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Introducción
El método de secado por atomización o secado spray es el más importante para secar productos líquidos. El objetivo de este tipo de deshidratación es secar los productos tan rápidamente como sea posible y a bajas temperaturas. El secado por atomización incluye tanto tanto la formación de partículas como el secado; el alimento que se encuentra en estado líquido es transformado en gotas y luego en partículas secas mediante atomización continua en un medio caliente de secado. Por medio de un pulverizado en una corriente de aire caliente, los productos líquidos pueden ser secados en pocos segundos. La temperatura de vaporización de las gotitas, que por lo general poseen un diámetro inferior a 300 micrones, está entre 40 y 50°C si las temperaturas del aire de entrada se encuentran en el rango común para el secado de alimentos, esto es, entre 150 y 220°C. Cuando están secas, las partículas del producto adquieren, a lo sumo, la temperatura del aire de salida. Todo el proceso de atomización y secado tiene lugar dentro de un secador spray. Mediante una ventilación de aspiración apropiada, un ciclón secundario recupera los finos que tienden a permanecer en suspensión en la cámara de secado. De este modo, el tiempo de permanencia del producto en el sistema no depende del caudal de alimentación sino únicamente de las condiciones de circulación del aire caliente en el aparato.
Principios de operación
El secado por atomización se ha vuelto el método más importante para el secado de alimentos fluidos del mundo occidental. El desarrollo del proceso ha sido asociado íntimamente con la industria láctea y la demanda de leche en polvo deshidratada. Sin embargo, la tecnología se ha expandido cubriendo un gran grupo de alimentos que hoy se seca exitosamente por este método. Aplicaciones
El método de secado por atomización se aplica a bananas, sangre, mezclas para tortas, jugos cítricos, café, jarabe de maíz, crema, blanqueadores de café (coffee creamers), huevo entero, yema de huevo, clara de huevo, concentrados de pescado, fórmulas infantiles, leche entera y descremada, sustitutos de leche, papas, proteínas animales, proteínas de leche, grasas para panadería, derivados de almidones, puré de tomates, té, levaduras, yogur. Aplicaciones Aplicaciones del secado secado spray spray
bananas sangre Mezclas para tortas Jugos cítricos Café Jarabe de maíz Crema Sustitutos de crema Cremas farmacéuticas
Huevo entero Clara de huevo Yema de huevo Concentrados de pescado Fórmulas infantiles Leche entera Leche descremada Sustitutos de leche Papas
Proteínas animales Proteínas de leche Proteínas vegetales Shortening (panadería) Derivados de almidón Té Puré de tomates Levadura Yoghurt
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Operaciones unitarias
El secado spray consiste en las siguientes operaciones unitarias
Preconcentración de líquido Atomización (creación de gotitas) Secado en una corriente de aire caliente y seco Separación del polvo del aire húmedo Enfriamiento Envasado del producto
Se necesitan temperaturas relativamente elevadas para las operaciones de secado spray. Sin embargo, el daño térmico a los productos es generalmente sólo leve, debido a un efecto de enfriamiento por evaporación durante el período crítico del secado, y porque el tiempo de exposición posterior a temperatura alta del material seco es muy corto. La temperatura superficial típica de una partícula durante la zona de secado constante es 45 – 50°C. Por esta razón es posible secar por spray algunas suspensiones bacterianas sin destrucción de los microorganismos. Las propiedades fís icas de los productos están íntimamente asociadas con la estructura del polvo que se genera durante el secado spray. Es posible controlar muchos de los factores que tienen influencia sobre la estructura del polvo con el objeto de obtener las propiedades deseadas.
Preconcentración del líquido de alimentación
Para la operación de un secador spray es práctica habitual preconcentrar el líquido tanto como sea posible. Hay varias razones para ello: Economía de operación (la evaporación es menos cara) Capacidad aumentada (la cantidad de agua evaporada es constante) Aumento del tamaño de partícula (cada gotita contiene más sólidos) Aumento de la densidad de partícula (reducción del tamaño de las vacuolas) Separación más eficiente del polvo (relacionada a la densidad aumentada) Mejor dispersabilidad del producto (reducción del área superficial )
Debe reconocerse que la eliminación de agua en un evaporador al vacío y en un secador spray son procesos totalmente diferentes. La evaporación bajo vacío es un proceso que tiene lugar a temperatura mucho más baja que en el secado por atomización. Generalmente la temperatura del primer efecto es sólo de 65°C y en los efectos siguientes aún menos. Por esta razón, la evaporación bajo vacío permite el uso de energía de bajo costo y la regeneración de la energía contenida en el vapor eliminado del producto. En principio se usa muy poca energía térmica En contraste el secado spray tiene lugar a presión atmosférica; en consecuencia el aire de secado debe calentarse a temperaturas elevadas, generalmente de alrededor de 150-200°C. Esto requiere combustible de costo elevado, en la forma de gas o gas oil. Además, prácticamente no hay oportunidad de regenerar la energía de la fase vapor. Entonces, para lograr una operación industrial de secado spray es normal combinar ambos procesos. El rendimiento de un secador se mide de acuerdo a la cantidad máxima de agua que puede ser eliminada por este sistema por hora. Por ejemplo, un secador spray que evapora 1000 kg de agua por hora, producirá aproximadamente 111 kg / h de producto anhidro a partir de un líquido de 10% de sólidos. Si
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ese mismo líquido es concentrado a 45% de sólidos, la producción de polvo aumenta a alrededor de 818 kg / h de producto anhidro. Finalmente la estructura del polvo y, en consecuencia, sus propiedades físicas, dependen en una gran medida de la concentración total de sólidos del líquido que se está secando. Si el tamaño de las gotitas se mantiene constante, la cantidad de sólidos afectará tanto el tamaño como la densidad de las partículas secas. La estructura de una partícula secada por spray es la de una esfera hueca,; los sólidos forman una cáscara que envuelve una vacuola central. A medida que aumenta la concentración total de sólidos en el líquido de alimentación, esta cáscara aumenta su espesor, y, como consecuencia, la partícula se encoge menos durante el secado. Análogamente, a medida que la vacuola llena de aire disminuye su tamaño, aumenta la densidad de la partícula. El aumento de de la densidad de la partícula tiene una influencia pronunciada sobre la eficiencia de la separación y recolección de polvo en los ciclones, porque éstos operan bajo el principio de una diferencia entre la densidad del aire y de las partículas. Es bien conocido en la industria de secado spray que el secado de un líquido de bajo contenido de sólidos origina partículas muy finas que son difíciles de recoger. Esto se traduce en pérdidas de producto y en polución ambiental cuando son descargadas a la atmósfera. Limitaciones de la preconcentración
El límite al grado de preconcentración de la alimentación está dictado por la viscosidad del líquido, la que no debe ser tan alta como para impedir el bombeo o la atomización de producto. En el caso de la elaboración de leche en polvo, es habitual preconcentrar la leche (9% de sólidos totales en leche descremada, 12,3 % en leche entera) hasta 45% en un evaporador. Para muchos aislados de proteína no puede usarse una concentración tan elevada, debido a que la mayoría de las soluciones de proteínas son muy viscosas. En este caso el secado spray debe efectuarse con una concentración de 25% de sólidos totales. Esta práctica, sin embargo, hace que las partículas del polvo posean una densidad menor. Por lo tanto, estos productos son muy livianos y el costo unitario unitari o de operación aumenta considerablemente.
