TRABAJO DE GRADO DANIEL - dspace.uce.edu.ec · universidad central del ecuador facultad de...
Transcript of TRABAJO DE GRADO DANIEL - dspace.uce.edu.ec · universidad central del ecuador facultad de...
UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR
FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA
CARRERA DE INGENIERÍA QUÍMICA
DISEÑO DE UN SECADOR POR ATOMIZACIÓN PARA JUGO DE ESTEVIA
TRABAJO DE GRADO PARA LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO
DE INGENIERO QUÍMICO
AUTOR: DANIEL ALEJANDRO HIDALGO CHÁFUEL
QUITO
2015
UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR
FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA
CARRERA DE INGENIERÍA QUÍMICA
DISEÑO DE UN SECADOR POR ATOMIZACIÓN PARA JUGO DE ESTEVIA
TRABAJO DE GRADO PARA LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO
DE INGENIERO QUÍMICO
AUTOR: DANIEL ALEJANDRO HIDALGO CHÁFUEL
TUTOR: ING. MARIO ROMEO CALLE MIÑACA
QUITO
2015
iii
APROBACIÓN DEL TUTOR
En calidad de tutor del trabajo de grado titulado “DISEÑO DE UN SECADOR POR
ATOMIZACIÓN PARA JUGO DE ESTEVIA”, me permito certificar que el mismo es original
y ha sido desarrollado por el señor DANIEL ALEJANDRO HIDALGO CHÁFUEL, bajo mi
dirección y conforme a todas las observaciones realizadas, considero que el trabajo está concluido
y tiene mi aprobación.
En la ciudad de Quito, a los 11 días del mes de Agosto de 2015.
Ing. Mario Romeo Calle Miñaca
PROFESOR TUTOR
iv
AUTORIZACIÓN DE LA AUTORÍA INTELECTUAL
Yo, Daniel Alejandro Hidalgo Cháfuel, en calidad de autor del trabajo de grado realizado sobre
DISEÑO DE UN SECADOR POR ATOMIZACIÓN PARA JUGO DE ESTEVIA, por la
presente autorizo a la UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR, hacer uso de todos los
contenidos que me pertenecen o de parte de los que contiene esta obra, con fines estrictamente
académicos y de investigación.
Los derechos que como autor me corresponden, con excepción de la presente autorización,
seguirán vigentes a mi favor, de conformidad con lo establecido en los artículos 5, 6, 8, 19 y
demás pertinentes de la Ley de Propiedad Intelectual y su Reglamento.
En la ciudad de Quito, a los 11 días del mes de Agosto de 2015.
…………………………………….
Daniel Alejandro Hidalgo Cháfuel
C.C. 1003124086
v
A Dios y a mi amiga, maestra y
madre Zoila Cháfuel, quien ha
sido mi ejemplo desde mi niñez.
A mi tía Lucia por su apoyo
incondicional, quien me ha
enseñado que el amor vence la
distancia.
A mi abuelita Rosa que me ha
dado su amor de madre desde
niño.
A Gaby por apoyarme en todo
momento.
Con mucho amor y cariño.
vi
AGRADECIMIENTO
A Dios por bendecirme con una hermosa familia, salud, inteligencia y fortaleza para vencer
cualquier obstáculo.
A mi madre por todo su amor, confianza y apoyo para culminar esta etapa de mi formación
profesional.
A la Universidad Central del Ecuador y a su Facultad de Ingeniería Química por darme la
oportunidad ser parte de la gran familia centralina.
A todos mis maestros de la Facultad de Ingeniería Química de la gloriosa Universidad Central del
Ecuador, por su sabiduría, paciencia y conocimientos impartidos en las aulas de clase.
A mi tutor de tesis Ing. Mario Calle por sus conocimientos impartidos en el aula de clase y en la
realización de este presente trabajo.
A mis maestros y amigos Ing. Andrés De La Rosa e Ing. Alejandro Delgado por sus consejos y
enseñanzas.
Al Ing. Carlos Guepud, Director del Laboratorio de Investigación de la Facultad de Ingeniería
Química por su amable colaboración al realizar los ensayos para el desarrollo de la tesis.
A Danny, Jhoselin, Paúl y Gaby que con cariño facilitaron la realización de esta tesis.
A Alex, Caro, Diany, Gabriel, Gaby, Gilda, Mabe, Robert, Sari y demás amigos con quienes
estudiamos, compartimos y salimos adelante a lo largo de nuestra formación.
GRACIAS
vii
CONTENIDO
pág.
LISTA DE TABLAS................................................................................................................. xii
LISTA DE FIGURAS .............................................................................................................. xiii
LISTA DE GRÁFICOS ............................................................................................................ xiv
LISTA DE ANEXOS ................................................................................................................. xv
RESUMEN ............................................................................................................................... xvi
ABSTRACT ............................................................................................................................ xvii
INTRODUCCIÓN ....................................................................................................................... 1
1. MARCO TEÓRICO ................................................................................................................. 3
1.1. Estevia.................................................................................................................................. 3
1.1.1. Origen ................................................................................................................................ 3
1.1.2. Clasificación botánica. ....................................................................................................... 3
1.1.3. Información nutricional y composición química de la estevia. ........................................... 3
1.2. Microencapsulación ............................................................................................................. 4
1.2.1. Matrices de encapsulación ................................................................................................. 5
1.3. Secado .................................................................................................................................. 5
1.3.1. Importancia del secado ...................................................................................................... 6
1.3.2. Secado por atomización ..................................................................................................... 6
1.3.3. Ventajas y aplicaciones. ..................................................................................................... 6
1.3.4. Operación de un secador por atomización. ........................................................................ 7
1.3.5. Flujo de aire en la cámara de secado por aspersión .......................................................... 8
1.3.6. Tipos de atomizadores. ....................................................................................................... 8
1.3.7. Variación de la humedad de la gota. .................................................................................. 8
1.4. Equipos y ecuaciones de diseño. ......................................................................................... 10
1.4.1. Balance de masa y energía. .............................................................................................. 10
1.4.1.1. Calculo del calor específico de la alimentación ............................................................ 15
1.4.2. Cálculo del tiempo del secado .......................................................................................... 16
1.4.2.1. Diámetro de Sauter. ...................................................................................................... 16
viii
1.4.2.2. Evaporación de una gota bajo condiciones despreciables de velocidad
relativa. ...................................................................................................................................... 17
1.4.3. Ecuaciones para la cámara de secado. ............................................................................ 22
1.4.3.1. Cálculo del volumen del cono truncado ........................................................................ 22
1.4.3.2. Cálculo del volumen del cilindro ................................................................................... 23
1.4.3.3. Cálculo del volumen total .............................................................................................. 23
1.4.4. Diseño del ciclón .............................................................................................................. 24
2. METODOLOGÍA ................................................................................................................. 28
2.1. Preparación de la solución de estevia. ................................................................................ 28
Materiales y equipos ....................................................................................................... 28
Sustancias y reactivos ..................................................................................................... 28
2.1.3. Procedimiento de preparación de solución de estevia. ..................................................... 28
2.1.4. Flujograma del procedimiento de obtención de la solución de estevia ............................ 29
2.2. Obtención del extracto en polvo de estevia ......................................................................... 29
2.2.1. Condiciones de trabajo .................................................................................................... 29
2.2.2. Materiales ........................................................................................................................ 30
2.2.3. Sustancias y reactivos ...................................................................................................... 30
2.2.4. Equipos ............................................................................................................................ 30
2.2.5. Procedimiento de la obtención del extracto en polvo de estevia ...................................... 30
2.2.6. Flujograma del procedimiento de obtención del extracto en polvo de estevia ................. 31
2.3. Descripción del equipo ....................................................................................................... 31
2.3.1. Variables propias del secador por atomización ............................................................... 31
2.3.2. Descripción del proceso de secado. ................................................................................. 32
2.4. Determinación de las propiedades físicas y químicas de la solución de estevia
y del producto obtenido .............................................................................................................. 32
2.4.1. Densidad de la solución de estevia. .................................................................................. 32
2.4.2. Viscosidad de la solución de estevia................................................................................. 32
2.4.3. °Brix de la solución de estevia. ........................................................................................ 32
2.4.4. pH de la solución de estevia ............................................................................................. 32
2.4.5. Tamaño de partícula del extracto en polvo. ..................................................................... 32
2.4.6. Humedad del extracto en polvo. ....................................................................................... 33
2.4.6.1. Procedimiento de determinación de porcentaje de humedad ........................................ 33
2.5. Variables y parámetros considerados para la experimentación con diseño
experimental final....................................................................................................................... 33
2.6. Diseño experimental .......................................................................................................... 34
2.6.1. Combinación de condiciones ........................................................................................... 35
ix
2.6.2. Esquema de diseño f actorial........................................................................................... 35
3. DATOS ................................................................................................................................. 37
3.1. Composición del jugo de estevia ........................................................................................ 37
3.2. Propiedades fisicoquímicas del jugo de estevia .................................................................. 37
3.3. Relación de concentración de maltodextrina . ............................................................... 38
3.4. Datos para cálculo de rendimiento del extracto en polvo de estevia ................................... 38
3.5. Datos para cálculo de humedad de los polvos de extracto de estevia ................................. 39
3.6. Distribución granulométrica para el cálculo del ciclón ....................................................... 39
4. CÁLCULOS ......................................................................................................................... 40
4.1. Cálculo modelo para la determinación del rendimiento del extracto en polvo
de estevia .................................................................................................................................... 40
4.2. Cálculo modelo para la determinación del porcentaje de humedad del extracto
en polvo de estevia ..................................................................................................................... 40
4.3. Cálculo de densidad de la solución de estevia por el método del picnómetro ..................... 41
4.4. Análisis de varianza. .......................................................................................................... 41
4.4.1. Análisis de varianza para humedad................................................................................. 42
4.4.2. Análisis de Varianza para rendimiento ........................................................................... 42
4.5. Cálculo del secador por atomización .................................................................................. 43
4.5.1. Cálculo de la humedad del aire en la salida ................................................................... 44
4.5.2. Cálculo del flujo másico de aire seco .............................................................................. 44
4.5.3. Cálculo del tiempo de secado. .......................................................................................... 45
4.5.3.1. Cálculo del diámetro de Sauter ..................................................................................... 45
4.5.3.2. Cálculo de la temperatura de la gota durante el proceso de secado. ............................ 46
4.5.3.3. Cálculo de la temperatura del aire en el punto crítico del proceso de
secado. ....................................................................................................................................... 46
4.5.3.4. Cálculo de la temperatura del aire en la salida. ........................................................... 47
4.5.3.5. Cálculo de la diferencia media logarítmica de temperatura (LMTD) en el
primer periodo ........................................................................................................................... 47
4.5.3.6. Cálculo de la velocidad de evaporación del agua por gota en el primer
periodo de secado ...................................................................................................................... 47
4.5.3.7. Cálculo de la masa de agua inicial por gota ................................................................. 48
4.5.3.8. Cálculo de la masa inicial de sólidos por gota .............................................................. 48
4.5.3.9. Cálculo de la masa de agua por gota en el punto crítico .............................................. 49
4.5.3.10. Cálculo de la masa de agua removida por gota. ......................................................... 49
4.5.3.11. Cálculo del tiempo en el primer periodo de secado..................................................... 49
x
4.5.3.12. Cálculo de la diferencia media logarítmica de temperatura (LMTD) en el
periodo de caída......................................................................................................................... 50
4.5.3.13. Cálculo de la velocidad de transferencia de masa en el periodo de caída .................. 50
4.5.3.14. Cálculo de la masa de agua final por gota .................................................................. 50
4.5.3.15. Cálculo de la masa de agua removida por gota en el periodo de caída ...................... 51
4.5.3.16. Cálculo del tiempo en el segundo periodo de secado .................................................. 51
4.5.3.17. Cálculo del tiempo total de secado .............................................................................. 51
4.5.3.18. Cálculo del tiempo total de residencia ........................................................................ 52
4.5.4. Dimensionamiento del secador por atomización .............................................................. 52
4.5.4.1. Cálculo del volumen del secador por atomización ........................................................ 52
4.5.4.2. Cálculo del volumen del cono truncado ........................................................................ 53
4.5.4.3. Cálculo del volumen del cilindro ................................................................................... 53
4.5.4.4. Cálculo del volumen total .............................................................................................. 53
4.6. Cálculo del ciclón ............................................................................................................... 54
4.6.1. Cálculo del área del ducto de entrada del ciclón ............................................................ 54
4.6.2. Cálculo de las dimensiones del ciclón ............................................................................. 54
4.6.3. Cálculo del Factor de escalamiento ................................................................................ 55
5. RESULTADOS..................................................................................................................... 56
5.1. Resultados del ensayo de humedad .................................................................................... 56
5.2. Resultados de determinación de rendimiento ..................................................................... 56
5.3. Optimización de humedad y rendimiento (Statgraphics) .................................................... 57
5.3.1. Optimización y gráfica de efectos principales para la humedad .................................... 57
5.3.2. Optimización y gráfica de efectos principales para el rendimiento ................................ 58
5.4. Resultados del balance de masa y energía del secador por atomización. ............................ 59
5.5. Dimensiones del secador por atomización ......................................................................... 60
5.6. Dimensiones del ciclón. ..................................................................................................... 60
5.6.1. Eficiencia calculada del ciclón ........................................................................................ 61
6. DISCUSIÓN ......................................................................................................................... 62
7. CONCLUSIONES ................................................................................................................ 63
8. RECOMENDACIONES ....................................................................................................... 65
CITAS BIBLIOGRÁFICAS ...................................................................................................... 66
xi
BIBLIOGRAFÍA ....................................................................................................................... 69
ANEXOS ................................................................................................................................... 71
xii
LISTA DE TABLAS
pág.
Tabla 1. Correlaciones para el calor específico de los componentes de los alimentos
en función de la temperatura ...................................................................................................... 16
Tabla 2. Capacidad calorífica para el agua y aire ....................................................................... 16
Tabla 3. Relación entre altura y diámetro para la cámara de secado .......................................... 23
Tabla 4. Parámetros experimentales para las mejores condiciones de temperatura de
aire de entrada y concentración de maltodextrina ....................................................................... 34
Tabla 5. Niveles y factores utilizados ......................................................................................... 35
Tabla 6. Notaciones para la representación de los niveles .......................................................... 36
Tabla 7. Composición del jugo de estevia .................................................................................. 37
Tabla 8. Propiedades fisicoquímicas de la solución de estevia ................................................... 37
Tabla 9. Propiedades fisicoquímicas de la solución estevia-maltodextrina 1:1 .......................... 38
Tabla 10. Relación de cantidad de maltodextrina versus cantidad de estevia empleada
en el secador piloto..................................................................................................................... 38
Tabla 11. Datos para cálculo de rendimiento ............................................................................. 38
Tabla 12. Datos para el ensayo de humedad ............................................................................... 39
Tabla 13. Distribución granulométrica para el cálculo del ciclón ............................................... 39
Tabla 14. Análisis de varianza para humedad ............................................................................ 42
Tabla 15. Análisis de varianza para rendimiento ........................................................................ 42
Tabla 16. Especificación de la boquilla rotatoria ....................................................................... 45
Tabla 17. Resultados del ensayo de humedad ............................................................................ 56
Tabla 18. Resultados de rendimiento ......................................................................................... 56
Tabla 19. Valores óptimos para minimizar humedad ................................................................. 57
Tabla 20. Valores óptimos para maximizar el rendimiento ........................................................ 58
Tabla 21. Resultados del balance de masa y energía de la cámara de secado ............................. 59
Tabla 22. Eficiencia calculada para el diseño del ciclón de altos caudales ................................. 61
xiii
LISTA DE FIGURAS
pág.
