumenta su densidad. Las temperaturas,
densidades, volmenes y presiones, todas varan proporcionalmente.
-
Propiedades del aire seco
Volumen especfico 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 especfico del aire seco (Cpas)
A 1 atm (101,325 kPa) es f(T) entre -40C y 60C vara desde 0,997 hasta 1,022 kJ/kg.K
Valor medio: Cpas =1,005 kJ/kg.K
Entalpa del aire seco (Has)
H o contenido energtico del as es un trmino relativo
que necesita de un punto de referencia.
En clculos psicromtricos: presin atmosfrica y 0C
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 termmetro en
una condicin seca. Es la temperatura medida por termmetros ordinarios en casa.
Su variacin expresa una medida de la cantidad de energa 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 presin definida encima del agua, determinada por la temperatura del
agua, independientemente de si el agua est o no en ebullicin 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 presin del vapor de agua
ser la misma, ya que sta depende totalmente de la temperatura del agua
Presin de vapor: Es la presin ejercida por las
molculas de un componente que est en el estado
vapor y que se encuentran en equilibrio dinmico con
las molculas del mismo componente que est en
estado lquido.
pv de un compuesto es funcin de la temperatura
pw
Temperatura (C)
La humedad est "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 presin parcial y
temperatura (muy lejos de su temperatura de saturacin).
Bajo ciertas condiciones, el aire puede contener gotas de agua en suspensin (niebla)
PM: 18,01534
Volumen especfico 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)
Entalpa del vapor de agua (Hw)
Calor especfico del vapor de agua (Cpw)
El Cpw saturadp o sobrecalentado no vara apreciablemente entre -71C y 124CCpw = 1,88 kJ/kg.K
Hw: (kJ/kg)
Ta: temp ambiente(C)T0: temp de referencia (C)Calor latente de vaporizacin del vapor:
2501,4 kJ/kg
-
Presin atmosfrica: presin del aire + presin del vapor de agua que ste contiene (Ley de Dalton)
agua
15C
Sistema en equilibrio
Pt= 101.325 kPa
Pv= 1.70 kPa
Presin del aire seco= 99.625 kPa
Aire seco saturado con humedad. Incorrecto,
porque el aire en s permanece seco, solamente
est mezclado con el vapor de agua saturado,
pero es un trmino usado
agua
21C
Aplicamos calor
Algo del agua se evaporara
>peso de vapor y Pv
Vol especfico aire
El aire gan 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 enfra 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 condicin
de saturacin a 15 C (nuevas caractersticas de presin, volumen,
densidad y otras)El aire disminuir su volumen, y algo de aire
exterior entrar
15C
Aire
saturado
21C
El aire se expande (cuarto no sellado y algo de aire se escapa)
>Vol especfico aire
El vapor se sobrecalienta (no hay fuente de agua) y su presin
(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 precisin a presiones < 3 atm
Las mezclas aire-vapor de agua en la atmosfera siguen la ley Gibbs-Dalton
pB: presin total o baromtrica del aire hmedo
pas: presin parcial del as (Pa
pw: presin parcial del va (Pa)
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Contenido de humedad
Humedad Relativa
La humedad relativa (Hr), expresa la cantidad de humedad en una muestra de
aire, en comparacin con la cantidad de humedad que el aire tendra, 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: fraccin molar del as
pw: presin de vapor de agua (Pa)
pws: presin de saturacin del vapor de
agua (Pa)
xw: fraccin molar del vapor de agua
xws: fraccin molar de saturacin del vapor
de agua
Medida relativa que proporciona informacin de la cantidad de agua presente
en el aire en relacin con la mxima cantidad que pueda existir en el aire
saturado a esa temperatura (de bulbo seco)
-
Temperatura o punto de roco
El aire se encontrar saturado cuando su temperatura sea la de saturacin
correspondiente a la P parcial ejercida por el vapor de agua
El punto de roco se define como:
la temperatura debajo de la cual el
vapor de agua en el aire comienza
a condensarse.
Tambin es el punto de 100% de humedad relativa.
Temperaturas entre los -40 y -70 C
Motores: expulsan casi 10 kg /s de vapor de agua
Los gases liberados ~600C y se enfrian muy rpido.
Si imperan la temperatura y humedad necesarias, ste vapor
cae por debajo del punto de roco y se condensa.
-
Calor especifico aire hmedo o calor hmedo 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 presin constante)
Cpw = 1,88 kJ/kg.K
Cpas =1,005 kJ/kg.K
W: humedad (kg agua /kg as)
Volumen especifico del gas hmedo o volumen hmedo (Vm )
Es el volumen especfico ocupado por 1 kg de aire seco ms el del vapor presente [m3/kg aire seco]. Se obtiene a partir de la ecuacin del estado gaseoso ideal, en donde P es la presin, V el volumen R es una constante y T la temperatura y M la masa del gas
-
En el caso de los gases hmedos la entalpa especifica es la suma del calor
sensible de una masa de gas, y el calor latente de vaporizacin a la
temperatura a la que se refieren las entalpas.
