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Secado de alimentos

El secado es un método de conservación de alimentos consistente en extraer el agua de estos, lo que inhibe la proliferación de microorganismos y dificulta la putrefacción. El secado de alimentos mediante el sol y el viento para evitar su deterioro ha sido practicado desde la antigüedad. El agua suele eliminarse por evaporación (secado al aire, al sol, ahumado o al viento) pero, en el caso de la liofilización, los alimentos se congelan en primer lugar y luego se elimina el agua por sublimación. Las bacterias, levaduras y hongos necesitan agua en el alimento para crecer. El secado les impide efectivamente sobrevivir en él. Para poder entender los fundamentos teóricos del secado a continuación se describen los principales conceptos:

- Humedad: El contenido de humedad de un sólido puede expresarse sobre base seca o base húmeda; pero en el secado de sólidos es más conveniente referir la humedad sobre base seca (masa de agua que acompaña al sólido seco). - Humedad de equilibrio (Xe): Cuando un sólido húmedo se pone en contacto, con aire de temperatura y humedad determinadas y constantes, se alcanzaran las condiciones de equilibrio entre el aire y el sólido húmedo. Se logran las condiciones de equilibrio cuando la presión parcial del agua que acompaña al sólido húmedo es igual a la presión de vapor del agua en el aire. - Humedad crítica: La humedad crítica de un sólido es el punto que separa los dos períodos de secado antecrítico y poscrítico. - Período antecrítico: Es el período de tiempo en el que la velocidad de secado es constante, desde la humedad inicial hasta la humedad crítica. - Período poscrítico: Es el período de tiempo en el que la velocidad de secado disminuye hasta llegar a un valor de cero. Este período empieza con la humedad crítica hasta la humedad de equilibrio. Tipos de humedad en el sólido Agua Libre: Es agua que excede al contenido de Humedad de Equilibrio del Sólido. Es la que se remueve por vaporización. Puede dividirse en: agua no ligada y agua ligada.

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Agua No Ligada: Se encuentra en los huecos de sólidos conformados por partículas grandes y no porosas (Ej: arena de cuarzo). Su evaporación no es afectada por el sólido y, por lo tanto, su presión de vapor es igual a la presión de vapor del agua pura a la misma temperatura (Temperatura. del sólido), Agua Ligada: Es agua retenida por el sólido (capilares, adsorbida en superficie, soluciones en paredes celulares, combinaciones físicas y químicas). Su presión de vapor es menor que la del vapor de agua a la misma temperatura.

Equilibrio entre fases ¿Qué fases están en Equilibrio? Fase Vapor: Es el vapor de agua presente en el aire de secado. Fase Líquida: Es el agua líquida presente en el sólido húmedo. Humedad de Equilibrio: Porción de la Humedad del Sólido que NO puede ser removida por el Aire de Secado, debido al contenido de Humedad de éste último.

Concepto de humedad libre Es la diferencia entre el contenido de agua inicial del sólido y el contenido de agua en el equilibrio.

X libre  X 0  X e Donde: X0: Contenido de humedad inicial Xlibre: Contenido de humedad Libre. Xe: Contenido de humedad de equilibrio.

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1 Una prueba de secado se llevó a cabo en un secador de laboratorio para determinar la curva de velocidad de secado y el contenido de humedad crítica de un vegetal. La muestra se cortó en pequeños cubos y se coloca en una bandeja con 0,4 cm x 0,4 cm de área de superficie. La bandeja se colocó en un secador durante 17 horas y se seca a condiciones de secado constantes con una corriente de aire que fluía paralelo a la superficie de la bandeja. De vez en cuando, la bandeja se pesó, mientras que en un experimento separado se determinó el contenido de humedad inicial de la muestra. Si el contenido de humedad inicial de la muestra fue de 89 % (base húmeda) y el peso del producto en la bandeja variado con el tiempo como se indica a continuación, a) trazar la curva de secado y la curva de velocidad de secado, y b) estimar la tasa de secado a el período de velocidad constante, el contenido de humedad crítico, el contenido de humedad de equilibrio, y el contenido de humedad libre bajo las condiciones de secado dado.

