secado alimentario universidad nacional de san martin, Monografías de Termodinámica. Universidad Nacional de San Martín (UNSM)
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secado de los alimentos para el uso de la ingeniería sirve para calcular humedad base seca y humeda
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Secado

FUNDAMENTOS DE SECADO, EXTRACCION SOLIDO-LIQUIDO Y DESTILACION: A. TECANTE

1

CAPITULO 2

SECADO

INTRODUCCION Operación que se estudia considerando las relaciones de equilibrio que se establecen cuando el material a secar se pone en contacto con el medio secante, y de las relaciones que expresan cuantitativamente la velocidad de transferencia del proceso.

Para algunos autores El secado es un fenómeno caracterizado por la pérdida natural de humedad o agua de un alimento. La deshidratación es una operación en la cual la pérdida de humedad se efectúa bajo condiciones específicas y controladas. Para otros, es justamente lo contrario. Aquí no se aplica tal distinción; ambos términos se usan de manera indistinta y con un significado análogo. El secado es una de las operaciones más antiguas usadas para conservar alimentos que ha dado lugar a productos secos tradicionales como carnes, pescados, frutas, quesos. En las últimas décadas "nuevos" productos llamados alimentos de

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humedad intermedia han tenido un éxito notable como el café soluble y las formulaciones deshidratadas para la preparación de puré de papa. El secado es una operación que interviene a nivel artesanal, agrícola e industrial. El objetivo de esta unidad es saber cómo secamos y cuáles son los principios básicos que gobiernan la separación de agua de los alimentos húmedos. Para ello la discusión se divide en varias secciones. Sección 2.1 Definición e importancia del secado como operación unitaria. Sección 2.2 Propiedades del alimento importantes para el secado. Concepto de humedad de equilibrio y actividad de agua. El secado como un proceso de separación por contacto en el equilibrio. Sección 2.3 Relaciones cuantitativas que rigen el secado. Sección 2.4 Características principales de los diferentes equipos de secado en la industria de alimentos. Sección 2.5

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Análisis de la operación y algunos criterios de diseño de ciertos tipos específicos de secadores.

2.1 CONCEPTOS BASICOS2.1.1 Definición de secado El secado es una operación en la cual se elimina parcial o totalmente, por evaporación, el agua de un sólido o un líquido. El producto final es siempre sólido lo cual diferencia el secado de la evaporación. En esta última, aunque hay eliminación de agua, se parte siempre de un líquido para obtener un concentrado líquido. Aun cuando el objetivo principal no sea secar un alimento, el secado puede producirse cuando se efectúan otras operaciones de tratamiento o conservación. Algunos ejemplos: Cocción Almacenamiento a temperatura ambiente Conservación frigorífica Congelación Transporte pneumático Molienda La mayoría de las "leyes" que rigen el secado son también válidas para otros procesos en los cuales se quiere eliminar por

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evaporación una sustancia volátil de una mezcla. Por ejemplo Eliminación del disolvente de extracción de aceite de granos oleaginosos. Sin embargo el término secado se emplea solamente cuando la sustancia volátil es agua. En este último ejemplo lo que se desea es recuperar el disolvente antes de disponer de los desechos de la extracción. 2.1.2 Objetivos del secado Básicamente son: 1.- Conservación para prolongar vida de anaquel 2.- Reducción de peso y volumen para facilitar empaque y

transporte 3.- Presentación de alternativas de consumo Pueden producirse cambios no deseables que afectan tanto la calidad como la aceptación del producto. 2.1.3 Desventajas

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Se producen cambios y alteraciones no necesariamente deseables en: La textura El sabor El color La calidad nutritiva y la forma Es una operación que consume mucha energía y eso aumenta el costo del producto terminado. 2.1.4 Materiales susceptibles de secarse El secado ocupa un lugar importante dentro de la cadena de transformación y conservación de productos agroalimentarios ya que se realiza sobre un gran número de alimentos. Productos agrícolas poco hidratados o húmedos Productos que pueden requerir, según las condiciones meteorológicas, un secado complementario para estabilizarlos o estandarizarlos antes de ser sometidos a un tratamiento industrial. Maíz Trigo Otros cereales Oleaginosas Productos agrícolas muy hidratados o húmedos

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Productos que deben secarse para estabilizarlos y facilitar su transporte. Leche destinada al consumo humano y a la cría de becerros Alfalfa Planta de maíz destinada a alimentación animal Legumbres para utilización industrial como: Papa Zanahoria Cebolla Espárrago Jitomate Hongos comestibles Las especias o aromatizantes como: Perejil Ajo Canela Vainilla Clavo para uso doméstico o industrial Las frutas como: Ciruela Durazno Uvas, etc. Las carnes rojas y pescados para preparaciones deshidratadas y saladas o deshidratadas y ahumadas.