Figura 1. Planta de estevia ............................................................................................................ 3
Figura 2. Estructura de los principios activos de la stevia ............................................................ 4
Figura 3. Estructura general de una microcápsula ........................................................................ 5
Figura 4. Planta de secado por atomización ................................................................................. 7
Figura 5. Variación de la humedad con el tiempo y evolución de la temperatura de
la gota durante el secado .............................................................................................................. 9
Figura 6. Balance de masa y energía del secador por atomización ............................................. 10
Figura 7. Curva de velocidad de secado ..................................................................................... 21
Figura 8.Ciclón de flujo reverso ................................................................................................. 24
Figura 9. Dimensión de un ciclón estándar (a) Ciclón de alta eficiencia (b) Ciclón
para altos caudales...................................................................................................................... 25
Figura 10. Condiciones estándar de curvas características para ciclón de alta
eficiencia .................................................................................................................................... 25
Figura 11. Condiciones estándar de curvas características para ciclón de altos
caudales ...................................................................................................................................... 26
Figura 12. Curva de rendimiento del escalado............................................................................ 27
Figura 13. Procedimiento de obtención de solución de estevia a partir de sus hojas
secas ........................................................................................................................................... 29
Figura 14. Procedimiento de obtención del extracto en polvo de estevia ................................... 31
Figura 15. Determinación de porcentaje de humedad ................................................................. 33
Figura 16. Combinación de condiciones .................................................................................... 35
Figura 17. Esquema de diseño factorial ...................................................................................... 36
Figura 18. Diagrama cuantitativo del proceso de secado ............................................................ 43
Figura 19. Dimensiones del secador por atomización ................................................................ 60
Figura 20. Dimensiones del ciclón para el extracto en polvo de estevia ..................................... 60
xiv
LISTA DE GRÁFICOS
pág.
Gráfico 1. Superficie de respuesta para la humedad ................................................................... 57
Gráfico 2. Efectos principales para la humedad ......................................................................... 57
Gráfico 3. Superficie de respuesta para rendimiento .................................................................. 58
Gráfico 4. Efectos principales para el rendimiento. .................................................................... 58
xv
LISTA DE ANEXOS
pág.
ANEXO A. Obtención de la solución de estevia. ....................................................................... 72
ANEXO B. Equipos utilizados para la caracterización de la solución de estevia y su
extracto....................................................................................................................................... 73
ANEXO C. Procedimiento de encendido y apagado de equipo de secado por
atomización ................................................................................................................................ 74
ANEXO D. Partes del equipo secado por atomización .............................................................. 77
ANEXO E. Especificación del Secador por atomización ........................................................... 79
ANEXO F. Caudal de la bomba peristáltica del secador por atomización SD-Basic .................. 80
ANEXO G. Gráficos de la viscosidad en función de velocidad de corte .................................... 81
ANEXO H. Gráfico del Catálogo de Atomizadores Centrífugos SIMES ................................... 83
ANEXO J. Distribución Granulométrica del polvo estevia-maltodextrina 1:1 ........................... 84
xvi
DISEÑO DE UN SECADOR POR ATOMIZACIÓN PARA JUGO DE ESTEVIA
RESUMEN
Diseño de un secador industrial por atomización, a partir de las condiciones óptimas del secado
de una solución de estevia en una unidad piloto.
Con la fase líquida resultante de la precipitación de una solución acuosa de hojas de estevia con
carbonato e hidróxido de calcio y ácido cítrico, se prepararon soluciones de estevia con
maltodextrina a diferentes concentraciones. Se procedió al secado de las soluciones utilizando un
diseño factorial 32 en donde las variables estudiadas fueron temperatura de entrada al secador
(160; 170; 180) °C y concentración de maltodextrina (1,34; 2; 3,93) %p/p. Se efectuó un análisis
de varianza y con el método de superficie de respuesta considerando el mejor rendimiento de
46,5% y la concentración de humedad del producto, se determinaron las mejores condiciones del
proceso 170ºC y 3,938 %p/p; con estos valores y con los resultados del tamaño de partícula del
producto, se diseñaron la cámara de secado y el ciclón del equipo industrial.
De acuerdo al diseño, las dimensiones de la cámara de secado son 1164 mm de diámetro y 1921
mm de altura; y las del ciclón son 355 mm de diámetro y 1419 mm de alto.
PALABRAS CLAVES: / DISEÑO/ SECADOR INDUSTRIAL/ SECADO POR
ATOMIZACIÓN / ESTEVIA REBAUDIANA BERTONI/ MALTODEXTRINA/
xvii
DESIGN OF AN INDUSTRIAL SPRAY DRYER FOR A STEVIA LIQUID EXTRACT
ABSTRACT
Design of an industrial spray dryer, parting from the optimal drying conditions for a stevia
solution in a pilot unit.
This study used the liquid phase resulting from the precipitation of an aqueous solution of stevia
leaves with carbonate, calcium hydroxide and citric acid, to prepare solutions of stevia with
maltodextrin at different concentrations. The solutions were then dried under a 32 factorial design
where the assessed variables were dryer entry temperature (160; 170; 180 ºC) and maltodextrin
concentration (1,34; 2; 3,93 %w/w). This study then carried out an Analysis of Variance, and
using the response surface method, considering the highest yield to be 46,5%, and the product
humidity, the best conditions for the process were 170ºC and 3,938 %w/w; these values, added to
the results in particle size, helped design the system’s drying chamber and industrial cyclone.
The drying chamber dimensions, according to the design, should be 1164 mm in diameter and
1921 mm high, and the cyclone should be 355 mm in diameter and 1419 mm high.
KEYWORDS: / DESIGN/ INDUSTRIAL DRYER/ SPRAY DRYER / STEVIA REBAUDIANA
BERTONI/ MALTODEXTRIN/
1
INTRODUCCIÓN
La estevia es originaria de Paraguay documentada científicamente por primera vez en 1899 por
Moisés Santiago de Bertoni; desde entonces, durante décadas se han realizado varios estudios
acerca de las propiedades de la estevia en países de todo el mundo. Es utilizada como endulzante
natural, debido a que sus hojas molidas son 30 veces más dulces que el azúcar de caña, y al secar
la hoja entera es 15 veces más dulce que el azúcar común. Sus principios activos son los
steviósidos y la rebaudiosida, que son los glicósidos responsables del sabor dulce de la planta.
Estos principios aislados pueden llegar a ser hasta 300 veces más dulces que la sacarosa. Además,
no hay ninguna indicación sobre posibles reacciones alérgicas y genotóxicas de los esteviósidos.
En Japón se comenzó a cultivar las plantas de estevia en 1954. En 1987 se cultivaron 1700
toneladas métricas de hojas de estevia que rindieron un estimado de 190 toneladas de extracto de
steviósido. Con esto se busca disminuir el problema ocasionado por los efectos secundarios de
los edulcorantes secundarios lo que ha ocasionado un aumento en la demanda de los edulcorantes
naturales, entre los que se encuentra la estevia.
En Ecuador el consumo de las hojas de estevia está creciendo en popularidad; por lo tanto es
rentable; presentarla en condiciones promisorias para el mercado nacional e internacional.
Algunas azucareras importan el extracto en polvo de China para mezclarlo con azúcar para sus
productos light, debido a que en Ecuador no hay la oferta en gran volumen de este producto. [1]
Bajo estos antecedentes se investigó la obtención del extracto en polvo de estevia para el diseño
de un secador por atomización, el cual debido a sus variados usos medicinales y un gran poder
edulcorante tendrá una gran demanda en el país, permitiendo crear grandes beneficios a futuro.
El presente trabajo es realizar un estudio para el diseño de un secador por atomización para jugo
de estevia en condiciones óptimas de operación, como producto alternativo para reemplazar al
azúcar de sacarosa o azúcar de caña por los efectos perjudiciales que tiene a la salud humana.
Para la investigación, primero se obtuvo una solución de estevia a partir de sus hojas secas. La
solución fue sometida a secado por atomización en una unidad piloto, esto se realizó en base a la
patente de Giovanetto, Roger H. Method for the recovery of steviosides from plant raw material.
Posteriormente se determinó el rendimiento del proceso y la humedad del polvo que se realizó
2
mediante la modificación de la norma NTE INEN 265 :2012.
La investigación se la realizó bajo un diseño factorial de dos variables con tres niveles (diseño
32). Los factores escogidos son la temperatura de entrada del aire al secador y la concentración
de maltodextrina, evaluando el rendimiento y la humedad del producto. La metodología permite
generar datos para la construcción de gráficos de superficie de respuesta, e identificar las mejores
condiciones de operación. Los resultados obtenidos permiten realizar el diseño de la cámara de
secado y del ciclón con las condiciones óptimas resultantes del diseño experimental.
3
1. MARCO TEÓRICO
1.1. Estevia
1.1.1. Origen. “La stevia es una planta originaria de Sudamérica, donde se consumió hace más de
200 años, allí los pueblos indígenas usaban las hojas de la planta para endulzar bebidas.
Tradicionalmente, las hojas de la planta, a menudo denominada “kaâ heê” o hierba dulce se
secaban y usaban para endulzar el mate, los tés y las medicinas.
La planta de la stevia fue documentada científicamente por vez primera en 1899 como Eupatorium
rebaudianum, por Moisés Santiago de Bertoni, en Paraguay. Posteriormente, en 1905, se definió
como Stevia Rebaudiana, perteneciente a la familia de los girasoles (Asteraceae) y relacionada
con el crisantemo.” [2]
1.1.2. Clasificación botánica. “Es una planta herbácea, de tallo erecto de raíz pivotante y alcanza
los 70 centímetros de altura aproximadamente; las hojas son simples opuestas, en su estado
juvenil, y, alternas como manifestación de la floración.” [3]
Figura 1. Planta de estevia
1.1.3. Información nutricional y composición química de la estevia. “Las hojas secas de la
estevia contienen un 42 % aproximadamente de sustancias hidrosolubles. Además, contiene
proteínas, fibra, hierro, fósforo, calcio, potasio, zinc, rutina, vitamina A y C.
La información nutricional y composición química, especificada en % sobre 100 gramos en hojas
secas representa las siguientes proporciones: Hidratos de carbono (50 a 52,84 %), proteína vegetal
4
(6,25 a 10 %), cenizas (7,53 a 8,48 %), grasas (1 a 5,65 %), potasio (1 %), magnesio (0,3 %),
calcio (0,29 a 0,62 %), fósforo (0,089 %), hierro (0,055 a 0,06 %) y una humedad (9,75 %). ” [4]
“El esteviósido es un glicósido diterpeno de peso molecular 804,80 y fórmula C38H60O18. La
estevia tiene rebaudiosidos A, B,C, D, E y dulcósidos A y B. El esteviosido y rebaudiosido son
los mas abundantes en la hoja de estevia y de mejores atributos sensoriales como endulzantes. Su
diferencia se localiza en los radicales R1 y R2, como puede observarse en la Figura 2.” [5]
Figura 2. Estructura de los principios activos de la stevia
1.2. Microencapsulación
“Una microcápsula consiste de una membrana semi-permeable, esférica, delgada y fuerte
alrededor de un centro solido/líquido. Las aplicaciones de esta técnica se han ido incrementando
debido a la protección de los materiales encapsulados de factores como calor y humedad,
permitiendo mantener su estabilidad y viabilidad. Las microcápsulas, ayudan a que los materiales
alimenticios empleados resistan las condiciones de procesamiento y empacado mejorando sabor,
aroma, estabilidad, valor nutritivo y apariencia. .” [6]
“Para efectuar la microencapsulación, el material de recubrimiento se disuelve en un disolvente
apropiado y en esta disolución se dispersa la sustancia, sólida o líquida, que va a servir como
material activo. La dispersión, en estado líquido, preparada en estas condiciones, se suele
5
introducir en la cámara de secado con aire en contracorriente. El aire caliente proporciona el calor
de evaporación requerido para la separación del disolvente, produciéndose en esta forma la
microencapsulación. Las partículas sólidas se microencapsulan sometiendo a secado por
atomización una suspensión de ellas en una disolución del agente de recubrimiento. Cuando el
disolvente se evapora, el material de recubrimiento envuelve las partículas. El producto que se
obtiene por este procedimiento está constituido por microcápsulas de forma aproximadamente
esférica y de un tamaño que varía entre 5 y 600 micras y que, casi siempre, presenta una cubierta
porosa.” [7]
Figura 3. Estructura general de una microcápsula
1.2.1. Matrices de encapsulación “Los soportes más comúnmente usados se dividen en cuatro
clases: monosacáridos y disacáridos, almidones hidrolizados (maltodextrinas y sólidos del sirope
de maíz), almidones químicamente modificados y gomas. Los monosacáridos y disacáridos son
económicos y a menudo se usan en mezclas con el almidón químicamente modificado o la goma
arábiga. Estos pueden ser usados para reducir costos e impartir estabilidad. Ejemplos de ello son
la sacarosa, glucosa y lactosa, así como el sorbitol (polialcohol). Su adición es limitada pues estos
azúcares poseen bajas temperaturas de transición vítrea.
Los almidones hidrolizados no imparten sabor, son solubles, presentan baja viscosidad en
solución y no son caros. La maltodextrína es un almidón hidrolizado que se prepara por
calentamiento en presencia de ácidos (generalmente ácido clorhídrico) hasta conseguir la
solubilidad y el color blanco deseado.” [8]
1.3. Secado
“La característica esencial del proceso de secado es la eliminación de un líquido por conversión
en vapor, que se separa del sólido. En la práctica, la energía necesaria para evaporar el líquido es
6
suministrada en forma de calor. A veces se usan otras formas de energía como campos de radiofre-
cuencia, trabajo mecánico o reacciones químicas; éstos son, sin embargo, casos especiales que no
necesitan ser considerados en una exposición de tipo general.
La transferencia de calor se produce predominantemente por convección o por conducción, pues
aunque es cierto que en todos los secadores se transfiere por radiación, es raro que sea éste el
mecanismo que predomina.” [9]
1.3.1. Importancia del secado “La deshidratación o secado es un sistema de preservación que
además de proporcionar un ambiente difícil para el crecimiento microbiano, reduce el costo de
transporte y almacenamiento por la disminución del peso y volumen de los productos.
Paralelamente con estos beneficios se producen efectos secundarios que afectan la calidad del
producto, que deben ser minimizados en una operación bajo condiciones adecuadas.
Adicionalmente es importante considerar la influencia que el secado tiene en la calidad de los
productos porque propicia reacciones degradativas que afectan su valor nutricional, textura, color,
olor y sabor.” [10]
1.3.2. Secado por atomización “La definición del proceso de secado por atomización es la
transformación de una materia en forma líquida en forma seca atomizándola en un medio de
secado caliente. Se realiza en una sola operación continua. La materia puede tener la forma de
una solución, una suspensión o una pasta.
El producto seco es un polvo que está compuesto de partículas o aglomerados, dependiendo todo
de las propiedades físicas y químicas del producto de entrada y del diseño y operación del secador.
Durante las tres últimas décadas el proceso ha sido el objeto de investigaciones intensivas, y éstas
han dado como resultado modernos equipos que cumplen con los requerimientos de producir un
polvo con las características deseadas por los consumidores.” [11]
1.3.3. Ventajas y aplicaciones. Las principales ventajas del secado por atomización son el secado
rápido para productos sensibles al calor, un tamaño y densidad de la partícula de producto que
son controlables dentro de ciertos límites y costos relativamente bajos de operación, en especial
en el caso de secadores de gran capacidad en comparación con los secadores por liofilización.
Además, los alimentos sensibles al calor, productos biológicos y farmacéuticos se pueden secar a
presión atmosférica con bajas temperaturas y permite la producción de grandes cantidades en la
operación continua y con un equipo relativamente simple. El producto entra en contacto con las
superficies del equipo en condiciones anhidras, simplificando así los problemas de la corrosión y
de selección de materiales costoso en la construcción del equipo y produce partículas
7
relativamente uniformes, esféricas y con casi la misma proporción de compuestos que en la
alimentación líquida. [12]
1.3.4. Operación de un secador por atomización. “El concentrado es bombeado desde el tanque
de alimentación de producto al dispositivo atomizador colocado en el dispersor de aire sobre la
cámara de secado. El aire de secado es aspirado de la atmósfera a través de un filtro por un
ventilador pasando luego al dispersor a través del calentador de aire. Las gotas atomizadas
encuentran el aire caliente y la evaporación tiene lugar al mismo tiempo que se enfría el aire. A
continuación del secado en la cámara, la mayor parte del producto seco cae al fondo de la misma
y pasa a un sistema de transporte neumático y de enfriamiento. Los finos, es decir las partículas
con un diámetro pequeño, son arrastrados por el aire, y es necesario por tanto pasar el aire a través
de ciclones para separarlos. El aire de salida sale a la atmósfera por medio del ventilador de
aspiración.
