Secado de alimentos

Lentejas. Cámara de secado. Balanza. Sistema de instrumentación y control. Sistema de adquisición de datos. Secaderos. Movimiento de solutos. Retracción. Endurecimiento superficial

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PRACTICA DE SECADO

Objetivo

Determinar la curva de desecación de un alimento sólido (lentejas), la cual representa la variación con el tiempo de secado de la humedad del alimento expresada en Kg de agua/Kg de sólido seco.

Material y equipos utilizados

La instalación consta de las siguientes partes:

-Cámara de secado

-Balanza

-Sistema de instrumentación y control

-Sistema de adquisición de datos

Cámara de secado: La cámara de secado se puede considerar como un secadero de tolva. El sólido se coloca sobre una base de malla metálica. Un ventilador hace pasar el aire sobre un calentador y el aire caliente seguidamente asciende a través del producto a velocidad relativamente baja.

La cámara de secado tiene una ventana transparente de forma que podemos ver el interior de la misma en todo momento.

Balanza: El platillo con fondo de malla metálica sobre el cual se sitúa el sólido pende de la parte inferior de una balanza de precisión con rango de 0 a 2000 gramos y precisión 0.01. De esta forma se puede determinar el peso del sólido en todo momento y por lo tanto la diferencia entre dicho peso y el inicial será la pérdida de peso debido a la reducción de la humedad del mismo. De forma que a partir de los datos de pérdidas de peso del sólido podemos determinar su humedad durante todo el periodo de secado. La balanza está conectada al sistema de adquisición de datos.

Sistema de instrumentación y control: Este consta de los siguientes instrumentos de medida:

-Cuatro termopares. Uno de estos termopares (el que está situado justamente debajo del platillo) está conectado al sistema de control que regula la potencia que debe de entregar el calentador del aire. Los otros tres termopares situados en diferentes partes de la cámara de secado nos permiten determinar la posible existencia de perfiles de temperatura en la cámara. Estos termopares están conectados al sistema de adquisición de datos.

-Termómetro de bulbo seco y de bulbo húmedo. Con el objeto de conocer la variación de la humedad del aire en la cámara durante el proceso de secado se ha colocado un termómetro de bulbo seco y uno de bulbo húmedo. A partir de la medida de la temperatura seca y húmeda del aire se puede determinar mediante un diagrama psicrométrico la humedad del aire en la cámara.

-Medidor de caudal de aire. A la salida de la cámara de secado se mide el caudal de aire. Este valor se lleva al sistema de control de manera que la velocidad de giro del ventilador en la parte inferior del secadero lo regularemos según el valor deseado para el caudal del aire.

Sistema de adquisición de datos: Mediante la tarjeta de adquisición de datos Lab-view colocado en el interior de un ordenador se pueden registrar en todo momento con la regularidad que se desee la temperatura en tres puntos distintos de la cámara y el peso del sólido.

Datos experimentales obtenidos

Los datos de la tabla 1 referentes a temperaturas, corresponden a los datos experimentales tomados de los termómetros dentro de la cámara en el proceso de secado. Los datos referentes a humedad relativa y absoluta han sido calculados a partir del diagrama psicrométrico (10-120 ºC) basado en una presión barométrica de 101325 KPa (ver diagrama psicrométrico).

Tª bandeja (ºC)

Tª bulbo seco (ºC)

Tª bulbo húmedo (ºC)

Humedad relativa (%)

Humedad absoluta (Kg agua/Kg aire seco)

28

25,5

19

55

0,012

45

26,5

19,5

50

0,012

50

27

20,5

50

0,012

55

27,5

20,5

50

0,012

60

28,5

21

50

0,013

75

30,5

23

52

0,014

80

32

24,5

55

0,014

Tabla 1

Los datos de la tabla 2 han sido obtenidos mediante el sistema de adquisición de datos, para obtener la curva de desecación.

Tiempo (min)

Peso (gr)

W(kg agua/kg sólido seco)

