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SECADO DE ZANAHORIA ( Daucus carota)
ANTECEDENTES
La deshidratación o secado de los alimentos es un fenómeno complejo que implica procesos de transferencia de cantidad de movimiento, calor y masa. Todas las operaciones de secado dependen de la aplicación de calor para vaporizar el agua o los constituyentes volátiles. El mecanismo que regula el secado de un producto en forma de partículas depende de la estructura de éste y de los parámetros de secado como contenido de humedad, dimensiones del producto, temperatura del medio de calentamiento, velocidades de transferencia superficiales y contenido de humedad en equilibrio. Todos los materiales sólidos presentan cierto contenido de humedad en equilibrio cuando se ponen en contacto con el aire a una temperatura y una humedad particulares. En consecuencia, los materiales tienden a perder o ganar humedad durante un periodo para que alcancen este valor de equilibrio. Si la temperatura o la humedad del aire cambian, entonces se pierde o gana humedad hasta que se alcanza un nuevo valor de equilibrio. En la figura 13.1 se representan algunas isotermas de humedad de equilibrio de algunos alimentos. Las curvas de humedad de equilibrio dependen de la temperatura ambiental para un alimento particular y de su estructura fibrosa o coloidal. La humedad de un alimento sólido es retenida de dos formas, a saber, la llamada agua "ligada" o agua libre, como se muestra en la figura 13.2. El agua ligada ejerce una presión de vapor de equilibrio menor que la del agua libre a la misma temperatura. La humedad en forma de agua ligada podría ser retenida en capilares finos, o adsorbida sobre la superficie o dentro de una célula o paredes fibrosas o en combinación física/química con el sólido. Por otra parte, el agua libre ejerce una presión de vapor de equilibrio igual a la del agua pura a la misma temperatura. La humedad en forma de agua libre podría estar retenida en los espacios vacíos de los alimentos sólidos.
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La distinción entre agua "ligada" y agua libre es una propiedad del material alimenticio particular en consideración. Si se seca un alimento en aire de humedad relativa A (figura 13.2), se elimina la mayor parte del agua libre y parte del agua "ligada". Ésta consiste en la humedad libre por arriba del contenido de humedad de equilibrio correspondiente a la condición del aire. Por lo tanto, la distinción entre contenido en equilibrio y contenido de humedad libre depende de la naturaleza de los sólidos por secar y las condiciones del aire de secado. Con base en las consideraciones anteriores, los mecanismos de secado se clasifican en tres categorías: 1. Evaporación a partir de una superficie libre, que sigue las leyes de la transferencia de calor y masa desde un objeto húmedo. 2. Flujo líquido en capilares. 3. Difusión de líquido o vapor, que sigue la segunda ley de difusión de Fick. El secado podría implicar varios modos de transferencia de calor como convección, conducción o radiación. En el secado convectivo, el medio de calentamiento, por lo general aire, se pone en contacto directo con el material alimenticio sólido e inicia la difusión de vapores de agua a partir y dentro del material alimenticio. Varios secadores de horno, giratorios, de lecho fluidizado, por aspersión y de tipo instantáneo son ejemplos representativos de secado convectivo. En el secado conductivo, el medio de calentamiento, por lo general vapor, está separado del sólido por una superficie caliente conductora como en los secadores de tambor, de cono y de tolva, cualquiera de los cuales podría operarse en condiciones de vacío. En el secado por radiación, el calor se transmite únicamente como energía radiante. Algunos secadores también emplean energía de microondas para secar materiales alimenticios a presión atmosférica o vacío. Velocidad de secado
La velocidad de secado de un material depende de las propiedades del material como la densidad global de masa del material deshidratado, el contenido inicial de humedad y su relación con el contenido de humedad en equilibrio en condiciones de secado. Podría ser necesario evitar la velocidad máxima de secado si resulta en encogimiento, endurecimiento superficial, agrietamiento de la superficie u otros efectos indeseables en el secado de
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sólidos alimenticios. En la figura 13.3 se representa una curva generalizada de la velocidad de secado, donde el contenido de humedad en equilibrio lo determina la condición del aire. La porción inicial A*A de la curva representa la condición inicial de estado no estacionario. Período de velocidad constante.