Entalpa especfica o hmeda (Hs )
L: es el calor latente de vaporizacin del
agua a T0
W: humedad (kg agua /kg as)
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Temperatura de saturacin adiabtica del aire
Si una corriente de aire se mezcla perfectamente con una cantidad de agua a la temperatura
Ts(Ta2) en un sistema adiabtico, la temperatura del aire descender y su humedad aumentar.
La evaporacin del agua en el aire produce su saturacin.
El calor latente de evaporacin es suministrado por el calor sensible transferido desde el aire.
Si Ts es tal que el aire que sale del sistema est en equilibrio (saturado) con el agua, Ts es la
temperatura de saturacin adiabtica y la lnea que relaciona la temperatura con la humedad
del aire es la lnea de saturacin adiabtica
Ta1: Temp aire entrada
Ta2: temp aire salida (temp de saturacin, Ts)
L: es el calor latente de vaporizacin del agua a Ta2W1: humedad aire entrada
W2: humedad aire salida (saturacin)
-
Temperatura de estado estacionario (equilibrio dinmico) de una superficie de agua que se
est evaporando en condiciones adiabticas 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
pao hmedo 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 pao es igual
al calor latente de evaporacin necesario para evaporar la humedad del pao.
La T de equilibrio, es la temperatura de bulbo hmedo.
Termmetro de Bulbo Hmedo, Tbh
-
Si el aire estuviese saturado con humedad (100% Hr), la lectura de la
temperatura en el termmetro de bulbo hmedo, sera la misma que la del
termmetro de bulbo seco.
Mientras ms seco est el aire, ms rpida ser la evaporacin de la
humedad de la mecha y menor ser la Tbh
Termmetro de Bulbo Hmedo, Tbh
Solamente en el sistema de vapor de agua aire, la temperatura de bulbo
hmedo coincide con la temperatura de saturacin adiabtica.
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El diagrama psicromtrico es la representacin grfica de las ecuaciones analticas
descritas para las mezclas aire-vapor de agua.
Diagrama psicromtrico Las propiedades de las mezclas aire-vapor de
agua estn interrelacionadas y pueden ser
calculadas por ecuaciones matemticas.
-
Determinacin de propiedades de una mezcla aire-vapor de agua, en un
diagrama psicromtrico.
-
Utilizacin del diagrama psicromtrico para el anlisis de
procesos de acondicionamiento del aire
Calentamiento enfriamiento simple
CALENTAMIENTO (W = cte)
Propio de sistemas de calefaccin residenciales (estufa, resistencia elctrica) Lnea de W = cte en la direccin de aumento de Tbs y disminucin de la Hr
ENFRIAMIENTO (W = cte)
Lnea de W = cte, en la direccin de disminucin 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 deshumidificacin
Si la seccin de enfriamiento es suficientemente largo el aire sale saturado.
El enfriamiento adicional del aire provocar la condensacin de parte la humedad
El aire permanece saturado durante todo el proceso de condensacin, sigue la
lnea de saturacin hasta el estado final
Necesario si la humedad relativa
alcanza niveles extremadamente
altos durante el enfriamiento a W =
cte
El aire caliente y hmedo entra en la
seccin de enfriamiento, su T
disminuye y su humedad relativa
aumenta a W = cte
-
Pasando aire por pulverizadores de agua en una cmara trmicamente aislada
Se realiza a Tbh cte H cte
Enfriamiento y humidificacin
El aire se atura adiabticamente
-
Secado
Cuando se hace pasar aire
caliente a travs de un lecho de
alimentos hmedos
El proceso puede describirse en el
diagrama como un proceso de
saturacin adiabtica
El calor de vaporacin necesario para secar el alimento proviene solamente del
aire seco (sin transmisin de calor desde y hacia el exterior).
Conforme el agua pasa a travs del slido parte del calor sensible del aire es
convertido en calor latente y en consecuencia ms agua pasa al aire.
Tbs disminuye, H cte Tbh cte
-
Encuentre las propiedades de un aire hmedo cuando la temperatura
de bulbo seco es de 27 C y la de bulbo hmedo de 19 C. Determinar
humedad absoluta y relativa, entalpa, Volumen especfico y punto de
roco.
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 lnea de entalpa constante
(temperatura de bulbo hmedo constante)
hasta saturacin (B).
EJEMPLO 2
-
En un secador continuo se insufla aire a 60 C con un 8 % de humedad
relativa y lo abandona a 35 C. 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 DESHIDRATACIN es un mtodo de
estabilizacin de alimentos que se basa en
la reduccin 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, solucin o emulsin).
Puede encontrarse en los medios intracelulares o como un componente extracelular (vegetales, productos de origen animal). Es necesaria para la
integridad de las clulas. Determinan su textura y sus propiedades
reolgicas.
Actor principal en reacciones: hidratacin, deshidratacin, hidrlisis, descomposicin
Facilita el deterioro de los alimentos (microorganismos, enzimas, reacciones qumicas)
AGUA - ALIMENTOS
-
El agua en los alimentos existe en diferentes estados energticos,
con distintas propiedades fsico-qumicas
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 est uniformemente distribuida
debido a los complejos hidratados que se establecen con protenas, hidratos de
carbono. Pero tambin zonas microscpicas con alta acumulacin de lpidos.
