secado de zanahoria

Investigación y seminario de tesis

SECADO DE ZANAHORIA (Daucus carota)

ANTECEDENTES

La deshidratación o secado de los alimentos es un fenómeno complejo que implica

procesos de transferencia de cantidad de movimiento, calor y masa. Todas las operaciones

de secado dependen de la aplicación de calor para vaporizar el agua o los constituyentes

volátiles. El mecanismo que regula el secado de un producto en forma de partículas

depende de la estructura de éste y de los parámetros de secado como contenido de

humedad, dimensiones del producto, temperatura del medio de calentamiento, velocidades

de transferencia superficiales y contenido de humedad en equilibrio.

Todos los materiales sólidos presentan cierto contenido de humedad en equilibrio cuando

se ponen en contacto con el aire a una temperatura y una humedad particulares. En

consecuencia, los materiales tienden a perder o ganar humedad durante un periodo para que

alcancen este valor de equilibrio. Si la temperatura o la humedad del aire cambian, entonces

se pierde o gana humedad hasta que se alcanza un nuevo valor de equilibrio. En la figura

13.1 se representan algunas isotermas de humedad de equilibrio de algunos alimentos. Las

curvas de humedad de equilibrio dependen de la temperatura ambiental para un alimento

particular y de su estructura fibrosa o coloidal. La humedad de un alimento sólido es

retenida de dos formas, a saber, la llamada agua "ligada" o agua libre, como se muestra en

la figura 13.2. El agua ligada ejerce una presión de vapor de equilibrio menor que la del

agua libre a la misma temperatura. La humedad en forma de agua ligada podría ser retenida

en capilares finos, o adsorbida sobre la superficie o dentro de una célula o paredes fibrosas

o en combinación física/química con el sólido. Por otra parte, el agua libre ejerce una

presión de vapor de equilibrio igual a la del agua pura a la misma temperatura. La humedad

en forma de agua libre podría estar retenida en los espacios vacíos de los alimentos sólidos.

1


La distinción entre agua "ligada" y agua libre es una propiedad del material alimenticio

particular en consideración. Si se seca un alimento en aire de humedad relativa A (figura

13.2), se elimina la mayor parte del agua libre y parte del agua "ligada". Ésta consiste en la

humedad libre por arriba del contenido de humedad de equilibrio correspondiente a la

condición del aire. Por lo tanto, la distinción entre contenido en equilibrio y contenido de

humedad libre depende de la naturaleza de los sólidos por secar y las condiciones del aire

de secado. Con base en las consideraciones anteriores, los mecanismos de secado se

clasifican en tres categorías:

1. Evaporación a partir de una superficie libre, que sigue las leyes de la transferencia de

calor y masa desde un objeto húmedo.

2. Flujo líquido en capilares.

3. Difusión de líquido o vapor, que sigue la segunda ley de difusión de Fick.

El secado podría implicar varios modos de transferencia de calor como convección,

conducción o radiación. En el secado convectivo, el medio de calentamiento, por lo general

aire, se pone en contacto directo con el material alimenticio sólido e inicia la difusión de

vapores de agua a partir y dentro del material alimenticio. Varios secadores de horno,

giratorios, de lecho fluidizado, por aspersión y de tipo instantáneo son ejemplos

representativos de secado convectivo. En el secado conductivo, el medio de calentamiento,

por lo general vapor, está separado del sólido por una superficie caliente conductora como

en los secadores de tambor, de cono y de tolva, cualquiera de los cuales podría operarse en

condiciones de vacío. En el secado por radiación, el calor se transmite únicamente como

energía radiante. Algunos secadores también emplean energía de microondas para secar

materiales alimenticios a presión atmosférica o vacío.

Velocidad de secado

La velocidad de secado de un material depende de las propiedades del material como la

densidad global de masa del material deshidratado, el contenido inicial de humedad y su

relación con el contenido de humedad en equilibrio en condiciones de secado. Podría ser

necesario evitar la velocidad máxima de secado si resulta en encogimiento, endurecimiento

superficial, agrietamiento de la superficie u otros efectos indeseables en el secado de

2


sólidos alimenticios. En la figura 13.3 se representa una curva generalizada de la velocidad

de secado, donde el contenido de humedad en equilibrio lo determina la condición del aire.