Datos: Rc  0,24kg.agua / min .m 2 X c  4,95kg..agua / kg.de.s X c  0,127 kg.agua / kg.de.s

RC = Rata o velocidad de secado Paso 1: Calcular los kg de sólidos secos que están contenidos en el producto m s  m p  mh  5  5 * 0,89  0,55kg..de..s

Pasó 2: Calcular el contenido de humedad en base seca para cada medición de peso a partir de:

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X 

m p  ms ms

Paso 3 Graficar X vs t

Paso 4: Encuentra la pendiente de la curva de X vs t en varios valores de tiempo, o calcular X X ..vs..t ,..o.. ..vs.. X t t partir de los datos experimentales. X ..vs.. X t

Paso 5: Graficar y leer desde la gráfica el contenido de humedad crítico Xc, la velocidad de secado Rc en el periodo de velocidad constante, y el equilibrio de contenido de humedad Xe en el eje x (contenido de humedad en la velocidad de secado = 0) Paso 6: Calcular el contenido de humedad libre en el comienzo de secado (la humedad que se puede quitar desde el sólido bajo las condiciones de aire de secado dadas de temperatura y humedad): Contenido de humedad inicial X0

X0 

Y0 0.89 8,09kg.de.aguas   1  Y0 1  0,89 kg.de.s

X libre  X 0  X c  8,09  0,127  7,964kg.de.agua / kg.de.s Se sugiere que los pasos 1 a 5 se lleven a cabo en una hoja de cálculo. Consulte la hoja de cálculo 1.xls secado.

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Comentarios: 1) La parte lineal del período de velocidad decreciente no se encuentra en este producto, 2) El Xe contenido de humedad de equilibrio podría también determinarse a partir de la isoterma de desorción del producto (si está disponible) a la misma temperatura que la temperatura del aire en el secadora. 2 Calcular el tiempo necesario para secar un producto de 90 % a 25 % de humedad (base húmeda) en un secador industrial, donde se carga el área con 2 kg sólido seco/m2 de superficie expuesta al aire. Se dado que el contenido crítico de humedad es 5 kg de agua/kg de sólido seco, el contenido de humedad de equilibrio es 0,033 kg agua/ kg de materia seca, y la velocidad de secado en el contenido crítico de humedad es 3 kg de agua/m2h bajo las condiciones de secado especificados. Paso 1: Expresar el contenido de humedad en base seca a) Contenido de humedad inicial

X0 

Y0 0,9 9kg.de.agua   1  Y0 1  0,9 kg.de.s

b) Contenido de humedad final Yf 0,25 0,333kg.de.agua Xf    1  Y f 1  0,25 kg.de.s Paso 2: Calcular el tiempo para el periodo de velocidad constante:

tc 

m s X 0  X c 2kg.de.s (9  5)kg.agua / kg.de.s   2,67 h A Rc m2 3kg.agua / m 2 h

Paso 3: Calcular el tiempo para el período de velocidad decreciente:

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Supuesto: Debido a la falta de datos más detallados, se supone que la velocidad de secado en el período de velocidad decreciente es directamente proporcional al contenido de humedad libre . Con este supuesto, el tiempo para el período de velocidad decreciente se puede calcular de: tf 

ms X 1  X e X  X e 2kg.de.s (5  0,033)kg.de.agua / kg.de.s 5  0,033 ln c  * ln  9,29h 2 A Rc X f  Xe 3kg.de.agua 0,333  0,033 m