HETEROGENEIDAD
Agua ligada no congela en las condiciones normales de
congelamiento a -20 C (ATD, RMN)
Agua libre es la que se volatiliza fcilmente, 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: Presin vapor de agua del alimento
pw: Presin vapor de agua pura
Mezcla aire-vapor agua:
Si la HR = aw slido y atmsfera estn EQUIILIBRIO
A la misma
temperatura
pv
La disponibilidad de agua en un alimento se relaciona con ACTIVIDAD DE AGUA
-
Fenmeno de
histresis
aW
Hu
med
ad
de e
qu
ilib
rio
del
s
lid
o (
bs)
A: molculas fuertemente ligadas al slido (enlaces H, in-dipolo). Agua constitucional, no
disolvente, no congela a -40C, no contribuye actividad microbiologica o qumica. Valor monocapa. aw:0-0,35 - Humedad: 0,05-0,11 kg/kg ss
Difcil de eliminar por secado (alta energa) no recomendable
La relacin 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 SORCIN
Daos trmicos que alteran los
grupos polares (hidroxilos,
aminas, carbonilos,)
Prcticamente la isoterma de adsorcin de un producto representa la cintica 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
lid
o (
bs)
C: Agua libre o atrapada. Disminucin Pv por razones estructurales (atrapada en
macro- capilares) y por efectos de disolucin (contiene solutos de bajo PM). Fcil
de congelar. Agua libre: Pv prxima a la del agua pura, disponible para reacciones
y como solvente (Agua < 1 kg/kg ss). Representa 95% del agua
ISOTERMAS DE SORCIN
B-C: agua ligada menos fuertemente. Distincin dudosa. la disminucin de Pv se
debe a enlaces dbiles, fuerzas capilares en la estructura del slido y presencia
de SS en disolucin.
B: regin multicapas, agua localizada en capas estructuradas y en microcapilares.
La mayor parte no congela a 40C, 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 mxima en los lmites entre zona A y B
(0.2-0.3). Oxidacin de lpidos es la excepcin
El conocimiento de caractersticas de sorcin facilita la prediccin de su vida til
Relacin 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 lmite inferior del gradiente para laeliminacin del agua del producto.
La humedad de equilibrio y la Aw determinan la estabilidad del productoalmacenado.
Mayores temperaturas implican menores humedades de equilibrio ymayores gradientes de humedad para el flujo de agua.
Es el contenido de humedad limitante en ciertas condiciones dehumedad y temperatura. Si el material se seca a un contenido de
humedad inferior al que posee en equilibrio con el aire atmosfrico, volver
a su valor de equilibrio al almacenarse, a menos que se tomen
precauciones especiales
Este valor es especialmente importante en la deshidratacin:
-
ISOTERMA DE ADSORCIN de un producto representa la cintica 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:
disear sistemas de almacenamiento, secado, rehidratacin (prediccin de
tiempos de secado y enega necesaria para estos procesos)
determinar la estabilidad de un gran nmero de alimentos, tales como
granos, frutas, hortalizas, crnicos, etctera.
Ejemplo.
Refleja el comportamiento de la leche deshidratada almacenada en
atmsferas hmedas; de manera semejante, la isoterma de desorcin
equivale al proceso de deshidratacin.
-
Modelos matemticos para aproximar las isotermas experimentales
M = contenido de humedad en equilibrio en base seca (g agua/g slidos secos).
Xm = humedad de la monocapa seca (g agua/g slidos secos).
C, K, A y B = constantes.
aw = actividad de agua.
aw < 0,9
-
Alimento Agua % aw Grado de proteccin requerida
Carne fresca 70 0.99Envasar para prevenir prdida de humedad
Pan 40 0.96
Queso 55 0.95
Arroz 15-17 0.80
Envasado mnimo
Harina de trigo 14.5 0.72
Pasas 27 0.60
Macarrn 10 0.45
Avena 10 0.65
Nuez 18 0.65
Caramelos duros 3.0 0.30
Envasar para prevenir hidratacin
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-DESHIDRATACIN
Secado Concentracin
Prolongar Vida til (reduccin de Aw)
Reduccin costo (packaging, transporte y almacenamiento)
Conservacin de atributos sensoriales
Conservacin de valor nutricional
Objetivos
Trmico: cuando el medio es gas o vaco
Osmtico: cuando una solucin o solvente sirve para remover agua
Mecnico: fuerza o presin (centrifugacin, filtracin-separacin por membranas)
Clasificacin
La deshidratacin es una operacin en la que la mayor parte del agua presente en
un alimento es eliminada por evaporacin o sublimacin bajo condiciones
controladas
-
Secado con aire caliente (conveccin)
Secado por contacto directo con una superficie caliente (conduccin)
Secado mediante el aporte de energa por una fuente radiante, por
microondas o dielctrica.