La porción inicial A*A de la curva representa la condición inicial de estado no estacionario.

Período de velocidad constante. El periodo de velocidad de secado constante (figura 13.3,

sección AB) se caracteriza por la evaporación de humedad a partir de una superficie

saturada: incluye la difusión de vapor de agua desde una superficie saturada del material a

través de una película delgada en el grueso del aire. El movimiento de humedad dentro del

sólido es suficiente para mantener una condición saturada en la superficie y la velocidad de

secado es, por lo tanto, controlada por la velocidad de transferencia de calor a la superficie.

La temperatura en la superficie permanece constante y alcanza la temperatura de bulbo

húmedo. Sin embargo, la velocidad de secado podría aumentar por transferencia de calor

adicional por medio de conducción, o radiación, lo que eleva la temperatura de la superficie

por arriba de la temperatura de bulbo húmedo. El secado de velocidad constante equivale

fundamentalmente a evaporación a partir de un cuerpo de agua grande y es independiente

del tipo de sólidos.

La velocidad de evaporación de agua es dada por

(13.1)

donde NC = velocidad de evaporación de agua (kg/h), Kg = coeficiente global de

transferencia de masa para la película gaseosa, PS = presión de vapor del agua a la

temperatura superficial, PW = presión parcial de vapor del agua en la corriente de aire,

A=área superficial del producto expuesta al secado. Los términos de presión de vapor en la

ecuación 13.1 también pueden ser reemplazados con términos de humedad relativa como se

indica en la ecuación 13.2:

NC= Kg * A(HS – Ha) (13.2)

donde HS = humedad relativa del vapor de agua en la superficie y Ha = humedad relativa

del aire desecante.

3


Es claro, por la ecuación 13.1, que (PS — PW) determina la capacidad de la corriente de

aire para captar humedad, así como la fuerza impulsora. En la condición de estado

estacionario, la velocidad de evaporación está relacionada con la transferencia de calor por

convección forzada, de modo que

(13.3)

donde x = contenido de humedad de los alimentos, base seca en el tiempo t, h = coeficiente

de transferencia convectiva de calor; Ts = temperatura de bulbo húmedo o superficial; Te =

temperatura del aire; λ = calor latente de evaporación; (Te - Ts) = fuerza impulsora de la

temperatura.

El coeficiente de transferencia de calor depende de la velocidad del aire y la dirección de

flujo. Si el gasto másico de la corriente de aire es paralelo a la superficie a secar, entonces

el coeficiente de transferencia de calor se estima mediante la siguiente relación:

h = C * G0.8 (13.4)

donde G = gasto másico del aire por unidad de área (kg/m2 • s) y C = constante para el

sistema y condición (C = 14.3 m2/s2 • K para flujo paralelo). En el caso del flujo

perpendicular de aire, el coeficiente de transferencia de calor es dado por

h = C * G0.37 (13.5)

donde C = 24.2 m2/s2 * K.

Primer periodo de velocidad decreciente. Al final del periodo de velocidad constante, el

punto B se denomina "contenido crítico de humedad". En este punto, la superficie del

sólido ya no está saturada y aparecen puntos secos. Por tanto, el área húmeda exterior

podría reducirse progresivamente, y la velocidad de secado disminuye. Los alimentos no

higroscópicos podrían tener un solo periodo de velocidad decreciente, en tanto que los

alimentos higroscópicos presentan dos periodos de disminución de la velocidad. La

velocidad de secado depende de los factores que afectan la difusión de la humedad lejos de

la superficie de evaporación y la velocidad de movimiento interno de humedad. El punto C

4


representa una condición en la que la película superficial original se ha evaporado

completamente, y más allá de este punto, la velocidad de secado es controlada por la

velocidad de movimiento de humedad a través del sólido.

