Fund Amen To De Lifilizacion

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Tecnología de los Alimentos

Tema 10

Deshidratación: secado y liofilización.

Objetivos •

Definir la operación de secado, su utilidad y su ámbito de aplicación

•

Recordar los fundamentos de la interacción aire agua

•

Estudiar el equilibrio entre aire húmedo y un sólido higroscópico

•

Conocer los mecanismos de eliminación de agua que tienen lugar durante el secado.

•

Obtener la velocidad de secado de experimentos

•

Calcular la velocidad de secado en diferentes condiciones

•

Estimar el tiempo de secado de una muestra

•

Ver diferentes tipos de secaderos

•

Obtener las ecuaciones de diseño de secaderos

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Índice del tema

1 2

3 4 5

6 7

INTRODUCCIÓN .................................................................................................................................... 3 PROPIEDADES DEL AIRE HÚMEDO: HUMEDAD DE EQUILIBRIO .............................................................. 4 2.1 Humedad del aire....................................................................................................................... 4 2.2 Humedad del un sólido............................................................................................................... 5 2.3 Propiedades termodinámicas del aire húmedo .......................................................................... 5 2.4 Humedad de equilibrio de un sólido. ......................................................................................... 6 2.5 Humedad ligada, no ligada y libre........................................................................................... 10 CINÉTICA DEL SECADO POR ARRASTRE. ............................................................................................. 11 3.1 Descripción del secado ............................................................................................................ 12 3.2 Obtención de datos de secado y su tratamiento ....................................................................... 12 DISEÑO DE SECADEROS DISCONTINUOS POR AIRE. ............................................................................. 15 TIPOS DE SECADEROS......................................................................................................................... 17 5.1 Secaderos de aire por convección............................................................................................ 17 5.2 Secadero por contacto con una superficie caliente.................................................................. 19 5.3 Otros tipos de secadero............................................................................................................ 19 DISEÑO DE UN SECADERO CONTINUO ................................................................................................. 19 FUNDAMENTOS DE LA LIOFILIZACIÓN ................................................................................................ 22

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Introducción

La deshidratación es un método de estabilización de alimentos que se basa en la reducción de la actividad del agua (aw) para ralentizar los procesos de deterioro a los que se ve sometido un alimento. Se distingue muy claramente de la concentración o evaporación porque, aunque ambas operaciones se basan en disminuir la actividad del agua, la concentración u evaporación da productos líquidos, que aun contienen cantidades del orden de hasta el 50% en agua. Los productos de la deshidratación son sólidos con un contenido en agua inferior al 10%. Utilizamos el término genérico “deshidratación” porque durante esta operación no solo se retira el agua que actúa como disolvente o inerte que diluye el alimento, sino que se retira agua que entra en la constitución de las estructuras y tejidos del alimento. Por ello, la deshidratación provoca a menudo profundos cambios en las cualidades organolépticas de los alimentos, por lo que no es adecuada para muchos alimentos. Todas las operaciones de deshidratación tienen en común la pérdida de agua. Sin embargo esta pérdida se puede realizar de diversas formas. •

En el SECADO por ARRASTRE la retirada de agua se realiza poniendo el alimento en contacto con un medio, normalmente aire, relativamente seco (es decir, que tiende a retirar agua del alimento). Este medio se renueva lo suficientemente a menudo para que el secado prosiga hasta el grado de deshidratación deseado. Puesto que para una misma humedad absoluta el aire resulta relativamente más seco cuanto más se incrementa la temperatura, el secado por arrastre es a menudo realizado con un chorro de aire caliente. Esta operación tiene unos requerimientos energéticos de unas 600 Kcal kg-1 de agua evaporada. En el secado por arrastre, esta energía es aportada normalmente por el agente de arrastre (aire seco y caliente normalmente) que cede su calor sensible a la vez que se carga de humedad. Cuando el agente de secado aporta todo el calor necesario para la vaporización, tenemos un secadero adiabático. Esta condición tiene importancia en el diseño.

•

El SECADO por VAPORIZACIÓN consiste en calentar el alimento lo suficiente como para que el agua que contiene alcance el punto de ebullición y abandone el alimento al transformarse en vapor. Aunque el agua hierve a 100ºC a 1 atm, le eliminación del agua ligada, necesaria para obtener niveles de deshidratación adecuados, usualmente requiere el empleo de temperaturas mucho mayores. Este tipo de secado es, pues, muy agresivo y este secado a menudo se realiza simultáneamente con la etapa de cocinado del alimento (como pasa con los corn flakes u otros cereales inflados). El requerimiento energético de la vaporización es de unas 500 Kcal kg-1 sólo para el calor latente del agua evaporada.

•

La LIOFILIZACIÓN es una deshidratación en la que retirada de agua tiene lugar por sublimación, sometiendo al alimento a condiciones de temperatura inferiores a las del punto triple. La liofilización es lenta y cara, ya que requiere una atmósfera de alto vacío, pero las ausencia de aire y el frió al que está sometido el alimento durante la mayor parte del tiempo del proceso hace que se obtengan alimentos de muy buena calidad que se rehidratan con suma facilidad. La sublimación requiere unos 700 Kcal kg-1 de agua.

En la vaporización y sublimación el cambio de fase es espontáneo en las condiciones del entorno. En el secado por arrastre el cambio de fase es forzado por la constante renovación de la atmósfera que 3

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rodea al alimento con aire relativamente seco. Si el aire no se renovase, rápidamente se llegaría a la humedad de equilibrio y el secado cesaría. Aunque lo importante para una buena conservación es una baja actividad del agua, puede decirse en general que una humedad por debajo del 10% hace inactivos a microorganismos y enzimas, aunque es necesario bajar la humedad por debajo del 5% para conservar las cualidades nutricionales y organolépticas de los alimentos. Algunos alimentos son estables con esta humedad (como la harina, con un 8% de humedad, muchos frutos secos, pasta, …etc). Sin embargo otros productos se vuelven fuertemente hidrofílicos (tienden a absorber agua del ambiente), como el café soluble, galletas o aperitivo. En estos productos, el envase desempeña un papel fundamental en la adecuada conservación. Finalmente, resaltar que el secado además de una buena operación de conservación, presenta una gran ventaja para la comercialización de los productos, ya que al haber retirado una gran parte del agua los productos se reducen en peso y tamaño siendo más fáciles de almacenar y transportar. Cuestión: Defina la operación de secado y distíngala de la concentración. Cuestión: Enumere los tipos de secado expuestos en esta introducción.