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Productos de transformación industrial Productos que se secan para estabilizarlos o proporcionar diferentes presentaciones para el consumo. Entre otros: Extractos de té y café Pastas alimenticias Productos de salchichonería como jamones y salchichones secos Quesos Azúcar Gluten Caseína Malta Subproductos industriales Productos derivados de un proceso que se destinan generalmente al consumo animal. Subproductos de la industria azucarera Subproductos de la industria cervecera Suero de leche subproducto de la industria de fabricación de queso 2.1.4 Formas de secado

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Secado por ebullición Cuando la presión de vapor del agua pura es igual a la presión barométrica local, el agua hierve y se evapora. A una presión absoluta de 101.3 kPa el agua pura hierve a 100 °C. Cuando se disuelven solutos en el agua, la presión de vapor de la solución resultante es inferior a la del agua pura y por lo tanto su punto de ebullición es superior al del agua pura para una misma presión barométrica. La descripción cuantitativa de este fenómeno está dada por la Ley de Raoult “La presión de vapor de un componente en una solución es igual a la fracción mol de aquél componente por su presión de vapor cuando está puro” Para una solución de un soluto no volátil en agua

* H2OH2OA p x p = (2.1)

pA = presión de vapor de la solución xH2O = fracción mol del disolvente, agua en este caso pH2O* = presión de vapor del agua pura a la temperatura de la solución.

Si xH2O = 1 - xb

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La ecuación (2.1) se escribe

* H2ObA p ) x- (1 p =

p p ) x- (1 * H2O

A b =

p p ) x- (1 * H2O

A b =

p p - 1 x * H2O

A b =

p

p - p x *

H2O

A * H2O

b = (2.2)

Esta ecuación muestra que La disminución relativa de la presión de vapor es igual a la fracción mol del soluto tal como se anticipó en el párrafo anterior. La ebullición, esto es, la formación de burbujas de vapor de agua, es más difícil de observar en los sólidos y los materiales pastosos

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que en los líquidos. La cantidad de energía en forma de calor que se requiere para evaporar el agua está determinada por el calor latente de evaporación. El aporte calórico puede efectuarse mediante los diferentes mecanismos de transferencia de calor: Conducción entre una superficie caliente que está en contacto con el alimento Radiación cuando existe generación interna de calor en el alimento debida a la exposición de éste a rayos infrarrojos, microondas o calentamiento dieléctrico Convección entre el alimento y un medio de calentamiento como vapor de agua sobrecalentado o aceite caliente de fritura. En todos los casos, es necesario llevar el alimento a la temperatura de ebullición del agua. Esto no siempre es recomendable ya que no todos los alimentos pueden soportar altas temperaturas y éstas pueden ocasionar deterioro físico de los mismos. Secado por arrastre

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En el exterior del alimento Cuando un alimento húmedo se pone en contacto con una corriente de aire, o de cualquier otro gas, suficientemente caliente y seco, se establece espontáneamente entre ellos una diferencia de temperatura y una diferencia de presión parcial de agua. Resultado: Transferencia simultánea de calor y masa entre el gas y el alimento. La transferencia de calor ocurre desde el aire hacia el alimento ya que la temperatura del alimento es inferior a la del aire. El mayor contenido de humedad en el alimento hace que la presión parcial de agua en él sea mayor que en el aire. Resultado: Transferencia de masa desde el alimento hacia el aire. El aire es a la vez fluido de calentamiento y medio de arrastre del agua evaporada del alimento. En el interior del alimento Conforme el alimento pierde humedad se establecen en su interior diferencias de concentración. Resultado: Transferencia de humedad hacia su superficie. Entonces existen dos mecanismos de transferencia de masa.