Liofilizacin
Principales mtodos de secado utilizados en la industria de
alimentos
-
Mecanismo de secado: incluye dos procesos
fundamentalesy simultneos
TRANSMISIN DE CALOR EN EL INTERIOR DEL ALIMENTO T con el exterior:
calentamiento del slido (calor sensible)
evaporacin del lquido (calor latente vaporizacin)
TRANSMISIN DE MASA (agua y vapor):
Movimiento de lquido dentro del slido impulsado por un gradiente de concentracin
Movimiento de vapor dentro del slido impulsado por un gradiente de Pv
Transporte de vapor desde la superficie del slido al aire (Pv)
La velocidad de secado ser proporcional
al mas lento de los procesos mencionados
-
Mecanismos internos mas importantes de transporte del agua
DIFUSIN
DIFUSIN de vapor. El gradiente de temperatura crea un gradiente de
presin de vapor que impulsa la vaporizacin y la difusin de vapor.
DIFUSIN de lquidos. Impulsado por gradientes de concentracin.
En slidos monofsicos con estructura coloidal y geliforme (gelatinas, pastas,
jabones, gomas)
FLUJO CAPILAR. La humedad contenida en intersticios de los slidos se
desplaza por gravedad y capilaridad cuando existen pasadizos para un flujocontinuo.
En slidos porosos (textiles, papel pieles), y polvos finos y slidos granulados
(pigmentos, arcillas, leche en polvo).
En muchos casos ambos mecanismos participan en una misma operacin de
secado, en las primeras fases, el agua se desplaza por capilaridad y, cuando
el contenido de agua es bajo, por difusin
Otros mecanismos menos importantes: flujo provocado por gradiente de
contraccin y presin, flujo producido por gravedad y flujo generado por una
secuencia de vaporizacin y condensacin
-
SECADO POR AIRE
CONVECCIN
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 slido
La curva representa el caso general en que los slidos
mojados pierden humedad:
Evaporacin desde una superficie saturada de agua delslido
Evaporacin desde la superficie saturada que tiene unrea que decrece gradualmente
Por ltimo, evaporacin del agua en el interior del slido
Considere: un slido 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 desecacin son constantes. Todo el calor se aporta por conveccin.
CURVAS DE SECADO: determinan experimentalmente
y representan el comportamiento del material durante el
secado. Son vlidas slo para las condiciones de
ensayo y a partir de ellas se puede determinar:
Tiempos de secado Tasa de evaporacin Perodos de secado
-
A-B: ESTABILIZACIN:
Las condiciones de la superficie del slido se
equilibran con la temperatura del aire. La
temperatura de la superficie del alimento
incrementa hasta alcanzar la temperatura de
bulbo hmedo 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 remocin
desde la superficie La superficie del alimento permanece saturada con agua.
Velocidad de secado controlada por la velocidad de transmisin del calor a la superficie
de evaporacin.
La temperatura de la superficie es constante e igual a la temperatura de bulbo hmedo (s).
Humedad crtica
(Wc)
-
Fuerza impulsora del movimiento de vapor a travs de la capa de aire
esttico (saturado en vapor de agua) es el gradiente de Pv entre la superficie
de desecacin y la corriente del aire de secado
Capa de aire
estancado
Aire de secadoDifusin de
vapor
Superficie del
alimento (saturada
con agua)
Mecanismo de secado
El secado se desarrolla por difusin de vapor desde la superficie saturada del slido,
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 slidos secos [Kg/Kg]
Kg coeficiente de transferencia de masa [kg/(s.m2.atm)]
A superficie de secado [m2]
ps presin de vapor del agua en la superficie (pv a la temperatura de
la superficie [atm]
pa presin 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 presin total, pv presin parcial de vapor de agua en el sistema
Ya que pv
-
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 conveccin [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 hmedo cuando
slo se transfiere calor por conveccin)
Puesto que todo el calor transferido hacia la superficie de secado es usado para
producir la evaporacin de agua desde la superficie:
(dW/dt)c L = - (dQ/dt ) L = Calor latente de evaporacin a s [J/kg]
Combinando: (dW/dt)c = - (hc A/L) (a - s)
En trminos 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
slidos secos en el alimento [m2/kg ss]
-
Para una bandeja de material de profundidad d [m], se asume que la evaporacin se produce desde su superficie superior y que no se produce contraccin del material durante el
secado. La velocidad de cambio en el contenido de humedad de los slidos 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 ecuacin 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 rea de la superficie de secado T o contenido de agua entre el
aire y la superficie de desecacin
Hc y Kg
El hc esta relacionado con la velocidad de flujo msico 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 msico del aire por unidad de rea
(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 = migracin evaporacin deshidratacin 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 crtica
(Wc)
Humedad de equilibrio (We)
Desecacin de la superficie saturada de agua
(disminucin del rea de evaporacin,
contraccin)
El plano de evaporacin de desplaza al
interior. Velocidad de secado depende de la
transmisin 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 perodo 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 est en equilibrio con el aire de secado con un
aire a a y Ha
La K est 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 expresin de velocidad de secado depende del mecanismo
interno de desplazamiento del agua:
FLUJO EN VIRTUD DE FUERZAS CAPILARES. En slidos
porosos, polvos finos y slidos granulados.