Planta de secado spray
La característica más importante de la atomización es la formación de gotas y el contacto de éstas con el aire. La etapa de atomización produce un rocío para una condición óptima de evaporación y por consiguiente un producto dentro de características técnicas. El esquema de esta planta se muestra en la figura 10.8. El aire de entrada aspirado se mantiene limpio por pasaje a través de un filtro de aire. Este filtro tiene cartuchos filtrantes reemplazables. El calentamiento del aire hasta la temperatura deseada se realiza en un calentador de aire colocado después del filtro. En general, el aire es calentado indirectamente por medio de vapor. Esto calienta el aire hasta una temperatura de alrededor de 10°C por debajo de la producida por el calentador de vapor. La siguiente lista da las temperaturas de vapor saturado correspondiente a cada presión de vapor: Presión (bar) 10 15 20 25 40
Temperatura (°C) 180 198 212 224 250
Si no fuera posible alcanzar la temperatura deseada debido a una presión de vapor muy baja, se puede usar adicionalmente un calentamiento eléctrico. El calentamiento por vapor todavía existe en las
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instalaciones antiguas, pero este sistema cada vez se emplea menos debido a su pobre rendimiento térmico. También es posible usar un calentamiento indirecto con aceite o con gas, pero entonces el lado del calentador en contacto con el aire debe ser de acero inoxidable. También se puede emplear una caldera humo tubular en la que se quema combustible y el aire caliente generado sirve para calentar aire filtrado que va al proceso. No es recomendable usar calentamiento directo, por el riesgo de contaminación del producto a secar con sustancias contenidas en los gases calefactores. El aire caliente es conducido a la cámara de secado, en donde se mezcla con el producto atomizado por medio de toberas o discos rotativos. Evidentemente, el aspecto aspecto esencial es el efecto de pulverización que confiere al producto una considerable superficie total de transferencia. Una esfera de 1 litro de volumen tiene una superficie externa de 0,05 m2, mientras que 1 litro de líquido pulverizado en gotas de 100 mm de diámetro representa una superficie total de 60 m2.El aire cede su calor, el agua de las gotitas se evapora y el aire se enfría. Las partículas secas se eliminan de la cámara a través de una válvula. Cuando el aire caliente y el producto circulan en la misma dirección y el mismo sentido (que se verá más adelante que es la circulación apropiada para los productos térmicamente sensibles), todos slos parámetros hacen que se obtenga evaporación muy activa al principio del secado y por el contrario, débil caudal de evaporación al final de la residencia en el equipo. A la entrada del atomizador existe un elevado gradiente de temperatura entre el aire caliente y la superficie del producto, cuya temperatura inicial es la de bulbo húmedo. A medida que las partículas y el aire avanzan hacia la salida, el aire, que cede su energía para la evaporación, se va enfriando, mientras que aumenta cada vez más la temperatura superficial del producto, cada vez menos protegido por la evaporación. Ello provoca un rápido rá pido descenso del gradiente de temperatura. En cuanto al gradiente de humedad, sigue la misma evolución: muy elevado al principio del secado (producto húmedo en contacto con aire en el momento en que éste es más seco), disminuye notablemente a la salida del recinto a medida que el aire se torna cada vez más húmedo. Para evitar que la transferencia externa de masa sea limitante, únicamente podemos actuar regulando la humedad del aire a la salida de modo que esté netamente por debajo de la saturación, de lo que se deriva el empleo de gran cantidad de aire por tonelada de agua evaporada. De ello también se derivan mediocres rendimientos energéticos. Todo ello significa que un atomizador está dividido en una zona superior muy eficaz y una zona inferior que, por el contrario, es particularmente de bajo rendimiento. Como consecuencia de ello los constructores han introducido el secado de doble etapa. La eficacia que pierde que equipo debido a la circulación en el mismo sentido, la gana el producto en calidad. En efecto, el aire caliente está en contacto con el producto todavía protegido por una intensa
evaporación, mientras que el producto seco, el más vulnerable, está en contacto con el aire menos caliente. La temperatura de la superficie del producto que entra es la del termómetro húmedo. Para un aire a 200°C y con 0.02 kg de agua por kg de aire seco, dicha temperatura es sólo de 51°C. A la salida del secador se admite que la del producto es inferior en 10 a 20°C a la temperatura del aire de salida. Existe otro factor que favorece la calidad del producto: el tiempo de residencia no sobrepasa algunos segundos o algunas decenas de segundos. Por lo tanto no es de extrañar que los microorganismos del producto sólo sean atenuados o moderadamente atenuados y que sea muy suave el efecto pasteurizador de la atomización, o incluso nulo en las formas esporuladas. Los únicos factores que el usuario controla directamente son la temperatura de entrada del aire, el caudal de alimentación del producto y en ocasiones su extracto seco inicial. Estos factores de entrada influyen sobre la humedad del polvo obtenido, así como la temperatura del aire seco empleado. En la medida en que todos estos factores están relacionados entre ellos, la variación de uno de los factores provoca variación de todos los factores de salida. Las partículas que permanecen suspendidas en el aire de salida se separan en un ciclón. En algunos casos, el aire que contiene todo el producto secado se envía a un ciclón para efectuar la separación. Cuando se secan alimentos, el producto se lleva inmediatamente a la humedad de equilibrio requerida por medio de un secado final usando el método del lecho fluido, y luego se enfría. Frecuentemente se incluye un
