Guía - Practica 3 Deshidratacion Con Aire Caliente

 

UNIVERSIDAD NACIONAL JOSÉ MARÍA ARGUEDAS  ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA AGROINDUSTRIAL PROCESOS AGROINDUSTRIALES II Practica

I. 

INTRODUCCION

 

DESHIDRATACION

El secado es una operación unitaria, en donde se elimina agua del alimento, disminuyendo su disponibilidad para participar en aquellos procesos de deterioro en los que interviene (reacciones enzimáticas, desarrollo microbiano,...). Lo que se reduce es el valor de la actividad del agua, y de esta manera las velocidades de los procesos de deterioro. Otros objetivos del secado son la reducción del peso y volumen, obtención de nuevos productos  para aumentar el mercado de los alimentos frescos, formulación de nuevos alimentos, etc. (Ibarz y Barbosa  –  Cánovas,   Cánovas, 2005). Durante el proceso de secado hay que aportar energía  para poder eliminar el agua, bien por evaporación si está en fase líquida, bien por sublimación si está en forma de hielo. Se analizará el secado de un producto colocado en una bandeja, por la que se hace pasar una corriente de aire. El secado en bandeja es la técnica más común por que no requiere el uso de equipo altamente. La podemos definir de la siguiente forma: es una operación básica en la que el agua que contiene un sólido o una disolución y se transfiere a una masa de aire gracias a los gradientes de humedad producidos en ambas fases. Nos  basáremos en esta práctica siguiendo la metodología descrita por Ibarz y Barbosa –  Cánovas.  Cánovas.

II.  OBJETIVOS ➢ 

Obtener de producto deshidratada mediante secado secado por convección

➢ 

Construir las curvas de secado y de velocidad de secado de la papa seca

➢ 

Determinar la influencia de las condiciones del aire de secado en el proceso y características del producto.

III.  FUNDAMENTOS TEÓRICOS Por este procedimiento tienen lugar simultáneamente los siguientes fenómenos de transporte:

Docente: Gina G. Toro Rodriguez

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Transmisión de calor (necesario para evaporar el agua) desde el aire al sólido y a través de éste.

-

Transferencia

de

materia

desde

el

interior

del

sólido

hasta

su

superficie

(mayoritariamente agua), y desde ésta hasta el seno del aire (vapor de agua).

-

Transporte de cantidad de movimiento, como consecuencia de los gradientes de velocidad que se establecen al circular el aire a través del sólido.

La velocidad con que se seca el producto depende, normalmente, de la rapidez con que se desarrolla la transmisión de calor y la transferencia de materia. El transporte de cantidad de movimiento está relacionado con las características de los ventiladores que han de impulsar el aire de secado.

Los mecanismos de transmisión de calor son los siguientes:

-

Transmisión de calor por convección. Se somete el material a una corriente de aire caliente de baja humedad: secado por aire caliente.

-

Transmisión de calor por conducción. Se coloca el material en una superficie caliente: secado por contacto.

-

Transmisión de calor por radiación: Se somete el material a baja presión y a una fuente radiante: secado a vacío.

El experimento descrito aquí es una operación discontinua en la que un alimento (por ejemplo rodajas de manzanas o cualquier otro sólido alimentario) se coloca en una bandeja metálica, y ésta en la cámara de secado por la que está circulando aire caliente. Para ver la  pérdida de agua, se pesa continuamente la bandeja, que está conectada a una un a sistema de adquisición de datos.

3.1.TEORÍA Y CALCULOS En una experiencia de secado a condiciones constantes, se obtiene directamente la variación del peso del producto con respecto al tiempo. Si se conoce la humedad inicial, se puede determinar cómo disminuye la humedad del producto con el tiempo de secado. Representando gráficamente estos datos, humedad (kg agua/kg sólido seco) frente a tiempo (h), obtendremos la curva de secado (Figura 1).