-
El tiempo de secado en el periodo de velocidad decreciente puede determinarse
integrando esta expresin 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 evaporacin se produce desde su superficie superior y que no se produce
contraccin del material durante el secado.
tf = s L d (Wc- We) / -hc ( a - s ) ] ln [(Wc- We)/ (W - We)]
-
DIFUSIN DEL LIQUIDO en slidos homogneos continuos. Slidos monofsicos con estructura coloidal o geliforme.
Expresin 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 pequeo con respectos a las otras dimensiones
(W - We)/(Wc- We) = 8/2 [e -D t (/2d)
2]
Para slidos cortados en rodajas, desecacin tiene lugar por una de las dos caras y los movimientos de agua estn controlados por difusin
-
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 ecuacin aproximada es vlida para valores de (W - We)/(Wc- We) < 0,6
Integrando para el perodo 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 DESHIDRATACIN DE ALIMENTOS:
Complejidad de composicin: sistemas complejos y heterogneos deprotenas, carbohidratos, grasas, sales inorgnicas; 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: membranassemipermeables. Resistencia al flujo de materia mecanismo de secado.
Movimiento de solutos
El agua fluye a la superficie conteniendo material soluble: acumulacin de solutos en la superficie
Existe migracin hacia el interior de la pieza debido al gradiente de concentracin que se establece entre la superficie (seca) y el centro hmedo, lo
que provoca la difusin 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: acumulacin de solutos en la superficie al evaporarse el agua
cambios estructurales, s
-
Contraccin del alimentos: es grande al principio del secado y continua hasta larigidizacin de la estructura (antes del final del secado).
Altas velocidades iniciales de secado: la rigidizacin 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 retraccin rinde un producto de mayor densidad (menor volumen).
La contraccin genera gradientes de presin internos (transferencia de agua y solutos)
Cambios s, d, rea secado (afecta la velocidad de secado) , porosidad,
rehidratabilidad, textura final
Formacin de corteza: la deshidratacin de vegetales y carnes suele formar unapelcula impermeable y dura en la superficie, lo que frena el secado. Factores que
provocan la formacin de corteza:
Migracin de slidos solubles a la superficie
Elevadas temperaturas que se alcanzan en la superficie al final del secado que inducen cambios fsicos y qumicos
Cambios: reduccin 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 rea
0,022 m2). El espesor del rea de secado fue de 0,5 cm
Cambios de la humedad del slido durante el proceso de
deshidratacin en bandeja del brcoli a 60, 70 y 80C
Humedad del slido
Deshidratacin en bandeja del brcoli
-
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-oilo resistencia elctrica).
-
Producto se coloca en bandeja y carros
Ventilacin forzada
Flujo horizontal entre bandejas (2,5-6,0 m/s)
Flujo ascendente (menos comn)
Hasta 24 m + 2x2 m
Alta capacidad
Baratos, flexibles, bajo costo mantenimiento
Para frutas y hortalizas en forma semicontinua
Secador de tnel
-
Secador
contracorriente
Velocidad secado es relativamente baja en la parte inicial del tnel
Buenas condiciones en el final de tnel - aire seco y caliente - permiten
conseguir contenidos de humedad bajos
Existe riesgo de sobrecalentamiento
Generalmente ms econmico en el uso del calor que el concurrente
-
Secador concurrente
Elevada velocidad de evaporacin inicial
Temperatura del aire relativamente altas con bajo riesgo de
sobrecalentamiento
Menor dao en el producto (aire mas frio a medida que avanza)
Pobres condiciones de desecacin al final del tnel (aire fro y alta humedad)
OPCIN: Tnel concurrente + Tnel contracorriente
Aprovechamiento de altas velocidades iniciales de secado + condiciones
apropiadas al final (acabado mas rpido y menor humedad
-
Secador con salida de aire central
Ventilador arrastra aire caliente por ambos extremos
Aire parcialmente recirculado (expulsado)
Seccin concurrente: temperaturas y velocidades altas
Seccin 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 direccin del aire)
Mayor costo de funcionamiento y mantenimiento
Ms complejos y mayor costo
-
Secador de cinta transportadora
Similar a tnel pero el producto es conducido sobre una cinta transportadora
Sistema de flujo de aire: el ms comn es el flujo a travs en cual el aire atraviesa la
cinta transportadora y la capa de producto (levantamiento de producto).
Tambin contracorriente y concurrente.
Partculas solidas que formen lecho poros (permitir paso aire)
Altas velocidades de desecacin, alta transferencia de Q
Costosos (pre-secado)
-
Secador Atomizador
Tipo de alimentos: disoluciones y papillas
Nebulizacin (gotas 10-500 m) del producto, gran rea
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 roco comprende tres procesos
unitarios fundamentales:
(1) la atomizacin del lquido,
(2) la mezcla de las gotitas y del gas, y
(3) el secado de las gotitas del lquido.