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proceso de aglomeración, para dar buenas propiedades instantáneas al producto, lo que significa una disolución y una dispersión rápidas al mojarlo. Al final de la planta se halla un ventilador de aire exhausto que aspira el aire usado para secar a través de toda la instalación. Por lo tanto hay una ligera depresión dentro de la misma, por lo que tanto el aire caliente y el polvo no pueden escapar al exterior por fugas. Con el objeto de mantener limpio el aire de salida, dado que el ciclón no separa con 100% de eficiencia, generalmente se instala un scrubber húmedo, ya sea antes o después del ventilador. Las partículas finas de polvo recubren la superficie de las gotitas y de este modo son arrastradas fuera de la cámara de ventilación. ¿Cómo se puede mejorar el rendimiento térmico de la atomización, tan alta consumidora de energía? Aumentando la temperatura de entrada del aire y disminuyendo la de salida (ver figura 10.10). el margen de maniobra es lamentablemente muy reducido, ya que están relacionadas la humedad del polvo y del aire usado, no se puede jugar sobre este último factor para una humedad del polvo prefijada. En cuanto a la temperatura de entrada del aire caliente, está limitada por la sensibilidad térmica del producto: alrededor de 200°C para productos lácteos, l ácteos, alrededor de 300°C para los extractos de café. Estas consideraciones llevaron a los constructores a introducir el secado de doble etapa a partir de 1957. este procedimiento consiste en efectuar un secado secado incompleto (humedad del polvo a la salida 6 a 8%), y a continuación un secado complementario en lecho fluidizado (humedad final del polvo 4 a 5%). Esta técnica permite simultáneamente disminuir la temperatura de salida del aire, ya que el polvo sale más húmedo y aumentar la temperatura de entrada del aire, ya que al ser el producto final más húmedo es menos vulnerable. El límite para la humedad de salida del polvo está dado por su plasticidad, que lo hace pegajoso y origina que se adhiera a las paredes de la cámara de secado. Los constructores han resuelto también este problema, introduciendo un proceso que se podría denominar de triple etapa. Con el fin de “suprimir” las paredes, el producto sólo es pulverizado por un estrangulamiento y se integra un primer lecho fluido en la base de la torre de secado. La tercera etapa la constituye un vibrofluidificador externo a la torre. Para calcular cuánto aire m A es necesario para evaporar una cantidad de agua m W, se establece un balance calórico para el secador. En la descripción de la figura 10.9, Q rad rad representa el calor radiado hacia el exterior, ( i - O) la T entre el aire que entra y sale y R la temperatura ambiente o la temperatura inicial del aire. Como simplificación se supone que el producto y el aire tienen la misma temperatura de salida ( O), y también la misma temperatura inicial (R). Luego, mS . CS (0 - R) + mW [cW ( - R) + H + cpv (O - ) + Q rad rad = mA cpA (i - O)
(1)
en donde: S= sólido ; W = agua, ; A = aire ai re ; r= room (ambiente); o = outlet (salida); i = inlet i nlet (entrada) de vaporización y H el calor de vaporización representa la temperatura de La cantidad de calor necesario para el secado es: Q eff eff = mA . cpA (i - O)
(2)
y la cantidad total de calor necesario, que incluye el calor del aire de salida es: Q total total = mA . c pA (i - R)
(3)
La pérdida de calor es: Q loss loss = mA . c pA (O - R)
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Diseño de un secador spray – Requerimientos de potencia y altura de la cámara
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Las alternativas posibles para ahorrar energía son:
Aumento de la temperatura del aire de entrada o disminuir la temperatura del aire de salida (figura 10.10). Esta posibilidad tiene sus limitaciones debido al peligro de daño térmico (si se aumenta mucho la T de entrada) al producto y/o debido al secado incompleto, como ya se mencionó. Toma de aire del edificio de fábrica y evitar de este modo pérdidas por radiación del secador y escapes de aire caliente hacia el exterior desde la fábrica. Uso de un scrubber húmedo (figura 10.11a) para utilizar el aire de la salida para precalentar y preconcentrar el producto. También se evitan completamente las pérdidas de producto. Como desventaja pueden surgir problemas higiénicos. Uso de un filtro de mangas para recuperar los finos y un intercambiador de calor gas/gas para una recuperación de calor importante (figura 10.11b). desventaja: alto costo de la instalación.