El periodo de velocidad decreciente es por lo general el periodo más largo de una

operación de secado, y en algunos alimentos como granos en deshidratación, donde el

contenido inicial de humedad se halla por abajo del contenido crítico de humedad, el

periodo de velocidad decreciente es sólo una parte de la curva de secado que se observa. En

el periodo de velocidad decreciente, la velocidad de secado depende principalmente de la

temperatura del aire y el espesor del lecho de alimento. No es afectada por la humedad

relativa (excepto en el contenido de humedad en equilibrio) y la velocidad del aire. En

consecuencia, la temperatura del aire es regulada durante el periodo de velocidad

decreciente, mientras que la velocidad del aire y la temperatura son más importantes

durante el periodo de velocidad constante. En la práctica, los alimentos podrían diferir de

estas curvas ideales de secado debido a encogimiento, cambio de la temperatura y la

velocidad de difusión de humedad en diferentes partes del alimento.

Segundo período de velocidad decreciente. El segundo periodo de velocidad decreciente

C a D representa condiciones en las que la velocidad de secado es controlada en gran parte

por el movimiento de humedad dentro de los sólidos y es independiente de las condiciones

fuera del sólido. La transferencia de humedad podría ocurrir por una combinación de

factores como difusión de líquidos, movimiento capilar y difusión de vapor.

Tiempo de secado

El tiempo de secado en distintas etapas del secado se calcula como sigue. Suponga que W0=

peso de los sólidos secos y x = g de humedad por g de sólido seco. La velocidad de

evaporación de humedad (Na) es dada por

(13.6)

Para el periodo de velocidad constante de secado A a B, el tiempo de secado tAB se da como

5


(13.7)

donde XA = contenido de humedad/sólidos secos (kg de agua/kg de sólidos secos) y XB =

contenido de humedad/sólidos secos (kg de agua/kg de sólidos secos).

Para el primer periodo de velocidad decreciente (B a C), el tiempo de secado tgc puede

calcularse si la velocidad de transferencia de humedad N se representa mediante una línea

recta como

N = m * X + k

donde m = pendiente de la línea y k = intersección de la línea. En NB = m • XB + k, NC = m

• Xc + k, de modo que NB — NC = m(XB — XC ):

(13.8)

donde Xc = contenido de humedad/sólidos secos (kg de agua/kg de sólidos secos). La

ecuación 13.7 puede escribirse enferma simplificada de la siguiente manera:

(13.9)

donde Nm, es la velocidad media logarítmica de secado entre B y C.

A manera de aproximación, para la mayoría de los casos, el periodo de velocidad

decreciente entre B y D puede tomarse como una línea recta y, de esta manera, el tiempo de

secado de B a D puede calcularse como se indica en la ecuación 13.10:

6


(13.10)

donde XD = contenido de humedad/sólidos secos (kg de agua/kg de sólidos secos): por lo

tanto, el tiempo de secado total es dado por

(l3.ll)

Contenido de humedad en base húmeda o en base seca

El contenido de humedad de un alimento puede representarse a base de masa húmeda o

masa seca del producto. El contenido de humedad en base húmeda:

Xhumedad = masa de agua/masa inicial del producto húmedo (kg de agua/kg de aumento)

Contenido de humedad en base seca:

Xseca = masa de humedad/masa de materia seca (kg de agua/kg de sólidos)

Masa de materia seca = masa de producto húmedo—masa de humedad

EJERCICIOS DE LABORATORIO

Objetivos

Los principales objetivos de esta práctica de laboratorio son:

1. Determinar las historias de la humedad y la velocidad de secado de un producto

alimenticio en un secador de túnel de viento o un secador de aire con convección forzada.

2. Analizar la velocidad de pérdida de humedad en función del contenido de humedad para

determinar varios periodos de velocidad de secado, es decir, los periodos de velocidad

constante y decreciente.

Materiales

1. Secador convectivo de túnel u otro tipo de secador de aire forzado.

7


2. Balanza para pesar.

3. Sistema de registro de temperatura.

4. Anemómetro u otro sistema medidor de flujo de aire.

5. Productos alimenticios en formas y tamaños diferentes como cubos de zanahoria,

rebanadas circulares delgadas de zanahoria, o chícharos, etcétera.