El periodo de velocidad de secado constante (figura 13.3,
sección AB) se caracteriza por la evaporación de humedad a partir de una superficie saturada: incluye la difusión de vapor de agua desde una superficie saturada del material a través de una película delgada en el grueso del aire. El movimiento de humedad dentro del sólido es suficiente para mantener una condición saturada en la superficie y la velocidad de secado es, por lo tanto, controlada por la velocidad de transferencia de calor a la superficie. La temperatura en la superficie permanece constante y alcanza la temperatura de bulbo húmedo. Sin embargo, la velocidad de secado podría aumentar por transferencia de calor adicional por medio de conducción, o radiación, lo que eleva la temperatura de la superficie por arriba de la temperatura de bulbo húmedo. El secado de velocidad constante equivale fundamentalmente a evaporación a partir de un cuerpo de agua grande y es independiente del tipo de sólidos. La velocidad de evaporación de agua es dada por
(13.1) donde NC = velocidad de evaporación de agua (kg/h), K g = coeficiente global de transferencia de masa para la película gaseosa, PS = presión de vapor del agua a la temperatura superficial, PW = presión parcial de vapor del agua en la corriente de aire, A=área superficial del producto expuesta al secado. Los términos de presión de vapor en la ecuación 13.1 también pueden ser reemplazados con términos de humedad relativa como se indica en la ecuación 13.2: NC= K g * A(HS ± Ha)
(13.2)
donde HS = humedad relativa del vapor de agua en la superficie y Ha = humedad relativa del aire desecante.
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Es claro, por la ecuación 13.1, que (PS ² P W) determina la capacidad de la corriente de aire para captar humedad, así como la fuerza impulsora. En la condición de estado estacionario, la velocidad de evaporación está relacionada con la transferencia de calor por convección forzada, de modo que
(13.3) donde x = contenido de humedad de los alimentos, base seca en el tiempo t, h = coeficiente de transferencia convectiva de calor; Ts = temperatura de bulbo húmedo o superficial; Te = temperatura del aire; = calor latente de evaporación; (Te - Ts) = fuerza impulsora de la temperatura. El coeficiente de transferencia de calor depende de la velocidad del aire y la dirección de flujo. Si el gasto másico de la corriente de aire es paralelo a la superficie a secar, entonces el coeficiente de transferencia de calor se estima mediante la siguiente relación: h = C * G0.8
(13.4)
donde G = gasto másico del aire por unidad de área (kg/m2 s) y C = constante para el sistema y condición (C = 14.3 m2/s2 K para flujo paralelo). En el caso del flujo perpendicular de aire, el coeficiente de transferencia de calor es dado por h = C * G0.37
(13.5)
donde C = 24.2 m2/s2 * K. Primer periodo de velocidad decreciente. Al
final del periodo de velocidad constante, el
punto B se denomina "contenido crítico de humedad". En este punto, la superficie del sólido ya no está saturada y aparecen puntos secos. Por tanto, el área húmeda exterior podría reducirse progresivamente, y la velocidad de secado disminuye. Los alimentos no higroscópicos podrían tener un solo periodo de velocidad decreciente, en tanto que los alimentos higroscópicos presentan dos periodos de disminución de la velocidad. La velocidad de secado depende de los factores que afectan la difusión de la humedad lejos de la superficie de evaporación y la velocidad de movimiento interno de humedad. El punto C