Los siguientes valores pueden emplearse para estimar los requerimientos re querimientos de energía (los valores de c están en kJ/ kg °K): cW = 4.2 ; cpA = 1 ; cpv = 1.83 ; CS = 1.5 ; ; R)= aprox. 45°C, H = 2394 kJ / kg; mS = (45/55) mW y Q rad rad = 0
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Dependiendo de la temperatura del aire de entrada y de la temperatura inicial del producto se obtiene el rango siguiente de valores para el calor real usado por kg de agua evaporada: Q eff eff / mW = 2500 a 2700 kJ / kg El calor total por kg de agua evaporada es: Q total total / mW = (2500 a 2700) ( 1 + ( E - R) / (i - O))
(5.a)
en donde E representa la temperatura del aire de salida, posiblemente después de haber pasado por un intercambiador de calor. El requerimiento para el aire es aproximadamente: mA = (2500 a 2700) m W / (i - O)
(5.b)
El diámetro de la cámara de secado spray se puede obtener de la siguiente ecuación: D = [ 4 m A / A vA] ½
(6)
en donde v A = velocidad axial media del aire basada en la sección transversal de la cámara, la que a partir de la experiencia debe estar entre 0.1 y 0.4 m/seg. A velocidad muy baja el gas no se distribuye di stribuye uniformemente en la cámara de secado; velocidades demasiado altas llevan a un flujo inverso local de gas que incorpora producto ya secado debido a resistencia. Cuando se realiza una atomización horizontal hori zontal puede ser necesario tener en cuenta criterios adicionales resultantes del camino de vuelo de las l as partículas atomizadas. Para hallar la altura de la cámara debe conocerse el tiempo de secado y la velocidad de las partículas. El tiempo que tarda una gota de agua con un diámetro d para evaporarse completamente es: T = r. W d2 / 4 Nu ka (A - )
(7)
El número de Nusselt (Nu) se determina a partir de la siguiente relación: Nu = 2 + 0.535 (Re)1/2
(8)
La velocidad de sedimentación es insertada en el Re en esta ecuación. El tiempo de evaporación se reduce en 1/5 para una gota cuyo volumen total consiste en agua y que se evapora a través de una cubierta imaginaria de diámetro d. La figura 10.12 muestra, para ambos casos, esto es, partículas de diámetro constante y partículas que se encogen, el tiempo de evaporación de las gotas de agua en función de su diámetro, y la diferencia de temperatura (A - ) entre el aire y la superficie de las gotas. El subíndice I dado a t indica que la evaporación en la primera etapa del secado ocurre a partir de la superficie. difusión para la humedad que difunde desde el interior de las l as partículas. Se pudo demostrar que se encuentran tiempos comparables para la primera y la segunda etapa de secado para los tamaños de gotas usualmente hallados en el secado spray. La altura de la cámara de secado puede hallarse a partir del tiempo total de secado ( t I + tII) en la primera y segunda etapas y de la velocidad de caída de las partículas, que depende de la velocidad de sedimentación de las partículas y de la velocidad media axial del aire en la cámara, v A: H = ( tI + tII) (vS + vA)
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En la segunda etapa de secado, cuando los sólidos son los que se secan, el tiempo permanece en realidad proporcional a d2 e inversamente proporcional a ( A - ), pero además debe agregarse la resistencia a la En la figura 10.13 se grafica la altura de la cámara de secado en función el diámetro de la gota o la partícula. Aunque se han realizado muchas suposiciones que se aproximan mucho a la práctica, está claro que si el diámetro de las gotas excede los 0.4 mm, la altura habitual de los secadores se vuelve insuficiente para un secado completo. Las cámaras de secado spray se construyen con diámetros di ámetros de hasta 16 m y alturas de más de 20 m. Tomando en consideración la ecuación (5.b), la energía eléctrica requerida para los ventiladores de aire exhausto para el total de aire es: Event = (P – VA) / f = (2500 a 2700) (P . m W / f . A (i - 0) (10) en donde: P = diferencia total de presión a ser superada por el ventilador de aire exhausto
VA = flujo total de aire exhaustos f = 0.6 a 0.75, eficiencia del ventilador de exhaustos
Flujo
de
aire
El aire puede ser introducido o bien en la misma dirección (co-corriente) o bien en la dirección opuesta (flujo en contracorriente) al del producto atomizado que cae hasta el fondo de la cámara de secado. En la figura 10.14 se muestran de modo cualitativo los cambios de temperatura y de presión de vapor resultantes a lo largo de los caminos de secado. Como puede verse, el secado en contracorriente es ventajoso si se deben usar materiales higroscópicos hasta un contenido final bajo en humedad, dado que el aire de entrada, que tiene una presión parcial de vapor baja, se encuentra en intercambio de masa con el producto terminado seco. La eficiencia térmica también es elevada en el flujo en contracorriente, debido a la menor temperatura del aire de salida. Una gran desventaja del método de flujo en contracorriente, particularmente en el secado de alimentos sensibles al calor (especialmente los que contienen azúcar y grasa) es la mayor temperatura de descarga del producto secado. Cuando se usan sistemas en co-corriente, el producto se encuentra a temperaturas menores. Se realizaron experimentos repetidos para tratar de secar a temperaturas de entrada menores por el método de contracorriente después de presecar el aire. No se tuvo éxito porque no era económico debido a las diferencias de temperatura demasiado pequeñas, requerimientos de aire demasiado elevados y tiempos de secado muy largos. Frecuentemente F recuentemente fue necesaria una etapa extra de secado de aire. Por las razones antes mencionadas, el método de secado spray usado con más frecuencia es el de cocorriente. Las figuras 10.15 y 10.16 muestran esquemáticamente un número de disposiciones de flujo en contracorriente y en co-corriente, con énfasis en los puntos de entrada del aire caliente. Es importante que la velocidad del aire sea uniforme en toda el área transversal de la cámara. Esto es especialmente importante en el caso de contracorriente para no arrastrar demasiado producto en el aire de salida por un lado, y por el otro, no permitir que muchas partículas sedimenten demasiado rápido en la cámara. La dirección del flujo de aire es una de las características más importantes del diseño en el secado spray y determina la calidad del producto. Debe cumplirse: Mezclado y distribución completos del aire y del producto, para evitar bolsones de humedad y secado insuficiente. Evitado de sobrecalentamiento local debido a flujo inverso incontrolado del producto secado hacia áreas calientes del secador.
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Las gotitas atomizadas deben poseer la superficie seca antes de al canzar la pared del secador, para evitar depósito en las mismas. En aquella parte de la pared del secador que está en contacto con las partículas del producto, la temperatura debe encontrarse por debajo del punto de fusión de las partículas para evitar el cocinado de las mismas.
La concentración del producto secado en el secador no debe ser tan elevada como para llevar a una explosión de polvo por auto ignición debido a una temperatura demasiado alta (144°C para polvo de
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leche entera y 185°C para leche en polvo descremada) o por ignición como resultado de la aparición de chispas. A una concentración de aproximadamente a proximadamente 50g de polvo de leche por m3, existe la posibilidad de una explosión por ignición por chispas. No hay peligro de explosión a concentraciones < 175 g/m3, según Hall y Hedrick.
Descarga del producto secado
La eliminación de la l a cámara del producto secado puede realizarse de varias maneras, algunas de las cuales se indican en la figura 10.17. En todos los casos el aire de salida se envía a un ciclón adyacente. En ningún caso se separa todo el producto en un ciclón. Cuando sólo se emplea transporte neumático, el producto sufre un desgaste mecánico por las deflexiones, y de esta manera se aumenta la cantidad de polvo producido. La descarga de producto tiene lugar de modo más suave en los casos b, c y c, en donde el producto depositado en el fondo se elimina a través de una válvula de descarga. Los vibradores y los rascadores rotativos ayudan a llevar el producto al extremo de descarga. En algunas plantas (caso d) hay un barredor rotativo de aire que elimina los depósitos sueltos de las l as paredes. Inmediatamente después de la descarga el producto secado, si es necesario, es enfriado y se le da un secado final. Atomizado
Es importante que las gotitas producidas por el atomizador se encuentren dentro de un rango especificado de tamaño. Si varían muco en tamaño el secado puede no ser uniforme. Las condiciones de secado deben ser fijadas de tal modo que las gotitas más grandes alcancen el tenor de humedad deseado. Estro podría originar que las más pequeñas estén sobreexpuestas al are caliente. como se indicó, el tamaño de las gotitas puede afectar algunas propiedades importantes del polvo seco, tales como el comportamiento en la rehidratación y las propiedades de flujo.