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Convección: Entre la superficie del alimento y la corriente de aire. Difusión: Desde el interior del alimento hacia su superficie. En el secado por arrastre La temperatura en la superficie del alimento es inferior a la temperatura de ebullición del agua a 101.3 kPa (100 °C). Gran ventaja porque No es necesario calentar el alimento a tales temperaturas secarlo. Además en el secado por arrastre La energía necesaria para la evaporación del agua es proporcionada por el aire caliente. Por ello se dice que el secado por arrastre es Isoentálpico o adiabático. 2.2 PROPIEDADES DEL ALIMENTO DE IMPORTANCIA PARA EL SECADO

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Ya sea que el secado se efectúe por ebullición o por arrastre La presión de vapor del agua contenida en el alimento es la que determina el intercambio de humedad entre éste y el aire. Lo mismo ocurre siempre en cualquier situación en la que exista intercambio de agua entre un producto y la atmósfera que lo rodea, como por ejemplo durante su almacenamiento. 2.2.1 Humedad, h Un alimento está constituido por muchos componentes. Para propósitos de secado se considera que está formado solamente por agua y sólidos secos. Los sólidos secos incluyen todos los componentes sólidos que componen el alimento (sólidos totales). Entonces

alimento de masa

agua de masa humedad = 2.2.2 Formas de expresar la humedad

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La humedad puede expresarse en base seca y base húmeda. Humedad base seca, hbs

100 m

m h

ss

H20 bs 

  

 = (2.3)

mH2O = masa de agua mss = masa de sólido seco Humedad base húmeda, hbh

100 m m

m h

H2Oss

H20 bh 

  

 +

= (2.4)

shH2Oss m m m =+ msh = masa de sólido húmedo = masa total del alimento Relación entre hbs y hbh De (2.3) y (2.4) para una misma masa de agua

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hbs es siempre superior a hbh La relación entre ambas es

m

m m

h h

ss

ssH20

bh

bs  

  

 + = (2.5)

1 100 h

h h bs

bh

bs  

  += (2.6)

bh

bh bs h - 100

)(h 100 h = (2.7)

A partir de (2.7) se puede obtener la expresión para calcular hbh.

Atención: En estas ecuaciones las humedades están en porcentaje

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Relación entre la humedad base seca (%) y la humedad base húmeda (%)

humedad base húmeda, hbh, (%)

0 20 40 60 80 100

hu m

ed ad

b as

e se

ca , h

bs , (

% )

0

100

200

300

400

500

hbh (%)

0 2 4 6 8 10

h b s

(% )

0

2

4

6

8

10

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2.2.3 Humedad de equilibrio, he La humedad de equilibrio es la humedad que existe cuando la presión de vapor del agua en el alimento está en equilibrio con la presión parcial del vapor de agua en el aire Si el aire se satura totalmente durante el secado, entonces el equilibrio se establece con la presión de vapor del agua en el aire ya que esta presión es igual a la presión parcial del vapor de agua bajo esas condiciones. La humedad de equilibrio se expresa en base seca. En unidades del SI kg agua/kg sólido seco (kga/kgss) 2.2.4 Actividad de agua, awLa actividad de agua en un alimento es el cociente entre la presión de vapor del agua contenida en él y la presión de vapor del agua pura a la misma temperatura.

* H2O

al W p

p a = (2.8)

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Otra forma de definir la actividad de agua es la siguiente. Cuando un alimento se encuentra en equilibrio con una atmósfera de aire, esto es, cuando ha alcanzado su humedad de equilibrio

pal = pH2O* (2.9)

Tal = TH2O pal = presión de vapor de agua en el alimento pH2O* = presión de vapor de agua pura Tal = temperatura del alimento TH2O = temperatura del aire Cuando esto sucede podemos escribir (1.12) como

* H2O

al R p

p H = (2.10)

Esta no es otra que la definición de aw (ec. 2.8) Por lo tanto La actividad de agua es la humedad relativa de equilibrio de una atmósfera de aire que está en equilibrio con el alimento.

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De esta forma el equilibrio entre el aire y el alimento se caracteriza simplemente por:

aW = HR y Tal = TH2O (2.11) Aunque una discusión detallada de la influencia de la actividad de agua sobre la conservación de la calidad de los alimentos está fuera del objetivo de este documento, conviene señalar que: Los microorganismos no se desarrollan que excepcionalmente para aw < 0.8. La resequedad, sin embargo, no los destruye. La mayoría de las enzimas se inactivan cuando aw < 0.8 Las reacciones de Maillard, obscurecimiento no enzimático de azúcares en presencia de grupos aminados, presentan un máximo para aw . 0.6 a 0.7 La oxidación de lípidos se estimula a muy bajas actividades de agua. De una forma muy esquemática podemos decir que el punto de conservación óptimo de productos biológicos, sin aditivos ni refrigeración, se sitúa generalmente entre 0.25 y 0.35.