Es factible utilizar este proceso cuando el agua no puede evaporarse por medios
mecnicos, el producto es sensible a altas temperaturas o no puede ser expuesto mucho
tiempo a elevadas temperaturas, o se tratan de partculas ultra finas
Caractersticas del proceso:
-
Componentes principales:
Sistema de calentamiento y circulacin de aire
Atomizador
Cmara de secado
Sistema de recuperacin 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. Cmara de secado
8. Medidor de temperatura de salida
9. Cicln de recuperacin de slidos
10. Ventilador- exhaustor
Componentes Opcionales:
Lavador de gases efluentes
Aislamiento trmico
Automatizacin
Cmara de almacenaje
Homogeneizador
Concentrador al vaco
Colector de polvo
Transportador neumtico
Enfriador del polvo
Puerta de explosin
-
La alimentacin lquida es convertida en una cantidad enorme de pequeas gotas (reasuperficial especfica se incrementa) (atomizador) las que son dispersadas en el aire (cmara). El
gas atomizante se expande adiabticamente de la boquilla a la cmara de secado, (efecto Joule-
Thomson) y su temperatura disminuye. El slido se aglomera en el centro de la partcula
Las gotas formadas viajan a travs de la cmara para convertirse en materia seca. Durante estafase el solvente se evapora y el dimetro de la gota decrece. La evaporacin del lquido enfra el
slido y lo protege del choque trmico. Las condiciones favorecen el proceso a velocidad constante
(T apenas se eleva por arribade Tbh)
Recuperacin del producto del aire
Fases del secado
-
Trayectoria de las partculas Humedad
Las condiciones favorecen el proceso a velocidad constante por lo que la
temperatura apenas se eleva por la Tbh
Presin ligeramente negativa en la cmara de secado por efecto del ventilador
extractor
-
SISTEMA DE CALENTAMIENTO:
Serpentines (vapor, gas, fuel-oil, resistencia elctrica)
Calentamiento directo con gas natural
CIRCULACIN DE AIRE:
Ventiladores centrfugos
ubicados en la salida aire o/y
entrada
PRESIN LIGERAMENTE
NEGATIVA EN LA CAMARA DE
SECADO
-
Centrfugo
Alimentacin por eje central (a baja presin)
Alta velocidad de giro (3500-50000 rpm)
Aceleracin de lquido hasta velocidad lineal de la periferia
No sufren obturaciones ni ensanchamiento por slidos
Productos viscosos a bajas presiones
Mayor desgaste
Distribucin uniforme de tamao de gotas
Posee alto costos de mantenimiento
Produce una gran cantidad de partculas finas (problema de contaminacin importante)
Dificultad con materiales de gran viscosidad
www.bete.com
La alimentacin es introducida en el centro de la rueda para fluir a la
periferia, desintegrndose en gotas a medida que va circulando.
Tamao deseado y uniforme de gota y buena distribucin en el aire
caliente
ATOMIZADORES
-
Boquilla a presin
Alimentacin a alta presin
Producto ms grueso y libre de polvos que los atomizadores rotatorios
Ncleo acanalado imparte movimiento de giro al lquido (cono de nebulizacin hueco)
Diseo ranurado: obturaciones o ensanchamiento orificio por slidos
Alta flexibilidad en el tamao de las partculas y velolcidad de flujo (250 10000 PSI)
El fluido en rotacin permite a la boquilla convertir la
energa potencial del lquido bajo presin en energa
cintica, formando una pelcula fina y de alta velocidad
en la salida de la boquilla.
Esta pelcula, inestable, sale de la boquilla y se
desintegra, formando primero filamentos y luego gotas
-
Boquilla de dos fluidos
Obturaciones/ensanchamiento orificio
Capacidad baja
Tamao de gota variable
Atomiza lquidos altamente viscosos y produce finas partculas
Mayor costo de operacin debido a la utilizacin 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 tamaos de gotas.
Posee 2 alimentaciones paralelas: lquido y aire comprimido.
Este diseo utiliza la energa de compresin del gas para
atomizar el lquido.
-
CMARA DE SECADO
Cmaras de secado con flujo en paraleloMs usadas
Flujo de aire rotatorio
e inclinado, esto se
logra por una entrada
tangencial o por aspas
inclinadas
el aire no crea rotacin
por el uso de platos
perforados o aspas
rectas
Diseos: Recuperacin de los productos en la base, o transporte de los productos con el aire de
salida (y recuperacin posterior en otra unidad, como cicln).
El tamao ptimo de la cmara y su forma dependen del tamao de la gota y del patrn de spray
producido por la boquilla de aspersin.
Es de especial importancia que las gotas no toquen las paredes de la cmara cuando todava
estn hmedas
-
Flujo de aire opuesto
que permite que las
partculas secas se
depositen en la base
de la cmara.
Aire debe prevenir
que las partculas
secas se asienten
cuando el flujo est
dirigido hacia arriba.
CMARA DE SECADO
-
Menos usado: contracorriente (riesgo
de dao trmico
Cmara de secado con flujo en contracorriente
(a) El flujo de aire tiene dos direcciones, mientras que el de producto es nico.