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Propiedades del aire húmedo: humedad de equilibrio

Puesto que el secado por arrastre, que es con mucho el más común, consiste en usar aire relativamente seco para retirar el agua empapada en un sólido, necesitamos ser capaces de describir con precisión las propiedades del aire húmedo a fin de poder cuantificar el concepto de húmedo o seco. Durante el secado por arrastre ocurren varias cosas a la vez. El “arrastra” la humedad en el entorno del sólido proporcionando una atmósfera más seca que promueve la evaporación, por tanto el sólido se saca y el aire se humedece. El paso de agua líquida a vapor absorbe calor latente y produce descenso de la temperatura. El aire cede calor sensible al sólido, que de otra forma se enfriaría de forma indefinida. Por tanto, el contacto aire agua es una operación compleja en la que ocurren simultáneamente intercambios de materia y calor interrelacionados. Es una operación controlada a la vez por la transferencia de calor y materia. Usted ya conoce en suficiente profundidad el equilibrio aire-agua, por lo que en el presente apartado no se estudia en detalle la psicrometría. Usted debe repasar este tema en el caso de que no recuerde alguno de los conceptos o definiciones que se exponen en el breve repaso que hacemos a continuación. 2.1

Humedad del aire

Usaremos las siguientes variables para cuantificar la humedad del aire: •

Presión parcial del vapor de agua en el aire: PH 2O

•

Presión parcial de equilibrio del vapor de agua: PH* 2O

•

Fracción molar de agua en el aire: y =

•

Humedad absoluta del aire: Y (por convención definida como kg de agua por kg de aire seco). Es útil recordar que Y =

PH 2O PT

( PT : presión total, usualmente 1 atm)

PH 2O 18 18 y ⋅ = ⋅ 29 PT − PH 2O 29 1 − y 4

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•

Humedad relativa del aire: ϕ =

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PH 2O PH*2O

, que expresa lo cerca que esta el aire de su

saturación con agua. Este número a menudo se encuentra multiplicado por 100, y es el tanto por ciento de saturación (así es la humedad relativa que dan en las noticias del tiempo). La humedad relativa puede ser difícil de entender ya que varía mucho con la temperatura al tener en el denominador la presión de vapor del agua, que depende fuertemente de T. Así, un aire con la misma humedad absoluta tiene una humedad relativa más alta estando frío ( PH* 2O es más baja) que caliente. Antes de continuar es preciso recordar con claridad estos conceptos y repasar, si es necesario. Usted debe ser capaz de contestar a las siguientes preguntas: Cuestión: Encuentre la humedad absoluta de un aire que se encuentra saturado a 20ºC. Obtenga la presión de vapor de equilibrio del agua en esas condiciones y la presión parcial del vapor de agua en ese aire. Cuestión: El aire saturado a 20ºC de la cuestión anterior se calienta hasta 45ºC. Calcule en esas condiciones la humedad relativa. Cuestión: Las noticias del tiempo dicen que el aire tiene un 80% de humedad y la temperatura en de 35ºC. ¿Qué humedad absoluta contiene el aire? ¿Qué le pasa a ese aire cuando es enfriado hasta 12ºC en un acondicionador de aire?

2.2

Humedad del un sólido

También es necesario caracterizar la humedad de la fase sólida. Para ello lo más habitual es utilizar la fracción másica de agua en base seca, X, definida como: •

X: kg. de agua por kg. de sólido seco.

Aunque es menos usual, también puede expresarse en base húmeda, utilizando en este caso una x para denotarla •

x kg de agua por kg de sólido.

Ambas pueden expresarse como % también. x tiene la ventaja de que va de 0 a 1 (ó de 0 a 100). X puede variar más ampliamente. Es fácil deducir una a partir de la otra.

2.3

Propiedades termodinámicas del aire húmedo

Aire y sólido intercambian también calor, además de humedad. A modo de recuerdo se resumen aquí algunas propiedades termodinámicas del aire húmedo que vd necesita manejar en el resto del tema. •

Calor específico húmedo: C H 2O = 1 + 1,92 ⋅ Y (kJ kg-1 ºC-1)

•

Entalpía del aire húmedo: H H 2O = 2502 ⋅ Y + (1 + 1,92 ⋅ Y ) ⋅ T (kJ kg-1)

•

Volumen específico del aire húmedo: V = ⎜

⎛ 1 Y ⎞ ⎛ 0.082 ⋅ T ⎞ ⎟⎟ (kJ kg-1 ºC-1) + ⎟ ⋅ ⎜⎜ 29 18 P ⎝ ⎠ ⎝ T ⎠

Y finalmente recordaremos el concepto de “temperatura del termómetro húmedo”, que no es sólo útil para caracterizar el aire, sino que su conocimiento ayuda a comprender el fenómeno de la evaporación por arrastre. 5

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La temperatura del termómetro húmedo, Tw, es la que alcanzaría una gota de agua moviéndose en el seno de un aire de características dadas (humedad y temperatura). Cuando hay movimiento entre el aire y la gota, se produce una evaporación de agua que baja la temperatura. Esto es compensado porque el aire cede calor a la gota, ya que de otra forma la temperatura de la gota descendería indefinidamente. Sin embargo, con el tiempo la gota llega a alcanzar una temperatura estacionaria porque se equilibran el flujo de calor retirado como agua evaporada y el suministrado por la convección del aire. Es decir: •

Calor suministrado por convección del aire hacia el sólido = h·(Taire –Tw)

•

Agua transferida al aire = kg·( PH* 2O - PH 2O )

•

Calor latente eliminado por la evaporación del agua = λw·kg·( PHs 2O - PH 2O )