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2.2.5 Relación entre he y aw: Curvas de sorción La ecuación (2.11) permite determinar la actividad de agua de un alimento a través de la determinación de la humedad relativa de una pequeña cantidad de aire en equilibrio con el alimento. Así de esta forma es posible obtener valores que al graficarlos como he vs aw tienen la forma mostrada en la Figura 2.1.

Figura 2.1 Curvas de adsorción y desorción

de-sorción

ad-sorción

actividad de agua, a w

0 1

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Las curvas en la Fig. 2.1 son llamadas isotermas de adsorción y de desorción del alimento ya que se obtienen a temperatura constante. La forma específica de estas curvas depende del alimento. Sin embargo en la mayoría de los casos la curva obtenida partiendo del producto húmedo, de-sorción, es diferente de aquélla obtenida partiendo del producto seco, ad-sorción. A este fenómeno se le denomina histéresis. No obstante, la curva de de-sorción es la que importa en el secado. 2.2.6 Tipos de humedad de los alimentos El agua contenida en un alimento está unida a él en formas que son el resultado de interacciones físicas y químicas. Para fines de la operación de secado podemos distinguir dos casos: Humedad libre Cuando aw . 1 se dice que el alimento contiene esencialmente agua libre. Este es el caso de los productos biológicos muy húmedos, excepto

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aquellos muy ricos en materia soluble. Durante el secado el agua se comporta como si estuviera pura. Humedad ligada Cuando aw < 1 se dice que el producto contiene agua ligada y en ese caso pal está dada por (2.8). El secado de esta agua es más difícil ya que la presión de vapor que ella ejerce es más baja que la que ejercería si estuviera pura. 2.3 CURVAS DE SECADO Son curvas construidas a partir de datos experimentales que dan información sobre la velocidad de secado de un alimento bajo determinadas condiciones. Se obtienen preferiblemente en un equipo que reproduzca lo más fielmente posible el equipo de proceso usando condiciones de aire que se asemejen a las que se usan en el mismo. La información obtenida de estas curvas es útil para propósitos de 1. Estimar el tamaño del secador 2. Establecer las condiciones de operación 3. Calcular, estimar o aún predecir el tiempo de secado

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2.3.1 Determinación experimental La Fig. 2.2 muestra esquemáticamente la forma de obtener los datos experimentales para la construcción de las curvas de secado. Figura 2.2 Obtención de datos experimentales para la construcción de curvas de secado. El dispositivo experimental debe ser lo más semejante posible al equipo en donde se efectúa realmente el secado y las condiciones del aire deben ser constantes. El experimento consiste en registrar el cambio de la masa del alimento con el tiempo. Este cambio se debe a la pérdida de agua y está relacionado con la humedad del alimento y las propiedades del aire.

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2.3.2 Tratamiento de los datos experimentales Para construir las curvas de secado los datos tabulados tiempo y la masa del alimento húmedo obtenidos experimentalmente se transforman en datos de tiempo y humedad base seca. Para ello se usa la ecuación siguiente

ss

ss bs m

m - m(t) (t)h = (2.12)

m(t) = masa del alimento húmedo para cada tiempo (kg sh) mss = masa del sólido seco (kg ss) hbs(t) = humedad base seca al tiempo t (kg agua/ kg ss). La ec. (2.12) permite calcular la humedad de equilibrio, he, la cual se utiliza para calcular la humedad libre, hL. La humedad libre se calcula con la ecuación siguiente

ebsL h - (t)h (t)h = (2.13) hL(t) = humedad libre (kga/kgss) para cada tiempo Una vez obtenida la humedad libre, ésta y el tiempo al representarlos gráficamente producen la primera curva de secado (Fig. 2.3)

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Figura 2.3 Primera curva de secado Región AB: Período de calentamiento La masa del alimento húmedo disminuye sólo un poco debido a la débil contribución del calor sensible a la evaporación de agua. Región BC: Período de velocidad constante. En él ocurre buena parte del secado y la pérdida de humedad es directamente proporcional al tiempo. Región CD: Primer período de velocidad decreciente. Región DE: Segundo período de velocidad decreciente. En ambas regiones la humedad del alimento diminuye menos rápido que en la región BC para incrementos de tiempo iguales.

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