1,3

97,96

0,782062943

1,9

98,1

0,784609787

2,9

97,63

0,776059669

3,9

97,26

0,769328725

4,9

96,83

0,761506276

5,9

96,17

0,749499727

6,9

95,76

0,742041113

7,9

95,03

0,728761142

8,9

94,29

0,715299254

9,9

93,69

0,70438421

10,9

93,11

0,693833

11,9

92,54

0,683463707

12,9

92,02

0,674004002

13,9

91,38

0,662361288

14,9

90,73

0,650536656

15,9

90,31

0,642896125

16,9

89,86

0,634709842

17,9

89,52

0,62852465

18,9

88,95

0,618155357

19,9

88,38

0,607786065

20,9

87,93

0,599599782

21,9

87,26

0,587411315

22,9

86,93

0,581408041

23,9

86,38

0,571402583

24,9

85,89

0,56248863

25,9

85,35

0,55266509

26,9

85,03

0,546843733

27,9

84,66

0,540112789

28,9

83,88

0,525923231

29,9

83,26

0,514644351

30,9

82,8

0,506276151

31,9

82,2

0,495361106

32,9

81,77

0,487538657

33,9

81,55

0,483536474

34,9

80,84

0,470620338

35,9

80,4

0,462615972

36,9

80,04

0,456066946

37,9

79,69

0,449699836

38,9

79,38

0,444060397

39,9

78,96

0,436419865

40,9

78,43

0,426778243

41,9

77,73

0,414044024

42,9

77,38

0,407676915

43,9

76,97

0,400218301

44,9

76,43

0,390394761

45,9

75,8

0,378933964

46,9

75,06

0,365472076

47,9

74,67

0,358377297

48,9

74,18

0,349463344

49,9

73,72

0,341095143

50,9

73,31

0,333636529

51,9

72,92

0,32654175

52,9

72,4

0,317082045

53,9

72,25

0,314353284

54,9

72,02

0,310169183

55,9

71,45

0,299799891

56,9

70,81

0,288157177

57,9

70,46

0,281790067

58,9

70,3

0,278879389

59,9

70,05

0,274331454

60,9

69,52

0,264689831

61,9

69,12

0,257413134

62,9

68,77

0,251046025

63,9

68,54

0,246861925

64,9

67,99

0,236856467

65,9

67,6

0,229761688

66,9

66,87

0,216481717

67,9

66,69

0,213207204

68,9

66,38

0,207567764

69,9

66

0,200654903

70,9

65,59

0,193196289

71,9

64,98

0,182099327

72,9

64,77

0,178279061

73,9

64,37

0,171002365

74,9

63,86

0,161724577

75,9

63,53

0,155721303

76,9

63,2

0,149718028

77,9

62,98

0,145715845

78,9

62,44

0,135892305

79,9

62,12

0,130070948

80,9

61,81

0,124431508

81,9

61,5

0,118792068

82,9

61,21

0,113516464

83,9

60,93

0,108422776

84,9

60,72

0,10460251

85,9

60,28

0,096598144

86,9

60,05

0,092414044

87,9

59,63

0,084773513

88,9

59,32

0,079134073

89,9

59,08

0,074768055

90,9

58,79

0,06949245

91,9

58,45

0,063307259

92,9

58,2

0,058759323

93,9

57,46

0,045297435

94,9

57,03

0,037474986

95,9

56,85

0,034200473

96,9

56,63

0,03019829

97,9

56,33

0,024740768

98,9

56,07

0,020010915

99,9

55,89

0,016736402

100,9

55,99

0,018555576

101,9

55,82

0,01546298

102,9

55,42

0,008186283

103,9

55,25

0,005093687

104,9

54,97

0

Tabla 2

'Secado de alimentos'

Gráfico 1

Discusión de resultados

La humedad relativa porcentual, Hr, es la relación entre la presión parcial del vapor de agua en una mezcla a una temperatura dada, Pv, y la presión de vapor de agua, Pw, a la misma temperatura.

Hr = 100 (Pv/Pw)

Al aumentar la temperatura del aire la presión de vapor de agua aumenta y por tanto la humedad relativa disminuye.

Los datos experimentales de humedad relativa, (tabla 1), no se corresponden con los valores esperados. Esto puede ser debido a un fallo en la difusión de la gasa que humedece el bulbo húmedo, obteniendo valores mayores a los esperados, lo que provoca una menor diferencia entre las temperaturas de ambos termómetros.

La humedad absoluta porcentual, Hp, es la relación entre la humedad absoluta de una mezcla, H, a una temperatura dada y la humedad de saturación, Hs, a la misma temperatura.

Hp = 100 (H/Hs)

La capacidad del aire para eliminar el agua de un alimento depende de su temperatura y del agua que contiene, que se expresa como humedad absoluta. Esta debe permanecer constante durante todo el proceso. Los resultados obtenidos no varían significativamente. Esta variación puede ser debida a que el aire está enriquecido en humedad porque las lentejas han soltado vapor de agua.

Respuestas a las cuestiones del guión

¿Qué temperatura habrá en la superficie del sólido durante el tiempo de secado a velocidad constante, por qué?