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UNIVERSIDAD NACIONAL JOSÉ MARÍA ARGUEDAS  ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA AGROINDUSTRIAL PROCESOS AGROINDUSTRIALES II    )   o   c   e   s   o    d    i    l    ó   s    d  g    k   a   /    d  a   u   e   a   m  g   u  g    k    H    (

a b

c

Tiempo  (h)

 

Figura 1.- Curva de secado La pendiente de la tangente a la curva de secado en cualquier punto es el valor de la velocidad con la que se está secando el producto en ese instante. Es la cantidad de agua eliminada del  producto por unidad de tiempo y por unidad de sólido seco. Obteniendo los valores puntuales de la velocidad de secado a lo largo de toda la experiencia y representándolos frente a la humedad del producto, se obtiene la curva de velocidad de secado (Figura 2).

   )

  o  o   c    d  e   a  s   c  o   e   d    l   s   i    ó   e  s    d  g    k    d   h    (   a   /    d    i   a   c  u   o  g   a    l   e  g    k    (    V

b c

a

Humedad  (kg agua/kg sólido seco)

Figura 2.- Curva de velocidad de secado

 

En las dos figuras se ven claramente tres zonas, cada cad a una de ellas caracterizada por diferentes variaciones de la velocidad de secado: - a: período de velocidad de secado creciente o período de inducción. - b: período de velocidad de secado constante. - c: período de velocidad de secado decreciente.

a.  Período de inducción

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UNIVERSIDAD NACIONAL JOSÉ MARÍA ARGUEDAS  ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA AGROINDUSTRIAL PROCESOS AGROINDUSTRIALES II Comprende la primera etapa del proceso de secado. Se produce un calentamiento del  producto, adaptándose el material a las condiciones del secado. Dado que su duración es muy corta (en comparación con el tiempo total de secado), s ecado), no suele tenerse en cuenta a la hora del cálculo y diseño de los secadores industriales.

b.  Período de velocidad de secado constante Durante períodocon la velocidad con que elimina de la dellaproducto es igual a laeste velocidad que llega desde el se interior delagua mismo, desuperficie esta manera superficie del material se mantiene constantemente mojada, y se comporta como una masa de líquido. Si la transmisión de calor tiene lugar solamente por convección, la temperatura de la superficie del sólido permanece constante e igual a la temperatura húmeda del aire de secado. Esta temperatura puede determinarse mediante un diagrama psicrométrico del aire húmedo. La velocidad de secado permanecerá constante mientras exista agua libre en la totalidad de la superficie del alimento. La velocidad de secado es la de evaporación del agua, que es la de transferencia de materia y además es proporcional al flujo de calor:  dW

2

velocidad de evaporación: dt  : kg agua evaporada/(s m  superficie evaporación) velocidad de transferencia de materia: G W : kg agua/(s m 2 superficie evaporación) flujo de calor: Q : J/s dW  =

dt 

GW 

Q =

 AW  r i

 

(11.1.)



AW : la superficie superficie de evaporación: m2  r i : el calor latente de vaporización a la temperatura de la interfase: J/kg Poniendo estas transferencias de propiedad en función func ión de las fuerzas impulsoras: dW  dt 

ht   Aq (T  T i ) 

=

K  ( X i 

−

 X )



−

=

 AW  r i

 

(11.2.)



coeficiente individual de transferencia de materia: kg/(s m2 X) humedad del aire en la interfase: interfase: kg agua/kg aire seco humedad en el seno del aire: kg agua/kg aire seco coeficiente de transmisión de calor (tiene en cuenta los tres mecani mecanismos smos de 2 transmisión de calor): J/(s m  ºC) Aq  :   : superficie a través de la cual se transfiere transfiere el calor: calor: m2  T : temperatura del aire: ºC Ti : temperatura del aire en la interfase: ºC K: Xi : X: ht :

Expresando la velocidad de evaporación en kg agua/(s kg sólido seco)

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UNIVERSIDAD NACIONAL JOSÉ MARÍA ARGUEDAS  ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA AGROINDUSTRIAL PROCESOS AGROINDUSTRIALES II dW 

= 

  s

dt 

s : a:  :

a

    d    −      dt  

(11.3.)

