V Congreso Internacional de Ingeniería Bioquímica XVI Congreso Nacional de Ingeniería Bioquímica VI Jornadas Científicas de Biomedicina y Biotecnología Molecular

Clave: 210512 EFECTO DEL SECADO DE ZANAHORIA EMPLEANDO FLUJO DE AIRE REVERTIDO Adolfo, Amador-Mendoza; Hilda, Cortés-Aguilar; Irving Israel, Ruiz-López; Cecilia Eugenia, Martínez-Sánchez; Erasmo, Herman-Lara. DIRECCIÓN DE LOS AUTORES Laboratorio de Ciencias en Alimentos. Instituto Tecnológico de Tuxtepec. Calzada Dr. Víctor Bravo Ahuja s/n, Col. 5 de Mayo. C. P. 68360. Tuxtepec, Oaxaca, México

CORREO ELECTRÓNICO [email protected]

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INTRODUCCIÓN

El secado es uno de los métodos más antiguos para deshidratar alimentos, el cual involucra de manera simultánea la transferencia de materia y energía. En la transferencia de materia se considera como la transición física del agua del estado líquido al de vapor, en donde la transferencia de masa tiene lugar cuando existe un gradiente de concentración o de presión. De esta manera los alimentos secos se pueden almacenar durante grandes periodos de tiempo sin que se alteren (Ratti y Mujumdar, 1993). El objetivo primordial del proceso de deshidratar es reducir el contendido de humedad del producto a un nivel que limite el crecimiento microbiano y las reacciones químicas. El aire caliente es usado en muchas operaciones de secado, por lo que los secadores de aire han estado en uso por años alrededor del mundo. El secado de los alimentos es la extracción deliberada del agua que contiene, operación que se lleva a cabo en la mayoría de los casos por adición del calor latente de evaporización. En la transferencia de calor, el calor se transmite por la existencia de un gradiente de temperatura; su velocidad es proporcional a la diferencia de temperaturas (Herman et al., 2001). En el secado con aire la velocidad de extracción de agua depende de las características del aire y de las propiedades del alimento, así como el diseño del secador. La configuración básica de un secador de aire es una cámara especial donde el alimento es colocado, este está equipado con el sistema de generador de aire caliente y una serie de conductos que permiten la circulación del aire a través del alimento. El aire es calentado mientras entra al secador por medio de intercambios de calor haciendo uso de resistencias eléctricas o combinación de gases de combustión de escape (Cánovas y Mercado, 1996). Este tipo de secadores es usado en el proceso de manufactura de galletas, frutas secas y rebanadas de vegetales. En los alimentos, por ejemplo, no solo se debe de tomar en cuenta la contracción y el agrietamiento de los alimentos durante su deshidratación, ya que éstos son sensibles al calor, por lo que el proceso debe ser realizado bajo condiciones de funcionamientos eficientes para obtener un producto final deseable. Este hecho transforma, al secado de alimentos en un proceso lento que requiere de secadores grandes para un mayor rendimiento de procesamiento del producto. Los gradientes del contenido de humedad y temperatura se convierten en parámetros significativos en el secado de lotes de lechos profundos de partículas sólidas. Éstos son indeseables desde el punto de vista de la calidad, los materiales sensibles al calor podrían secarse mas rápidos en la zona de entrada del aire mientras que la zona en sentido descendiente todavía está húmedo y fresco. La eficacia del proceso de secado también disminuirá. Una manera económica de evitar gradientes excesivos de contenido de humedad consiste en la dirección de la circulación de aire, es decir, invertir periódicamente el flujo del aire de secado (Berbert et al., 1995). Básicamente, este método consiste en aplicar la circulación de aire seco en una dirección por un cierto tiempo y después invertir de la dirección del flujo para el período próximo. El proceso se puede repetir varias veces antes de que el secado sea completado y las condiciones de secado se pueden modificar dependiendo del estudio a realizar. Es decir se puede Mar del Norte No. 5, Col. San Álvaro Azcapotzalco C. P. 02090, México, D. F. Tel. y Fax: 5623 3088 email: [email protected], [email protected]

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conjugar una serie de valores en los parámetros de operación del secado y el flujo de aire revertido de tal manera que convenga a una optimización del proceso de secado de alimentos. En una industria tan extensa y diversificada como la alimentación es de esperar que se utilice un numero elevado de diferentes tipos de aparatos de secado, es por ello la importancia del diseño del secador en planta piloto, ya que el principal problema en el cálculo de los secadores reales es que las condiciones cambian a medida que el aire y el sólido a secar se mueve a lo largo del secador (Baker, 1997). Por lo que en el presente trabajo se desarrollaron cinéticas experimentales de secado empleando flujo de aire revertido a diferentes periodos de tiempo y flujo unidireccional.