Existen tres maneras de realizar la atomización del líquido, utilizando: 1. toberas de alta presión 2. toberas de dos fluidos 3. discos rotativos Toberas de alta presión
Para obtener el tamaño habitual de gota entre 10 y 100 m, debe forzarse el líquido por alta presión (20 a 60 bar para productos de baja viscosidad, hasta 200 bar para concentrados) por medio de bombas de pistón (fig. 10.18). El líquido entra a la parte interna de modo tangencial, es atomizado por la rotación y deja la tobera en la forma de un cono hueco. El diámetro del orificio está entre 0.5 y 3 mm y el cono de rociado 60° a 90°, dependiendo del tamaño del orificio. Las capacidades habituales se encuentran entre 200 y 600 litros por hora y pueden ser modificadas por cambios en la presión, diámetro del orificio y diámetro del agujero tangencial de la cámara de flujo. Cuando deben procesarse cantidades mayores de líquido, se disponen varias toberas en la circunferencia de la cámara de secado, como se muestra en la figura 101.19. En la tobera de alta presión el tamaño de la gotita depende de la presión sobre el líquido, de la capacidad de la tobera, de la forma del cono de rociado y de la viscosidad y tensión superficial del líquido. Con este tipo de tobera generalmente es posible producir un rango estrecho de diámetros de gotitas que favorezcan la formación de esferas huecas de las partículas secas. Lo s líquidos que contienen sólidos no son apropiados para el uso en las toberas de alta presión debido a la tendencia de la tobera a taponarse y a erosionarse.
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Toberas de dos fluidos
este tipo de tobera emplea como segundo material aire o vapor de agua a 1.5 bar para atomizar el lí quido (figura 10.20). el cono de rociado mide entre 20° y 40° y puede ser macizo o hueco dependiendo del diseño de la tobera. Con una cantidad de aire de aproximadamente 0.2 a 0.5 kg de aire comprimido por kg de líquido, se pueden procesar hasta 100 kg/h de producto. El líquido puede generalmente ser enviado a la tobera por medio de una simple bomba dosificadora, ya sea sin presión o con baja presión. La capacidad y el ángulo de rociado pueden regularse por alteraciones en la altura de la aguja interior y del tubo que la rodea. El tamaño de las gotitas está determinado por las características del líquido y por el caudal de aire y de producto. En comparación con la tobera de alta presión, presi ón, el rango de tamaños de gotitas obtenido con
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la tobera de dos fluidos es mayor. Discos centrífugos
El disco centrífugo que atomiza por fuerza centrífuga se usa ampliamente en el secado spray. Aún los caudales mayores pueden ser procesados por un solo disco. Para cantidades realmente grandes sólo debe aumentarse el número de canales (figura 10.21) o su altura (figura 10.23) y la potencia de flujo. Los discos están montados sobre un eje que es accionado o bien de modo directo por un motor o indirectamente por medio de correas. Como se muestra en la figura 10.22 la entrada de producto y el eje están rodeados de una camisa enfriadora y protegidos del aire caliente. La distribución de tamaño de partículas proveniente de discos centrífugos cae entre la de la tobera de alta presión y la de dos fluidos. El rango puede ser influenciado por el tipo y número de canales y especialmente por la velocidad en la circunferencia. Este tipo de atomizadores es muy utilizado, ya que permite manejar líquidos muy viscosos, no se obtura con facilidad y es resistente a la abrasión. Para obtener un secado adecuado, el comportamiento de las gotitas más grandes tiene una influencia controlante, dado que necesitan los tiempos de secado más prolongados, pero son las que se depositan más rápidamente en la cámara. La figura 10.24 muestra el máximo diámetro de gotita líquida obtenible en función de la velocidad de descarga a la salida de la tobera o del disco. En el caso del disco, esto es equivalente a la velocidad en la circunferencia, que es v = .D.n. Puede verse que las velocidades para el secado spray no deben ser inferiores a 100 m/s, dado que de otro modo el máximo diámetro de la gotita sería demasiado grande para el secado adecuado. La figura 10.25 muestra que para los diámetros de disco usuales se requieren revoluciones entre 10000 y 30000 rpm. La potencia necesaria para acelerar el líquido a la velocidad en la circunferencia del disco es: E°. = m°. v2 / 2 Ejemplo: A una eficiencia de = 65% y a una velocidad periférica de v = 150 m/s se obtiene que para un flujo másico m°= 1 kg/s = 3600 kg/h, se requiere una potencia eléctrica de E ° = 17.3 kw.
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Spray drying nozzles
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Tobera en funcionamiento
SECADO EN LECHO FLUIDO
Como ya se mencionó en conexión con el secado spray, el secado en lecho fluido se utiliza en este proceso (y en otros) como procedimiento final de secado, para llevar la humedad de los polvos al nivel requerido para su estabilidad durante el almacenaje, esto es, 2-4%. El secado en lecho fluido es una parte integrante del instantaneizado. Otras áreas de aplicación se hallan en la producción de lactosa, de caseína y generalmente de gránulos, polvos y productos similares que pueden ser mantenidos en un colchón de aire. El método de lecho fluidizado puede usarse también para p ara el enfriamiento de cualquier material que se puede hacer que fluya.