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representa una condición en la que la película superficial original se ha evaporado completamente, y más allá de este punto, la velocidad de secado es controlada por la velocidad de movimiento de humedad a través del sólido. El periodo de velocidad decreciente es por lo general el periodo más largo de una operación de secado, y en algunos alimentos como granos en deshidratación, donde el contenido inicial de humedad se halla por abajo del contenido crítico de humedad, el periodo de velocidad decreciente es sólo una parte de la curva de secado que se observa. En el periodo de velocidad decreciente, la velocidad de secado depende principalmente de la temperatura del aire y el espesor del lecho de alimento. No es afectada por la humedad relativa (excepto en el contenido de humedad en equilibrio) y la velocidad del aire. En consecuencia, la temperatura del aire es regulada durante el periodo de velocidad decreciente, mientras que la velocidad del aire y la temperatura son más importantes durante el periodo de velocidad constante. En la práctica, los alimentos podrían diferir de estas curvas ideales de secado debido a encogimiento, cambio de la temperatura y la velocidad de difusión de humedad en diferentes partes del alimento. Segundo período de velocidad decreciente. El
segundo periodo de velocidad decreciente
C a D representa condiciones en las que la velocidad de secado es controlada en gran parte por el movimiento de humedad dentro de los sólidos y es independiente de las condiciones fuera del sólido. La transferencia de humedad podría ocurrir por una combinación de factores como difusión de líquidos, movimiento capilar y difusión de vapor. Tiempo de secado
El tiempo de secado en distintas etapas del secado se calcula como sigue. Suponga que W0= peso de los sólidos secos y x = g de humedad por g de sólido seco. La velocidad de evaporación de humedad (Na) es dada por
(13.6)
Para el periodo de velocidad constante de secado A a B, el tiempo de secado tAB se da como
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(13.7)
donde XA = contenido de humedad/sólidos secos (kg de agua/kg de sólidos secos) y XB = contenido de humedad/sólidos secos (kg de agua/kg de sólidos secos). Para el primer periodo de velocidad decreciente (B a C), el tiempo de secado tgc puede calcularse si la velocidad de transferencia de humedad N se representa mediante una línea recta como N = m * X + k donde m = pendiente de la línea y k = intersección de la línea. En NB = m XB + k, NC = m Xc + k, de modo que NB ² NC = m(XB ² XC ):
(13.8) donde Xc = contenido de humedad/sólidos secos (kg de agua/kg de sólidos secos). La ecuación 13.7 puede escribirse enferma simplificada de la siguiente manera:
(13.9)
donde Nm, es la velocidad media logarítmica de secado entre B y C.
A manera de aproximación, para la mayoría de los casos, el periodo de velocidad decreciente entre B y D puede tomarse como una línea recta y, de esta manera, el tiempo de secado de B a D puede calcularse como se indica en la ecuación 13.10:
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(13.10) donde XD = contenido de humedad/sólidos secos (kg de agua/kg de sólidos secos): por lo tanto, el tiempo de secado total es dado por
(l3.ll) Contenido de humedad en base húmeda o en base seca
El contenido de humedad de un alimento puede representarse a base de masa húmeda o masa seca del producto. El contenido de humedad en base húmeda: Xhumedad = masa de agua/masa inicial del producto húmedo (kg de agua/kg de aumento) Contenido de humedad en base seca: Xseca = masa de humedad/masa de materia seca (kg de agua/kg de sólidos) Masa de materia seca = masa de producto húmedo²masa de humedad EJERCICIOS DE LABORATORIO Objetivos
Los principales objetivos de esta práctica de laboratorio son: 1. Determinar las historias de la humedad y la velocidad de secado de un producto alimenticio en un secador de túnel de viento o un secador de aire con convección forzada. 2. Analizar la velocidad de pérdida de humedad en función del contenido de humedad para determinar varios periodos de velocidad de secado, es decir, los periodos de velocidad constante y decreciente. Materiales
