23 de agosto de 2017
DESHIDRATACIÓN DESHIDRATACIÓN DIRECTA DE PIÑA PARA PRODUCCIÓN PRODUCCIÓN DE SNACKS SALUDABLES Subgrupo A.
Juan Sebastián Castro Lesmes Jorge Andrés Hernández Rincón; Diego Nicolás Mancera Martínez; Juan David Ortíz Bernal.
02245571 02245571 02245605 02245587 25492220
Resumen
En los años recientes se ha presentado un incremento notable en las exportaciones colombianas de piña, con un crecimiento en precio por unidad del 182% y 91% en cantidad [1]. Por tanto, surge la necesidad de procesar la fruta para que los costos de envío bajen debido a reducción de peso en forma de agua y adicionalmente, se mejore la conservación del producto y se pueda ofrecer como un “snack”, una alternativa de
alimento saludable. Se propuso el secado directo durante 160 minutos con aire a 60ºC para reducir el contenido de agua de una muestra de piña. Se obtuvo las curvas de humedad y tasa de secado; la primera presenta un comportamiento esperado mientras que la segunda presenta un comportamiento que, aunque esperado, un poco variable. La pérdida de humedad fue de aproximadamente el 90%. Finalmente, Fin almente, se compara el valor de humedad crítica obtenida experimentalmente, con el valor calculado teóricamente, obteniendo un porcentaje de error de 15,03%. Abst Ab st rac t
Last years the pineapple Colombian export market has increased significantly, with a growth in price per unit of 182% and 91% in quantity. Therefore, a technique for processing the fruit is needed to reduce delivery costs due to the reduction of water weight. Additionally, it is also needed the long preservation of the fruit so that, it could be offered like as a healthy snack. For this reason, direct heat drying has been proposed during 160 minutes and using air at 60ºC to reduce the moisture content of a pineapple sample. Moisture content and drying rate curves were obtained, both show an expected tendency, however the second one with some differences. The total moisture loss was around 90 %. Finally, the critical moisture value obtained experimentally is compared with the theoretically calculated value, obtaining an error rate of 15,03%. Objetivo General Cumplido
disminuci ón de humedad de un fruto con un alto ● Verificar la efectividad en la disminución contenido de humedad (Piña) utilizando secado directo en bandejas. Objetivos Objetivos Específicos Cumplido s •
Observar el comportamiento comportamie nto de la curva de secado y humedad.
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•
Con base en los resultados obtenidos deducir que sección de la curva de secado se ubica el procedimiento.
Metodología
Se cortó trozos rectangulares de piña de aproximadamente de medio centímetro de espesor. Se colocaron 295 gramos de ésta en la bandeja del sacador directo durante 160 minutos con temperatura de aire de entrada de 60 ºC.
Ilustración 1. Equipo de secado directo utilizado para el secado de la piña
El equipo utilizado se muestra en la Ilustración 1, el cual está ubicado en la planta piloto de los laboratorios de Ingeniería Química. Cada 10 minutos se tomó la medición de la velocidad del aire de salida, por medio de un anemómetro digital, y la temperatura de bulbo seco y humedad relativa con un termohigrómetro; lo anterior en la salida de aire mostrada en la Ilustración 1 Adicionalmente se realizó un ensayo de termogravimetría en mufla a 8, 12 y 24 horas con masas iniciales de 20 gramos, esto para determinar la humedad total de la fruta y con esto determinar la cantidad de fruta seca. Datos y Resultados
Con base en la metodología anteriormente descrita y usando la tabla de recolección de datos mostrada en el informe de planeación, fue posible monitorear la masa en función del tiempo como principal variable de respuesta del proceso de secado, estos datos se
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muestran en la ¡Error! No se encuentr a el origen de la referencia.. Allí se observa que la masa disminuye con una velocidad y posterior a los 70 minutos hay un cambio de pendiente, que indica que a medida que transcurre el tiempo de secado hay menor agua para retirar, o esta se encuentra en espacios menos disponibles del tejido celular de la fruta, y se requiere de mayores tiempos de secado para retirar esta cantidad de agua. Adicionalmente, se realizó un ensayo de secado en mufla a 8,12 y 24 horas para determinar la humedad total de la fruta y con esto determinar la cantidad de fruta seca, valor necesario para realizar los balances de materia. Los resultados de la termogravimetría se presentan a continuación: Tabla 1. Resultados termogravimetría, secado de piña a diferentes tiempos
Tiempo (h) 0 8 12 24
Masa
20,0 4,8 3,9 3,6
Con base en estos datos, asumiendo que la masa retirada está asociada únicamente humedad de la fruta, es posible calcular la humedad total de la piña y por tanto la fracción de fruta que corresponde a sólidos.