6. Homo de vacío.

7. Platillo de aluminio.

Procedimiento

1. Mida las dimensiones críticas de las muestras y calcule el área superficial y el volumen.

2. Mida el peso inicial de la muestra y determine su contenido inicial de humedad y de

sólidos secos.

3. Un secador de túnel consiste en un conducto circular con una longitud total de alrededor

de 1.4 m. Está provisto de una ventana por el frente para observar la muestra sólida que

se va a secar. La muestra se inserta a través del extremo abierto y se suspende en el

centro del conducto de un alambre de soporte acoplado a una balanza. Por lo tanto, este

instrumento está diseñado para medir la pérdida de peso de la muestra con más

precisión.

4. Encienda el soplador de aire y ajústelo al gasto requerido por medio de un moderador.

Calcule las mediciones de flujo de aire a partir de un anemómetro electrónico.

5. Encienda el calentador de aire y ajústelo a la temperatura requerida. Deje que transcurran

10 minutos para que el aparato alcance las condiciones de estado estacionario.

6. Mida y registre las temperaturas de bulbo seco y húmedo del aire seco. Mida la

temperatura del aire ambiente.

7. Inserte con rapidez la muestra en el homo de aire forzado o el secador de túnel y empiece

la toma de tiempo y registre la masa de la muestra en el tiempo 0.

8. Mida el peso de la muestra a intervalos cortos de tiempo, inicialmente cada minuto,

extienda gradualmente el periodo conforme progrese el secado a intervalos de

aproximadamente 5 minutos y después cada 15 minutos, en caso de que el secador de

túnel esté provisto de una balanza electrónica. Desconecte el soplador a fin de obtener

8


una lectura del peso precisa; esto debe hacerse rápidamente de modo que el flujo de aire

se restablezca sin demora.

9. Si no se dispone de un secador de túnel, coloque la muestra en un secador de tipo de aire

forzado y retire la muestra después de intervalos predeterminados para estimar el

porcentaje de humedad y de sólidos secos.

10. Continúe el proceso de secado por lo menos durante 45 minutos.

11. Tome la masa final de la muestra después de secar por 10 a 12 horas para calcular el

contenido de humedad en equilibrio Xe.

12. Registre los datos en la hoja de datos 13.1.

Resultados y discusión

1. Elabore una gráfica de la masa de la muestra contra tiempo y estime el contenido de

humedad de equilibrio por extrapolación.

2. A cuánto asciende la diferencia entre el contenido de humedad en equilibrio extrapolado

y el contenido de humedad en equilibrio experimental.

3. Calcule el contenido de humedad X de la muestra a varios intervalos de tiempo.

4. Calcule la velocidad de secado ΔX/Δt y la humedad libre X — Xe.

5. Determine la velocidad de secado o pérdida de humedad por minuto por kilogramo de

sólidos secos.

6. Represente gráficamente la velocidad de pérdida de humedad ΔX/Δt contra tiempo y

muestre varios periodos de velocidad de secado.

7. Elabore una gráfica de ΔX/Δt contra el contenido de humedad libre X — Xe, y muestre

varios periodos de velocidad de secado.

8. Represente gráficamente X — Xe contra tiempo en coordenadas semilogarítmicas.

Calcule los parámetros f y j.

9. El parámetro j = (X – Xe) aparente/(X — Xe) real y f = tiempo para atravesar un ciclo

log en la gráfica de (X — Xe) contra tiempo.

10. Calcule la difusividad aparente de la humedad Dm de la muestra empleando la siguiente

ecuación:

9


(13.12)

donde R = radio de una esfera equivalente de igual volumen (V = 4/3nR3) y β = factor

de forma, utilizando 1 para la esfera.

LECTURAS RECOMENDADAS Y REFERENCIAS

1. S. S. H. Rizvi y G. S. Mittal. Experimental Methods in Food Engineering, Nueva York:

Van Nonstrand Reinhard.

2. G. V. Jeffreys y C. J. Mumford. A Laboratory Course in Chemical Engineering: Mass

Transfer Operations, Birmingham, Reino Unido: University of Aston.

3. P. Fellows. Food Processing Technology: Principies and Practice, Chichester, Reino

Unido: Ellis Horwood Ltd.

10

secado de zanahoria

Documents