En la superficie del sólido habrá una temperatura más baja que la del aire y por eso se evapora. La temperatura del aire es 60ºC y la del bulbo húmedo es, aproximadamente, 30ºC.

Esto es debido a que durante la evaporación a velocidad constante, la superficie de la lenteja permanece húmeda.

¿Crees que el tipo de contacto entre el sólido y el aire circulando a través del lecho del sólido es un buen sistema para realizar el secado de alimentos?

El secado de alimentos con aire es uno de los más empleados. Creemos que es un buen sistema pero tras el proceso observamos que las lentejas estaban abiertas y arrugadas y por tanto deben controlarse la velocidad de secado, aplicando una elevada temperatura al principio y disminuyéndola después, sistema en rampa.

¿Qué sistemas de contacto sólido-aire se pueden encontrar en otros equipos de secado?

Desecación con aire caliente:

1.- Secadero de dos plantas:

Este secadero consiste básicamente en un edificio de dos plantas. En la planta baja se sitúa un horno o quemador y en ella el aire caliente y los productos de la combustión ascienden, por convección natural o forzada, y penetran a través del piso enrejillado de la segunda planta, sobre el que se esparce el producto húmedo en forma de capa uniforme. El aire húmedo se elimina por una chimenea situada en el piso superior. Es preciso rastrillar o voltear el producto regularmente. Los principales inconvenientes son los largos tiempos de desecación y la falta de control de las condiciones de desecación. Este tipo de secaderos se emplea principalmente para desecar lúpulo, rodajas de manzana y malta.

2.- Secadero de cabina, bandejas o compartimentos:

Consiste en una cabina aislada provista interiormente de un ventilador para circular el aire a través de un calentador; el aire caliente sale por una rejilla de láminas ajustables y es dirigido bien horizontalmente entre bandejas cargadas de alimento o bien verticalmente a través de las bandejas perforadas y el alimento. El secadero dispone de reguladores para controlar la velocidad de admisión de aire fresco y la cantidad deseada de aire de recirculación. Resultan relativamente baratos de construcción y de mantenimiento y son muy flexibles. Se utilizan principalmente para desecar frutas y verduras.

3.- Secaderos de túnel:

Permite desecar frutas y verduras de forma semicontinua con una gran capacidad de producción. Consiste en un túnel que puede tener hasta unos 24 metros de longitud con una sección transversal rectangular o cuadrada de unos 2 por 2 metros. El producto húmedo se extiende en capas uniformes sobre bandejas de listones de madera o malla metálica. Las bandejas se apilan en carretillas o vagonetas dejando espacios entre las bandejas para que pase el aire de desecación. Las carretillas se introducen de una en una, a intervalos adecuados en el túnel de desecación. El aire se mueve mediante ventiladores que lo hacen pasar a través de calentadores y luego fluye horizontalmente entre las bandejas, aunque también se produce cierto flujo a través de las mismas.

Los secaderos de túnel se clasifican de acuerdo al sistema utilizado:

- sistema concurrente

- sistema contracorriente

- sistema de flujo transversal

- túnel simple o de salida de aire central

4.- Secadero de transportador:

El principio de este tipo de secadero es similar al túnel de desecación pero el producto húmedo es conducido a través del sistema sobre una cinta transportadora que sustituye a las carretillas. Los secaderos de transportador se utilizan en la desecación de frutas y verduras picadas de diferentes clases.

5.- Secadero de tolva:

Consiste en una caja con un falso fondo o base de malla metálica. Un ventilador hace pasar el aire sobre un calentador y el aire caliente seguidamente asciende a través del producto a velocidad relativamente baja. Este tipo de secadero se aplica principalmente al “acabado” de productos vegetales desecados en otros tipos de secadero, reduciendo el contenido de humedad desde alrededor del 15% hasta un 3% aproximadamente.

6.- Secadero de lecho fluidizado:

El aire caliente es forzado a través de un lecho de sólidos de forma tal que los sólidos queden suspendidos en el aire. El aire caliente actúa tanto como medio fluidizante como de desecación. Pueden operar de forma discontinua o continua. Se ha aplicado bien comercialmente o a escala experimental a una diversidad de productos con éxito variable, como guisantes, alubias, zanahorias, cebollas, gránulos de patata, cubos de carne, harina, cacao, café, sal y azúcar. También se utilizan lechos para aglomerar y revestir polvos secos.

7.- Secadero neumático:

El producto húmedo se mantiene en suspensión en una corriente de aire caliente, que lo transporta a través del sistema de desecación. Es como una desecación en lecho fluidizado empleando velocidades de aire más altas.