= 20,20,0 −3,0 6 = 82 %
Por lo tanto, la piña fresca cuenta con un 82% de humedad y 18% de sólidos. Con base en la humedad relativa de la piña es posible realizar el balance de materia sobre la fruta deshidratada mediante secado directo y calcular de esta manera la humedad relativa final de la fruta y la humedad absoluta (en base seca) en cada punto de medición para así construir la curva de secado. La curva de humedad absoluta en función del tiempo se muestra en la Gráfica 1.
= 295 ∗0,18 = 53,1 = 72,3 −53,1 = 26,6 % 72,3 ( ) = −
Finalmente, es posible calcular la velocidad de secado en cada punto (R) con base en la pendiente de la curva de humedad vs tiempo (dX/dt) y utilizando los valores del área de secado y la masa de sólido seco mediante:
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= − ∗
Esta velocidad de secado puede graficarse contra la humedad absoluta para así identificar puntos característicos de la curva de secado. La curva de rapidez de secado puede observarse en la Gráfica 2.
5,00
350
4,50
300
4,00 ) o c 3,50 e S o3,00 d i l ó S2,50 g / a u2,00 g A g ( 1,50 X
250 200 150 100
1,00 50
0,50 0,00
0 0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100 110 120 130 140 150 160
Tiempo de Secado (min) X vs t
Masa vs t
Gráfica 1. Curvas de humedad absoluta (X) y masa de fruta en función del tiempo de secado.
) g ( a t u r f a s a M
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40 35 30 ) n i m25 *
2
m / 20 a u g A g15 ( R
10 5 0 0,00
0,50
1,00
1,50
2,00
2,50
3,00
3,50
4,00
4,50
X (g Agua/g Sólido Seco)
Gráfica 2. Curva de rapidez de secado (R) en función de la humedad absoluta (X).
En la Gráfica 2, se observan dos zonas bien delimitadas, la primera hasta el punto rojo, una región de rapidez de secado constante, que se puede interpretar como la región de secado a superficie saturada; y una segunda zona que decrece de manera lineal, que puede asumirse como la zona de secado con control capilar. Este valor de humedad resaltado en la gráfica (X=2,77), es la humedad crítica de la fruta. Tomando los datos calculados con el punto rojo, en el cual X = 2,77 g Agua/g Sólido Seco, y un flujo de aire de 29.365 g H 2O/m2min, se procede a calcular el coeficiente de transferencia de calor. El diámetro de la tubería de PVC es de 4’’, de acuerdo al catálogo que p rovee Pavco de
sus productos [2], y tomando una relación diámetro espesor de 21, según el mismo; el diámetro interno de la tubería es de 0,10342 m. Así, se tiene que el flujo de aire es:
í =
La velocidad del aire es el valor en la humedad crítica, la densidad del aire se toma a la temperatura de 60ºC y el área de secado se asume como constante.
0, 1 0342 10,9 ∗ 1,06 ∗ ∗ 2 3600 = = 1, 2 84 ∗ = 4621, 8 09 0,0756 1 ℎ ℎ
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El coeficiente de transferencia de calor, para valores de G entre 3 900 y 19 500 kg/h*m es:
2
ℎ = 1,17 ∗, = 1,17∗ 4621,809, ℎ = 26,56
Con esto es posible calcular la rapidez de secado en el punto crítico:
2 6, 5 6 ∗ 60º −25º ℎ − 1 ∗ 3600 = = 2357,27 ∗ 1000 1 ℎ = 1,366 ℎ
Así, se puede obtener con estos valores calculados la humedad crítica de la piña:
= − ∗ ∗ ∆
El tiempo corresponde a 40 min, el cual es el punto en donde empieza a observarse el cambio de pendiente.
1, 3 66 ∗ 0, 0 756 = 4,56 − 0,0ℎ531 ∗0,666 ℎ = 3,26
Análi si s d e res ultad os
Respecto a la primera gráfica (Humedad en base seca) los resultados son muy similares a aquellos hallados en la bibliografía, como se observa en la Gráfica 3. Sin embargo, la segunda grafica (Aquella que correlaciona la velocidad de secado contra la humedad absoluta) presenta algunas diferencias con gráficos de secado estándar. La primera sección (los primeros 3 puntos) son la parte de secado de humedad saturada (Velocidad constante), mientras que la siguiente sección se puede atribuir a la sección de secado de humedad capilar. La humedad crítica obtenida en el experimento, está alrededor de 2,77 kg Agua/kg Sólido Seco. Este valor también se calculó teóricamente mediante la ayuda de las ecuaciones descritas anteriormente, obteniendo un valor de humedad crítica de 3,26 kg Agua/kg Sólido Seco. Con este resultado se tiene un error relativo de 15,03%. Evidenciando así que el coeficiente de transferencia de masa y la rapidez de secado crítico calculados se ajustan bien al desarrollo experimental.