Paso 4: Calcular el tiempo total t  t c  t f  2,67h  9,29h  11,96h

3 Un lote de sólido húmedo se procesa en un secador de bandejas usando condiciones de secado constante y un espesor de material en la bandeja de 25,4 mm. Sólo se expone al secado la superficie superior. La velocidad de secado durante el periodo de velocidad constante es R = 2.05 kg H2O/m2h. La relación Ls/A usada es 24.4 kg sólido seco/m2 superficie expuesta. La humedad libre inicial es X0 = 0.55 y el contenido crítico de humedad Xc = 0.22 kg de humedad libre/kg de sólido seco. Calcule el tiempo para secar un lote de este material desde X1 = 0.45 hasta X2 = 0.30, usando las mismas condiciones de secado, pero un espesor de 50.8 mm con secado para las superficies superior e inferior. (Sugerencia: Calcule primero Ls/A para estas nuevas condiciones.). Paso 1: Datos Espesor de la bandeja = 25,4 mm Relación Ls/A = 24,4 kg sólido seco/m2 Velocidad de secado Rc = 2,05 Kg agua/m2h Humedad libre inicial X0 =0,55 Contenido crítico de humedad Xc = 0,22 kg agua/kg sólido seco Paso 2: Cálculo de la relación Ls/A L ( s )1 * espesor 2 Ls 24,4kg.sólido . sec o * 50,8mm 48,8kg.sólido . sec o ( )2  A   A espesor1 25,4mm m2 Paso 3: Cálculo del tiempo para secar las superficies superior e inferior, t Ls 48,8kg.sólido . sec o t (X1  X 2 )  2 (0,45  0,30)  3,57h A * Rc m * 2,05kg.agua / m 2 h Siendo El Tiempo de secado de cada una de las superficies 3,5707h/2= 1,785 h Dando t = 1.785h 4 Un material sólido insoluble y granular con humedad, se está secando en el periodo de velocidad constante en una bandeja de 0.61 m x 0.61 m, con una profundidad del lecho de 25.4

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mm. Los lados y el fondo de la bandeja están aislados. El aire fluye en paralelo por la superficie superior a una velocidad de 3.05 rn/s, y tiene temperatura de bulbo seco de 60 ºC y temperatura de bulbo húmedo de 29.4 ºC (85 ºF). La bandeja contiene 11.34 kg de sólido seco con un contenido de humedad libre de 0.35 kg H2O/kg de sólido seco, y se desea secar el material en el periodo de velocidad constante hasta lograr 0.22 kg H2O/kg de sólido seco. a) Calcular la velocidad de secado y el tiempo necesario en horas. b) Pronostique el tiempo necesario cuando la profundidad del lecho de material se aumenta a 44.5 mm. Paso 1: Datos Área de la bandeja = 0,61m*0,61m Profundidad del lecho = 25,4 mm Velocidad del aire = 3,05 m/s = 10980 m/h Temperatura (b.s) = 60 °C Temperatura (b.h) = 29,4 °C Sólido seco = 11,34 kg Contenido de humedad libre X1 = 0,35kg agua/ kg de sólido seco Humedad final X2 = 0,22 kg agua/kg de sólido seco Paso 2 De la carta psicrométrica se obtiene que a las temperaturas de bulbo húmedo y seco es igual a 0,014 kg agua/kg aire seco a) Cálculo del volumen húmedo VH m3 VH  (2,83 * 10 3  4,56 * 10 3 ( H ).).T  (2,83 * 10 3  4,56 *10 3 (0,014) * 302,5 K  0,8747 kg.a.s b) Cálculo de la densidad m 1  0,014kg kg d   1,1592 3 3 v 0,8747m m c) Cálculo de G G  d * v  1,1592

kg m kg * 10980  12728 2 3 h m m h

d) Cálculo del coeficiente de transferencia de calor, h w h  0,0204G 0,8  0,0204 * (12728) 0,8  39,2137 2 m h

w

e) Cálculo del calor latente De las tablas de vapor (anexo 1) se tiene que hg y hf son respectivamente: 2554.6822 y 123.17 kJ/kg kJ  w  (2554,6822  123,1741)  2431,5081 Kg f) Cálculo de la velocidad de secado Rc

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Rc 

h(T  Tw ) 39,2137(60  29,4) kg (3600)  (3600)  1,7765 2  w (1000) 2431,5081(1000) m h

g) Cálculo del tiempo de secado Ls 11,34 t (X1  X 2 )  (0,35  0,22)  2,2301h A * Rc 0,612 * 1,7765 h) Cálculo del tiempo de secado cuando la profundidad del lecho se aumenta, t t espesor 2 2,2301h * 44,5 t2  1   3,9071h espesor1 25,4 Resultados Rc =1,7765kg/m2h t = 2,2301 h t2 =3,9071h