(todos los términos están escritos para una unidad de área de intercambio) Donde λw es el calor latente de vaporización de agua, h el coeficiente de transferencia del calor, kg el coeficiente de transferencia de materia para el agua en aire y PHs 2O es la presión de vapor de equilibrio del agua contenida en el sólido. Este concepto se recuerda en el epígrafe siguiente. Igualando ambos términos se obtiene la denominada ecuación psicrométrica:

h ⋅ (Taire − TW ) = λW ⋅ k g ⋅ ( PH*2O − PH 2O ) Que, como recordará, puede ser utilizada para caracterizar fácilmente un aire dado comparando simplemente las temperaturas de un termómetro seco y otro húmedo:

( PHs 2O − PH 2O ) =

h ⋅ (Taire − TW ) que es una medida de la fuerza impulsora del proceso de λW ⋅ k g

secado. Cuestión: Expresar la fuerza impulsora recién presentada en función de cualquiera de las otras variables que hemos usado para expresar la humedad del aire. Este mismo balance puede realizarse a muchos secaderos por arrastre en los que el calor de la vaporización es aportado sólo por la Se ha encontrado que para un termómetro húmedo típico

h = 0,22 − 0,24 , prácticamente kg

independiente de la temperatura. En general, se cumple que:

h ⎛ Sc ⎞ = Cp H 2O ⎜ ⎟ kg ⎝ Pr ⎠

0 , 56

Donde Sc es el número de Schmidt y Pr el de Prandtl.

2.4

Humedad de equilibrio de un sólido.

Cuando un sólido higroscópico (con capacidad para retener agua) se pone en contacto con una atmósfera de humedad determinada ϕ a una temperatura estable, el contenido en agua del sólido X llega al cabo del tiempo a un valor estacionario que se denomina “humedad de equilibrio”. Lo que ha ocurrido es que si el sólido tenía una humedad inicial inferior a la de la atmósfera habrá pasado agua hacia el sólido y viceversa, hasta alcanzar un contenido de humedad de equilibrio. Existe entonces una humedad de equilibrio que se puede describir como: Xe=f(ϕ,T) 6

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Para una temperatura dada T es posible construir la relación XeT=f(ϕ) que se denomina isoterma de equilibrio (de adsorción de agua, en este caso concreto). Para poder construir esas isotermas se necesitan un dispositivo termostatizado y us sistema capaz de proporcionar una atmósfera de humedad conocida. Para ello se pueden usar disoluciones de las siguientes sales, que dan la humedad relativa a 25ºC que se dan en la tabla (se pueden encontrar datos para la ϕ correspondiente a otras temperaturas).

Sal

% humedad relativa Sal (mg) Agua (mL)

Cloruro de litio (LiCl)

11,5

150

85

Acetato potásico (AcOK)

22,6

200

65

Cloruro magnésico (MgCl2)

32,7

200

25

Carbonato potásico (K2CO3)

43,8

200

90

Nitrato de magnesio (Mg(NO3)2) 52,9

200

30

Cloruro de estroncio (SrCl2)

70,8

200

50

Cloruro potásico (KCl)

84,3

200

80

Por poner un ejemplo, estos experimentos podrían realizarse en un desecador convenientemente termostatado. Bastaría poner un trozo pesado (de peso inicial mo) de sólido perfectamente desecado (por ejemplo, liofilizado) en presencia de estas disoluciones y dejarlo unas hosras hasta que llegue al equilibrio. Bastaría obtener el peso en el equilibrio (m1) para poder calcular la humedad del sólido como X=(m1-mo)/mo. La curvas que se obtienen de esta forma tienen el aspecto siguiente:

Xe

T1
T1

T2

XeT1

T3 XeT2 XeT3

ϕ = cte

ϕ

Como puede ver, la humedad de equilibrio del sólido, Xe, desciende al aumentar la temperatura para una humedad relativa de la atmósfera constante. Por otra parte, cuanto más alta es la humedad de la atmósfera, mayor es la humedad de equilibrio del sólido. Como ejemplo se muestran los datos para maíz, trigo y haba de soja a 50ºC

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Xe

(ϕ, %) Estas isotermas se pueden tener en modo gráfico, tabular o se puede utilizar algunas ecuaciones para correlacionar X con ϕ a una T dada. Entre estas ecuaciones se pueden mencionar:

Ecuación de BET (Brumauer, Emmet y Teller) Esta es la forma simplificada para cuando no hay límite al número de capas monomoleculares que se pueden adsorber (n=∞)

ϕ K −1 1 = ϕ+ Xe(1 − ϕ) X1 − K X1 K Es una típica isoterma de adsorción que funciona en muchos sistemas. Los parámetros de ajuste son K, una constante de afinidad, y X1, el contenido de humedad correspondiente a una monocapa de agua. Esta ecuación funciona bien en muchos alimentos para humedades relativas inferiores a 0,5.

Ecuación de Caurie.

Ecuación de Henderson.

(1 − ϕ ) = exp(− K ⋅ T ⋅ X en )

donde K y n son parámetros específicos de cada sustancia y se determinan con al menos dos series de experimentos a diferentes temperaturas. La utilidad de esta ecuación es que permite calcular la humedad de equilibrio a temperaturas diferentes de las utilizadas en los experimentos. También es conocida la ecuación de Henderson modificada

(1 − ϕ ) = exp(− K ⋅ (T + C ) ⋅ X en )

Para la cual si existen algunos valores 8

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La ecuación de GAB (Guggenheim-Anderson.deBoer) es, según Van der Verger (1984) la única capaz de ajustar el secado de muchos alimentos en todo el rango de humedad relativa y la que despierta un cierto consenso sobre su idoneidad para alimentos.

Xe =

X1 ⋅ g ⋅ f ⋅ϕ (1 − f ⋅ ϕ ) ⋅ (1 − f ⋅ ϕ + g ⋅ f ⋅ ϕ )

Donde g y f son parámetros a obtener. A menudo g y f pueden correlacionarse con la temperatura usando una ecuación tipo Arrhenius. A continuación se muestran parámetros GAB para algunas frutas

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(Mm es la humedad de la monocapa, que aparece como X1 en la ecuación GAB tal y como la hemos escrito por conveniencia) La humedad de equilibrio de algunos granos y semillas se muestra a continuación como ejemplo a varias temperaturas.