Figura 4. Planta de secado por atomización
Una instalación convencional como muestra la Figura 4 de secado por atomización consta de los
componentes principales siguientes: cámara de secado (1), sistema de aire caliente y distribución
del aire (2), sistema de alimentación (3), atomizador (4), sistema de separación de polvo (5),
transportador neumático y sistema de enfriamiento (6), lecho fluido de post-secado/enfriamiento
(7), instrumentación y automatización (8).” [13]
8
1.3.5. Flujo de aire en la cámara de secado por aspersión. Se puede encontrar tres tipos de
configuración entre el flujo de aire en la cámara de secado por aspersión. “Flujo en paralelo: en
un secador en paralelo, la alimentación se dirige en el aire caliente que entra en el secador y ambos
pasan a través de la cámara en la misma dirección. El flujo de contracorriente: en este diseño
secadora, el aerosol y el aire se introducen en los extremos opuestos de la secadora, con el
atomizador situado en la parte superior y el aire que entra en la parte inferior. Flujo mixto: secador
de este tipo se combinan tanto a favor de corriente y contrarrestar el flujo de corriente. En un
secador de flujo mixto, el aire entra en la parte superior y el atomizador es situado en la parte
inferior.” [14]
1.3.6. Tipos de atomizadores. “Los más comunes son:
Atomización por toberas a presión. La función básica de las toberas a presión es convertir la
energía de presión proporcionada por la bomba de alta presión en energía cinética en forma de
una película delgada, cuya estabilidad es determinada por las propiedades del líquido como
son la viscosidad, la tensión de superficie, la densidad y la cantidad por unidad de tiempo, y
también por el medio en el cual se atomiza el líquido.
Atomización por toberas de dos fluidos o neumática. La energía disponible para la atomización
en atomizadores de dos fluidos es independiente del flujo y la presión del líquido. La energía
necesaria (cinética) es suministrada por aire comprimido. La atomización es creada por las
altas fuerzas de fricción entre la superficie del líquido y el aire que tiene una alta velocidad,
incluso la velocidad del sonido, y a veces sometida a una rotación para obtener la atomización
máxima. La atomización de dos fluidos es el único método satisfactorio para producir
partículas muy pequeñas, especialmente de líquidos altamente viscosos.
Atomización rotativa. En atomizadores rotativos el líquido es continuamente acelerado hacia
el borde de la rueda atomizadora por fuerzas centrífugas, producidas por la rotación de la
misma. El líquido es distribuido centralmente y luego se extiende sobre la rueda en una capa
delgada, que es descargada a alta velocidad a su periferia. El grado de atomización depende
de la velocidad periférica, las propiedades del líquido y el caudal de alimentación. [15]
1.3.7. Variación de la humedad de la gota. Cuando una gota con gran cantidad de líquido entra
en contacto con el aire caliente, ésta experimenta un proceso de secado que pude dividirse en
varias etapas tal y como se muestra en la Figura 5. Inicialmente, la gota experimenta un aumento
de calor sensible hasta la temperatura húmeda correspondiente a la temperatura del aire de secado
(tramo 0-1). En ese instante se inicial el primer periodo de secado o periodo de velocidad de
9
secado constante (tramo 1-2). En esta etapa, el líquido se desplaza desde el interior de la gota lo
suficientemente rápido como para mantener la superficie saturada de humedad. Como
consecuencia, la evaporación de líquido se produce en la superficie y la tasa de evaporación iguala
a la de una gota formada por líquido puro. Es en esta fase en la que se produce la contracción de
la gota, cuyo diámetro al cuadrado varía de forma lineal con el tiempo. Durante este periodo, la
velocidad de secado permanece constante y su valor es el máximo alcanzado en todo el proceso.
Si las condiciones ambientales de secado no varían, la temperatura de la gota permanece igual a
la temperatura húmeda del aire en todo el intervalo de tiempo. En un determinado momento, se
alcanza la humedad crítica (punto 3) en la que la migración de líquido ya no es capaz de mantener
la superficie saturada. La concentración de líquido en la superficie de la gota se reduce a un valor
mínimo y se inicia el segundo periodo de secado o periodo de velocidad de secado decreciente
(tramo 3-5). En él, las partículas primarias forman una costra de aglomerados sumergida en el
líquido. En el secado posterior, la costra aflora a la superficie de la gota y se transforma en un
costra seca, determinando el diámetro final del gránulo que deja de contraer. La gota puede
considerarse como un gránulo húmedo de diámetro constante formado por dos zonas: la costra
sólida de estructura porosa, y el núcleo húmedo formado por líquido y sólido. La costra formada
genera una resistencia adicional a la evaporación del líquido, que depende de la capacidad de
difusión de los fluidos a su través. A medida que transcurre el proceso y el espesor de la costra
aumenta, disminuye la velocidad de secado. Al formarse la costra y dejar la superficie de estar
saturada de humedad, la temperatura del gránulo dejará de ser igual a la temperatura húmeda del
aire y aumentará progresivamente hasta alcanzar la temperatura de secado. Dependiendo del
material a secar, este periodo puede dividirse a su vez en subperiodos (tramos 2-3 y 3-4). El
proceso de secado continua hasta que el gránulo tiene el contenido en humedad final deseado. Si
el tiempo de secado es suficientemente largo, llegará a la humedad de equilibrio con el aire.” [16]
Figura 5. Variación de la humedad con el tiempo y evolución de la temperatura de la gota
durante el secado
10
1.4. Equipos y ecuaciones de diseño.
1.4.1. Balance de masa y energía. El balance de masa de un secador por atomización relaciona
la humedad entrante del secador con la humedad de salida. Debido un estado de equilibrio entre
el aire de salida y de los sólidos, se espera que el contenido de humedad de salida del polvo X0
sea el contenido de humedad de equilibrio del sólido en las respectivas condiciones del aire.” [17]
Figura 6. Balance de masa y energía del secador por atomización
El balance de masa de agua en la alimentación es:
𝑚𝑠𝑤1 = 𝑚𝑠𝑠1. 𝑥𝑠1 (1)
Donde:
msw1=Flujo de masa de agua contenida en la alimentación (kg/h)
mss1= Flujo de masa de sólidos secos de la alimentación (kg/h)
xs1= Humedad de la alimentación en base seca (kg agua/kg sólidos)
La masa de sólidos secos en la alimentación la podemos calcular así:
11
𝑚𝑠𝑠1 = 𝑚𝑠1.%𝑠𝑎
100 (2)
Donde:
mss1= Flujo de masa de sólidos secos de la alimentación (kg/h)
ms1=Flujo de masa de la alimentación (kg/h)
%sa= Porcentaje de sólidos (%)
La humedad de la alimentación se puede calcular así:
𝑥𝑠1 =100−%𝑠𝑎
%𝑠𝑎 (3)
El agua contenida en el aire se calcula así:
𝑚𝑎𝑤1 = 𝑚𝑎𝑎1 ∗ 𝑥𝑎1 (4)
Donde:
maw1= Flujo de masa de agua contenida en el aire (kg/h)
maa1= Flujo de aire seco (kg/h)
xa1= Humedad del aire en base seca (kg agua/ kg aire seco)
Para el cálculo de la humedad del aire su utiliza la siguiente ecuación:
𝑥𝑎1 = 0,62𝑝𝑣
𝑝−𝑝𝑣 (5)
Donde:
pv= Presión parcial de vapor (Pa)
p= Presión atmosférica del lugar (Pa)
La presión parcial de vapor es igual a:
𝑝𝑣 = ⏀. 𝑃𝑣𝑠 (6)
Donde:
12
⏀= Humedad relativa del aire
pvs= Presión de saturación de vapor (Pa)
El balance de agua en la cámara de secado será:
𝑚𝑠𝑤1 + 𝑚𝑎𝑤1 = 𝑚𝑠𝑤2 + 𝑚𝑎𝑤2 (7)
Donde:
msw1= Flujo de masa de agua contenida en la alimentación al ingreso de la cámara (kg/h)
msw2= Flujo de masa de agua contenida en el producto (kg/h)
maw1= Flujo de masa de agua contenida en el aire al ingreso de la cámara (kg/h)
maw2= Flujo de masa de agua contenida en el aire a la salida de la cámara (kg/h)
Reemplazando se obtiene (1) y (4) en (7):
𝑚𝑠𝑠1 ∗ 𝑥𝑠1 + 𝑚𝑎𝑎1 ∗ 𝑥𝑎1 = 𝑚𝑠𝑠2. 𝑥𝑠2 + 𝑚𝑎𝑎2 ∗ 𝑥𝑎2 (8)
Como no hay fugas ni retención del producto y del aire en la cámara, entonces:
𝑚𝑠𝑠1 = 𝑚𝑠𝑠2 = 𝑚𝑠𝑠 (9)
𝑚𝑎𝑎1 = 𝑚𝑎𝑎2 = 𝑚𝑎𝑎 (10)
𝑚𝑠𝑠(𝑥𝑠1 − 𝑥𝑠2) = 𝑚𝑎(𝑥𝑎2 − 𝑥𝑎1) (11)
El balance de energía del secador por atomización es:
𝑚𝑠1. ℎ𝑠1 + 𝑚𝑎1. ℎ𝑎1 = 𝑚𝑠2. ℎ𝑠2 + 𝑚𝑎2. ℎ𝑎2 (12)
Donde:
ms1=Flujo de masa de la alimentación (kg/h)
ma1=Flujo de masa del aire de entrada (kg/h)
ms2=Flujo de masa en el producto (kg/h)
ma2=Flujo de masa del aire de salida (kg/h)
13
hs1=Entalpía específica de la alimentación (kJ/ kg.h)
ha1= Entalpía específica del aire de entrada (kJ/ kg.h)
hs2= Entalpía específica del producto (kJ/ kg.h)
ha2= Entalpía específica del aire de salida (kJ/ kg.h)
La entalpía de la alimentación es igual a la suma de la entalpía del agua y de los sólidos secos:
𝑚𝑠1. ℎ𝑠1 = 𝑚𝑠𝑠1. 𝐶𝑝𝑠(𝑇𝑠1 − 𝑇𝑜) + 𝑚𝑠𝑠1. 𝑥𝑠1. 𝐶𝑝𝑤. (𝑇𝑠1 − 𝑇𝑜) (13)
Donde:
Cps= Calor específico del sólido seco (kJ/kg.K)
Cpw= Calor específico del agua (kJ/kg.K)
Ts1= Temperatura de la alimentación (K)
To= Temperatura de referencia (273 K)
Agrupando:
𝑚𝑠1. ℎ𝑠1 = 𝑚𝑠𝑠1. (𝐶𝑝𝑠 + 𝑥𝑠1. 𝐶𝑝𝑤). (𝑇𝑠1 − 𝑇𝑜) (14)
Considerando:
𝐻𝑠1 = (𝐶𝑝𝑠 + 𝑥𝑠1. 𝐶𝑝𝑤). (𝑇𝑠1 − 𝑇𝑜) (15)
Entonces:
𝑚𝑠1. ℎ𝑠1 = 𝑚𝑠𝑠1. 𝐻𝑠1 (16)
La entalpía del aire se obtiene con la suma de la entalpía del aire seco, del vapor de agua y
su calor de evaporación, entonces:
𝑚𝑎1. ℎ𝑎1 = 𝑚𝑎𝑎1. 𝐶𝑝𝑎(𝑇𝑎1 − 𝑇𝑜) + 𝑚𝑎𝑎1. 𝑥𝑎1. 𝐶𝑣. (𝑇𝑎1 − 𝑇𝑜) + 𝑚𝑎𝑎1. 𝑥𝑎1. λo (17)
Cpa= Calor específico del aire seco (kJ/kg.K)
Cv= Calor específico del vapor de agua (kJ/kg.K)
λo= Calor latente de vaporización (kJ/kg)
14
Ta1= Temperatura del aire (K)
To= Temperatura de referencia (273 K)
El calor latente de vaporización en un rango de 0 a 300°C se lo puede calcular así:
λo = 2502,535 − 2,385. Ta + 1.8339 ∗ 10−3 Ta21.8616 ∗ 10−5Ta3 kJ/𝑘𝑔 (18)
Como se lo multiplica por la humedad específica su variación es insignificante, por lo que se
puede tomar como constante:
λo = 2502,535𝑘𝐽
𝑘𝑔 (19)
Agrupando se obtiene:
𝑚𝑎1. ℎ𝑎1 = 𝑚𝑎𝑎1. ((𝐶𝑝𝑎 + 𝑥𝑎1. 𝐶𝑣). (𝑇𝑎1 − 𝑇𝑜) + 𝑥𝑎1. λo) (20)
Considerando:
𝐻𝑎1 = ((𝐶𝑝𝑎 + 𝑥𝑎1. 𝐶𝑣). (𝑇𝑎1 − 𝑇𝑜) + 𝑥𝑎1. λo) (21)
Entonces:
𝑚𝑎1. ℎ𝑎1 = 𝑚𝑎𝑎1. 𝐻𝑎1 (22)
Reemplazando las ecuaciones (16) en (12) se obtiene:
𝑚𝑠𝑠1. 𝐻𝑠1 + 𝑚𝑎𝑎1. 𝐻𝑎1 = 𝑚𝑠𝑠2. 𝐻𝑠2 + 𝑚𝑎𝑎2. 𝐻𝑎2 (23)
Como todas las propiedades del aire en condiciones 1 (Ha1) son conocidas se tendrá:
𝑚𝑠𝑠(𝐻𝑠1 − 𝐻𝑠2) = 𝑚𝑎((𝐶𝑝𝑎 + 𝑥𝑎2. 𝐶𝑣)(𝑇𝑎2 − 𝑇𝑜) + 𝑥𝑎2. λo − Ha1) (24)
Resolviendo las ecuaciones (24) y (11) y despejando xa2 se obtiene:
𝑥𝑎2 =[𝐻𝑎1−𝐶𝑝𝑎(𝑇𝑎2−𝑇𝑜)](𝑥𝑠1−𝑥𝑠2)+𝑥𝑎1(𝐻𝑠2−𝐻𝑠1)
[𝐶𝑣(𝑇𝑎2−𝑇𝑜)+λo](xs1−xs2)+(Hs2−Hs1) (25)
15
Entonces:
ℎ𝑎𝑎2 = 𝐶𝑝𝑎(𝑇𝑎2 − 𝑇𝑜) (26)
Donde:
haa2= Entalpía especifica del aire seco en la salida (kJ/kg)
ℎ𝑎𝑤2 = 𝐶𝑣(𝑇𝑎2 − 𝑇𝑜) (27)
Donde:
haw2= Entalpía especifica del vapor de agua del aire en la salida (kJ/kg)
Reemplazando las ecuaciones (26) y (27) en (25) se obtiene:
𝑥𝑎2 =[𝐻𝑎1−ℎ𝑎𝑎2](𝑥𝑠1−𝑥𝑠2)+𝑥𝑎1(𝐻𝑠2−𝐻𝑠1)
[haw2+λo](xs1−xs2)+(Hs2−Hs1) (28)
Despejando de la ecuación (11) el flujo de aire será igual a: [18]
𝑚𝑎𝑎 = 𝑚𝑠𝑠(𝑥𝑠1−𝑥𝑠2)
(𝑋𝑎2−𝑥𝑎1) (29)
1.4.1.1. Calculo del calor específico de la alimentación
𝐶𝑝 𝑎𝑙𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 = ∑𝐶𝑝𝑖. 𝑋𝑖 (30)
Donde:
Xi= fracción del componente i de la alimentación.
Cpi= capacidad calorífica del componente i de la alimentación.
La capacidad calorífica de la alimentación se puede calcular con las polinómicas dadas por Choi
y Oikos en la Tabla 1.