densidad aparente del material: kg sólido seco/m3  superficie interfacial por unidad de volumen: m2 sup. evap./m3  humedad del producto en base seca: kg agua/kg sólido seco

El signo menos es debido a que la humedad del producto disminuye conforme aumenta el tiempo. Por lo tanto, si suponemos que A W = Aq : d   −

dt 

K  a 

=



( X i

−

 X  )

  s

ht  a 

=

r i   s



(T 

−

T i )  

(11.4.)



que es la ecuación representativa de la velocidad de secado en el período de velocidad de secado constante. A medida que transcurre el tiempo y el producto se va secando, llega un momento en que la velocidad con que llega el agua a la superficie es menor que la velocidad de d e evaporación. En ese momento el contenido de humedad del producto se conoce como humedad crítica. Entonces pasamos al siguiente período de secado.

c.  Período de velocidad de secado DECRECIENTE Durante este período la velocidad de secado disminuye con la humedad del producto. Abarca el proceso de secado desde contenidos en humedad igual a la humedad crítica hasta el punto final del secado, la humedad final mínima posible es la humedad de equilibrio del producto  para las condiciones del aire de secado. Si el flujo de calor sigue siendo el mismo, parte del calor que llega al sólido se invierte en calentarlo. En éste período la velocidad de secado depende del contenido en humedad del sólido: d    −

=

dt 

 f  (  )  

(11.5.)

A la vista de la Figura 11.2, la velocidad de secado puede disminuir de diferentes maneras con la humedad del sólido, puede ser uno o más tramos rectos, tramos curvos, incluso una combinación de ambos. La interpretación exacta del fenómeno no se ha alcanzado, pero hay varias teorías que intentan explicarlo. Las principales son: - transferencia del agua líquida por el interior del sólido por acción de fuerzas superficiales (mecanismo de flujo capilar). - difusión del agua líquida a través del sólido. - difusión del vapor de agua a lo largo de los poros o canales del sólido. Docente: Gina G. Toro Rodriguez

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UNIVERSIDAD NACIONAL JOSÉ MARÍA ARGUEDAS  ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA AGROINDUSTRIAL PROCESOS AGROINDUSTRIALES II Según el mecanismo tendremos una función diferente. En el caso de que la disminución de la velocidad de secado venga representada por tramos rectos, la función para cada tramo sería: −

d    =  a + b       dt 

(11.6.)

Si es un único tramo recto, o el último de los tramos pasa por el punto correspondiente a la humedad de equilibrio, la ecuación se puede poner de la forma: d    −

b

=



dt 

(

   −   

e

) 

(11.7.)

en la que e es la humedad de equilibrio del alimento con el aire de secado. En este caso la velocidad de secado es proporcional a la humedad libre del producto.

3.2.CALCULO DEL TIEMPO DE SECADO El tiempo de secado lo calcularemos integrando las ecuaciones diferenciales expresadas anteriormente. Tendremos un tiempo para cada período de velocidad de secado t sec ado = t cte  +

 t dec

(11.8.)

Período de velocidad de secado constante: el tiempo que dura este período se le llama tiempo crítico (tiempo que tarda en alcanzarse la humedad crítica). La velocidad de secado es un número que llamaremos V: d    −

=

dt 

V   

(11.9.)

Separando variables e integrando entre las condiciones cond iciones iniciales y el punto crítico t cte

  

  0 

−

=

V 

  

c

 

(11.10.)

Período de velocidad de secado decreciente: Se debe de conocer como varía la velocidad de secado con la humedad del producto ecuación 11.5. De esta manera separando variables e integrando entre el punto crítico y el final del secado, se obtiene el tiempo que dura este  período de secado: −1   f   t dec = d      (11.11.) c  f  (  )   

 

  

Si la variación es lineal, de la ecuación 11.6:

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UNIVERSIDAD NACIONAL JOSÉ MARÍA ARGUEDAS  ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA AGROINDUSTRIAL PROCESOS AGROINDUSTRIALES II t dec

=

1   ln

b

a + b  c a + b   f 

 

(11.12.)