2.5

Humedad ligada, no ligada y libre.

Cuando un sólido se pone en contacto con una atmósfera determinada y la humedad de este sólido es superior a la correspondiente al equilibrio, el sólido comienza a secarse hasta alcanzar la correspondiente humedad de equilibrio Xe que depende tanto de la temperatura como de la humedad de la atmósfera. Esto se muestra en la siguiente gráfica: 10

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Xe Xo

Humedad inicial Xo Humedad no ligada Humedad libre

XeL Xe2

Humedad ligada

Xe3

Humedad de equilibrio

ϕ3

ϕ2

ϕ1=1

ϕ

Por definición, la humedad libre es la cantidad de agua que se puede retirar por secado y depende de la humedad de la atmósfera y de su temperatura. La humedad ligada es la cantidad de agua correspondiente al equilibrio con una atmósfera saturada. Sin embargo los sólidos pueden tener cantidades superiores a XeL. La humedad no ligada es la diferencia Xo - XeL y representa al agua que está absorbida (no adsorbida), empapando el sólido, retenida pero sin interactuar con el sólido. Es el agua que se podría eliminar escurriendo o centrifugando. Esta es el agua que llena los capilares grandes, espacios intercelulares, etc, y la que está contenida en los geles. Cuando la humedad del sólido, Xo, es igual o superior a la humedad ligada, el sólido ejerce una presión de vapor de agua correspondiente al agua pura e independiente del contenido en agua. Cuando la humedad es ligada, la presión de vapor de agua es menor que la del agua pura y disminuye con el contenido en humedad del sólido. Con todo lo expuesto somos capaces de calcular la humedad que tendrá un sólido expuesto a una determinada atmósfera. O mejor aún, podremos determinar cómo tiene que ser una atmósfera o una corriente de aire para que seque a un sólido hasta un grado determinado o para que lo mantenga en las condiciones deseadas. Sin embargo, lo que no sabemos aun es cuanto tarda el proceso. Esto se considera a continuación

3

Cinética del secado por arrastre.

El problema fundamental es determinar como disminuye la humedad de un sólido con el tiempo durante el proceso de secado. Sin embargo, la medida directa de la humedad retirada en función del tiempo no es una buena base para generalizar el problema. Es mucho mejor considerar la velocidad de secado en función del tiempo o, mucho mejor aun, en función de la humedad del sólido. Antes de continuar con la exposición de la cinética del secado debe quedar claro que dada la complejidad del fenómeno, el diseño de la operación necesita siempre datos experimentales en el rango de condiciones de secado, ya que es muy difícil calcular teóricamente la velocidad de secado.

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El tratamiento consiste en plantear experimentos sencillos y fácilmente realizables (ej, secado discontinuo) que sirvan de base al diseño de secaderos sofisticados (ej, secaderos continuos con recirculación de aire). 3.1

Descripción del secado

La operación consiste en eliminar el agua de un sólido, que puede estar parcialmente mojando la superficie pero que también estará contenida en el interior y posiblemente adsorbida, al menos parcialmente. Durante el secado tiene lugar simultáneamente una transferencia de calor hacia el sólido y una transferencia de materia (agua) desde el sólido al fluido desecante. La operación de secado en general está controlada por los dos fenómenos porque ambas resistencias, a la transferencia de calor y de materia, son significativas. Los mecanismos por los que se transmite el calor son: •

Convección del gas a la superficie del sólido: por lo que tendremos un coeficiente de transferencia del calor h. Como el calor se transmite por la superficie el área externa tendrá importancia. En esto influye la forma y el estado de agregación del sólido.

•

Conducción de la superficie al interior del sólido: que dependerá de las dimensiones del sólido y de su conductividad k.

Tenga en cuenta que la conductividad del sólido puede ir variando conforme avanza el secado. También es usual, especialmente en alimentos, que se produzca contracción, endurecimiento superficial o ambas cosas. Los mecanismos de la transferencia de materia (agua) son: •

Convección de la superficie del sólido al gas. Aparecerá, por tanto, el coeficiente de transferencia por convección kg. El resto de las consideraciones son idénticas que lo dicho para el calor.

•

Difusión del vapor de agua, del agua líquida o ambas del interior desde el interior del sólido. Aparecen las correspondientes difusividades.

•

Transporte por capilaridad, según el alimento o sólido del que se trate.

Modelizar esto es un esfuerzo muy grande que a menudo choca con la heterogeneidad que presentan los cuerpos a secar, (variedad de tamaños y formas, diversidad de propiedades de transporte que además son mal conocidas) y especialmente en los alimentos. Por ello los diseños se hacen en base a datos empíricos obtenidos de experimentos normalizados como los que a continuación se describen 3.2

Obtención de datos de secado y su tratamiento

Los datos cinéticos de secado suelen obtenerse de un experimento normalizado como el que se describe a continuación que, básicamente, cumple las condiciones siguientes: •

Se parte de una o varias partículas de sólido pesadas (masa inicial conocida, mo) y del que se conoce su humedad inicial, sus datos de equilibrio. Siempre es una pequeña cantidad.

•

Se exponen a una corriente de aire de características conocidas: velocidad G, humedad ϕ y temperatura T. 12

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•

El caudal de gas es lo suficientemente grande como para que la presencia del sólido húmedo no altere las características de la corriente de aire. (No es difícil porque se pone poco sólido).

•

Se deja avanzar el secado y se registra el peso del sólido a intervalos regulares, de forma que se obtienen datos de masa m frente a tiempo t.