16
Tabla 1. Correlaciones para el calor específico de los componentes de los alimentos en
función de la temperatura
Sustancia Ecuación
Proteina
-40<T<150 ºC kJ/mol- ºC
Grasa
-40<T<150 ºC kJ/mol- ºC
Carbohidratos
-40<T<150 ºC kJ/mol- ºC
Fibra
-40<T<150 ºC kJ/mol- ºC
Ceniza
-40<T<150 ºC kJ/mol- ºC
FUENTE: ORREGO, Carlos. Procesamiento de alimentos. Centro de Publicaciones Universidad
Nacional de Colombia Sede Manizales. Manizales, 2003, p. 75
La capacidad calorífica del aire y agua se muestran en la Tabla 2.
Tabla 2. Capacidad calorífica para el agua y aire
Sustancia Ecuación
Aire (g)
0<T<1500 ºC
J/mol-ºC
𝐶𝑝 = 28,94 + 0,4147𝑥10−2𝑇 + 0,3191𝑥10−5𝑇2 − 1,965𝑥10−9𝑇3
Agua (g)
0<T<1500 ºC
J/mol-ºC
Agua (l)
0<T<100 ºC
J/mol-ºC
FUENTE: FELDER, Richard. Principios elementales de los procesos químicos. Editorial S.A.
Alhambra Mexicana, México, 1991. p. 679.
1.4.2. Cálculo del tiempo del secado
1.4.2.1. Diámetro de Sauter. El diámetro Sauter es el diámetro de una gota que tiene la misma
relación superficie-volumen que la de todas las gotas por aspersión o muestra de partículas.
𝐶𝑝 = 33,46 + 0,6880𝑥10−2𝑇 + 0,7604𝑥10−5𝑇2 − 3,593𝑥10−9𝑇3
𝐶𝑝 = 75,4
𝐶𝑝 = 2,0082 + 1,2089𝑥10−3𝑇 − 1,3129𝑥10−6𝑇2
𝐶𝑝 = 1,9842 + 1,4733𝑥10−3𝑇 − 4,8008𝑥10−6𝑇2
𝐶𝑝 = 1,5488 + 1,9625𝑥10−3𝑇 − 5,9399𝑥10−6𝑇2
𝐶𝑝 = 1,8459 + 1,8306𝑥10−3𝑇 − 4,6509𝑥10−6𝑇2
𝐶𝑝 = 1,0926 + 1,8896𝑥10−3𝑇 − 3,6817𝑥10−6𝑇2
17
Para atomizadores rotatorios el diámetro de Sauter se puede estimar por el siguiente modelo
matemático:
𝐷𝑣𝑠 =14000.𝑄1
0.24
𝑛.ℎ0.12∗𝑁.𝑑0.6 (31)
Donde:
Dvs = Diámetro Sauter de las gotas asperjadas (μm)
d= Diámetro del disco atomizador (m)
h= Altura del aspa (m)
N= Velocidad (rpm)
Q1= Flujo másico (kg/h)
n= Número de aspas
El dimensionamiento de la cámara se realizará en función del diámetro de la gota; es decir, el
diámetro dentro del cual se encuentra el 95% de la nube asperjada, de tal forma que se garantiza
que una gota de éste tamaño se seque antes de llegar a la pared de la cámara, entonces el 95% de
la nube también lo hará, por lo tanto: [19]
𝐷95 = 1,4𝐷𝑣𝑠 (32)
1.4.2.2. Evaporación de una gota bajo condiciones despreciables de velocidad relativa. La
correlación de transferencia de calor que relaciona el número de Nusselt con los números de
Prandlt y el de Reynolds para el flux alrededor de una esfera es:
𝑁𝑢 = 2 + 0,6𝑅𝑒1
2𝑃𝑟1
2 (33)
Donde:
Re = Número de Reynolds
Pr = Número de Prandtl
El número de Reynolds es igual a:
𝑅𝑒 =𝐷𝑔𝑉𝑟𝑒𝑡
𝑣 (34)
18
Donde:
Dg= Diámetro de la gota
𝑉𝑟𝑒𝑙= Velocidad relativa de la gota con respecto al aire
𝑣 = Viscosidad cinemática del fluido
Como la velocidad relativa de la gota con respecto al aire (Vrel) es despreciable el número de
Reynolds queda:
𝑅𝑒 = 0
Por lo tanto el número de Nusselt es igual a: [20]
𝑁𝑢 = 2
En el caso de geometrías similares, las correlaciones de trasferencia de calor y de masa son
análogas. Si existe una correlación de transferencia de calor para el número de Nusselt, se puede
estimar el coeficiente de transferencia de masa sustituyendo los números de Nusselt y de Prandlt
en esa correlación por los números de Sherwood y de Shmidt, respectivamente:
𝑆ℎ − −→ 𝑁𝑢
𝑆𝑐 − −→ 𝑃𝑟
Por lo tanto la correlación para la transferencia de masa en el caso de flux alrededor de un gránulo
esférico es análoga a la dada para la transferencia de calor, es decir:
𝑆𝑐 = 2 + 0,6 ∗ 𝑅𝑒1
2 ∗ 𝑆𝑐1
3 (35)
Esta relación se conoce como correlación de Frössling.
Análogamente por el número de Reynolds igual a cero: [21]
𝑆𝑐 = 2
19
La velocidad de evaporación (dW/dt) en términos de transferencia de masa puede ser expresado
de las siguientes ecuaciones:
𝑑𝑤
𝑑𝑡= 𝐾𝑔. 𝐴. (p𝑤𝐵 − p𝑎) (36)
Donde:
w = Humedad (kg)
t = Tiempo (s)
Kg = Coeficiente de transferencia de masa (kg/m2.s.kPa)
A= Área de la gota (m2)
pwB = Presión de vapor de agua a la temperatura de la superficie saturada de la gota (kPa)
pa = Presión parcial de vapor del aire envolvente (kPa)
Para el equilibrio dinámico, la velocidad de transferencia de calor es igual a la multiplicación de
la velocidad de transferencia de masa y el calor latente de vaporización: [22]
𝑑𝑄
𝑑𝑡= ℎ𝑐. 𝐴. (𝑇𝑎 − 𝑇𝑤𝐵) = 𝜆
𝑑𝑤
𝑑𝑡 (37)
Donde:
Q = Calor (kJ)
t = Tiempo (s)
hc = Coeficiente de transferencia de calor (kJ/s.m2.K)
A= Área de la gota (m2)
TwB = Temperatura de la superficie saturada de la gota (°C)
Ta = Temperatura del aire envolvente (°C)
𝜆 = Calor latente de vaporización (J/kg)
Además como Nusselt es igual a 2:
ℎ𝑐 = 2𝐾𝑑/𝐷 (38)
𝐴 = 2𝜋𝐷2 (39)
20
Entonces:
𝑑𝑤
𝑑𝑡=
2𝜋𝐷𝐾𝑑
𝜆(𝑇𝑎 − 𝑇𝑠) (40)
Donde:
D= Diámetro de la gota (m)
Kd = Conductividad térmica media de la película gaseosa alrededor de la gota (W/m.K)
λ = Calor latente de vaporización (J/kg)
Ta= Temperatura del aire (°C)
Ts= Temperatura de la superficie de la gota (°C)
∆T es la diferencia de temperatura media entre la superficie de la gota y el aire que le rodea. Lo
mejor es aplicar la diferencia media logarítmica de temperatura (LMTD) definida como: [23]
𝐿𝑀𝑇𝐷 =∆𝑇𝑜−∆𝑇1
2,303𝑙𝑜𝑔10(∆𝑇𝑜
∆𝑇1) (41)
Donde:
∆𝑇𝑜= Diferencia de temperatura entra la gota y el aire a condiciones de entrada.
∆𝑇1= Diferencia de temperatura entra la gota y el aire en condiciones de salida.
La conductividad térmica de la película de aire varía con respecto a la temperatura, cabe
mencionar que la conductividad térmica se evalúa a una temperatura promedio entre la
temperatura del aire y la temperatura superficial de la gota.
El tiempo de evaporación puede ser deducido de un balance de calor sobre la gota de aspersión.
𝑊 =𝜋𝐷3𝜌𝑙
6 (42)
Donde:
w = Humedad (kg)
ρ𝐿= Densidad del líquido (kg/m3)
D= Diámetro de la gota (m)
21
Entonces integrando la ecuación 37:
∫ 𝑑𝑤𝑤2
𝑤1
2𝜋𝐷𝐾𝑑
𝜆(𝑇𝑎−𝑇𝑠)
= ∫ 𝑑𝑡𝑡
0 (43)
𝑡 =𝑊2−𝑊1
2𝜋𝐷𝐾𝑑
𝜆(∆𝑇)
(44)
Donde:
t = Tiempo (s)
𝑊2 = Contenido de humedad al comienzo del primer periodo (kg)
𝑊1= Contenido de humedad en el punto crítico (kg)
D= Diámetro inicial de la gota (m)
Kd = Conductividad térmica media de la película gaseosa alrededor de la gota (W/m.K)
∆𝑇= Diferencia de temperatura media entre la superficie de la gota y el aire que le rodea (°C)
λ = Calor latente de vaporización (J/kg)
Como se observa en la figura 7 el primer periodo de secado decae cuando el contenido de la
humedad de la gota se reduce a un valor crítico, caracterizado por la presencia inicial de la fase
sólida formándose en la superficie de la gota.
FUENTE: ORNA, Javier. Estandarización del diseño de secaderos por aspersión de materiales
pastosos. Tesis de Ingeniería. Facultad de Mecánica. Escuela Superior Politécnica de
Chimborazo, Riobamba, 2012. p.5
Figura 7. Curva de velocidad de secado
22
Luego sigue el periodo de caída de velocidad de secado donde la velocidad de evaporación
promedio es expresada con la siguiente expresión: [24]
𝑑𝑤´
𝑑𝑡=
−12𝐾𝑑
𝜆𝐷𝑐2𝜌𝑠(∆𝑇) (45)
Integrando la ecuación 45 se obtiene:
𝑡2 =𝑊´2−𝑊´1
−12𝐾𝑑
𝜆𝐷𝑐2𝜌𝑠(∆𝑇)
(46)
Donde:
t = Tiempo (s)
𝑊´2 = Contenido de humedad al comienzo del periodo de caída (kg)
𝑊´1= Contenido de humedad al final del periodo de caída (kg)
Kd = Conductividad térmica media de la película gaseosa alrededor de la gota (W/m.K)
∆𝑇= Diferencia de temperatura media entre la superficie de la gota y el aire que le rodea (°C)
λ = Calor latente de vaporización (J/kg)
Dc= Diámetro crítico de la gota (m)
𝜌s= Densidad del sólido (kg/m3)
1.4.3. Ecuaciones para la cámara de secado. El diseño de la cámara se lo puede hacer usando
las siguientes ecuaciones geométricas.
1.4.3.1. Cálculo del volumen del cono truncado
𝑉𝑐𝑜 =1
2𝜋 ∗ 𝐻𝑐𝑜(𝐷𝑖2+𝐷𝑡2 + 𝐷𝑖. 𝐷𝑡) (47)
Donde:
Hco= Altura del cono
Di= Diámetro interno mayor
Dt= Diámetro interno menor del cono truncado
23
1.4.3.2. Cálculo del volumen del cilindro
𝑉𝑐𝑖 =1
4𝜋. 𝐷𝑖2. ℎ𝑐𝑖 (48)
Donde:
Hci= Altura del cilindro
Dt se puede calcular según la siguiente ecuación:
𝐷𝑡 = 𝐷𝑖 − 2.𝐻𝑐𝑜
tan(𝛼) (49)
Donde:
𝛼 = Ángulo de depresión
1.4.3.3. Cálculo del volumen total
𝑉𝑡 = 𝑉𝑐𝑖 + 𝑉𝑐𝑜 (50)
Donde:
Vt = Volumen total
Vci= Volumen del cilindro
Vco= Volumen del cono truncado
Tabla 3. Relación entre altura y diámetro para la cámara de secado
Cámara de secado/atomizador
Combinación
H:D (altura cilindro/ diámetro
cámara)
Flujo en paralelo/rotatorio 0,6:1 a 1:1
Flujo paralelo / boquilla atomizadora en la cima 3:1 a 4:1
Boquilla atomizadora en contracorriente 3:1 a 5:1
Flujo mezclado (fuente) boquilla atomizadora 1:1 a 1,5:1
Flujo mezclado (lecho fluidizado) 0,15:1 a 0,4:1
FUENTE: MASTERS, Keith. Spray drying Handbook. Editorial Longman scientific & technical
1991, California, p.57.
24
1.4.4. Diseño del ciclón
FUENTE: SINNOTT, R,K,. Coulson and Richardson's Chemical Engineering. 4th edición. Vol
6. Editorial Elsevier. Swansea, 2005, p.451.
Figura 8.Ciclón de flujo reverso
“Los ciclones son el tipo principal de separadores sólido - gas que emplean la fuerza centrífuga,
y se emplea ampliamente. Los ciclones son adecuados para la separación de partículas por encima
de 5 µm de diámetro; partículas más pequeñas, por debajo de unos 0,5 µm, se pueden separar si
pueden aglomerarse.
El diseño más comúnmente usado es el ciclón de circulación inversa . En un ciclón de circulación
inversa el gas entra por la parte superior de la cámara tangencialmente y baja en forma de espiral
hasta el vértice de la sección cónica; entonces asciende en una espiral de diámetro inferior y sale
por la parte superior a través de una tubería vertical central. Los sólidos se mueven radialmente
hacia las paredes, descienden resbalando por las paredes y se recogen en el fondo.
Stairmand desarrolló dos diseños estándares para los ciclones sólido – gas.
25
Figura 9. Dimensión de un ciclón estándar (a) Ciclón de alta eficiencia (b) Ciclón para altos
caudales
Las curvas de rendimiento para estos diseños, obtenidas experimentalmente bajo condiciones de
ensayo estándares son las siguientes:
Figura 10. Condiciones estándar de curvas características para ciclón de alta eficiencia
26
Figura 11. Condiciones estándar de curvas características para ciclón de altos caudales
Estas curvas se pueden transformar para otros tamaños de ciclones y condiciones de operación
por el uso de la siguiente ecuación de escalado, para una eficacia de separación dada:
𝑑2 = 𝑑1 [(𝐷𝑐2
𝐷𝑐1)
3∗
𝑄1
𝑄2∗
Δ𝜌1
Δ𝜌2∗
𝑢2
𝑢1]
1 2⁄
(51)
Donde:
𝑑1 = Diámetro de partícula separada a las condiciones estándar, a la eficiencia de separación
elegida
𝑑2 = Diámetro de la partícula separada en el diseño propuesto a la misma eficiencia de separación
𝐷𝑐1 =Diámetro del ciclón estándar: 8 pulgadas (203 mm)
𝐷𝑐2= Diámetro del ciclón propuesto, mm
𝑄1 = Caudal estándar: - de alta eficiencia en el diseño = 223 𝑚3/ h.
- de alto rendimiento de diseño = 669 𝑚3/ h
𝑄2 = Caudal propuesto, 𝑚3/ h
Δ𝜌1 = Diferencia de densidad fluido-sólido en condiciones estándar = 2000 kg / 𝑚3
Δ𝜌2 = Diferencia de densidad, diseño propuesto
𝑢1 = Viscosidad del fluido de prueba (de aire a 1 atm, 20 ºC) =0,018 mN s/𝑚2
𝑢2 = Viscosidad, líquido propuesto
Se puede dibujar una curva de rendimiento para el diseño propuesto a partir de las curvas de
eficiencia multiplicando el diámetro a cada 10 % de incremento del grado de eficacia, por el factor
27
de escalado dado por la ecuación de escalado.
Figura 12. Curva de rendimiento del escalado
El ciclón se debería de diseñar para obtener una velocidad de entrada entre 9 y 27 m/s (30 a 90
ft/s); la velocidad de entrada óptima se encuentra a los 15 m/s (50 ft/s).” [25]
28
2. METODOLOGÍA
El presente capítulo establece la metodología empleada, para efectuar la investigación propuesta.
Se detalla los pasos a seguir para la obtención del extracto de estevia a partir de sus hojas secas,
su atomización y caracterización. Se usó el Laboratorio de Operaciones Unitarias, Fenómenos de
Transporte, Investigación, y Catálisis de la Facultad de Ingeniería Química de la Universidad
Central del Ecuador.