(b) La alimentacin tiene dos direcciones y el aire de secado una sola
Cmaras de secado con flujo mezclado
CMARA DE SECADO
-
SISTEMA DE RECUPERACIN DE PRODUCTO
Producto en el fondo de la
cmara:
Rastrillos
Tornillos sin fin
Vlvulas rotatorias
Producto arrastrado (purificacin del aire):
Separadores de cicln seco
Depuradores hmedos (corriente de alimentacin) para lavar y purificar aire, y
calentar alimentacin
Filtros de tela
Precipitadores electrostticos de polvo
Combinacin de los anteriores
-
Separadores de cicln
http://www.youtube.com/watch?v=BicR3JGlE5M
-
Ventajas
Amplio rango de aplicaciones (desde frmacos aspticos hasta polvos cermicos)
Puede ser utilizado a cualquier capacidad (unos pocos kg/h hasta 100 tn/h)
La calidad de la partcula permanece constante a lo largo del proceso de secado
La operacin es continua y puede ser adaptada a control automtico
Existe una gran variedad de tipos de spray
Puede ser utilizada con productos resistentes al calor o sensibles
La alimentacin puede estar en solucin, mezcla, pasta, gel, suspensin o en forma fundida
La densidad del producto puede ser controlada (tamao de gota)
El material no tiene contacto con las superficies metlicas hasta ser secado (menor corrosin)
Proceso de alto rendimiento, realizado en segundos
Permite usar altas temperaturas sin afectar las cualidades del producto
Requiere de pocos operarios
Homogeneidad de la produccin
Desventajas:
Altos costos de instalacin
Manejo del aire agotado (puede ser necesario tratar el aire utilizado)
Calor residual producido
-
USOS:
Lcteos: leche, suero, caseinatos.
Farmacuticos: Vitaminas, enzimas, antibiticos.
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: Almidn, gluten, protenas.
Plsticos: Melanina, resinas.
Otros: Fertilizantes, cermica, caf, detergentes, minerales, curtientes.
-
Microcpsulas de aceite de cha
-
Secador de lecho fluidizado
Contacto ntimo entre el slido y el gas, altos coeficientes de transferencia de calor
Tipos de alimentos: arveja, zanahoria, cebolla, cubos de carne, harina, cacao, caf,sal, azcar
Para aglomerar partculas secadas por atomizacin
Aire calefaccionado es forzado a travsde un lecho de slidos que lo mantiene en
suspensin
La cada de presin en el gas que pasapor el lecho debe equilibrar su peso, si el
flujo se aumenta, el lecho se expande y las
partculas no estn en contacto esttico
sino se han fluidizado
-
FLUIDIZACION
Proceso se logra por una corriente de gas desde
el fondo de un lecho de slidos en partculas
A velocidades bajas de gases el lecho es esttico
El lecho de partculas se est sobre una placa
distribuidora de gas (uniformidad)
La cada de presin a travs del lecho aumenta
a medida que incrementa la velocidad del gas
Velocidad mnima de fluidizacin: flujo de
gas soporta el peso del lecho
P a travs del lecho se mantiene casi contante, incluso si la velocidad del gas incrementa
-
FLUIDIZACION aparicin de burbujas y canales
Expansin y distribucin
uniforme de
Los factores ms importantes a considerar en este proceso son:
TEMPERATURA: factor crtico, constante. Control para neutralizar perturbaciones del ambiente (cambios de
humedad y de temperatura) mediante una aislacin o constitucin adecuada del equipo
TAMAO DE PARTCULA: desde unas cuantas dcimas de mm hasta ~ 4mm. Este factor se encuentra
relacionado con la densidad de partcula
VELOCIDAD DEL GAS: doble o triple de la mnima velocidad de fluidizacin.
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 farmacuticos.
TIPO DE CICLO:
Ciclo Cerrado: solventes orgnicos que no pueden ser liberados al ambiente o se busca recuperarlos.
Ciclo Abierto: si la sustancia a liberar no requiere una manipulacin especial o no se desea su recuperacin.
-
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 slido y lo riegan en una cortina mvil a travs del aire; as lo exponen
completamente a la accin secadora del gas.
Slidos no pegajosos (adhesin a las paredes del secador
o tendera a apelotonarse)
-
Calor directo o indirecto
Flujo paralelo o a contracorriente
-
FASE DE VELOCIDAD CONSTANTE
La temperatura del slido similar al punto de ebullicin del agua a la
presin de trabajo
Superficie saturada de lquido, migracin evaporacin
FASE DE VELOCIDAD DECRECIENTE
VELmigracin de agua VELevaporacin de agua deshidratacin
y aumento de temperatura superficial acercndose hasta la
temperatura de la superficie caliente.