El producto de alimentación se introduce en una fuerte corriente de aire caliente y los sólidos son transportados por la corriente de aire a través de conductos de suficiente longitud para que el tiempo de residencia sea adecuado. Los secaderos neumáticos se han usado en la manipulación de muchos productos alimenticios como granos de cereales y harinas, patatas granuladas, cubos de carne y como secaderos secundarios de la leche en polvo y ovoproductos.

8.- Secadero rotatorio:

El producto húmedo se hace girar entre una cámara cilíndrica por la que pasa el aire caliente, mientras que el producto se mantiene en agitación. En algunos casos también se calienta la pared de la cámara o se instalan tubos calentadores en el interior del cilindro. La cámara cilíndrica de acero se monta sobre rodillos quedando ligeramente inclinada. La superficie interior de la cámara se haya provista de aletas batidoras que remueven el producto al girar la cámara, haciendo que el producto caiga a través de la corriente de aire caliente que pasa por el cilindro. El aire puede fluir concurrentemente o a contracorriente respecto a la dirección del movimiento de los sólidos. Este tipo de secadero solo ha encontrado aplicación limitada en la industria de los alimentos, habiéndose empleado por ejemplo en la desecación de comprimidos de carne, azúcar granulado y en el tratamiento de las semillas de cacao.

9.- Secadero atomizador:

Se usa profusamente en la industria de los alimentos para desecar soluciones y papillas. El producto se introduce en una cámara de desecación en forma de fina lluvia entrando así en íntimo contacto con una corriente de aire caliente, lo que permite una desecación muy rápida obteniéndose un polvo seco. Las principales características de este tipo de desecación son los tiempos de desecación muy cortos y las temperaturas relativamente bajas que alcanza el producto. Los componentes esenciales del secadero atomizador son: sistema de calentamiento y circulación del aire, el atomizador, la cámara de desecación y el sistema de recuperación del producto. Su uso es en leche descremada y entera, suero, mezcla para fabricar helados, mantequilla, queso, alimentos para bebés basados en leche, café, té, huevos, zumos de frutas y verduras, proteínas comestibles, extractos de carne y productos derivados del trigo y otros cereales.

Durante el secado de alimentos se presentan una serie de fenómenos que no siempre son deseables, entre ellos se encuentran el movimiento de solutos en el interior del sólido, la retracción y el endurecimiento superficial. ¿Qué ocurre en cada uno de estos fenómenos? ¿has podido observar alguno durante la práctica?.

Movimiento de solutos: el agua líquida que fluye hacia la superficie durante la desecación contiene diversos productos disueltos. El movimiento de algunos compuestos solubles, resulta impedido por las paredes celulares que actúan como membranas semipermeables. A la migración de sólidos en los alimentos contribuye también la retracción del producto, que crea presiones en el interior de las piezas. El resultado neto de estos factores puede ser la deposición de componentes solubles en la superficie al evaporarse el agua.

Cuando la superficie se deseca, se establece un gradiente de concentración entre la superficie y el centro húmedo de la pieza que puede dar origen a la difusión de productos solubles hacia el centro. El que predomine uno u otro de ambos fenómenos depende de las características del producto y de las condiciones de desecación.

Retracción: Los productos coloidales también se retraen cuando se desecan. Durante las primeras fases de desecación a bajas velocidades, la cuantía de la retracción está simplemente relacionada con la cantidad de humedad eliminada. Hacia el final de la desecación, la retracción es cada vez menor de modo tal que el tamaño y las formas finales o definitivas del producto se alcanza antes de completarse la desecación.

Endurecimiento superficial: Se ha observado que durante la desecación de algunas frutas, carnes y pescados, frecuentemente se forma en la superficie una película impermeable y dura. Esta determina normalmente una reducción de la velocidad de desecación y a este fenómeno se le suele denominar endurecimiento superficial. Es probable que esté influido por múltiples factores, entre los que figura la migración de sólidos solubles a la superficie y las elevadas temperaturas que se alcanzan en la superficie hacia el final de la desecación que inducen complejos cambios físicos y químicos en la capa superficial.

Durante la práctica se pudieron observar todos estos fenómenos con la consecuente apertura de la lenteja y arrugas.

BIBLIOGRAFÍA

Tecnología del procesado de los alimentos. Principios y prácticas. P.Fellows.

Las operaciones de la ingeniería de los alimentos. J.G.Brennan, J.R.Butters, N.D.Cowell, A.E.V.L.Lilly. Ed. Acribia