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Se puede observar que el área de secado a velocidad constante es relativamente corta con respecto a lo observado en la literatura. Se han obtenido diferentes opciones que pueden causar estas discrepancias:
Gráfica 3. Ejemplo de una gráfica de secado de piña hallado en bibliografía (Es importante notar que la bibliografía reporta una menor temperatura) [3]
La primera de estas posibles fuentes de error es el área de secado. A medida que se pierde humedad de la piña esta disminuye su tamaño, y con ello el área disponible para entrar en contacto con el fluido de secado. En principio se asumió área constante, pero a una próxima oportunidad sería interesante evaluar el cambio del área disponible respecto a la humedad del cuerpo. Una segunda fuente de error es la humedad remanente al momento de la transferencia de la piña a la bandeja. Se nota una evidente perdida de agua que queda depositada en el fondo del recipiente al momento de pasar la piña al recipiente. El aspecto físico se nota acartonado y un poco pegajoso, esto se puede deber al alto contenido de azucares con algo de humedad remanente. Es difícil de cortar con respecto a la piña fresca.
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Ilustración 2. A la izquierda piña sin secar y la derecha piña secada directamente, cinco días después del procedimiento
Las propiedades organolépticas de la piña deshidratada están dentro de lo esperado, obteniendo un producto dulce con textura rugosa, muy diferente de la piña fresca (Un fruto húmedo al tacto, que desprende agua al contacto). El paso del tiempo parece no afectar a este producto con respecto a su apariencia, como se observa en la Ilustración 2, conservando la misma después de cinco días de exposición al ambiente; Comprobando así, indirectamente, que la deshidratación es un método plausible para mejorar las condiciones de almacenamiento de la piña (Disminuyendo costes al no requerir refrigeración). Por otro lado, la piña no procesada presenta algunos puntos blancos, indicando hongos, no tan perceptibles debido al color. Con respecto a la deshidratación osmótica el secado directo presenta algunas ventajas: Por ejemplo, la manipulación de la fruta a posteriori es mucho más sencilla, además de que el producto deshidratado no presenta aquella capa de azucares que recubre la fruta, haciéndola menos pegajosa y su sabor un poco más fiel al original (Aunque esto depende del mercado). Sin embargo, el consumo energético a su vez es mucho más alto, debido al uso de resistencias para calentar el aire, además del soplador que debe bombear el mismo a la cámara de secado. Un proceso alternativo viable para aunar estas dos tecnologías es un secado en principio por deshidratación osmótica, seguido finalmente de un secado directo. Esto permite disminuir el flujo de aire necesario y el tiempo de exposición al mismo (Reduciendo costos), y al tiempo llegar a humedades mucho menores que si se utilizara solo deshidratación osmótica. Conclusiones
Fue posible deducir, con base en los resultados obtenidos, que la deshidratación de la piña en las 3 horas de la prueba se halla en dos regiones de la curva de secado (Secado a velocidad constante y secado de la humedad capilar presente en la piña). El comportamiento de las gráficas es muy similar a lo esperado (Excepto quizás con la gráfica de velocidad de secado con respecto a la humedad constante, aunque hay
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posibles fuentes de error observadas). Para la masa disponible 3 horas fueron suficientes para llegar a una humedad en base seca cercana a la reportada en la bibliografía como apta para el consumo y la venta al público (0,2 g agua/g masa seca; Aunque a menores temperaturas [3]). No fue posible realizar los balances de materia utilizando los instrumentos disponibles. Algunas de las lecturas se hallaban fuera de las cartas psicrometricas disponibles, mientras que otras de las lecturas eran poco congruentes (Aquellas tomadas con el higrómetro se mantenían constantes en 10%). Se determino entonces que el proceso de deshidratación de piña es una alternativa plausible desde el punto de vista meramente ingenieril, pues el contenido de humedad mínimo que se alcanza utilizando este proceso es mucho menor al de deshidratación osmótica (Evaluado en prácticas anteriores y por ello tomado como referencia) a tiempos similares de proceso y manteniendo las propiedades organolépticas del producto intactas. Expectativas cu mplidas
Se cumplieron las expectativas en lo que respecta al comportamiento de las curvas de secado. Estas muestran un comportamiento similar al esperado inicialmente. Sin embargo, esta fue la única expectativa cumplida, excediendo los resultados a las demás. Se logro superar la humedad critica en el tiempo de la prueba para la masa de producto propuesta, además de que la reducción de humedad fue mucho mayor de lo esperado (En las expectativas se esperaba una pérdida de humedad del 12%, y se llegó a una pérdida de humedad de casi el 90%). Bibliografía
[1] I. T. Centre, «TradeMap,» 2015. [En línea]. http://www.trademap.org/Index.aspx.. [Último acceso: 08 10 2017].
Available:
[2] PAVCO, 2017. [En línea]. Available: www.pavco.com.co. [Último acceso: 22 08 2017]. [3] D. Mercer, «An Introduction to the Dehydration and Drying of Fruits and Vegetables,» de Drying of Specific fruits and vegetables , Ontario, University of Guelph, 2014, pp. 74-78. [4] R. Treybal, Fundamentos de Transferencia de Masa, Mc. Graw-Hill, 2011.