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Principios
Cuando se pasa un gas a través de un soporte permeable, sobre el cual descansa un material que puede fluir, el empaque del lecho de material se vuelve menos denso, es decir, el lecho comienza a expandirse cuando se alcanza una cierta velocidad. A velocidades aún mayores las partículas lecho comenzarán a estar en movimiento turbulento. Todas las partículas del producto se mezclan completamente en la capa turbulenta y por lo tanto se secan con una velocidad uniforme. Un aumento mayor en la corriente de gas lleva finalmente a una velocidad a la cual las partículas flotan, lo que tiene lugar cuando la fuerza hacia arriba iguala a la de la gravedad que actúa sobre las partículas. mÁs allá de esta velocidad es imposible mantener un lecho fluidizado y las partículas son arrastradas por la corriente de gas (transporte neumático). Un lecho fluido se mantiene entonces a velocidades de aire que se encuentran entre aquellas para las cuales el lecho comienza a expandirse y aquéllas a las cuales las partículas flotan. La velocidad a la cual el lecho comienza a expandirse se alcanza cuando la caída de presión es igual a la fuerza de gravedad que actúa sobre toda la masa del lecho. Fuerza de gravedad que actúa sobre el lecho: P = H0 . g. (K - A) (1 - 0)
(10.20)
en donde: H0 = profundidad del lecho de material en descanso K = densidad de la partícula individual A = densidad del aire al rededor de 0.4) 0 = porosidad del lecho en descanso (generalmente alrededor La caída de presión del gas al pasar por el lecho es: 2
2
(10.21) P = (64 1 / 0 ) [( 1/Re) + ( / 64)] H0 A v / d* 2 en donde: 1 = factor debido al aumento en longitud del camino; alrededor de 0.75 para lechos Re = número de Reynolds, formado por d* y v = v/0 = coeficiente de resistencia para flujo turbulento v = velocidad del del gas basada en la sección sección transversal de la torre vacía
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d* = diámetro hidráulico de los poros, d* es generalmente (2/3)(0 . dK / (1 - 0) para esferas con un diámetro d K La ecuación (10.21) es válida para flujo laminar, lami nar, de transición y turbulento. La combinación de las dos ecuaciones da la velocidad a la cual el lecho comienza a expandi rse, v. La velocidad de fluidización durante el flujo laminar es: vs = dK2 (K - A) . g / 18 A, En donde A es la viscosidad absoluta del aire. Tipos de lechos fluidizados
Las partículas de un producto húmedo pueden ser llevadas a movimiento turbulento usando sólo aire siempre que sus superficies no estén adheridas entre sí debido a humedad o termoplasticidad. En tal caso el secado en lecho fluido puede ser llevado a cabo en una instalación relativamente simple, que se muestra en la figura 10.36. Si las partículas se adhieren inicialmente, se pueden lograr lechos fluidos estables usando agitadores mecánicos para romper los aglomerados de partículas. Otra posibilidad de mezclado forzado, que al mismo tiempo produce un transporte forzado, es el lecho fluido vibratorio, mucho más empleado, que se muestra en la l a figura 10.37. El secador se basa en una cuba transportadora vibratoria que puede tener hasta 10 m de longitud y 1 m de ancho. La vibración se produce por medio de motores excéntricos que generan la vibración del secador, que puede estar soportado en resortes helicoidales o de hojas. La dirección de la vibración puede cambiarse rotando el motor y la amplitud cambiando la excentricidad. Para asegurar una distribución uniforme del aire sobre toda el área de la placa de base permeable al aire, la resistencia ofrecida por la placa al flujo de aire debe estar en el rango de 1000 a 2000 Pa, dependiendo del tipo de producto y de la profundidad del lecho. Las perforaciones ocupan por lo general entre 1.5 y 5% del área de la placa, y la profundidad del lecho, que puede ajustarse por medio de una chapa de sobreflujo, generalmente tiene entre 50 y 300 mm. El lecho fluido vibrado tiene las siguientes ventajas: transporte forzado en una dirección dada, fluidización aún a bajas velocidades del aire y un tiempo de residencia del producto que puede ser por lo menos controlado parcialmente. Microencapsulación
El secado spray se usa con frecuencia como técnica de encapsulación tanto en la industria de la alimentación como en otras. La sustancia a ser encapsulada (la carga) y un vehículo anfipático (por lo general algún tipo de almidón modificado que posee propiedades hidrofílicas y lipofílicas), se homogenizan como una suspensión en agua. Esta suspensión se alimenta a un secador spray, en donde se atomiza. En parte debido a la elevada tensión superficial del agua y en parte debido a las interacciones hidrofílicas / lipofílicas entre el carrier anfipático, el agua y la carga, la mezcla atomizada forma micelas. El pequeño tamaño de las gotas (en promedio con 100 micrones de diámetro) origina un área superficial relativamente grande que se seca con rapidez. A medida que transcurre el secado, el carrier forma una capa endurecida alrededor de la carga.
Structure of Spray Dried Powder Particles
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Fluid bed dryer
AGLOMERACION
/
INSTANTANEIZADO
Introducción
La reconstitución es el mojado de un polvo seco para llevarlo generalmente al contenido original de agua. Si este estado puede ser alcanzado muy rápidamente se dice que el polvo posee propiedades instantáneas. Sin embargo, muchos estudios y la experiencia cotidiana han mostrado que la mayor parte de los polvos con tamaños de partícula inferiores a 100 micrones son muy difíciles de reconstituir. Un proceso que imparte propiedades muy buenas de humectación a un producto seco se denomina instantaneizado. Estas propiedades por lo general pueden lograrse por medio de la aglomeración de las partículas pequeñas de polvo para dar gránulos con diámetros de 1 a 3 mm. Para ilustrar este problema discutamos brevemente los diferentes pasos de la reconstitución. Si un polvo se transfiere a la superficie del agua, si el polvo es hidrofílico, las partículas aue están en contacto directo con el agua se disolverán. Además, las fuerzas capilares producidas por los pequeños espacios entre las partículas contiguas atraen el agua hacia el polvo. Se conoce por experiencia que, para el caso de la leche en polvo por ejemplo, la profundidad de penetración no es grande (1 a 3 mm). La razón es que, después de un corto tiempo, se superpone el proceso de hinchamiento (proteínas e hidrocoloides) y esto transforma la frontera entre las fases en una masa pegajosa y con consistencia de gel, la que resiste la penetración posterior del agua. Quedan entonces bolsillos de producto seco, los que generalmente no pueden ser dispersados sin ayuda mecánica. Lo que se requiere entonces es una partícula granular, producida por aglomeración, , en la que el agua pueda ser introducida por fuerzas capilares por todo el caminohacia el interior antes de que se forme una capa impenetrable de gel. Ór otra parte los gránulos no deben ser demasiado pequeños, porque de si no se pueden formar bolsillos de polvo seco si el agua penetra demasiado rápido por acción capilar dentro del lecho de gránulos. Por lo tanto, deberían tener lugar los siguientes procesos durante la reconstitución, ya sea secuencialmente o parcialmente superpuestos entre sí.