2.1. Preparación de la solución de estevia.
Materiales y equipos
Colador
Tela de Filtración
Termómetro Rango: 0 – 100 ºC Ap: ±1 ºC
Agitador
Reverbero
Recipiente V: 10 L
Sustancias y reactivos
Hojas de estevia
Agua H2O (l)
Carbonato de calcio CaCO3 (s)
Hidróxido de calcio Ca(OH)2 (s)
Ácido cítrico C6H8O7 (s)
2.1.3. Procedimiento de preparación de solución de estevia. Se coloca en un recipiente 3000 g
de hojas de estevia junto con 150 g de carbonato de calcio y 21 L de agua potable cuya densidad
a 20,8 °C es 0,998035 g/ml, se procede a mezclar bien con una varilla de vidrio para disolver el
carbonato de calcio, posteriormente se deja reposar durante 24 horas, pasadas las 24 horas poner
a calentar la mezcla a una temperatura de 70 °C durante 30 minutos.
29
Dejar enfriar por 15 minutos aproximadamente. Para proceder con la primera clarificación pasar
la mezcla por un tamiz (colador), posteriormente pasar la fase liquida por una manta de filtrar con
el fin de obtener un líquido más puro, consecutivamente pasar la fase sólida retenida en el tamiz
en la manta de filtrar para extraer la mayor cantidad de extracto contenido en la mezcla.
Pesar 300 g de hidróxido de calcio y adicionar al líquido obtenido en el filtrado con el fin de
conseguir un precipitado donde se remueven los compuestos orgánicos, bases orgánicas, sales
inorgánicas, fenol, sustancias derivadas de la fotosíntesis, proteínas, aminoácidos, entre otros, y
dejar en reposo por 12 horas. [26]
Adicionar 300 g de ácido cítrico y con un agitador mezclar para disolver el ácido y dejar en reposo
por 48 horas, para sedimentar los compuestos orgánicos. Posteriormente decantar y tomar una
muestra para llevarla al refractómetro para medir los grados Brix y luego medir su Ph. (Ver
ANEXO A)
2.1.4. Flujograma del procedimiento de obtención de la solución de estevia
Figura 13. Procedimiento de obtención de solución de estevia a partir de sus hojas secas
2.2. Obtención del extracto en polvo de estevia
2.2.1. Condiciones de trabajo
Cantidad de solución de estevia por muestra: 250 ml
Recepción
Hojas de estevia
seca
Pesaje Mezcla3000g
150g CaCO3
21L H2O
Reposo Calentamiento
1 día
∆
70°C
30min
Tamizado
FiltradoExtractoReposo Extracto
Residuo
300g CaOH
12 horas
300gC6H8O7
Reposo 48 horas
DecantaciónSolución
Residuo
30
Densidad de la solución: 1,0127 g/ml (Obtención por el método del picnómetro)
Temperatura de aire de entrada al secador piloto: T= 160 °C, 170 °C, 180 °C
Caudal de la bomba peristáltica: 8,6 mm/min (Ver ANEXO F)
Cantidad de maltodextrina: C6nH(10n+2)O(5n+1)= (1,7075; 2,562; 5,125) g
2.2.2. Materiales
Vaso de precipitación V: 50 mL Ap. ± 10 mL
Vaso de precipitación V: 100 mL Ap. ± 20 mL
Agitador (varilla de vidrio)
2.2.3. Sustancias y reactivos
Maltodextrina C6nH(10n+2)O(5n+1)
2.2.4. Equipos
Unidad piloto de secador por atomización LabPlant SD-Basic
Balanza analítica R: (0 – 210) g Ap ± 0,1
2.2.5. Procedimiento de la obtención del extracto en polvo de estevia
a) Encender el equipo de secado por atomización. (Ver ANEXO C)
b) A una velocidad constante de aire de entrada de 0,19 dm3/s.
c) Fijar una temperatura de aire de entrada 160 °C.
d) Encerar la balanza analítica.
e) Pesar el vaso recolector de solidos del equipo.
f) Pesar 250 g de la solución de estevia en un vaso de precipitación.
g) Preparar un solución de (1,34) % p/p de maltodextrina en la solución de estevia.
h) Colocar la manguera de alimentación del secador piloto dentro del vaso de la solución de
estevia.
i) Pesar la cantidad recogida de extracto de polvo del vaso recolector de sólidos.
j) Recolectar el polvo obtenido, y registrar valores.
k) Realizar dos replicas variando la temperatura de entrada (170 °C, 180 °C) para diferentes
concentraciones de maltodextrina ( 2,008; 3,938) %p/p.
31
2.2.6. Flujograma del procedimiento de obtención del extracto en polvo de estevia
ENCENDIDO DEL
EQUIPO
Fijar flujo de aire
Fijar temperatura de aire
a la entrada del secador
Fija velocidad de la
bomba de aspersión
Solución de estevia
Iniciar bombeo de la
solución concentrada
Pesar extracto de polvo
de estevia obtenido
Maltodextrina
adicionar
Proceso
a una
Figura 14. Procedimiento de obtención del extracto en polvo de estevia
2.3. Descripción del equipo
Equipo empleado: SD-BASIC SPRAY DRYER (Secador por Atomización) LabPlant. (Ver
ANEXO D y E)
2.3.1. Variables propias del secador por atomización. En el equipo se pueden manipular las
siguientes variables:
• Temperatura de entrada (ºC): es la temperatura a la cual el aire entra a la boquilla atomizadora.
• Caudal de la bomba peristáltica (ml/min) para la alimentación.
• Alimentación (ml): impulsado por una bomba peristáltica y luego llevado a la boquilla
atomizadora por medio de una manguera.
32
• Flujo de aire de entrada: caudal de aire empleado para la atomización se lo regula desde el
compresor.
2.3.2. Descripción del proceso de secado. El proceso de secado se llevará a cabo en un secador
por atomización piloto. En este equipo las variables importantes son la temperatura de entrada de
aire, los flujos de la suspensión y del aire, ya que éstos fijaran las condiciones de salida del polvo
de extracto de estevia, como son el porcentaje de humedad con el cual salen del secador y como
el tamaño de partícula.
2.4. Determinación de las propiedades físicas y químicas de la solución de estevia y del
producto obtenido
Ver ANEXO B para los equipos usados en la caracterización de la solución de estevia y su
extracto en polvo.
2.4.1. Densidad de la solución de estevia. Se utilizó el método del picnómetro, para lo cual se
requirió determinar los pesos de picnómetro vacío, picnómetro más agua, picnómetro más estevia,
posteriormente se procedió a los cálculos respectivos, este proceso fue realizado en el laboratorio
de Petroecuador del Beaterio.
2.4.2. Viscosidad de la solución de estevia. Se utilizó el reómetro RHEOPLUS PHYSICA MRC
301 se encuentra en el laboratorio de Fenómenos de Transporte en la Facultad de Ingeniería
Química de la Universidad Central del Ecuador. (Ver ANEXO G)
2.4.3. °Brix de la solución de estevia. Se utilizó el refractómetro VEE GEE C10 para medir la
concentración de azúcar de la solución de Estevia preparada, que se encuentra en el laboratorio
de Investigación en la Facultad de Ingeniería Química de la Universidad Central del Ecuador.
2.4.4. pH de la solución de estevia. Se empleó el pH-metro METTLER TOLEDO que se
encuentra en el laboratorio de Investigación en la Facultad de Ingeniería Química de la
Universidad Central del Ecuador
2.4.5. Tamaño de partícula del extracto en polvo. Se empleó el analizador de tamaño y forma de
partícula CAMSIZER que se encuentra en el laboratorio de Catálisis en la Facultad de Ingeniería
Química de la Universidad Central del Ecuador.
33
2.4.6. Humedad del extracto en polvo. Se realizó este proceso en el laboratorio de Investigación
en la Facultad de Ingeniería Química de la Universidad Central del Ecuador.
2.4.6.1. Procedimiento de determinación de porcentaje de humedad
vasos de precipitación vacios
Estufa
Enfriamiento en desecador
Pesaje Peso Inicial + Vaso
Adicionar 2g de
polvo de extracto
de Estevia
Estufa
Desecador
Pesaje
Colocar en la
105°C 2horas
103°C 6horas
45 min
Determinar el porcentaje de
Humedad
Peso final + Vaso
Peso Inicial
Figura 15. Determinación de porcentaje de humedad
2.5. Variables y parámetros considerados para la experimentación con diseño experimental
final.
Los parámetros especificados en la tabla 4 se emplearon para determinar las mejores condiciones
experimentales de temperatura y concentración de maltodextrina.
34
Tabla 4. Parámetros experimentales para las mejores condiciones de temperatura de aire
de entrada y concentración de maltodextrina
Parámetros Cantidad Unidad
Volumen de la solución de
estevia
250 ml
Masa de maltodextrina
empleada
3,415 g
5,124
10,25
Flujo de aire 0,19 dm3/s
Caudal de bomba peristáltica 8,3 ml/min
Temperatura de la mezcla ambiente: 20 °C
Temperatura aire de entrada de
secado
160 °C
170
180
Tiempo de secado 40 min
2.6. Diseño experimental
Es necesario conocer qué variables influyen significativamente en el sistema y cómo afectan, una
vez que se definieron las variables y parámetros de toda la experimentación, se procedió a diseñar
un modelo experimental que permita determinar condiciones para optimizar propiedades
específicas en la determinación de temperatura y concentración de maltodextrina óptimas.
El diseño estadístico de experimentos contempla una amplia variedad de estrategias
experimentales que son óptimas para generar la información que se busca. La estrategia
seleccionada es, el diseño factorial completo 3k que es la estrategia experimental óptima que
describe los experimentos más adecuados para conocer simultáneamente qué efecto tienen 2
factores (temperatura de entrada de aire y concentración de maltodextrina) sobre dos respuestas
(humedad y rendimiento) y descubrir si interaccionan entre ellos.
Se realizó un diseño factorial de 32 con dos replicas para lo cual se realizó una superficie respuesta
de dos factores, que permitió optimizar variables de interés como son la temperatura y
concentración de maltodextrina, lo cual se logró al determinar sus mejores condiciones de
operabilidad. Además se realizó un análisis de varianza (ANOVA) en el programa Statgraphics
que permitió determinar si las diferentes condiciones aplicadas muestran diferencias significativas
o por el contrario puede suponerse que sus medias poblacionales no difieren.
35
2.6.1. Combinación de condiciones
Ce
T3T2
Cm1 Cm3
T1
Cm2 Cm1 Cm3Cm2 Cm1 Cm3Cm2
Figura 16. Combinación de condiciones
Los niveles utilizados fueron tres: alto, medio y bajo
Tabla 5. Niveles y factores utilizados
FACTOR NIVEL
ALTO
NIVEL MEDIO NIVEL BAJO
Temperatura de aire
de entrada, °C
180 170 160
Cantidad de
maltodextrina (g) en
250 ml de estevia
10,25 5,124 3,415
2.6.2. Esquema de diseño f actorial
• Tiene tres niveles en cada factor, lo que permite la estimación de un modelo cuadrático
completo incluyendo las relaciones entre la respuesta y cada factor.
• Está constituido por puntos centrales, que sirve para examinar la presencia de curvatura, dar
información acerca de los cuadráticos y proporcionar una estimación de la magnitud del error
experimental; y puntos de superficie, de igual distancia del punto central.
• Permite tener una mayor precisión en la estimación de los efectos.
36
Figura 17. Esquema de diseño factorial
Tabla 6. Notaciones para la representación de los niveles
Bajo Medio Alto
0 1 2
37
3. DATOS
3.1. Composición del jugo de estevia
Los datos de la composición del jugo de estevia son tomados de la tesis de Edgar Razo.
Tabla 7. Composición del jugo de estevia
Parámetro Resultados
Proteína (%) 0,27
Grasa (%) 0,00
Fibra (%) 0,00
Carbohidratos (%) 0,24
Calorias (kcal/100g) 2,04
FUENTE: RAZO, Edgar. Tesis. Diseño de una planta piloto para la industrialización de estevia
en la comunidad Cueva de los monos, cantón Sacha, provincia de Orellana. Escuela Politécnica
Nacional, Facultad de Ingeniería Química y Agroindustrial, Quito, 2011. p.81.
3.2. Propiedades fisicoquímicas del jugo de estevia
Tabla 8. Propiedades fisicoquímicas de la solución de estevia
Propiedades
Fisicoquímicas
Estevia
Densidad 1,0127𝑔
𝑚𝑙
Viscosidad 1,16 cP
ºBrix 4,1
pH 5,12
38
Tabla 9. Propiedades fisicoquímicas de la solución estevia-maltodextrina 1:1
Propiedades
Fisicoquímicas
Estevia + Maltodextrina
(Relación 1:1)
Densidad 1,02𝑔
𝑚𝑙
Viscosidad 1,61 cP
ºBrix 8
pH 5,56
3.3. Relación de concentración de maltodextrina .
Se realizó esta relación para una cantidad de estevia constante 4.1 g en un volumen de solución
de estevia constante 250ml, variando la cantidad de maltodextrina en el secador piloto.
Tabla 10. Relación de cantidad de maltodextrina versus cantidad de estevia empleada en el
secador piloto
Relación maltodextrina: estevia Maltodextrina
(g)
Estevia
(g)
1/3 : 1 3,415 10,25
1/2 : 1 5,124 10,25
1 : 1 10,25 10,25
3.4. Datos para cálculo de rendimiento del extracto en polvo de estevia
Se emplea una solución que contiene 10.25g de estevia.
Tabla 11. Datos para cálculo de rendimiento
Temperatura
(°C)
Maltodextrina
(g)
Peso sólidos (g)
1 Replica
1
Replica
2
160 3,415 5,48 5,78 5,92
160 5,124 6,76 6,58 6,62
160 10,25 9,26 8,84 9,3
170 3,415 5,76 5,68 5,54
170 5,124 7,1 7,04 7,08
170 10,25 9,76 9,54 9,62
180 3,415 6,07 6 6,28
180 5,124 6,2 6,16 6,68
180 10,25 8,986 9,27 9,54
39
3.5. Datos para cálculo de humedad de los polvos de extracto de estevia
Tabla 12. Datos para el ensayo de humedad
Temperatura
°C
Maltodextrina
(g)
Peso inicial+Vaso (g) Peso final +Vaso (g)
1 Replica
1
Replica
2
1 Replica
1
Replica
2
160 3,415 33,48 32,62 32,36 33,3510 32,4684 32,1928
160 5,124 32,84 33,5 33,43 32,7316 33,3472 33,3230
160 10,25 33,7 32,25 33,91 33,6004 32,1688 33,8194
170 3,415 32,21 32,41 32,87 32,0376 32,3022 32,7188
170 5,124 32,7 33,88 33,98 32,5544 33,7794 33,8214
170 10,25 33,84 33,18 33,25 33,7228 33,0810 33,1004
180 3,415 33,76 32,43 32,95 33,6434 32,2968 32,7780
180 5,124 32,95 33,04 32,25 32,8376 32,9372 32,0998
180 10,25 32,24 32,2 32,25 32,1202 32,0886 32,1594
3.6. Distribución granulométrica para el cálculo del ciclón
Tabla 13. Distribución granulométrica para el cálculo del ciclón
Tamaño de
partícula, um
Distribución
Granulométrica
30 0,17
40 3,76
60 38,11
80 74,28
100 92,51
125 97,72
200 100,00
40
4. CÁLCULOS
4.1. Cálculo modelo para la determinación del rendimiento del extracto en polvo de estevia
Se hace un cálculo modelo para la muestra que tiene una relación maltodextrina-estevia 1/3 : 1 a
160 °C de aire de entrada.
𝑅 =𝑃𝑠∗𝑅𝑒
𝑃𝑒∗ 100 (52)
Donde:
R= Rendimiento. %
Ps= Peso sólidos secados por atomización. 5.48 g
Re= Relación estevia-sólidos. 3/4
Pe= Peso estevia inicial. 10,25
𝑅 = 40,1 %
4.2. Cálculo modelo para la determinación del porcentaje de humedad del extracto en polvo
de estevia
Se hace un cálculo modelo para la muestra que tiene una relación maltodextrina-estevia 1/3 : 1 a
160 °C de aire de entrada.