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MATERIALES Y MÉTODOS Materia prima: Zanahorias en estado fresco.

Equipo empleado Molde cortador de acero inoxidable. Secador con flujo de aire revertido y unidireccional. Balanza analítica Sartorius TE4101. Canastilla de acero reforzado con placas de aluminio. Anemómetro digital AVM-03

Métodos empleados Método de la estufa para la determinación de la humedad (AOAC, 1990).

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DESARROLLO PREPARACIÓN DE LA MUESTRA Para la realización de esta investigación, se utilizaron zanahorias provenientes de un supermercado en la ciudad de Tuxtepec, Oaxaca. Dentro de las características que debió cumplir el producto para este análisis fueron de estar en buenas condiciones, así como la de cumplir una geometría similar, ya que esto facilitó en gran medida el proceso de secado. Las muestras se lavaron y secaron rápidamente, conservándolas a temperatura ambiente hasta el momento de ser procesadas. Se obtuvo la humedad del producto mediante el método de la estufa (AOAC, 1990), como se puede apreciar en le diagrama de flujo de la figura 1. Las muestras se sometieron a cortes y geometría diferentes en rodajas de: 0.1, 1.0 y 2.0 cm de espesor y 3.0 cm de diámetro por medio de un molde cortador de acero inoxidable. Dichas muestras se obtuvieron de la parte central del fruto, excluyendo las puntas de tal manera que tuvieran una geometría uniforme.

Variación del peso.

Cápsula de porcelana.

Recepción del producto.

Determinar su peso en una balanza analítica.

Pesar una cantidad de muestra.

Colocar en la estufa a 110ºC / 36 h.

Determinar el peso del producto con la cápsula.

Determinar su peso en una balanza analítica.

Secar en una estufa a 110ºC / 36 h.

Peso constante.

Obtención de la humedad inicial del producto.

Figura 1. Diagrama de flujo para la determinación de humedad inicial de la zanahoria. En esta figura se detallan cada una de las etapas para la obtención inicial de humedad de las zanahorias empleadas en las cinéticas de secado. Mar del Norte No. 5, Col. San Álvaro Azcapotzalco C. P. 02090, México, D. F. Tel. y Fax: 5623 3088 email: [email protected], [email protected]

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PROCESO DE SECADO El proceso de secado del alimento se llevó acabo utilizando un secador con flujo de aire revertido construido en el Laboratorio de Ciencias en Alimentos del Instituto Tecnológico de Tuxtepec por Cobos (2007), que consiste de un compartimiento de secado prismático de base redonda con ingreso de aire en la parte superior e inferior previamente calentado como se aprecia en la figura 2. Una balanza analítica Sartorius TE4101, fue utilizada para el seguimiento de la pérdida de peso de la muestra. Las muestras se depositaron en una canastilla de acero reforzado con placas de aluminio donde las alturas del lecho de partículas a secar se mantuvieron en 5, 10, y 15 cm con un diámetro de 15 cm. Una vez preparada la canastilla, ésta se depositó en el compartimiento de secado del secador, con un control de temperatura, el cual se reguló para trabajar a 50, 70 y 90 °C y una velocidad de aire de secado de 2.0, 4.0 y 6.0 m/s, medido a través de un anemómetro digital AVM-03 al final de las salidas de aire del secador. Se realizó el seguimiento de la pérdida de peso del producto y de sus dimensiones a intervalos de tiempo de 10, 20 y 30 min hasta valores de peso constante. Las cinéticas de secado experimentales y simuladas de la zanahoria se graficaron en contenidos de humedad (Xt) contra el tiempo de secado (t). En todas las cinéticas experimentales de secado se presentaron los contenidos de humedad inicial de cada lote de muestra a secar apreciando el comportamiento real de cada una. En la figura 3 se muestra el diagrama del flujo del proceso de secado para la obtención de las cinéticas experimentales como lo realizó García (2005).