1. Secador convectivo de túnel u otro tipo de secador de aire forzado.
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2. Balanza para pesar. 3. Sistema de registro de temperatura. 4. Anemómetro u otro sistema medidor de flujo de aire. 5. Productos alimenticios en formas y tamaños diferentes como cubos de zanahoria, rebanadas circulares delgadas de zanahoria, o chícharos, etcétera. 6. Homo de vacío. 7. Platillo de aluminio. Procedimiento
1. Mida las dimensiones críticas de las muestras y calcule el área superficial y el volumen. 2. Mida el peso inicial de la muestra y determine su contenido inicial de humedad y de sólidos secos. 3. Un secador de túnel consiste en un conducto circular con una longitud total de alrededor de 1.4 m. Está provisto de una ventana por el frente para observar la muestra sólida que se va a secar. La muestra se inserta a través del extremo abierto y se suspende en el centro del conducto de un alambre de soporte acoplado a una balanza. Por lo tanto, este instrumento está diseñado para medir la pérdida de peso de la muestra con más precisión. 4. Encienda el soplador de aire y ajústelo al gasto requerido por medio de un moderador. Calcule las mediciones de flujo de aire a partir de un anemómetro electrónico. 5. Encienda el calentador de aire y ajústelo a la temperatura requerida. Deje que transcurran 10 minutos para que el aparato alcance las condiciones de estado estacionario. 6. Mida y registre las temperaturas de bulbo seco y húmedo del aire seco. Mida la temperatura del aire ambiente. 7. Inserte con rapidez la muestra en el homo de aire forzado o el secador de túnel y empiece la toma de tiempo y registre la masa de la muestra en el tiempo 0. 8. Mida el peso de la muestra a intervalos cortos de tiempo, inicialmente cada minuto, extienda gradualmente el periodo conforme progrese el secado a intervalos de aproximadamente 5 minutos y después cada 15 minutos, en caso de que el secador de túnel esté provisto de una balanza electrónica. Desconecte el soplador a fin de obtener
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una lectura del peso precisa; esto debe hacerse rápidamente de modo que el flujo de aire se restablezca sin demora. 9. Si no se dispone de un secador de túnel, coloque la muestra en un secador de tipo de aire forzado y retire la muestra después de intervalos predeterminados para estimar el porcentaje de humedad y de sólidos secos. 10. Continúe el proceso de secado por lo menos durante 45 minutos. 11. Tome la masa final de la muestra después de secar por 10 a 12 horas para calcular el contenido de humedad en equilibrio Xe. 12. Registre los datos en la hoja de datos 13.1. Resultados y discusión
1. Elabore una gráfica de la masa de la muestra contra tiempo y estime el contenido de humedad de equilibrio por extrapolación. 2. A cuánto asciende la diferencia entre el contenido de humedad en equilibrio extrapolado y el contenido de humedad en equilibrio experimental. 3. Calcule el contenido de humedad X de la muestra a varios intervalos de tiempo. 4. Calcule la velocidad de secado X/t y la humedad libre X ² Xe. 5. Determine la velocidad de secado o pérdida de humedad por minuto por kilogramo de sólidos secos. 6. Represente gráficamente la velocidad de pérdida de humedad X/t contra tiempo y muestre varios periodos de velocidad de secado. 7. Elabore una gráfica de X/t contra el contenido de humedad libre X ² Xe, y muestre varios periodos de velocidad de secado. 8. Represente gráficamente X ² Xe contra tiempo en coordenadas semilogarítmicas. Calcule los parámetros f y j. 9. El parámetro j = (X ± Xe) aparente/(X ² Xe) real y f = tiempo para atravesar un ciclo log en la gráfica de (X ² Xe) contra tiempo. 10. Calcule la difusividad aparente de la humedad Dm de la muestra empleando la siguiente ecuación:
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(13.12) donde R = radio de una esfera equivalente de igual volumen (V = 4/3nR 3) y = factor de forma, utilizando 1 para la esfera. LECTURAS RECOMENDADAS Y REFERENCIAS 1. S. S. H. Rizvi y G. S. Mittal. Experimental Methods in Food Engineering, Nueva York: Van Nonstrand Reinhard. 2. G. V. Jeffreys y C. J. Mumford. A Laboratory Course in Chemical Engineering: Mass Transfer Operations, Birmingham, Reino Unido: University of Aston. 3. P. Fellows. Food Processing Technology: Principies and Practice, Chichester, Reino Unido: Ellis Horwood Ltd.
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