𝐻 =𝑃𝑖−𝑃𝑓
𝑃𝑜∗ 100 (53)
Donde:
H= Humedad, %
Pi= Peso inicial+vaso. 33,48 g
Pf=Peso final+vaso. 33,3510 g
Po=Peso inicial de polvo. 2 g
41
𝐻 = 6,45 %
4.3. Cálculo de densidad de la solución de estevia por el método del picnómetro
ρ =𝑃1−𝑃2
P3−𝑃2∗ ρ𝑎𝑔𝑢𝑎 (54)
Donde:
ρ= Densidad de la solución de estevia. g/ml
P1= Peso picnometro+solucion estevia. 60,8058 g
P2= Peso de picnometro vacio. 31,1503 g
P3= Peso de picnometro+agua. 60,3760 g
ρa= Densidad del agua a 20,8 °C. 0,9981 g/ml
ρ=1,0127 g/ml
4.4. Análisis de varianza.
Se seleccionó un nivel de significancia de 0,05 y se realizó una prueba de hipótesis usando el
programa Statgraphics. Se comparó el valor p de la prueba de ANOVA de dos factores con tres
niveles y dos replicas con el nivel de significancia.
El valor p indica la probabilidad de obtener nuestros resultados si la hipótesis nula es verdadera,
Si el valor p es menor o igual que el nivel de significancia, rechazamos la hipótesis nula y
concluimos que existe una diferencia entre las medias de los factores con los resultados.
Hipótesis:
Nula Ho:
X̅1=X̅2=X̅3
Alternativa HA:
X̅1≠X̅2≠X̅3
42
4.4.1. Análisis de varianza para humedad.
Tabla 14. Análisis de varianza para humedad
Fuente Suma de
cuadrados
Gl Cuadrado
medio
Razón-
F
Valor-P
A:Maltodextrina 16,82 1 16,82 13,11 0,0018
B:Temperatura 0,1426 1 0,1426 0,11 0,7425
AA 0,960037 1 0,960037 0,75 0,3979
AB 1,06489 1 1,06489 0,83 0,3738
BB 2,11227 1 2,11227 1,65 0,2150
Error total 24,384 19 1,28337
Total (corr,) 49,5247 26
Para el factor experimental de maltodextrina:
Como p =0,0018 < 0,05
"Por lo tanto se rechaza la hipótesis nula Ho y se acepta la hipótesis alternativa, es decir que
la concentración de maltodextrina interfiere significativamente en los resultados de humedad
obtenidos".
Para el factor experimental de temperatura:
Como p=0,7425 > 0,05
"Por lo tanto se acepta la hipótesis nula Ho y se descarta la hipótesis alternativa, es decir que
la temperatura de secado no interfiere significativamente en los resultados de humedad
obtenidos".
4.4.2. Análisis de Varianza para rendimiento
Tabla 15. Análisis de varianza para rendimiento
Fuente Suma de
cuadrados
Gl Cuadrado
medio
Razón-
F
Valor-P
A:Maltodextrina 37,7163 1 37,7163 10,34 0,0046
B:Temperatura 0,789736 1 0,789736 0,22 0,6470
AA 0,0514864 1 0,0514864 0,01 0,9067
AB 0,65534 1 0,65534 0,18 0,6764
BB 10,4753 1 10,4753 2,87 0,1065
Error total 69,2967 19 3,64719
Total (corr,) 127,499 26
43
Para el factor experimental de maltodextrina:
Como p =0,0046 < 0,05
"Por lo tanto se rechaza la hipótesis nula Ho y se acepta la hipótesis alternativa, es decir que
la concentración de maltodextrina interfiere significativamente en los resultados obtenidos de
rendimiento"
Para el factor experimental de temperatura:
Como p=0,6470 > 0,05 No rechazar Ho
"Por lo tanto se acepta la hipótesis nula Ho y se descarta la hipótesis alternativa, es decir que
la temperatura del aire de secado no interfiere significativamente en los resultados obtenidos
de rendimiento".
4.5. Cálculo del secador por atomización
Para el diseño se usó una base de cálculo de 100 kg/h de alimentación y el producto contenga un
5% de agua. Se usó los datos óptimos de la experimentación en la unidad piloto, que son
temperatura de aire de entrada a 170°C y una concentración de maltodextrina del 3,938%.
Figura 18. Diagrama cuantitativo del proceso de secado
44
4.5.1. Cálculo de la humedad del aire en la salida
𝑥𝑎2 =[𝐻𝑎1 − ℎ𝑎𝑎2](𝑥𝑠1 − 𝑥𝑠2) + 𝑥𝑎1(𝐻𝑠2 − 𝐻𝑠1)
[haw2 + λo](xs1 − xs2) + (Hs2 − Hs1)
Donde:
Ha1= 206,27 kJ/kg
haa2= Entalpía especifica del aire seco en la salida. 72,3097 kJ/kg
Ta2= Temperatura de salida del aire. 72 °C
To= Temperatura de referencia. 0 °C
xs1= Humedad de la alimentación. 11,69 (kg agua/kg sólidos)
xs2= Humedad del producto. 0,053 (kg agua/kg sólidos)
xa1=Humedad del aire. 0,0121 (kg agua/ kg aire seco)
𝐻𝑠2= 146,23 kJ/kg
𝐻𝑠1= 1021,76 kJ/kg
haw2= Entalpía especifica del vapor de agua del aire en la salida. 134,88 kJ/kg
λo= Calor latente de vaporización. 2502,53 kJ/kg
𝑋𝑎2 = 0,052 kg H2O/ kg aire seco
4.5.2. Cálculo del flujo másico de aire seco
𝑚𝑎𝑎 = 𝑚𝑠𝑠 ∗𝑥𝑆1 − 𝑥𝑆2
𝑥𝑎1 − 𝑥𝑎2
Donde:
mss= Flujo de masa de sólidos secos. 7,87 kg/h
xs1= Humedad de la alimentación. 11,69 kg agua/kg sólidos
xs2= Humedad en el producto. 0,053 kg agua/kg sólidos
xa1= Humedad del aire en la entrada. 0,0121 kg agua/ kg aire seco
xa2= Humedad del aire en la salida. 0,052 kg agua/ kg aire seco
𝑚𝑎𝑎 = 2303 𝑘𝑔/ℎ
45
4.5.3. Cálculo del tiempo de secado. El equipo emplea un secado en flujo paralelo, donde el
producto a secar y el aire van en la misma dirección, Este tipo de secado es ideal para productos
termo-sensibles ya que la temperatura del producto disminuye notablemente cuando entra al
ciclón o recolector, que es indispensable para que el producto no siga incrementando su
temperatura y posteriormente pierda las características deseadas.
Según el flujo de alimentación, la viscosidad y el diámetro de partícula que se obtiene en el
producto final se escoge la boquilla del atomizador, Se escoge un atomizador rotatorio ya que la
velocidad de rotación de la rueda se puede ajustar para variar el tamaño de gota promedio, es de
capacidad flexible y maneja grandes cantidades, soporta concentrados de viscosidad alta y baja.
Las especificaciones de la boquilla Rotatoria son: (Ver ANEXO H)
Tabla 16. Especificación de la boquilla rotatoria
Descripción Valor
Tipo de boquilla Rotatoria
Diámetro (mm) 230
Velocidad (rpm) 12000
Altura de las aspas (mm) 22
Número de aspas 18
4.5.3.1. Cálculo del diámetro de Sauter
𝐷𝑣𝑠 =14000. 𝑄1
0,24
𝑛. ℎ0,12. 𝑁. 𝑑0,6
Donde:
Dvs = Diámetro Sauter de las gotas asperjadas μm
d= Diámetro del disco atomizador. 0,23 m
h= Altura del aspa.0,022 m
N= Velocidad. 12000 rpm
Q1= flujo másico. 100 kg/h
n= número de aspas. 18
Dvs= 407 um
46
𝐷95 = 1,4 𝐷𝑣𝑠
𝐷95 = 569 𝑢𝑚
4.5.3.2. Cálculo de la temperatura de la gota durante el proceso de secado. Según Ranz y
Marshall que mostraron que la temperatura de la superficie de la gota durante este periodo puede
ser comparada con la de la solución saturada. Para lo cual en la en la carta psicométrica se traza
una curva de saturación adiabática a través de las condiciones del aire de secado. La intersección
con la curva de presión de vapor de la solución saturada estima la temperatura de la superficie de
la gota conteniendo sólidos disueltos. [27]
De la ecuación psicométrica tenemos:
𝑡𝑤 = 𝑡 −(𝑝𝑤∗ − 𝑝𝑣)
0,5 (55)
Donde:
𝑝𝑤∗= Presión de vapor de saturación a la temperatura de bulbo húmedo. 72,714 mmHg
𝑝𝑣= Presión de vapor de agua en la mezcla de aire de entrada. 10,352 mmHg
t= Temperatura de bulbo seco. 170 °C
𝑡𝑤 = 45,27 º𝐶
4.5.3.3. Cálculo de la temperatura del aire en el punto crítico del proceso de secado. Según
Masters se puede considerar que en el punto crítico se obtiene al 50% de humedad de la gota.
[28]
De la ecuación psicométrica tenemos:
𝑡𝑐 = 𝑡 −(𝑝 − 𝑝𝑣)
0,5
Donde:
p= Presión parcial de vapor de agua en la mezcla de aire (al 50 % de humedad). 26,67 mmHg
𝑝𝑣= Presión de vapor de agua en la mezcla de aire de entrada. 10,352 mmHg
47
t= Temperatura de bulbo seco. 170 °C
𝑡𝑐 = 137,35 º𝐶
4.5.3.4. Cálculo de la temperatura del aire en la salida.
𝑡𝑠 = 𝑡 −(𝑝 − 𝑝𝑣)
0,5
Donde:
p= Presión parcial de vapor de agua en la mezcla de aire (a la humedad del aire de salida).
41,87 mmHg
𝑝𝑣= Presión de vapor de agua en la mezcla de aire de entrada. 10,352 mmHg
t= Temperatura de bulbo seco. 170 °C
𝑡𝑠 = 106,95 º𝐶
4.5.3.5. Cálculo de la diferencia media logarítmica de temperatura (LMTD) en el primer
periodo
𝐿𝑀𝑇𝐷 =∆𝑇𝑜 − ∆𝑇1
2,303𝑙𝑜𝑔10(∆𝑇𝑜∆𝑇1
)
Donde:
∆𝑇𝑜= Diferencia de temperatura entra la gota y el aire a condiciones de entrada. 124,72 °C
∆𝑇1= Diferencia de temperatura entra la gota y el aire en condiciones críticas. 92,07 °C
𝐿𝑀𝑇𝐷 = 107,55 °C
4.5.3.6. Cálculo de la velocidad de evaporación del agua por gota en el primer periodo de secado
𝑑𝑤
𝑑𝑡=
2𝜋𝐷𝐾𝑑
𝜆(𝑇𝑎 − 𝑇𝑠)
48
Donde:
D= Diámetro medio de la gota. 3,194E-04 m
Kd = Conductividad térmica media de la película gaseosa alrededor de la gota (agua a 45 °C).
0,6465 W/m.K
λ = Calor latente de vaporización. 2256219 J/kg
∆T= Diferencia media logarítmica de temperatura. 107,55 K
𝑑𝑤/𝑑𝑡 = 6,185𝐸 − 0,8 kg/s
4.5.3.7. Cálculo de la masa de agua inicial por gota
𝑊𝑜 =100 − %𝑠𝑎
100∗
4𝜋(𝐷𝑜2
)3𝜌𝑙
3
Donde:
%𝑠𝑎= Concentración de sólidos en la alimentación. 7,8
Do= Diámetro inicial de la gota. 5,69E-04 m
ρl= Densidad del líquido. 1020 kg/m3 (Tabla 9)
Wo=9,10𝐸 − 08 𝑘𝑔
4.5.3.8. Cálculo de la masa inicial de sólidos por gota
𝑊𝑠 =%𝑠𝑎
100∗
4𝜋(𝐷𝑜2
)3𝜌𝑙
3
Donde:
%𝑠𝑎= Concentración de sólidos en la alimentación. 7,8
Do= Diámetro inicial de la gota. 5,69E-04 m
ρl= Densidad del líquido. 1020 kg/m3 (Tabla 9)
Ws=7,78𝐸 − 09 𝑘𝑔
49
4.5.3.9. Cálculo de la masa de agua por gota en el punto crítico
Wc = Ws ∗ xc
Donde:
𝑊𝑠= Masa de sólidos inicial por gota. 7,78E-09 kg
xc= Humedad crítica. (50 kg agua)/(50 kg sólido)
𝑊𝑐 = 7,78𝐸 − 09 𝑘𝑔
4.5.3.10. Cálculo de la masa de agua removida por gota.
𝑊𝑟 = 𝑊𝑜 − 𝑊𝑐
Donde:
𝑊𝑜= Masa de agua inicial por gota. 9,10E-08 kg
Wc= Masa de agua por gota en el punto crítico. 7,78E-09 kg
𝑊𝑟 = 8,32𝐸 − 08 kg
4.5.3.11. Cálculo del tiempo en el primer periodo de secado
𝑡1 =𝑊𝑟
𝑑𝑤/𝑑𝑡
Donde:
Wr= Masa de agua removida por gota. 8,32𝐸 − 08 kg
dw/dt = Velocidad de evaporación del agua por gota en el primer periodo de secado. 6,185E-08
kg/s
𝑡1 = 1,34 𝑠
50
4.5.3.12. Cálculo de la diferencia media logarítmica de temperatura (LMTD) en el periodo de
caída
𝐿𝑀𝑇𝐷 =∆𝑇1 − ∆𝑇2
2,303𝑙𝑜𝑔10(∆𝑇𝑜∆𝑇1
)
Donde:
∆𝑇1= Diferencia de temperatura entra la gota y el aire en condiciones críticas. 92,07 °C
∆𝑇2= Diferencia de temperatura entra la gota y el aire a condiciones de salida. 60,72 ºC
𝐿𝑀𝑇𝐷 = 75,29 °𝐶
4.5.3.13. Cálculo de la velocidad de transferencia de masa en el periodo de caída
𝑑𝑤
𝑑𝑡=
−12𝐾𝑑
𝜆𝐷𝑐2𝜌𝑠(∆𝑇) ∗ 𝑊𝑠
Donde:
Dc= Diámetro crítico de la gota (ANEXO J). 6,9E-05 m
Kd = Conductividad térmica media de la película gaseosa alrededor de la gota (106°C aire). 0,032
W/m.K
λ = Calor latente de vaporización. 2256219 J/kg
∆T= Diferencia media logarítmica de temperatura. 75,29 °C
ρs= Densidad del sólido. 750 kg/m3
𝑊𝑠= Masa de sólidos inicial por gota. 7,78E-09 kg
𝑑𝑤
𝑑𝑡= 2,793𝐸 − 08
kg humedad
s
4.5.3.14. Cálculo de la masa de agua final por gota
𝑊𝑝 = 𝑊𝑠 ∗100% − %𝑠𝑎2
%𝑠𝑎2
Donde:
51
𝑊𝑠= Masa de sólidos inicial por gota. 7,78𝐸 − 09 𝑘𝑔
%sa2= Concentración de sólidos en el producto. 95%
𝑊𝑝 = 4,096𝐸 − 10 kg
4.5.3.15. Cálculo de la masa de agua removida por gota en el periodo de caída
𝑊𝑓 = 𝑊𝑐 − 𝑊𝑝
Donde:
Wc= Masa de agua por gota en el punto crítico. 7,78E-09 kg
Wp= Masa de agua final por gota. 4,096E-10 kg
𝑊𝑓 = 7,372𝐸 − 09 𝑘𝑔
4.5.3.16. Cálculo del tiempo en el segundo periodo de secado
𝑡2 =𝑊𝑓
𝑑𝑤/𝑑𝑡
Donde:
Wf= Masa de agua removida por gota en el periodo de caída. 7,372E-09 kg
dw/dt = Velocidad de transferencia de masa en el segundo periodo de secado. 2,793E-08 kg/s
𝑡 = 0,26 𝑠
4.5.3.17. Cálculo del tiempo total de secado
𝑡𝑓 = (𝑡1 + 𝑡2)
Donde:
t1= Tiempo en el primer periodo de secado. 1,34 s
t2= Tiempo en el segundo periodo de secado. 0,26 s
52
𝑡𝑓 = 1,60 𝑠
4.5.3.18. Cálculo del tiempo total de residencia
𝑡𝑓 = (𝑡1 + 𝑡2) ∗ 𝑓𝑟
Donde:
t1= Tiempo en el primer periodo de secado. 1,09 s
t2= Tiempo en el segundo periodo de secado. 0,36 s
fr= Factor de seguridad (para que el tiempo de secado sea menor al tiempo de residencia). 2
𝑡𝑓 = 3,2 𝑠 ≈ 3 s
4.5.4. Dimensionamiento del secador por atomización
Relación Hci/Di=1 (Tabla 3)
Relación Hco/Di=0,65
𝛼 = 60°
4.5.4.1. Cálculo del volumen del secador por atomización
𝑉𝑡 = 𝑚𝑎𝑎 ∗ 𝑡𝑠
Donde:
Vt= Volumen de la cámara de secado. m3
maa= Caudal de la masa de aire. 0,531 m3/s
ts= Tiempo de secado. 3 s
𝑉𝑡 = 1,594 𝑚3
53
4.5.4.2. Cálculo del volumen del cono truncado
𝑉𝑐𝑜 =1
2𝜋 ∗ 𝐻𝑐𝑜(𝐷𝑖2+𝐷𝑡2 + 𝐷𝑖. 𝐷𝑡)
Donde:
Hco= Altura del cono. 0,757 m
Hci= Altura del cilindro. 1,164 m
Di= Diámetro interno mayor. 1,164 m
Dt= Diámetro interno menor del cono truncado. 0,290 m
𝑉𝑐𝑜 = 0,353 𝑚3
4.5.4.3. Cálculo del volumen del cilindro
𝑉𝑐𝑖 =1
4𝜋. 𝐷𝑖2. ℎ𝑐𝑖
Donde:
Di= Diámetro interno. 1,164 m
Hci= Altura del cilindro. 1,164 m
𝑉𝑐𝑖 = 1,241 𝑚3
4.5.4.4. Cálculo del volumen total
𝑉𝑡 = 𝑉𝑐𝑖 + 𝑉𝑐𝑜
Donde:
Vci= Volumen del cilindro. 1,241 m3
Vco= volumen del cono truncado. 0,353 m3
𝑉𝑡 = 1,594 𝑚3
54
4.6. Cálculo del ciclón
Según la distribución granulométrica de la tabla 13, el 3,76 % de las partículas son menores a 40
µm. Por lo tanto, se escoge el diseño del ciclón para altos caudales que permite un gran grado de
eficiencia cercano al 100% como muestra la figura 11.