Figura 2. Secador de flujo de aire reversible para alimentos. Aquí se ilustra el tipo de secador empleado para producir aire de secado revertido y unidireccional. Mar del Norte No. 5, Col. San Álvaro Azcapotzalco C. P. 02090, México, D. F. Tel. y Fax: 5623 3088 email: [email protected], [email protected]

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Recepción del producto

Especificar la temperatura de secado.

Obtener el tamaño de partícula especificado.

Altura de lecho del alimento

Determinar la corrida experimental de secado.

Especificar la velocidad de aire y flujo de aire.

Obtener la cinética de secado del alimento. Xt vs t

Figura 3. Diagrama de flujo del proceso de secado del alimento. En esta figura se detallan las etapas para la obtención de las cinéticas de secado a diferentes condiciones de operación

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RESULTADOS

Figura 4. Cinéticas de secado experimentales y simuladas de la zanahoria empleando velocidad de aire de secado de 6.0 m/s. Se detallan las curvas de secado operando diferentes condiciones de temperatura, tipo de flujo de aire, con espesores de partícula de 0.1 cm y altura de lecho de secado de 5.0 cm.

Figura 5. Cinéticas de secado experimentales y simuladas de la zanahoria empleando velocidad de aire de secado de 4.0 m/s. Se detallan las curvas de secado operando diferentes condiciones de temperatura, tipo de flujo de aire, con espesores de partícula de 1.0 cm y altura de lecho de secado de 10.0 cm Mar del Norte No. 5, Col. San Álvaro Azcapotzalco C. P. 02090, México, D. F. Tel. y Fax: 5623 3088 email: [email protected], [email protected]

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Figura 6. Cinéticas de secado experimentales y simuladas de la zanahoria empleando velocidad de aire de secado de 2.0 m/s. Se detallan las curvas de secado operando diferentes condiciones de temperatura, tipo de flujo de aire, con espesores de partícula de 2.0 cm y altura de lecho de secado de 15.0 cm

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DISCUSIÓN

En la figura 4 se aprecian las cinéticas de secado experimentales y simuladas de la zanahoria a una velocidad de aire de secado 6.0 m/s, un espesor de partícula de 0.1 cm, una altura de lecho de 5.0 cm, flujo de aire unidireccional y revertido (alternado cada 15 y 30 min), con diferentes temperaturas de secado (50, 70 y 90 °C), en el cual se observó que las temperaturas de secado si tuvieron efecto sobre el tiempo de operación, observándose que a temperaturas de 90 °C en comparación con las de 70 y 50 °C. A esta misma temperatura de obtuvo una mayor velocidad de secado, originando así un tiempo de secado final de 180 min empleando flujo de aire revertido alternado cada 15 min, 220 min utilizando flujo de aire revertido alternado cada 30 min y 240 min empleando flujo de aire unidireccional. También se observó gráficamente que en las cinéticas de secado utilizando flujo de aire revertido se encontraron por debajo del tiempo de secado en comparación con las cinéticas de secado utilizando flujo de aire unidireccional, siendo más predominante el flujo de aire revertido alternado cada 15 minutos, ya que redujo más el tiempo de secado que el empleado cada 30 minutos. En la figura 5 se aprecian las cinéticas de secado experimentales y simuladas de la zanahoria pero ahora empleando una velocidad de aire de secado de 4.0 m/s, un espesor de partícula de 1.0 cm, una altura de lecho de 10 cm, flujo de aire unidireccional y revertido (alternado cada 15 y 30 min), con diferentes temperaturas de secado (50, 70 y 90 °C), en el cual se interpretó de igual forma que en la figura anterior, observando que a temperaturas de 90 °C en comparación con las de 70 y 50 °C, se obtuvieron menores tiempos de secado como es de esperarse, debido a que es una temperatura de mayor intensidad, por lo tanto, la temperatura es un efecto que acelera el fenómeno de difusión originando una mayor eliminación de humedad, obteniendo tiempos de secados de 360 min empleando flujo de aire revertido alternado cada 15 min, 390 min usando flujo de aire revertido alternado cada 30 min y 420 min utilizando flujo de aire unidireccional. Resultando de esta manera que el flujo de aire revertido obtuvo una mayor eliminación de humedad reduciendo mas los tiempos de secado en comparación con el empleado unidireccionalmente, así mismo se redujo mas el tiempo de secado utilizando flujo de aire revertido alternado cada 15 min que el empleado cada 30 min obteniendo una Mar del Norte No. 5, Col. San Álvaro Azcapotzalco C. P. 02090, México, D. F. Tel. y Fax: 5623 3088 email: [email protected], [email protected]