Y si la recta pasa por el punto correspondiente a la humedad de equilibrio, de la ecuación 11.7: t dec

=

  1   ln c b   f 

−

  e  e

 

−

(11.13.)

IV.  MATERIAL Y MÉTODOS.  4.1.MATERIAL - Producto a deshidratar deshidratar papa - Equipo de secado - Balanza - Anemómetro -- Termómetro Estufa de vacío - Pesa filtros - Balanza analítica

4.2.METODOLOGÍA 1.- Poner el secador en funcionamiento para obtener el régimen ré gimen de las condiciones de secado. 2.- Cálculo de la humedad inicial del producto.

En un pesafiltros previamente tarado se coloca una pequeña cantidad del producto a secar y se pesa. Se sitúa en una estufa de vacío a una presión inferior a 100 mm Hg, y a 75ºC. Se deja hasta peso constante (aproximadamente 24 horas). si: mi : peso inicial de la muestra + pesafiltros p esafiltros mf  :  : peso final de la muestra + pesafiltros

m’ : tara pesa filtros  mi

gramos agua   

=

−

m  f 

=

gramos sólido seco

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m f 

−

m'  

(11.14.)

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UNIVERSIDAD NACIONAL JOSÉ MARÍA ARGUEDAS  ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA AGROINDUSTRIAL PROCESOS AGROINDUSTRIALES II 3.- Preparar el producto a deshidratar: pelar, trocear, hacer los pretratamientos que fuesen necesarios (blanqueado, etc). 4.- Con el termómetro medir la temperatura seca y húmeda del aire a la entrada y a la salida del secador, así como la temperatura del aire caliente antes de pasar p asar por el lecho de secado. 5.- Pesar una cierta cantidad del producto, colocarlo en la cesta del secador, pesarlo y colocarlo en el secador (cuando se haya alcanzado el régimen). 6.- Cada cierto tiempo pesar el producto y medir las condiciones del aire, hasta que el peso de la muestra varíe poco. 7.- Calcular la humedad final del producto (como en el paso 2). 8.- Repetir la experiencia de secado para otras condiciones del aire (temperatura, caudal) u otra cantidad inicial de producto (densidad de carga).

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PAPA  PESADO SELECCI N A ua

LAVADO Y PELADO 

Picadas fermentadas Cascaras

CORTADO

Almidón

COCCION

° *

ESCURRIDO DESH DE SHID IDRA RAT TAC ACII N

60 °C ; hasta 13 % de humedad

ALMACENADO Figura . Diagrama de flujo de etapas para obtener para seca

ANALISIS •  Humedad de la papa seca •  Color de papa seca por colorimetría

A) Colorimetría Metodología según (Guillen, 2016) •  Limpiar y secar la superficie del fruto, para eliminar cualquier cualquie r elemento ajeno. •  Seleccionar un área de medición, donde no exista ex ista defectos o características anómalas,

que no correspondan a la naturaleza del fruto. •  Realizar la medición con el equipo disponible, evitando cualquier presión que

distorsione el tejido vegetal. •  El color se representa en coordenadas o parámetros L, a y b; donde el parámetro L es

la luminosidad (L=0 oscuro y L=100 blanco); mientras que los parámetros: a (+a= rojo y – a=verde) a=verde) y b (+b=amarillo y  –   b=azul) definen la cromaticidad del material. •  Registrar los valores y L, a y b, tomando idealmente tres diferentes mediciones sobre

la muestra.

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V. 

UNIVERSIDAD NACIONAL JOSÉ MARÍA ARGUEDAS  ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA AGROINDUSTRIAL PROCESOS AGROINDUSTRIALES II RESULT RESUL TADOS Y DISCUSI DISCUSION. ON. 