4.6.1. Cálculo del área del ducto de entrada del ciclón
𝐴 = 𝑄/𝑣
Donde:
Q= Caudal de aire. 0,5314 m3/s
v= Velocidad del aire. 15 m/s
A = 0,0354 𝑚2
4.6.2. Cálculo de las dimensiones del ciclón
De la Figura 9 b, el área del ducto = 0,5𝐷𝑐 ∗ 0,2𝐷𝑐
Entonces:
𝐷𝑐 = 0,355 𝑚
0,75 ∗ 𝐷𝑐 = 0,266 𝑚
0,375 ∗ 𝐷𝑐 = 0,133 𝑚
0,125 ∗ 𝐷𝑐 = 0,044 𝑚
1,5 ∗ 𝐷𝑐 = 0,532 𝑚
2,5 ∗ 𝐷𝑐 = 0,887 𝑚
55
0,875 ∗ 𝐷𝑐 = 0,310 𝑚
4.6.3. Cálculo del Factor de escalamiento
𝑓 = [(𝐷𝑐2
𝐷𝑐1)
3
∗𝑄1
𝑄2∗
Δ𝜌1
Δ𝜌2∗
𝑢2
𝑢1]
1 2⁄
Donde:
𝐷𝑐1 =Diámetro del ciclón estándar. 0,203 m
𝐷𝑐2= Diámetro del ciclón propuesto. 0,355 m
𝑄1 = Caudal estándar de alto rendimiento. 669 𝑚3/ h
𝑄2 = Caudal propuesto. 1913 𝑚3/ h
Δ𝜌1 = Diferencia de densidad fluido-sólido en condiciones estándar. 2000 kg / 𝑚3
Δ𝜌2 = Diferencia de densidad diseño propuesto. 599,27 kg / m3
𝑢1 = Viscosidad del fluido de prueba (de aire a 1 atm, 20ºC). 0,018 mN s/𝑚2
𝑢2 = Viscosidad, líquido propuesto aire a 106°C. 0,022 mN s/m2
f= 2,68
Los resultados de eficiencia usando el factor de escalamiento con la Figura 11, se indican en la
tabla 22.
56
5. RESULTADOS
5.1. Resultados del ensayo de humedad
Tabla 17. Resultados del ensayo de humedad
Temperatura °C Maltodextrina
(g)
Humedad %
1 Replica 1 Replica 2
160 3,415 6,45 7,58 8,36
160 5,124 5,42 7,64 5,35
160 10,25 4,98 4,06 4,53
170 3,415 8,62 5,39 7,56
170 5,124 7,28 5,03 7,93
170 10,25 5,86 4,95 7,48
180 3,415 5,83 6,66 8,6
180 5,124 5,62 5,14 7,51
180 10,25 5,99 5,57 4,53
5.2. Resultados de determinación de rendimiento
Tabla 18. Resultados de rendimiento
Temperatura
°C
Maltodextrina
(g)
Rendimiento %
1 Replica
1
Replica
2
160 3,415 40,102 42,298 43,322
160 5,124 43,970 42,800 43,060
160 10,25 45,171 43,122 45,366
170 3,415 42,151 41,566 40,542
170 5,124 46,182 45,792 46,052
170 10,25 47,610 46,537 46,927
180 3,415 44,420 43,908 45,957
180 5,124 40,328 40,068 43,450
180 10,25 43,834 45,220 46,537
57
5.3. Optimización de humedad y rendimiento (Statgraphics)
5.3.1. Optimización y gráfica de efectos principales para la humedad
Gráfico 1. Superficie de respuesta para la humedad
Tabla 19. Valores óptimos para minimizar humedad
Factor Bajo Alto Óptimo
%Maltodextrina (p/p) 1,347 3,938 3,938
Temperatura ºC 160,0 180,0 160,0
Valor óptimo = 4,7196 % humedad
A 160°C se obtuvo una temperatura de aire de salida promedio de 67°C
Gráfico 2. Efectos principales para la humedad
Superficie de Respuesta Estimada
1.3 1.8 2.3 2.8 3.3 3.8 4.3Maltodextrina
160164
168172
176180
Temperatura
4.7
5.7
6.7
7.7
8.7
Hum
edad
1.347
Temperatura
180.0
Gráfica de Efectos Principales para Humedad
5.4
5.8
6.2
6.6
7
7.4
7.8
Hu
me
da
d
Maltodextrina
3.938 160.0
58
5.3.2. Optimización y gráfica de efectos principales para el rendimiento
Gráfico 3. Superficie de respuesta para rendimiento
Tabla 20. Valores óptimos para maximizar el rendimiento
Factor Bajo Alto Óptimo
%Maltodextrina (p/p) 1,347 3,938 3,938
Temperatura ºC 160,0 180,0 169,963
Valor óptimo= 46,4722 % rendimiento
A 170°C se obtuvo una temperatura de aire de salida promedio de 72°C
Gráfico 4. Efectos principales para el rendimiento.
Superficie de Respuesta Estimada
1.3 1.8 2.3 2.8 3.3 3.8 4.3Maltodextrina
160164
168172
176180
Temperatura
41
42
43
44
45
46
47
Re
nd
imie
nto
1.347Temperatura
180.0
Gráfica de Efectos Principales para Rendimiento
43
44
45
46
47
Re
nd
imie
nto
Maltodextrina3.938 160.0
59
5.4. Resultados del balance de masa y energía del secador por atomización.
Tabla 21. Resultados del balance de masa y energía de la cámara de secado
Variable Valor Unidad Concepto
Ta1 170 ºC Temperatura del aire en la entrada
Ta2 106,95 ºC Temperatura del aire en la salida
ha1 203,8 kJ/ kg Entalpía específica del aire de entrada
hs1 80,48 kJ/ kg Entalpía específica de la alimentación de
entrada
hs2 138,91 kJ/ kg Entalpía específica del producto
xa1 0,0121 kg agua / kg aire
seco
Cantidad de humedad en el aire en la entrada
xa2 0,0519 kg agua / kg aire
seco
Cantidad de humedad en el aire en la salida
Tc 137,35 ºC Temperatura del aire en el punto crítico
Tw 45,27 ºC Temperatura de bulbo húmedo
Ts1 20 ºC Temperatura de la alimentación
xS1 11,69 (kg agua/kg
sólidos)
Cantidad de humedad en la alimentación en
la entrada
xS2 0,052 (kg agua/kg
sólidos)
Cantidad de humedad en el producto
mss 7,87 kg/h Flujo de sólidos
maa 2303 kg/h Flujo de aire
ts 1,45 s Tiempo de secado
tr 3 s Tiempo de residencia
60
5.5. Dimensiones del secador por atomización
Figura 19. Dimensiones del secador por atomización
5.6. Dimensiones del ciclón.
Figura 20. Dimensiones del ciclón para el extracto en polvo de estevia
61
5.6.1. Eficiencia calculada del ciclón
Tabla 22. Eficiencia calculada para el diseño del ciclón de altos caudales
Tamaño
de
partícula
(µm)
Porcentaje
en rango
Tamaño
de
partícula
media ÷
factor de
escala
Eficiencia
al tamaño
de %
escalado
(Figura
12)
Retenido
(Eficiencia)
*(% rango)
Clasificación
en la salida
Porcentaje
en la
salida
>125 2,28 47,04 100 2,28 0 0
125 5,21 42,00 100 5,21 0 0
100 18,23 33,60 99 18,0477 0,1823 3
80 36,17 26,13 97 35,0849 1,0851 20
60 34,35 18,66 90 30,915 3,435 62
40 3,59 13,06 80 2,872 0,718 13
30 0,17 5,6 50 0,085 0,085 2
100 Eficiencia
global de
retenido
94,4946 5,5054 100
62
6. DISCUSIÓN
6.1. Se empleó como materia prima las hojas de estevia, debido a que es una planta con
propiedades terapéuticas. Según Consuelo Osorio en su publicación “Stevia, el dulce sabor
de tu vida”, las hojas de estevia por su contenido de esteviósidos, las hace 10 a 30 veces más
dulces que el azúcar. Además, sus características físico-químicas y toxicológicas permiten
su inclusión en la dieta humana para ser utilizada como un edulcorante dietético natural, sin
efectos colaterales, siendo de esta forma un producto saludable con un gran potencial en el
mercado.
6.2. En la obtención de la solución de estevia a partir de sus hojas, la extracción de sustancias no
deseadas está muy influenciada por la temperatura. Se visualizó que a mayores temperaturas
se extraen mayores cantidades de pigmentos por lo que es necesario no sobrepasar la
temperatura de operación para evitar problemas en los posteriores tratamientos.
6.3. En el análisis de varianza se observa que la variable concentración de maltodextrina influye
directamente en el rendimiento e inversamente en el contenido de humedad del producto. Sin
embargo, la temperatura del aire de entrada siendo una de las variables más importantes en
el proceso de secado no tiene una influencia significativa sobre los resultados. Esto se debe
a que los niveles de temperaturas escogidos se encuentran en un rango óptimo; y se debe
escoger con una mayor amplitud el rango para poder observar la influencia de la temperatura
con claridad.
6.4. Se obtuvieron rendimientos relativamente bajos en el proceso de secado por atomización.
Estos resultados se vieron influenciados por la velocidad de aire impulsada por el soplador,
ya que al ser polvos muy finos los arrastraba el caudal de aire al ambiente.
6.5. Según los gráficos obtenidos en el Statgraphic Centurion XVI, se obtienen curvas cóncavas
y convexas, de acuerdo a cual sea el objetivo que se quiere alcanzar, como son el minimizar
humedad o maximizar rendimiento. Se observa que a mayores temperaturas hay una leve
tendencia a incrementar la humedad. Esto puede estar influenciado por la higroscopicidad
del producto que adquiere humedad inmediatamente al entrar en contacto con el ambiente.
63
7. CONCLUSIONES
7.1. De acuerdo con los datos obtenidos en la tabla 19 y 20, se concluye que las variables para
obtener un valor óptimo de humedad del producto son 160 ºC del aire de entrada y 3,938 %
p/p de maltodextrina en la alimentación, obteniéndose una humedad del producto del
4,719 %; y las variables para obtener un valor óptimo de rendimiento son 169,963 ºC del aire
de entrada y 3,938 %p/p de maltodextrina en la alimentación, logrando un rendimiento del
46,472 %. Al ser relevante el rendimiento, razón por la cual se emplearon las últimas
condiciones para el dimensionamiento de la cámara de secado por atomización.
7.2. Al analizar los efectos principales para la humedad y el rendimiento del producto mostradas
en los gráficos 2 y 4, se puede concluir que el incremento en la concentración de
maltodextrina en la alimentación generó mayores rendimientos y menores humedades
respectivamente en el producto obtenido, siendo su valor óptimo el mayor %p/p de
maltodextrina utilizado en la alimentación. Este aditivo resultó ser un buen agente para
disminuir la adherencia y evitar aglomeraciones en la pared de la cámara de secado, lo que
mejoró el rendimiento.
7.3. Según el gráfico 3, la superficie de respuesta para rendimiento presenta una forma cóncava.
Observándose menores rendimientos a concentraciones bajas de maltodextrina (1,347 %p/p)
con temperaturas de 160 y 180 °C de aire de entrada respectivamente.
7.4. Se concluyó mediante el análisis de la varianza ANOVA expuesta en las tablas 14 y 15, que
el rango de temperaturas del aire de entrada analizadas no tienen una influencia significativa
sobre la humedad y el rendimiento del producto; sin embargo, la variable concentración de
maltodextrina en la alimentación tiene influencia sobre la humedad y el rendimiento del
producto trabajando con un nivel de confianza del 0,05.
7.5. Las dimensiones de la cámara del secador por atomización para jugo de estevia para un
caudal de 100 kg/h de alimentación que contiene 3,938 %p/p de maltodextrina, con un
tiempo de residencia de 3 s y trabajando con un aire de entrada a 170 °C son 1164 mm de
diámetro y 1921 mm de altura mostrados en la figura 19 con un volumen de 1,594 m3.
64
7.6. Según la figura 20 y tabla 22 las dimensiones del ciclón para un flujo de aire de 0,531 m3/s
que contiene un tamaño medio de partículas de 69 um son 355 mm de diámetro y 1419 mm
de alto con una eficiencia global de retenido del 94,49%.
65
8. RECOMENDACIONES
8.1. Diseñar los procesos anteriores al secador por atomización para tener un diseño completo de
una planta de obtención de extracto de estevia.
8.2. Debido a que la solución de estevia empleada tiene una concentración de ºBrix baja se
recomienda incrementar esta concentración por medio de osmosis inversa o mediante otro
proceso que permita incrementar la concentración de extracto de estevia y así mejorar el
rendimiento del proceso ahorrando agua.
8.3. Se recomienda realizar la investigación con otros aditivos diferentes de la Maltodextrina, que
actúen como encapsulantes para el secado por atomización, y así comparar los rendimientos
del producto con los diferentes aditivos.
8.4. Se recomienda emplear un mayor porcentaje de maltodextrina en el jugo de estevia para
saber hasta que concentración se obtiene el mayor rendimiento de estevia en polvo.
8.5. Realizar la experimentación del secado por atomización para jugo de estevia utilizando una
mayor amplitud de temperaturas del aire de secado para estudiar su influencia en el proceso.