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mayor eliminación de humedad tanto en las temperaturas de 90 °C como el las de 70 °C y 50 °C. Finalmente en la figura 6 se aprecian las cinéticas de secado experimentales y simuladas de la zanahoria a una velocidad de 2.0 m/s, un espesor de partícula de 2.0 cm, una altura de lecho de 15 cm, flujo de aire unidireccional y revertido (alternado cada 15 y 30 min), con diferentes temperaturas de secado (50, 70 y 90 °C). De acuerdo a estos resultados se observó que a una temperatura de 90 °C en comparación con las de 70 y 50 °C. Se obtuvo una mayor eliminación del contenido de humedad del alimento, así como una mayor velocidad de secado y reducción de los tiempos de operación, esto ocurrió debido a que el efecto de temperatura se presentó como un factor que afectó la velocidad de difusión, es decir, a mayor temperatura menor tiempo de difusión. Por otra parte, se observó que el empleo del flujo de aire revertido redujo los tiempos de secado y obtuvo una mayor eliminación de humedad, en comparación con el utilizado unidireccionalmente. Se observó también que existió una mayor reducción de los tiempos de secado empleando flujo de aire revertido alternado cada 15 min, en comparación con el alternado cada 30 min en todas las temperaturas.

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CONCLUSIONES

1.

A temperaturas de 90 °C se obtuvieron los menores tiempos de secado a los diferentes espesores de partícula y velocidades de aire de secado empleado.

2. A velocidades de aire de secado de 6 m/s, se obtuvieron los menores tiempos de secado a cualquier espesor y a cualquier temperatura de secado.

3.

A espesores delgados de 1 mm se obtuvieron los menores tiempos de secado a cualquier temperatura y velocidad de aire de secado.

1.

El secado con flujo de aire revertido redujo los tiempos de secado más que el flujo de aire unidireccional.

2.

El flujo de aire revertido cada 15 min redujo más el tiempo de secado que el empleado cada 30 minutos.

3.

Podría existir un ahorro de energía por la reducción de los tiempos de secado en las cinéticas empleando flujo de aire revertido.

4.

Podría el empleo de flujo de aire revertido en el secado de alimentos reducir los gradientes de temperatura y humedad en los lechos fijos, trayendo como probable consecuencia una reducción en el agrietamiento, encogimiento y decoloración de las partículas a secar.

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REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

1. AOAC. 1990: Official methods of analysis. 15th ed. Association of Official Analytical Chemists. Washington, D.C. 2. Baker, C. 1997: Industrial Drying of Foods. 1st. Ed. Blackie Academic & Professionals, pp 7-30. 3. Berbert, P.A.; Queiroz D.M.; Silva J.S. and Pinheiro J.B. 1995: Simulation of Coffee Drying in a Fixed Bed with Periodic Airflow Reversal. Journal of Agricultural Engineering Research 60(3), 167-173. 4. Cánovas; B.G. and Mercado, V.H. 1996: Dehydration of Foods. 1st. Ed. Chapman and Hall, pp 265-268. 5. Cobos-Vivaldo, R. 2007: Construcción y Caracterización de un Secador de Flujo de Aire Reversible para Alimentos. Tesis de Maestría. Tuxtepec, Oax. pp 52-55. 6. García-Muñoz, M. A. 2005: Simulación del Secado de Plátano Macho en Régimen No Estacionario Considerando Parámetros de Operación de Lechos Fijos. Tesis de Maestría. Tuxtepec, Oax. pp 47-53. 7. Herman, E. Rodríguez, G.C. and García, M.A. 2001: Mathematical Modelling for Fixed-Bed Drying Considering Heat and Mass Transfer and Interfacial Phenomena. Drying Technology, 19(9), 2343-2362. 8. Ratti C. and Mujumdar A. S. 1993: Fixed-Bed Batch Drying of Shrinking Particles with Time Varying Drying Air Conditions. Drying Technology 11(6), 1311-1335.

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