Las partículas granulares se mojan a medida que tocan la superficie del agua El agua penetra en los poros de las partículas Las partículas mojadas se hunden en el agua ag ua Los gránulos se desintegra dando lugar a las partículas originales y éstas se dispersan en el agua Las partículas pequeñas se disuelven en el agua.
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El término aglomeración describe la l a formación de un cuerpo físicamente más grande a partir de un número de otros más pequeños. La aglomeración se emplea para mejorar la fluidez y para obtener un producto libre de polvo. Tales productos, por muchas razones, se pueden manipular mejor en el procesado subsiguiente La aglomeración es un paso preliminar en la manufactura de tabletas. El objetivo principal de la aglomeración es entre otros realizar un mezclado de los distintos ingredientes en la proporción correcta formando gránulos que fluyen libremente (free-flowing). La aglomeración es esencial para fabricar productos instantáneos. Los productos no aglomerados tienen por lo general una mojabilidad pobre. Esta propiedad restringe severamente su uso bajo l as condiciones normales del hogar. La función de la aglomeración es cambiar la porosidad de los polvos, lo que mejora la penetración del agua en los gránulos. El apelmazado (caking) puede ser un problema grande para un número de productos. La aglomeración disminuye el número de contactos superficiales entre partículas y el resultado es la reducción del nivel de apelmazado. La aglomeración también puede ser empleada para recubrir productos (coating). El lecitinado de polvos conteniendo grasa así como de la l a leche entera son ejemplos bien conocidos de esto. i mportante el aspecto de los productos. Luego puede ser La aglomeración mejora de modo importante importante desde el punto de vista de marketing. El proceso de aglomeración
Durante la aglomeración, la unión entre las partículas individuales puede ser originada por fuerzas electrostáticas y de atracción intermolecular (fuerzas de van der Waals). Estas fuerzas sólo son efectivas cuando las distancias interpartículas son pequeñas ( <1 m). Estas fuerzas juegan un papel en la aglomeración a través del compactado (tableteado). En presencia de líquidos pueden formarse uniones más fuertes. En un proceso de aglomeración en húmedo los puentes líquidos forman las uniones iniciales, las que se solidifican por la evaporación posterior. Los puentes líquidos deben ser lo suficientemente fuertes para consolidar la estructura del aglomerado. La fuerza de un puente líquido es fundamentalmente función de los siguientes parámetros: (1) viscosidad del puente, (2) distancia interpartícula, (3) grado de saturación de las concavidades del aglomerado. La fuerza de los puentes líquidos es óptima cuando la viscosidad del líquido es elevada y la distancia interpartícula es pequeña. Esto sólo puede lograrse con suficiente energía cinética intercolisional de las partículas. Con referencia al grado de saturación se pueden distinguir tres etapas: el estado pendular en el cual los espacios vacíos entre las partículas sólo están parcialmente llenos, el estado capilar, en el cual los vacíos se encuentran casi completamente llenos y el estado funicular que representa el área de transición entre el estado capilar y pendular. La fuerza de unión en un puente líquido es función del grado de saturación de los vacíos interpartículas. Esto está ilustrado en la figura 1. El puente seco final se forma después del secado evaporativo. evap orativo. La fuerza de la unión solidificada es una función de los sólidos disueltos en el puente líquido, del número de puentes, del radio de las partículas y de la porosidad del aglomerado. ag lomerado. Debe tenerse en cuenta que: lí quido aumentan la fuerza Más sólidos disueltos en el líquido Muchos puentes pequeños son más fuertes que unos pocos fuertes. di sminuyen la fuerza del puente. Las partículas primarias grandes disminuyen Los gránulos compactos (baja porosidad) son más fuertes que los aglomerados porosos. Reconstitución de aglomerados
Una de las razones principales de la aglomeración es la de conferir a un cierto producto un carácter instantáneo, lo que significa que será fácilmente fácil mente dispersable en agua. En el proceso total de reconstitución rec onstitución se distinguen cuatro etapas, a saber el mojado de los aglomerados o
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o o o
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la capacidad de las partículas para hundirse en el agua la dispersión de los aglomerados en partículas primarias individuales la disolución de las partículas en el líquido
El proceso inicial de mojado de un aglomerado es crucial para todo el proceso de reconstitución. La fuerza impulsora para el mojado de los aglomerados es la presión capilar. Una presión capilar alta estimula el mojado rápido de los aglomerados, lo que es necesario porque: ayuda a expulsar el aire del gránulo, de modo que ninguno o muy pocos bolsones de aire o quedan en la estructura. Esto aumenta la densidad del gránulo y por lo tanto la facilidad para hundirse. La cantidad de sólidos que se disuelven d isuelven permanece pequeña, lo que mantiene a su vez bajas la o tensión superficial y la viscosidad del líquido que penetra.