X(t)

Sólido húmedo

Corriente de aire

(T, ϕ, G)

El experimento está esquematizado en la siguiente figura: Como resultado se obtiene una tabla de datos en la que se calcula también la humedad del sólido y la velocidad de secado tal como se muestra en la siguiente tabla:

Note que como m s =

X =

m − ms ms

t

m

to

mo

Xo

t1

mo

X1

t∞

m∞

X∞= Xe

−

dX dt

mo puede calcular X en cualquier tiempo ya que conoce la masa de 1+ X o

sólido inicial por pesada directa y la humedad inicial. Durante el secado se observan varias fases que quedan claras en las siguientes gráficas:

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X

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A

− B

dX dt

B

C

tc

Xc

C

D D

E E

A

t −

dX dt

t C

B

A

D E Xe

Xc

X=Xo

X

En estas gráficas es interesante distinguir las siguientes zonas: •

Zona A-B: El sólido comienza a calentarse y con ello crece la velocidad de evaporación. Esto se aprecia porque la masa del sólido (directamente relacionada con X) decrece con el tiempo cada vez más rápidamente. Eventualmente el calor penetra hasta al centro y la velocidad se hace máxima.

•

Zona B-C: velocidad de secado constante y máxima. X vs t es una recta de pendiente máxima. La velocidad de secado se hace constante. Es esta zona se esta evaporando la humedad no ligada. La velocidad es máxima porque los mecanismos de transporte de agua desde el interior del sólido a la superficie son lo suficientemente rápidos para compensar la evaporación. El agua se elimina conforme llega a la superficie el calor suficiente para vaporizarla.

•

Zona C-D-E: Cuando la humedad desciende por debajo de un nivel determinado, denominado “humedad crítica” Xc, ya no llega suficiente agua a la superficie para mantener la máxima evaporación. En este momento puede que se esté empezando a eliminar el agua ligada. El sólido aumenta de temperatura y la velocidad de secado desciende tendiendo a hacerse cero conforme nos acercamos a la humedad de equilibrio, Xe. La zona D representa un fenómeno que a veces tiene lugar y que consiste en que el sacado de la superficie provoca una detención de la pérdida de agua hasta que sube la temperatura lo suficiente para compensar esta nueva resistencia a la transferencia de materia.

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Para ajustar las unidades de la velocidad de secado a masa de agua evaporada por unidad de tiempo y de superficie expuesta, conviene definir la velocidad de secado como:

W =

S ⎛ dX ⎞ ⎜− ⎟ A ⎝ dt ⎠

Donde S es el peso de sólido en base seca (y por tanto S·X es el contenido en agua) y a la superficie de secado. La razón S/A es el inverso de la superficie específica en base seca, parámetro relativamente fácil de calcular. El secado en alimentos presenta, además, las siguientes particularidades: 1. Desplazamiento de sustancias solubles: El elevado contenido en agua y sustancias solubles hace que esta arrastre y acumule sustancias solubles, tal y como azúcares, alterando el alimento e influyendo en la cinética del secado. 2. Contracción: Los tejidos animales y vegetales están compuestos por células que se colapsan ante la pérdida de agua, produciendo una contracción y con ello una disminución del tamaño. También se alteran otras propiedades físicas. 3. Endurecimiento superficial: a menudo consecuencia del arrastre de materiales y de la desnaturalización de sustancias debido a la temperatura de la superficie. Hacen el secado mucho más lento una vez que se producen. 4. Pardeamiento: ya conoce Vd. las razones por las que el calor y la presencia de oxígeno pueden provocar un cambio irreversible en el color. Las causas de estos fenómenos y la forma de limitar sus consecuencias se expondrán en clase. Después de estudiar y tener claro el contacto aire-agua y la cinética del proceso de secado elemental (un sólido puesto en contacto con aire en condiciones constantes), podemos pasar a estudiar el diseño de los diversos secaderos.

4

Diseño de secaderos discontinuos por aire.

Es el dispositivo más elemental y fácil de calcular. El parámetro a determinar es el tiempo de secado, conocidas las propiedades del sólido fijadas las condiciones de operación del aire de secado. Conociendo la velocidad de secado

W =

S ⎛ dX ⎞ ⎜− ⎟ A ⎝ dt ⎠

Basta despejar el diferencial de tiempo e integrar: Xi

S dX t= ∫ A Xf dW Lo que significa que es preciso tener datos experimentales de W vs X. Conociendo que la velocidad de secado tiene claras diferencias de comportamiento, esta integral conviene evaluarla por trozos. El primer trozo, t1, corresponde a la zona de velocidad constante y da el tiempo que tarda en llegar 15

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el cuerpo desde la humedad inicial Xi a la humedad crítica Xc. Su integración es muy sencilla al ser constante W. Xi

S dX S ( Xi − Xc ) t1 = ∫ = A Xc dW A ⋅ WC Del trozo de velocidad decreciente, t2, no se puede decir nada en general, aunque si en las circunstancias del problema la velocidad es lineal con X (W=mX+b), la integral queda: Xc S dX S (X c − X f t2 = ∫ = A Xf dW A Wml

)

Donde Wml es la media logarítmica de la velocidad correspondiente al punto crítico y a la humedad final. Si la velocidad de secado, W, depende de la humedad X forma no lineal, la integral ha de ser resuelta numéricamente a partir de datos experimentales de W vs. X. En el secadero discontinuo, el tiempo de secado es suma de los tiempos anteriormente calculados t1 y t2, asumiendo que el tiempo de inducción es despreciable. Si el tiempo de inducción es significativo, habría que incluirlo. Balance de energía al periodo de W constante Por otra parte, resulta evidente que el periodo de secado a velocidad constante está controlado por la transferencia de calor. Un balance de energía puede proporcionar algunos datos adicionales. En efecto, en estas condiciones la cantidad de calor transmitida por convección desde el aire a la película líquida será la siguiente:

Q(kcal / h ) = h c ·A·( t G − t i ) donde, hc coeficiente de transmisión de calor (kcal/h·m2·ºC) tG es la temperatura del gas y ti es la temperatura en la superficie del sólido Este calor se invierte en vaporizar la película de agua. La cantidad de vapor cedido al aire por convección expresado en moles por hora viene dado por la siguiente expresión:

n A = k G ·A·(Pi − PG ) siendo, kG coeficiente individual de transferencia de matería (moles agua/h·m2·atm) Pi la presión parcial del agua en la interfase (atm) PG la presión parcial del agua en el aire (atm). Puesto que la transmisión de calor hacia la superficie y la velocidad de transferencia de masa desde la misma se hallan en equilibrio ambas velocidades pueden relacionarse:

Q = n A ·M v ·λ siendo λ el calor latente a la temperatura de la superficie del líquido. 16

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donde, Wc ·A =

Q = n A ·M v λ

⎛ h ·( t − t i ) ⎞ WC ·A = ⎜ c G ⎟ = k G ·A·(Pi − PG )·M v λ ⎝ ⎠

WC =

h c ·( t G − t i ) = k G ·M v ·(Pi − PG ) λ

Para calcular la velocidad de secado constante necesitamos conocer la temperatura del aire y de la superficie del sólido al igual que el valor de hc. El cálculo de hc se calcula a partir de las siguientes expresiones (se aplican entre 40ºC y 150ºC):

h c = 0,00176·G 0,8 (1) h c = G 0,37 (2) siendo G la densidad de flujo del aire (kg aire/h·m2). (1) se utiliza cuando el aire circula en paralelo con respecto a la superficie del sólido (da igual que sea en contracorriente). (2) la corriente de aire es perpendicular a la superficie del sólido.

TM en estado no estacionario durante el periodo de W decreciente (t2) Similares consideraciones se pueden hacer para el cálculo de t2 en la fase de velocidad decreciente suponiendo ahora que la operación está controlada por la transferencia de materia (agua) que se transporta por difusión desde el interior del sólido a la superficie a través de un espesor creciente de sólido seco. Para la lámina plana se llega a la siguiente expresión:

θd =

X − Xe 4 ⋅ L2 ln in π ⋅ D e X fin − X e

donde L representa el semiespesor de la lámina plana (o el espesor completo si la difusión sólo se realiza a través de una cara) y De es la difusividad efectiva.

5 5.1

Tipos de secaderos Secaderos de aire por convección

En este caso el material a secar se pone en contacto con un gas caliente que suministra el calor de vaporización del agua y arrastra el vapor formado. En la deshidratación de alimentos es poco frecuente el empleo directo de gases de combustión, utilizándose generalmente aire que se calienta indirectamente en un cambiador de calor, de carcasa y tubos, por el interior de los cuales circula vapor de agua o gases de combustión. También puede ser calentado mediante resistencias eléctricas. La mayor parte de los secaderos utilizados por convección pueden clasificarse en dos grupos según el comportamiento del material sólido dentro del secadero:

17

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Tecnología de los Alimentos

a) Material a secar estático y circulación de aire a su través; en todo caso el material solo se remueve de una forma intermitente. Secaderos de túnel, rotatorios. b) El material a secar está subdividido en partículas que se mueven en el seno del aire. Ejemplos: secaderos por atomización, de lecho fluidizado y neumáticos, en donde la velocidad superficial del aire es creciente desde el primero hasta el último.

Secaderos de túnel Se utiliza para grandes capacidades de producción y están indicados para el secado de frutas y hortalizas troceadas. Están formados por un túnel de hasta 25 m de longitud y sección transversal cuadrada o rectangular de unos 4 m2 por el que se hace circular de manera semicontínua vagonetas que contienen el material a secar dispuesto en capas delgadas sobre bandejas de madera perforada o sobre mallas metálicas. El aire impulsado por ventiladores a través de un cambiador de calor entra en el túnel circulando a través de las vagonetas. Se suelen utilizar velocidades del aire comprendidas entre 2 y 7 m/s. Estos secaderos se clasifican de acuerdo con las direcciones relativas del movimiento fluido-sólido en secaderos en paralelo y secaderos en contracorriente. En el primer caso el aire caliente y seco se pone en contacto con el material frío y húmedo por lo que se alcanzan altas velocidades de evaporación que originan un producto final poroso y de baja densidad debido a la pequeña contracción que tiene lugar. En el secado en contracorriente, la fuerza impulsora y por tanto la velocidad de secado, varía mucho más suavemente a lo largo del túnel y en general aumenta a medida que progresa el secado. Estas circunstancias determinan frecuentemente una gran contracción del material originándose un producto de alta densidad. Sin embargo las condiciones en el extremo seco del túnel son tales que permiten alcanzar pequeños valores de la húmeda final, si bien debe controlarse adecuadamente la temperatura de entrada del aire, ya que se va a poner en contacto con un producto prácticamente seco que puede recalentarse con facilidad. Los secaderos con evacuación central del aire, se utilizan para evitar los inconvenientes de los secaderos anteriores. A menudo se combinan empleando primero un flujo en paralelo, con aire más caliente y a mayor velocidad y a continuación un flujo en contracorriente con aire más frío y seco. De esta forma se acortan los tiempos de secado y se aumenta la capacidad de producción, siendo más fácil el control de las condiciones.

Secaderos de flujo transversal. La dirección del aire es perpendicular al movimiento del alimento. Las condiciones de secado se controlan más fácilmente porque existen varios calentadores intercambiadores de calor y el tiempo de procesado se reduce. El contenido de humedad del producto final es más homogéneo pero el coste del equipo es superior. Secaderos rotatorios Consiste en cámaras cilíndricas inclinadas, que al girar mantienen al producto en continuo movimiento. El cilindro está provisto de palas o aletas internas para favorecer la mezcla del producto y contacto con el aire caliente. El modo de calentamiento puede ser directo con aire caliente o indirecto por conducción y radiación a través de la pared. Estos secaderos son adecuados para productos que tienen tendencia a la adhesión y cierta resistencia mecánica, por ejemplo el azúcar.