5.1.RESULTADOS   - Humedad inicial del producto. - Datos de la experiencia de secado: Tabla 01:

Tiempo (min)

Peso neto (g)

Temperatura aire ambiente (ºC) seca húmeda

Temperatura aire secado (ºC)

Temperatura aire salida (ºC) seca húmeda

- Humedad del producto seco. - A partir de los datos de secado, se calcula la humedad del producto. gramos agua   

 peso sólido seco

 

=

−

=

gramos sólido seco

sólido seco

 

Tabla 02: Tiempo (min)

Humedad (g agua/g sólido seco)

- Representar la curva de secado. - Calcular la velocidad de secado para algunos valores de la humedad del producto. Tabla 03: Humedad (g agua/g sólido seco)

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Velocidad de secado (g agua/(min g sólido seco))

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UNIVERSIDAD NACIONAL JOSÉ MARÍA ARGUEDAS  ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA AGROINDUSTRIAL PROCESOS AGROINDUSTRIALES II - Representar la curva de velocidad de secado. - Calcular: - la relación entre la velocidad de secado y la humedad en cada período de secado - la humedad crítica - la humedad de equilibrio (mediante una extrapolación) - la humedad libre en el punto crítico

5.2.DISCUSIÓN DE LOS RESULTADOS - Analizar el tiempo del proceso del secado. - Analizar la velocidad de secado con las condiciones de operación.

VI.  CONCLUSIONES Puntuales y según objetivos propuestos

VII.  NOMENCLATURA

Aq  

Superficie a través de la cual se transfiere el calor (m2)

AW  Superficie de evaporación (m2) a

Superficie interfacial por unidad de volumen (m2 sup. evap./m3) a

Ordenada en el origen de la recta en el período de velocidad de secado decreciente

 b

Pendiente de la recta en el período de velocidad de secado decreciente

GW

Velocidad de transferencia de materia (kg agua/(s m2 superficie evaporación))

ht 

Coeficiente de transmisión de calor (J/(s m2 ºC))

K

Coeficiente individual de transferencia de materia (kg/(s m2 X))

Q

Flujo de calor (J/s)

r i 

Calor latente de vaporización a la temperatura de la interfase (J/kg)

T

Temperatura del aire (ºC)

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UNIVERSIDAD NACIONAL JOSÉ MARÍA ARGUEDAS  ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA AGROINDUSTRIAL PROCESOS AGROINDUSTRIALES II Ti

Temperatura del aire en la interfase (ºC)

t

Tiempo (s)

X

Humedad en el seno del aire (kg agua/kg aire seco)

Xi 

Humedad del aire en la interfase (kg agua/kg aire seco) 3

s   

Densidad aparente del material (kg sólido seco/m ) Humedad del producto en base seca (kg agua/kg sólido seco)

c 

Humedad crítica (kg agua/kg sólido seco)

e 

Humedad de equilibrio (kg agua/kg sólido seco)

f  

Humedad final (kg agua/kg sólido seco)

0 

Humedad inicial (kg agua/kg sólido seco)

VIII.  BIBLIOGRAFIA.  1.- Barbosa-Cánovas, G. V. y Vega-Mercado, H. 1995. Dehydration of Foods. Chapman and Hall. New York. 2.- Brennan, J. G.; Butters, J. R.; Cowell, N. D. y Lilly, A. E. V. 1980. Las Operaciones de la Ingeniería de los Alimentos. Ed. Acribia. Zaragoza. 3.- Fellow, P. 1994. Tecnología del procesado de los alimentos: Principios y prácticas. Ed. Acribia. Zaragoza. 4.- Kneule, F. 1982. El secado. Urmo Ediciones. Bilbao. 5.- McCabe, W. L.; Smith, J. C. y Harriot, P. 1994. Operaciones Unitarias en Ingeniería Química. Ed. McGraw Hill. México. 6.- Mujumdar, A. S. ed. 1987. Handbook of Industrial Drying. Marcel Dekker. New York.

IX.  CUESTIONARIO  1.  ¿Cuáles son las características de productos cárnicos deshidratados con aire caliente por convección?. 2.  ¿Que cambios pueden darse en los componentes de productos cárnicos sometidos a un secado con aire caliente por convección?

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