Otros parámetros que afectan la reconstitución de los aglomerados son: El tamaño de los poros. Los poros pequeños (baja porosidad) generan alta presión capilar, o pero la fricción del líquido contrarresta este efecto. En realidad hay un tamaño crítico de poro por debajo o por encima del cual el mojado aumenta. La figura 2 aclara esto para una mezcla aglomerada de sacarosa y cacao. La atracción del producto por el agua. La grasa por ejemplo confiere al producto un carácter o hidrofóbico. Recubriendo con un agente hidrofílico, como la lecitina, la reconstitución se mejora considerablemente. La homogeneidad de los poros. Tamaños uniformes de poros promueve el mojado uniforme, o lo que expulsa todo el aire air e del aglomerado. Esto aumenta la densidad y en consecuencia la capacidad de hundirse y la disolución de los puentes de partículas. Aire en aglomerados. Un aspecto beneficioso del aire es que está siendo comprimido debido a o la presión capilar. Debido a este efecto un aglomerado podría explotar en unidades más pequeñas. Esto se traduce en una aceleración de la mojabilidad y la capacidad de hundimiento porque la profundidad de penetración del líquido lí quido disminuye. Hinchamiento de partículas. Algunos componentes del producto, tales como proteínas y o almidón se hinchan durante el mojado, lo que podría llevar al bloqueo de los espacios intersticiales. Este fenómeno para la posterior reconstitución y puede originar geles indeseablemente espesos, que son difíciles de dispersar. La aglomeración y reconstitución de los aglomerados son fenómenos complejos. El tipo de proceso de aglomeración tiene una gran influencia sobre las propiedades del producto resultante y por lo tanto sobre la funcionalidad. La selección del proceso adecuado y de las condiciones de proceso son las herramientas para obtener las propiedades deseadas del producto. Aglomeración directa
Esto significa que el secado spray y la aglomeración se llevan a cabo en un proceso. La aglomeración se lleva a cabo en la zona de atomización de la cámara de secado spray. La aglomeración se logra por una combinación de: (1) mezclado inter-spray y (2) mojado de los finos por las gotitas atomizadas. El primer mecanismo se denomina aglomeración inter-spray y el segundo aglomeración agl omeración de los finos por las gotitas. Este modo de aglomeración se lleva ll eva a cabo con un sistema sist ema de atomizado de toberas múltiples. En este diseño las toberas de atomizado están dispuestas en racimos, ra cimos, mientras que las lanzas de las l as toberas están diseñadas con un ángulo en la punta de la tobera. La lanza individual de la tobera puede rotar alrededor de su eje pero también se puede mover de modo axial hacia adentro o hacia fuera con respecto al centro del conjunto de toberas múltiples. Este sistema permite a las lluvias de las toberas su intermezclado con una superficie variable de solapado en la cual las gotitas pueden chocar. No todas las partículas del atomizado chocan y los finos resultantes se colectan en
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un punto central en el sistema de secado para ser recicladas al área de atomizado para aglomeración con las gotitas del atomizado. La figura 4 muestra el principio de este sistema de aglomeración, el cual es efectivo debido a las siguientes razones: a) En el área de atomización las gotitas son húmedas y pegajosas b) Todas las partículas, finos y gotitas, están concentradas en un volumen relativamente chico y confinado, lo que se traduce en frecuentes colisiones coli siones entre las partículas. c) Debido a que las lanzas de las toberas están diseñadas con un ángulo, las gotitas y las partículas también chocan en ángulo. Esto genera energía cinética intercolisional, lo que contribuye a formar uniones entre partículas de suficiente fuerza, lo que es importante para consolidar los aglomerados. Gracias a la superposición de los diferentes atomizadores tienen lugar más o menos colisiones entre las partículas, produciéndose productos con alta, baja o sin aglomeración. Este sistema de aglomeración es una de las partes esenciales de algunos tipos de secadores que tienen este objeto. La aglomeración también puede ocurrir en cualquier otro lugar en el lecho fluido del secador, si las partículas provenientes de la cámara de secado aún se hallan húmedas. La concentración de partículas en el lecho fluido es elevada, lo que permite frecuentes colisiones entre las partículas. Sin embargo, un número de productos no puede aglomerarse de este modo debido al hecho que se necesita secado a bajo contenido de humedad en la etapa inicial para poder controlar la termoplasticidad. La figura 5 ilustra un tipo de secador spray diseñado para la manufactura de productos aglomerados. Este tipo de secador spray tiene las l as siguientes características: Un juego múltiple de toberas para lograr la aglomeración. Un sistema de reciclado de finos para lograr la aglomeración de finos con gotitas. Un flujo de aire en co corriente revertido en la cámara de secado. Este diagrama de flujo de aire permite que el secado inicial tenga lugar en el centro de la cámara de secado, en donde las partículas están todavía húmedas y son pegajosas pero no pueden escapar de allí debido al flujo de aire ascendente a lo largo de la pared del secador. En el lugar en que el flujo de aire cambia de dirección, las partículas gruesas se separan por gravedad y son descargadas a un lecho l echo fluido externo. Las velocidades del aire en el área á rea de inversión son bajas. El efecto es un elevado el evado efecto de separación de polvo, lo que genera una pequeña proporción de polvo fino en el aire de salida del secador. Por naturaleza estas partículas finas tienen baja humedad y por lo tanto no son pegajosas. mezcla do/pistón directamente debajo del cono del secador. Las Un lecho fluido externo con flujo bien mezclado/pistón principales funciones de un lecho bien mezclado es el mezclado de polvo húmedo y polvo pegajoso de la cámara con producto del lecho fluido y el secado en segunda etapa bajo condiciones suaves de T. El intermezclado rápido de producto producto de la cámara y del lecho fluido se logra por alta velocidad de aire, la que es generalmente el doble de la de las secciones de flujo pistón. Esta alta velocidad del aire es posible debido al hecho que el producto en este estado del proceso de secado está todavía húmedo y es algo pegajoso. Un tipo particular de secado spray es e s el secado spray en espuma. Este proceso puede ser combinado con la aglomeración directa. En este tipo de proceso se dispersa o disuelve un gas en el producto de alimentación, preferentemente bajo “alta” presión. Luego el proceso debe ll evarse a cabo con atomización por tobera para mantener el gas en el líquido. Después de la atomización el gas expande las gotitas a esferas huecas. Este tipo de secado seca do spray le da al producto terminado la funcionalidad de una baja densidad aparente (regulable), y dependiendo de su composición, propiedades espumantes cuando se lo reconstituye. Aglomeración con humectación
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Este tipo de aglomeración se emplea cuando los ingredientes básicos están disponibles como polvo, y cuando se requiere un producto de fácil disolución. El tipo de aglomerado a producir debe entonces tener suficiente porosidad para poder llevar a cabo una reconstitución adecuada. Generalmente se usan dos principios para l a aglomeración con rehumectación: Rehumectación del polvo seco basada en la condensación de vapor Rehumectación del polvo seco por atomización de líquidos La rehumectación con vapor se basa en el principio de condensación sobre partículas de polvo frío. Sin embargo, el grado de humectación con vapor es limitado. Por lo tanto puede agregarse agua para sobresaturar el vapor e incrementar de este modo la velocidad de mojado. Es posible también el modo opuesto de operación cuando se mezcla aire con vapor. Una gran ventaja del vapor como agente humectante es la distribución homogénea de la humedad sobre las partículas. Luego, la humectación con vapor origina un máximo número de puntos de contacto entre partículas y un tamaño uniforme de poros. Ambos aspectos favorecen la fuerza del aglomerado y la reconstitución adecuada. La tobera para inyección del vapor de humectación consiste en un caño colocado de modo coaxial con una salida anular de vapor. La tobera está provista de medios para incorporar agua o aire. La velocidad del vapor es tal que se logra un mezclado óptimo con el polvo a aglomerar.
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