A presin atmosfrica supera los 100C, riesgo de alteraciones
(vaco)
SECADO POR CONDUCCIN
Qsensible + Qlatente se aportan por
conduccin en contacto con una
superficie caliente
Tiene
lugar en
dos fases:
-
Ventajas:
Mayor rendimiento trmico
No se necesita de aire y en caso de alimentos oxidables se puede eliminar
Principales inconvenientes:
Movimiento de solutos
Retraccin, disminucin de transferencia por mal contacto
Formacin de costra
Excesiva elevacin de temperatura (trabajar a presiones negativas)
Costos altos de instalacin (productos sensibles al calor)
Suponiendo que el secado tienen lugar por una sola cara, que es despreciable el cambio
de volumen por contraccin, 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 rea de superficie de secado [m2]
w temp de la superficie calentada, e temp de la superficie de evaporacin [K]
-
EQUIPOS DE SECADO POR CONDUCCIN
Secador de armario
Secador de tambor
Secador a vaco de cinta
Para productos sensibles al calor se utilizan cmaras hermticas y se trabaja a presiones bajas
Cilindros metlicos huecos calentados internamente con
vapor o agua
Se aplica una pelcula uniforme de alimento lquido (papilla o
dispersiones) sobre la superficie
Producto desprendido por cuchillas
Sopas, leches cereales desayuno
-
Alto costo de instalacin
Productos sensibles al calor (vacio)
Alto rendimiento
Altas velocidades de secado
Velocidad de secado depende de velocidad de rotacin,
temperatura del medio y grosor
de pelcula
Tipos de secadores: esquemas
-
SECADO POR APLICACIN DE ENERGA PROVENIENTE DE
UNA FUENTE RADIANTE
Fuente radiante
- Secador de cinta con calentamiento IR bajo vaco
Combinada con conveccin y conduccin (secador de armario)
Bajo rendimiento debido a pobre penetracin
Absorcin diferencial debido a la naturaleza heterognea de los alimentos: calentamiento/secado no uniforme
Sobrecalentamiento: control de las fuentes de alta temperatura
Sin problemas de contacto
Rpida respuesta cambios de T
Trozos de pan, almidones, almendras, especias, mezclas en polvo
-
LIOFILIZACIN
1- Congelacin: separacin del agua en forma de hielo o mezclas eutcticas
2- Sublimacin: eliminacin del agua
3- Evaporacin: el agua no congelable (elevando temperatura o secando en
otro equipo)
-
Ventajas
Producto ligero, poroso
Conserva forma del producto
Mnima retraccin
Movimiento de solutos limitados
Calentamiento mnimo
Rpida reconstitucin
Alta retencin voltiles
Desventajas
Daos por congelacin de estructura
celular (depende de velocidad congelacin)
Producto frgil y quebradizo
Costo instalacin alto
Costo funcionamiento alto
-
La sublimacin produce un gradiente de
presin 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 travs de la capa porosa del solido seco
Velocidad de transmisin de calor hacia el frente de hielo
-
Velocidad de flujo del vapor a travs del solido:
dW/dt = A b (pi pD)/ l
dW/dt = velocidad de flujo msico del vapor a travs de la capa seca
A superficie de secado [m2]
b permeabilidad de la capa seca
pi presin de vapor del hielo a la temperatura de trabajo
pD presin de vapor del agua en la superficie de la capa seca
l espesor de la capa seca [m]
Para conseguir la mxima velocidad de secado, la temperatura del hielo
debe ser la ms alta posible, por lo que se debe aportar calor al frente de
sublimacin (hielo) ya que este proceso (endotrmico) 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 relacin es independiente de la
extensin del secado
Ls calor latente de sublimacin
dW/dt = A m (W0 We) dl/dt
Si se supone: slido plano se liofiliza por una cara, el contenido de agua de la capa seca es Wey 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 travs de la capa seca y que la desecacin
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 trmica 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 energa combinando las ecuaciones
t l2 Muy importante
-
EQUIPOS DE SECADO POR LIOFILIZACIN
1- Cmara de vaco
2- Sistema de produccin vaco
3- Sistema de calentamiento
4- Sistema de eliminacin del vapor de agua
Presin de trabajo
1) 1-5 torr (0,001-0,007 atm) / 10 min
2) 1 torr
-
-Discontinuos: normalmente cilindros horizontales
- Unidades de mltiples cmaras x 2 sistemas de vacio
- 100-1500 kg / batch
-Unidades grandes poseen dos condensadores (trabajo alternado)
-
Continuos: antecmaras hermticas de carga y descarga en los
extremos del tnel cilndrico, unidas con compuertas especiales para
romper vacio y admitir carga o descarga
-
Alimentos: comida para montaistas, para
las misiones espaciales, las raciones de
campaa de los ejrcito.
Productos liofilizados que son ms
fcilmente aplicables a las formulaciones:
sopas instantneas, gelatinas con pulpa,
compotas para nios, yogures con fruta, y
dems bebidas lcteas
-
+ AGUAAgitacin
-
Bibliografia
J. C. Brenan LAS OPERACIONES DE LA INGENIERA DE LOS ALIMENTOS Ed. Acribia 1998
R. Earle INGENIERA DE LOS ALIMENTOS Ed. Acribia 1998
P. Singh , D.R. Heldman. 1997. Introduction to Food Engineering. 2nd Edition