Secaderos atomizadores Estos secaderos son ampliamente utilizados en la Industria Agroalimentaria para el secado de disoluciones acuosas y suspensiones. En ellos el material a secar se introduce finamente pulverizado en una cámara en la que se pone en contacto con una corriente de aire caliente. Las gotitas producidas, de diámetro comprendido entre 10 y 200 µm, presentan una gran superficie por unidad de volumen y entran en el aire con una velocidad de secado constante, la temperatura de los sólidos apenas se eleva por encima de la de bulbo húmedo del aire, hasta el final del proceso. Por esta razón los tiempos de residencia necesarios para la deshidratación son muy pequeños, usualmente de 1 a 10 segundos y no suelen sobrepasar los 30 segundos para no sobrecalentar el producto. El producto deshidratado obtenido es poroso y de gran calidad (leche en polvo). 18

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Tecnología de los Alimentos

Secaderos de lecho fluidizado La fluidización de un lecho de partículas del material a secar con aire caliente se utiliza en la deshidratación de alimentos como zanahorias, cebollas, guisantes, harinas, salvados, cacao, café, sal y azúcar. Dado que la turbulencia, en general, es muy intensa y la distribución de temperatura uniforme, el secado transcurre a gran velocidad y el control del mismo puede realizarse con precisión.

Secaderos neumáticos Si la velocidad del aire es lo suficientemente elevada para que arrastre a las partículas del material a secar se produce el secado durante el transporte neumático. Es decir el dispositivo actúa como secadero y trasportador lo que puede ser útil en ciertas circunstancias. Estos secaderos se utilizan frecuentemente en la deshidratación de granos, harinas, patatas, granulados, cubos de carne etc.

5.2

Secadero por contacto con una superficie caliente

Los deshidratadores en los que el calor es transmitido al alimento por conducción presentan dos ventajas a los de aire caliente: -

No es preciso calentar un volumen grande de aire antes de la deshidratación. Su consumo energético es mas bajo con respecto los deshidratadores de aire caliente.

-

La deshidratación puede llevarse a cabo en ausencia de oxigeno, no existe riesgos de que alguno de los componentes se oxide.

Inconvenientes: algunas veces se despega el alimento lo que dificulta la transmisión del calor.

Deshidratadores de tambor (de rodillos) Esta constituido por un rodillo o tambor que se calienta internamente alcanzando temperaturas comprendidas entre 120-170ºC mediante vapor a presión. Sobre su cara externa se distribuye una capa fina y uniforme de alimento a deshidratar, bien por inmersión de una parte del tambor en el alimento o bien distribuyendo el mismo por pulverización o aspersión. La deshidratación se completa antes de que el rodillo complete un giro (entre 20 s y 3 minutos). Se utilizan para el secado de pasta, cereales precocinados. Cuando se trata de alimentos termosensibles se utilizan deshidratadores de tambor a vacío.

5.3

6

Otros tipos de secadero

Diseño de un secadero continuo

Para poder aplicar las ecuaciones que vamos a determinar se debe de cumplir: 1) el secadero no tiene intercambio de calor con el exterior, no hay perdidas de calor. Se trabaja en condiciones adiabáticas. 2) La única fuente de calor es el aire. 3) Toda la humedad del sólido es no ligada (aunque no siempre se cumple) 4) Cuando entra el sólido en el secadero en la primera elevación de la temperatura no se produce secado sólo calentamiento del sólido (esto no es totalmente cierto). 5) El proceso de secado se efectúa a la temperatura del termómetro húmedo. 6) En la longitud final del secado, el sólido solamente se calienta pero no pierde humedad. 19

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La longitud de un secadero sería la suma de tres zonas: z1

z2

z3

z4

t tª del aire

Entrada de aire

II

I

III

tª del sólido

Entrada de sólido

longitud

Zona I o de precalefacción, en la que los sólidos se calientan hasta la temperatura de saturación adiabática (termómetro húmedo), no efectuándose secado en dicha zona. Zona II, en la que se separa prácticamente toda la humedad del sólido, permaneciendo este a la temperatura de saturación adiabática, y Zona III, en donde vuelve a elevarse la temperatura del sólido sin variar prácticamente su humedad. Consideramos un balance entálpico al dz situado el cualquiera de las tres zonas del secadero: z1

z2

tG+ dtG

z4

z3

dz

tG

tS

tS+ dtS

longitud

G G ⋅ A ⋅ s ⋅ ( t G + dt G ) + G s ⋅ A ⋅ C s ⋅ t s = G G ⋅ A ⋅ s ⋅ t G + G s ⋅ A ⋅ C s ⋅ ( t s + dt s ) G G ⋅ A ⋅ s ⋅ dt G = G s ⋅ A ⋅ C s ⋅ dt s eliminando las áreas:

G G ⋅ s ⋅ dt G = G s ⋅ C s ⋅ dt s = Ua ⋅ dz ⋅ ( t G − t s ) a) En la Zona II del secadero: t s = t w , por lo tanto:

G G ⋅ s ⋅ dt G = Ua ⋅ dz ⋅ ( t G − t s ) siendo U el coeficiente global de transferencia de calor; a el área de contacto por volumen de secadero y Ua el coeficiente global volumétrico de transferencia de calor.

( t G − t s ) es la fuerza impulsora. Z3

t3

GG ⋅s dt G ⋅ Ua ( t G − t w ) t2

∫ dz = ∫

Z2

integrando obtenemos: 20

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Z II = LUT =

GG ⋅s t −t ⋅ ln G 3 w Ua t G2 − t w

GG ⋅s longitud de la unidad de transmisión Ua

NUT = ln

t G3 − t w número de unidades de transmisión t G2 − t w

b) En la Zona I y III En estas zonas no hay secado sólo incremento de temperatura del sólido.

G G ⋅ s ⋅ dt G = G s ⋅ C s ⋅ dt s = Ua ⋅ dz ⋅ ( t G − t s ) (1)

=

=

(2)

(3)

GG ⋅s ⋅ dt G = dt s G s ⋅ Cs el cociente

GG ⋅s se considera constante si se toman valores de s y Cs medios G s ⋅ Cs

Para la zona I podemos integrar la variación de temperatura del sólido entre la entrada ts y cualquier punto intermedio de la zona I, ts1, así pues igualando (1)=(2): ts1