8.6. Emplear procesos de purificación como resinas de intercambio iónico o micro filtración para
eliminar pigmentos en el jugo de estevia antes de proceder al secado por atomización para
obtener un producto de color blanco.
66
CITAS BIBLIOGRÁFICAS
[1] ALBA, Villagrán, Stevia Producción y Procesamiento de un Endulzante Alternativo,
Guayaquil 2009, p.1.
[2] CHEATHAM, Rachel. Información científica de la stevia. [En línea]. GLOBAL STEVIA
INSTITUTE. 2010, [Fecha de Consulta: 28 de Enero de 2015]. Disponible en:
http://globalsteviainstitute,com/de-donde-procede-la-stevia/
[3] ALBA, Op. Cit., p. 4
[4] ZARCO, Hernán. Efecto de Distintas Dosis de Abono Orgánico Líquido en el
Comportamiento Agronómico de la Estevia (Stevia Rebaudiana Bert), en la Región de
Taipiplaya. Tesis de Ingeniería. Ingeniero Agrónomo. Universidad Mayor De San Andrés.
Facultad de Agronomía. La Paz, 2008, p. 19.
[5] VANINA, Eliana. Resultados experimentales del proceso de extracción y purificación de los
compuestos endulzantes de la hoja de stevia rebaudiana. Córdoba, 2011, p. 1.
[6] PARRA, Ricardo. Revisión: Microencapsulación de Alimentos. Revista Facultad Nacional
de Agronomía. - Medellín [en línea]. 2010, vol. 63, no.2, pp. 5669-5670. Disponible
en:<http://www.redalyc.org/articulo.oa?id=179918602020> ISSN 0304-2847 [consulta: 4
agosto 2015]
[7] BERNA, Miguel. Obtención de Microencapsulados Funcionales de zumo de opuntia stricta
mediante Secado por Atomización. Tesis de Ingeniería Técnica Industrial, especialidad en
Química Industrial. Escuela Técnica Superior de Ingeniería Industrial. Universidad
Politécnica de Cartagena. Cartagena, 2009. p. 8.
[8] BRINGAS, L. Microencapsulación de saborizantes mediante secado por atomización,
Revista ReCiTeIA Revisiones de la Ciencia, Tecnología e Ingeniería de los Alimentos, [En
línea]. 2012, [Fecha de Consulta: 26 de Febrero de 2015]. Disponible en:
https://www.redib.org/recursos/Record/oai_articulo256915-microencapsulacion-
saborizantes-secado-atomizacion, pp. 42-43.
67
[9] MOSS, H, et al NONHEBEL, G. El secado de sólidos en la industria química. Editorial
REVERTE. Buenos Aires, 1979, p. 1.
[10] ORREGO, Carlos. Procesamiento de alimentos. Centro de Publicaciones Universidad
Nacional de Colombia Sede Manizales. Manizales, 2003, p.175.
[11] WESTERGAARD, V. Tecnología de la Leche en Polvo Evaporación y Secado por
Atomización. NIRO A/S, Copenhague, 2004, p. 69.
[12] MASTERS, Keith. Spray drying Handbook. Editorial Longman scientific & technical
1991, California, p.56.
[13] WESTERGAARD, Op. Cit., pp. 69-71
[14] PATEL, R.; PATEL, M.; SUTHAR, A. Spray drying technology: an overview. Indian
Journal of Science and Technology, [En línea]. 2009, [Fecha de Consulta: 21 de Marzo de
2015]. Disponible en:
http://www.indjst.org/index.php/indjst/article/download/30719/26601, pp. 44-45.
[15] WESTERGAARD, Op. Cit., pp. 89-93
[16] MONDRAGÓN, Rosa. El proceso de secado por atomización: formación de gránulos y
cinética de secado de gotas. Boletín de la Sociedad Española de Cerámica y Vidrio [en
línea]. 2013, vol. 52, no.4, p.160. Disponible en:
http://repositori.uji.es/xmlui/bitstream/handle/10234/82688/60841.pdf?sequence=1
[17] SIVARAJALINGAM, Shayantharan. Modelling and Control of a Spray Drying Process.
Master’s Thesis. Department of Electrical Engineering. Technical University of Denmark.
Lyngby, 2009, p. 24.
[18] ORNA, Javier. Estandarización del diseño de secaderos por aspersión de materiales
pastosos. Tesis de Ingeniería. Facultad de Mecánica. Escuela Superior Politécnica de
Chimborazo. Riobamba, 2012, pp. 48-54.
[19] MASTERS, K. Spray drying: An introduction to principles, operational practice, and
applications. Leonard Hills Books. California, 1972, p. 114.
68
[20] Ibíd., pp. 282-284
[21] SCOTT, Fogler. Elementos de Ingeniería de las Reacciones Químicas. 3ra edición. Editorial
reverte S,A. New Jersey, 2001. pp.702.
[22] MASTERS, Op. Cit., pp. 69-71
[23] MASTERS, Op. Cit., pp .284
[24] MASTERS, Op. Cit., pp. 303.
[25] SINNOTT, R,K. Coulson and Richardson's Chemical Engineering. 4th edición. Vol 6.
Editorial Elsevier. Swansea, 2005, pp. 450-453.
[26] OSORIO, Consuelo. Stevia el dulce sabor de tu vida. [En línea]. 2007, [Fecha de Consulta:
18 de Mayo de 2015]. Disponible en:
http://www.agrolalibertad.gob.pe/sites/default/files/manual%20stevia.pdf
[27] MASTERS, Op. Cit., pp. 303.
[28] MASTERS, Op. Cit., pp. 305
69
BIBLIOGRAFÍA
ARAB, Esmat. Physico-chemical assessment of natural sweeteners steviosides produced
from Stevia rebaudiana bertoni plant. African Journal of Food Science. 4(5). [Fecha de
consulta: 13 Julio 2015]. Disponible en: <
http://www.academicjournals.org/journal/AJFS/article-full-text-pdf/439036323779>
BONDAREV, Nikolai. Peculiarities of diterpenoid steviol glycoside production in in vitro
cultures of Stevia rebaudiana Bertoni. Plant Science. 161 (1) (2001). [Fecha de consulta: 8
Julio 2015]. Disponible en: <
http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0168945201004009>
CHRANIOTI, Charikleia. Comparison of spray, freeze and oven drying as a means of reducing
bitter aftertaste of steviol glycosides (derived from Stevia rebaudiana Bertoni plant) –
Evaluation of the final products. Food Chemistry (190), [Fecha de consulta: 10 Julio 2015].
Disponible en: <http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0308814615009759>
FELDER, Richard. Principios elementales de los procesos químicos. Editorial S.A. Alhambra
Mexicana, México, 1991.
GUEVARA, N. Encapsulación: Técnicas y Aplicaciones en la Industria Alimentaria. Temas
selectos de Ingeniería de Alimentos. (2). [Fecha de consulta: 21 Julio 2015]. Disponible en:
<http://www.udlap.mx/WP/tsia/files/No2-Vol-1/TSIA-2(1)-Guevara-Breton-et-al-
2008b.pdf>
JENTZER, J.; ALIGNAN, M.; VACA-GARCIA, C.; RIGAL, L.; VILAREM, G.
Response surface methodology to optimise Accelerated Solvent Extraction of steviol
glycosides from Stevia rebaudiana Bertoni leaves. Food Chem. (166) (2015). [Fecha de
consulta: 5 Junio 2015]. Disponible en:
http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0308814614009765
70
MONDRAGÓN, R. El proceso de secado por atomización: formación de gránulos y cinética
de secado de gotas. Boletín de la Sociedad Española de Cerámica y Vidrio. (52) (2013).
[Fecha de consulta: 24 Junio 2015]. Disponible en:
<http://repositori.uji.es/xmlui/handle/10234/82688
ORNA, Javier. Tesis. Estandarización del diseño de secaderos por aspersión de materiales
pastosos. Escuela Politécnica Superior del Chimborazo, Facultad de Mecánica, Riobamba.
2012.
ORREGO, Alzate. Procesamiento de Alimentos. Ediciones Universidad Nacional de
Colombia, Manizales, Colombia, 2003.
RAZO, Edgar. Tesis. Diseño de una planta piloto para la industrialización de estevia en la
comunidad Cueva de los monos, cantón Sacha, provincia de Orellana. Escuela Politécnica
Nacional, Facultad de Ingeniería Química y Agroindustrial, Quito, 2011.
VANINA, Eliana. Evaluación de los procesos de extracción y purificación de los compuestos
endulzantes de la hoja de stevia rebaudiana. Editorial Universitaria de la Universidad
Tecnológica Nacional, Córdoba, Argentina, 2011.
71
ANEXOS
72
ANEXO A. Obtención de la solución de estevia.
Figura A.1. Materia
prima (estevia 3kg)
Figura A.2. Solución
preparada con carbonato
de calcio
Figura A.3. Separación de
fases al dejar en reposo
Figura A.4. Filtración de la
solución con carbonato de
calcio
Figura A.5. Solución con
hidróxido de calcio y ácido
cítrico
Figura A.6. Solución de
estevia
73
ANEXO B. Equipos utilizados para la caracterización de la solución de estevia y su
extracto.
Figura B.1. Picnómetro
Figura B.2. Refractómetro
VEE GEE C10
Figura B.3. Desecador
Figura B.4. Analizador de
tamaños de partículas
CAMSIZER.
Figura B.5. Reómetro
RHEOPLUS PHYSICA
MRC 301
Figura B.6. pH-metro
METTLER TOLEDO
74
ANEXO C. Procedimiento de encendido y apagado de equipo de secado por atomización
Empezar y terminar el proceso mediante el uso de agua limpia o destilada.
Colocar el tubo de la bomba en la solución de estevia preparada
Figura C.1. Muestra (solución de estevia) a atomizar
Encienda el interruptor principal en la SD-Basic
Seleccionar la velocidad de la bomba peristáltica
Seleccionar la temperatura del aire de entrada. Y se muestra la temperatura de salida
Encender el soplador (blower) y el calentador.
Encender el interruptor de bomba
Nota: El calentador no funcionará a menos que el soplador está en funcionamiento.
Figura C.2. Temperatura de aire de entrada y de salida
75
ANEXO C (continuación)
Figura C.3. Tobera de atomización
El proceso de atomización y secado se inicia. y el polvo comienza a aparecer en el
recipiente de recogida.
Figura C.4. Inicio de la atomización
Una vez que ha pasado toda la muestra a atomizar se cambia la goma de silicona de la bomba
peristáltica al vaso de precipitado con agua destilada.
Se esperan unos minutos hasta que se limpia la goma de silicona y la tobera de atomización. y
se detiene la bomba de alimentación.
Se apaga el compresor.
76
ANEXO C (continuación)
Figura C.5. Apagado de compresor
Se apaga la calefacción que calienta el aire de entrada. y se espera a que la temperatura del
aire de salida sea de unos 30 °C.
Se apaga el blower.
Se procede a abrir el recipiente de recogida de polvo.
Figura C.6. Recipiente de recogida de polvo
Finalizado el experimento se desmonta el cilindro de atomización. el ciclón y el recipiente de
recogida de polvo seco.
Se limpia todo cuidadosamente. quedando listo para el siguiente experimento.
77
ANEXO D. Partes del equipo secado por atomización
El equipo usado para secar mediante atomización la solución de estevia preparada anteriormente
es un SD-Basic Spray Dryer LabPlant que se encuentra en el Laboratorio de Operaciones
Unitarias de la Facultad de Ingeniería Química de la Universidad Central del Ecuador. El cual se
ilustra en la siguiente figura:
Figura D.1. SD-Basic Spray Dryer LabPlant
El SD-Basic Spray Dryer LabPlant funciona en flujo en paralelo, es decir, el producto
pulverizado y el aire seco se desplazan en el mismo sentido, obteniendo partículas en un rango
que varía ente 30-200 μm. El equipo consta de los siguientes componentes:
Orificio de entrada de aire
Resistencia eléctrica para calentar el aire de entrada
Entrada de flujo de aire
Cámara de Secado
Ciclón que permite la separación del polvo de la corriente de aire
Botella para depósito de residuos
Tubo de Escape 1,7 m de longitud
78
Tubos de nylon de 6mm de ∅
El panel de control incluye, de izquierda a derecha:
Interruptores ON / OFF
Controlador de temperatura de entrada del aire
Visualización de la temperatura de salida del aire
Interruptor de encendido/ apagado del Soplador ON / OFF
Interruptor de encendido/ apagado de la Bomba ON / OFF
Interruptor de encendido/ apagado del Calentador ON / OFF
Regulador de la velocidad de la bomba peristáltica
Figura D.2. Panel de control
79
ANEXO E. Especificación del Secador por atomización
Especificación SD-Basic
Idoneidad Acuosa únicamente
Tipo 2 vías Tipo de boquilla
Capacidad de secado Máxima aproximadamente 1000 ml / h
Temperatura exactitud gama 40 ℃ ~ 200 ℃ (temperatura en la entrada) ± 1%
Rango de volumen de aire secada 0,2 ~ 0,65m³ / min
Rocíe rango de presión de aire 49 ~ 245kPa (0,5 ~ 2,5 kg / cm2)
RSS rango de volumen de la bomba 102 ~ 1800 ml / h
Ajuste de la temperatura de entrada Cambiar la membrana Digital
Visualización de la temperatura de salida Digital
Ajuste de caudal de aire seco N / A
Ajuste de caudal de la bomba de alimentación Potenciómetro de resistencia variable
Rango de presión de aire de rociado N / A
Dispositivo de limpieza de la línea de aire rociado Temporizador de intervalo automático
Función adicional Válvula de la línea de aire orado de encendido
/ apagado
Calentador 3kW
Bomba de alimentación Bomba peristáltica de velocidad variable
Boquilla de pulverización 0,5 mm de serie
Bomba de aire para la pulverización Opcional
Cámara de secado Vidrio de borosilicato
Ciclón Vidrio de borosilicato
Botella de recogida de la muestra Vidrio duro (500 ml como estándar)
Aspirador Flujo @ 70m³ / h
Presión máxima del aire 70mbar
Diámetro de escape O / 50 mm D
Temperatura ambiente operacional 5 ℃ ~ 35 ℃
Dimensiones totales 1200 x 500 x 500 mm
Peso 60kg
Requisitos de energía AC 220 / 240V 50 / 60Hz 21A
80
ANEXO F. Caudal de la bomba peristáltica del secador por atomización SD-Basic
Tabla F.1. Datos experimentales de la velocidad en función del caudal de la bomba
peristáltica.
Velocidad de la
Bomba
Mililitros/min
1 2,39
2 4,3
3 8,6
4 11,2
5 13,3
6 16,98
7 21,1
8 24,23
9 26,4
10 26,9
11 27,3
Gráfico F.1. Regresión de la velocidad en función del caudal de la bomba peristáltica.
y = 4E-07x6 - 2E-05x5 + 0.0001x4 + 0.0068x3 - 0.1273x2 + 1.071x - 0.8949R² = 0.9964
0
2
4
6
8
10
12
0 5 10 15 20 25 30
Velocidad=f(Caudal ml/min)y=f(x)
81
ANEXO G. Gráficos de la viscosidad en función de velocidad de corte
Gráfico G.1. Gráfico de la viscosidad en función de velocidad de corte de solución de estevia
pura.
82
ANEXO G (continuación)
Gráfico G.2. Gráfico de la viscosidad en función de velocidad de corte de estevia-
maltodextrina 1:1
83
ANEXO H. Gráfico del catálogo de atomizadores centrífugos SIMES
Figura H.1. Catálogo de Atomizadores Centrífugos SIMES
FUENTE: ORNA, Javier. Estandarización del diseño de secaderos por aspersión de materiales
pastosos. Tesis de Ingeniería. Facultad de Mecánica. Escuela Superior Politécnica de
Chimborazo. Riobamba, 2012, p. 43
84
ANEXO J. Distribución Granulométrica del polvo estevia-maltodextrina 1:1
Figura J.1. Distribución Granulométrica del polvo estevia-maltodextrina 1:1
FUENTE: Ensayo realizado en el Laboratorio de Catálisis de la Facultad de Ingeniería Química
de la Universidad Central del Ecuador.