∫ dt s = ts

t

G G ⋅ s G1 ⋅ dt G G s ⋅ C s t∫G

la solución de la integral sería:

t s = t s1 −

GG ⋅s G ⋅s ⋅ t G1 + G ⋅ tG G s ⋅ Cs G s ⋅ Cs

es decir existe una dependencia lineal entre la temperatura del sólido y la temperatura del gas:

ts = α + β ⋅ tG igualamos las ecuaciones (1)=(3) y sustituyendo el valor de ts en la ecuación (3) por su dependencia lineal: t

z2

G G ⋅ s G2 dt G dz = ⋅∫ ∫z Ua t G1 ( t G − α − β ⋅ t G ) 1

ZI =

G G ⋅ s t G 2 − t G1 ⋅ Ua (t G − t s )m lg

(t G − t s )m lg = (t G1 − t s1 ) − (t G 2 − t s 2 ) (t − t ) ln G1 s1 (t G 2 − t s 2 ) Para la Zona III, se sería:

21

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Z III =

G G ⋅ s t G 4 − t G3 ⋅ Ua (t G − t s )m lg

(t G − t s )m lg = (t G 3 − t s3 ) − (t G 4 − t s 4 ) (t − t ) ln G 3 s 3 (t G 4 − t s 4 ) Por lo tanto la longitud total del secadero:

Z=

⎤ G G ⋅ s ⎡ t G 2 − t G1 t −t t −t ⋅⎢ + ln G 3 w + G 4 G 3 ⎥ Ua ⎣⎢ (t G − t s )m lg t G 2 − t w (t G − t s )m lg ⎦⎥

En secaderos rotatorios el valor de Ua se obtiene a partir de una expresión empírica:

Ua = 57 ⋅

G 0G,16 d

para 2500
Ua = 0,0175 ⋅ G 0G,8 para 100
7

Fundamentos de la liofilización

La liofilización es una modalidad de secado que consiste en la eliminación del agua por sublimación de la misma. Se debe de trabajar a una presión y temperatura por debajo del punto triple. T<0,0099ºC y P<610,5 Pa, si en estas condiciones se aporta el calor latente de sublimación unos 2,84 MJ/kg el hielo se transforma directamente en vapor. El proceso de liofilización consta de tres partes: 1.- Congelación previa, se separa el agua de los componentes hidratados del producto, por la formación de cristales de hielo o mezclas eutécticas. 2.- Sublimación de estos cristales que elimina el agua del seno del producto trabajando a presión y temperatura por debajo del punto triple y aportando el calor latente de sublimación. Esta etapa tiene lugar en el liofilizador. 3.- Evaporación o desorción del agua que queda todavía adsorbida en el interior del producto. Es decir una vez sublimado todo el hielo, todavía queda cierta agua retenida en el alimento (agua enlazada) para ello se aumenta la temperatura del liofilizador manteniendo el vacío lo cual favorece su evaporación, o bien el producto es llevado a un secadero. Una vez liofilizado el alimento, para sacar el alimento del liofilizador hay que romper el vacío, realizándose con nitrógeno líquido. Durante el proceso de liofilización suceden dos procesos: - Transferencia de vapor de agua desde el frente de hielo a través de la capa seca hasta la zona calefactora por difusión. - Transmisión del calor desde la zona calefactora a la superficie del hielo a través de la capa seca o liofilizada por conducción. 22

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Por lo tanto hay una transferencia simultanea de calor y de masa. Durante la etapa de liofilización coexisten dos capas bien diferenciadas en el producto sometido a secado: - Una capa congelada y con toda el agua inicial presente, y - otra, ya deshidratada y separada de la anterior por la denominada superficie de sublimación del hielo. Esta superficie no esta perfectamente definida, sino que es un frente difuso de sublimación.

Vapor de agua

Q Capa de alimento seco

Frentes de sublimación

Capa de alimento congelado Capa de alimento seco Vapor de agua

Q

La velocidad de transferencia de vapor a través de la capa liofilizadas cumple la ley de Darcy, es decir la velocidad de flujo es directamente proporcional a la caída de presión:

(P − Ps ) dx = b⋅A⋅ i dt e donde,

dx es el flujo másico de vapor a través de la capa seca (kg vapor/s) dt b es la permeabilidad de la capa de alimento seco con respecto al transporte de vapor (kg/m·s·Pa) Pi es la presión de vapor en el frente de sublimación (Pa). Ps es la presión de vapor de agua en la superficie de la capa seca (Pa). e es el espesor de la capa seca (m). A es el área efectiva de sublimación (m2) Por otra parte la velocidad de transferencia de calor es:

(T − Ti ) dQ = Kd ⋅ A ⋅ s dt e donde, e, espesor de la capa seca (m) Kd conductividad térmica de la capa seca (J/s·m·K) Ts es la temperatura de la superficie de la capa seca (ºC) Ti es la temperatura del hielo en el frente de sublimación (ºC). En condiciones de estado estacionario: 23

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⎛ velocidad ⎞ ⎛ velocidad ⎞ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ transmisión del calor ⎟ = ⎜ transferencia de vapor ⎟ ⎜ por conducción ⎟ ⎜ por difusión ⎟ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠

dQ dx = λ⋅ dt dt donde,

K d ⋅ A ⋅ (Ts − Ti ) A ⋅ b ⋅ (Pi − Ps ) = λ⋅ e e obteniéndose una expresión que nos relaciona ambas fuerzas impulsoras:

K d ⋅ (Ts − Ti ) = λ ⋅ b ⋅ (Pi − Ps ) En el caso de un sólido de forma plana que se liofiliza por una de las caras, suponiendo que el contenido de humedad de la capa seca es Xe (kg agua/kg sólido seco) y que el frente de hielo retrocede formado un plano uniforme, la velocidad de desecación dx/dt es:

−

dx de = A ⋅ ρ s ⋅ (X o − X e ) dt dt

donde, ρs es la densidad de sólido seco. Xo es el contenido inicial de humedad (base seca). Por lo tanto resulta:

−

dx de K d ⋅ A ⋅ (Ts − Ti ) A ⋅ b ⋅ (Pi − Ps ) = A ⋅ ρ s ⋅ (X o − X e ) ⋅ = = dt dt e λ⋅e

integrando la segunda y tercera ecuación: t=0 → e=0; t=t → e=e, obtenemos el tiempo de liofilización:

t=

λ ⋅ ρ s ⋅ (X o − X e ) ⋅ e 2 2 ⋅ K d ⋅ (Ts − Ti )

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