24/5/2020

DESHIDRATACIÓN/SECADO DE ALIMENTOS

Preservación de Alimentos
Mag. María Elida Pirovani

FUNDAMENTOS

• Reducir la aw del alimento

Combina transferencia de calor y materia

Objetivos principales
• Reducir reacciones enzimáticas
• Reducir desarrollo de microorganismos
• Reducir reacciones químicas
Otros Objetivos
• Reducir volumen
• Reducir peso

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Relación entre la aw y las reacciones de deterioro en

alimentos

¿Cuales son los temas de interés particular

en alimentos?
• Degradación mínima por reacciones químicas o bioquímicas
(valor nutricional, características sensoriales)
• Remoción selectiva de agua sobre otros compuestos: sales
o volátiles (aromáticos)
• Mantenimiento de la estructura del producto ( si lo
requiere)
• Control de la densidad
• Rápida rehidratación
• Estabilidad durante el almacenamiento: mínimas exigencias
de refrigeración o envases
• Color deseable

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SECADO
Existen 3 métodos industriales de eliminación del
agua de materiales sólidos:
• una corriente de aire de baja humedad caliente
que circula a alta velocidad (secado por aire)
• contacto con una superficie caliente que con el
tiempo hace que la humedad del alimento pase a
la atmosfera circundante por evaporación
(secado por contacto)
• someter el alimento a una fuente de calor a baja
presión (secado a vacío)

TRANSFERENCIA DE MASA EN DESHIDRATACIÓN DE ALIMENTOS

• El mecanismo de transferencia es complejo. Se asume que la

velocidad de movimiento de humedad es descripta por un
valor de difusividad efectivo.
• Se aplica la ley de Fick

X 2 X
 Def
t x 2
Donde:
X= contenido de humedad en base seca ( kg de agua/kg de
sólidos secos)
t = tiempo
x= coordenada espacial

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PARA RESOLVER LA ECUACIÓN DIFERENCIAL DE

TRANSFERENCIA DE MASA SE ASUME:
A) el contenido de humedad inicial es uniforme en todo el
solido (X0)
B) la difusividad efectiva es constante en todo el solido
C)la forma del solido permanece constante durante el periodo
considerado (no hay contracción ni deformación)
D)la resistencia externa a la transferencia de calor y masa es
despreciable
E) las condiciones de secado se mantienen constantes a través
del proceso
F) La temperatura interna del alimento es uniforme
G) El proceso es isotérmico

SOLUCIONES SEGÚN LAS GEOMETRÍAS

Cuando Def.t/(dimensión caracteristica)2 > 0,1 primer termino es adecuado

Lámina

Cilindro βn = función de Bessel, 1 =2,4048

ra = radio del cilindro

Esfera
r=radio de la esfera

X= contenido de humedad promedio (kg de agua/kg ss)

Xe= contenido de humedad de equilibrio a la temperatura de bulbo seco del aire
X0 = contenido de humedad inicial

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DIFUSIVIDAD MÁSICA

Difusividad es constante si las células no colapsan y se

“empacan”.

• Sólidos firmes (como los granos) tienen difusividad

constante
• Vegetales y Frutas: difusividad variable con el
contenido de humedad, dependiendo de los cambios
físicos que ocurran

COMO SE TRANSFIERE EL AGUA DURANTE LA

DESHIDRATACIÓN?
• Al principio Agua transferida desde el centro a la
superficie por capilaridad

• Ultimas etapas La difusión controla la velocidad de

migración de humedad en el sólido

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TRANSFERENCIA DE MASA DESDE LA SUPERFICIE

HÚMEDA HACIA EL AIRE

Velocidad de transferencia de masa similar a la transferencia de

calor
dWw
 k g M w (aws  awa )
Adt
Donde:
Ww=masa de vapor de agua transferida desde la superficie hacia el
aire en movimiento
A= superficie expuesta al aire
Mw = peso molecular del agua
aws = aw en la superficie del solido1
awa= aw en el aire
Kg = coef. de transferencia másico (kg-moles/m2.s)

DETERMINACIÓN DEL COEFICIENTE DE TRANSFERENCIA

DE MASA
Numero Sherwood (equivalente al Nusselt)
kg D D= diámetro o longitud característica
Sh  Dwm= difusividad del agua (kg-moles/m.s)
Dwm

Numero de Schmidt (equivalente al Prandtl)

Dm= difusividad del agua en aire (m2/s)

  =2,2.10-5 m2/s
Sc  
Dm M a Dwm
Propiedades  y  son del aire
Ma= peso molecular aire=29 kg/kgmol

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CORRELACIONES PARA TRANSFERENCIA DE

MASA
• Gilliland-Sherwood

Sh  0,023Re
0,81
Sc 0, 44

Esta ecuación fue derivada para vaporización de un film de

agua que fluye hacia abajo por un tubo vertical con aire
fluyendo hacia arriba del tubo.
El Reynolds para aire rango desde 2.000 a 35.000 y presión de
0,1 a 3 atm

CORRELACIONES PARA TRANSFERENCIA DE

MASA
• Factor Colburn j
kg 0, 2
j Sc0,666  0,023Re
G
G= flujo molar de aire (kgmoles/m2.s)=

Esta ecuación puede ser usada para transferencia de masa en aire

fluyendo a través de partículas en un lecho empacado.
Puede ser apropiada para aire en flujo paralelo a la superficie de
un lecho de partículas

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CORRELACIONES PARA TRANSFERENCIA DE

MASA
• Ranz-Marshall

Sh  2  0,6 Re Sc 0,33
0,5

Esta ecuación es apropiada para transferencia de masa desde

superficies de partículas individuales y lechos fluidizados

DIAGRAMA QUE MUESTRA LA EVOLUCIÓN DEL AIRE EN EL

ENFRIAMIENTO, CALENTAMIENTO, CONDENSACIÓN Y
HUMIDIFICACIÓN ADIABÁTICA

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Volumen húmedo, Calor húmedo y entalpia del aire

vh  0,00283 0,00456Y ´* Ta  273  [m3mezcla / kgaire ]

Cs  1005  1884Y ´ [ J p / mezcla / kgaire C ]

H  (1005  1884Y ´)Ta  2502300Y ´ [ J p / mezcla / kgaire ]

Con referencia a aire gaseoso y agua líquida a 0°C

ETAPAS DEL SECADO

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PREDICCIÓN DEL TIEMPO DE SECADO

a) Materiales con un periodo de velocidad decreciente donde la velocidad de
secado pasa por el origen dX
Rc 
dt
dX
Si Rc = cte   Rc
dt

Si Rc  cte  dX  Rc  X 
dt Xc

X X t t X X
t t Xc dX
 Rc X Xc X
c
1 dt 

t 0
dt 
Rc X X 0
dX
t t c

X0 X c Xc Xc
t   ln
Rc Rc X

Predicción del tiempo de secado

b) Materiales con mas de un periodo de velocidad decreciente

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PREDICCIÓN DEL TIEMPO DE SECADO

b) Materiales con mas de un periodo de velocidad decreciente, cuando X
esta en el primer periodo de velocidad decreciente

d ( X  X R1 )
 
Rc
 X  X R1 
dt X c  X R1

X 0  X c1 X c1  X R1 X c1  X R1
t  ln
Rc Rc X  X R1

Xo = humedad inicial (kg agua/kg ss)

Xc1= humedad critica primer periodo (kg agua/kg ss)
XR1= humedad residual primer periodo (kg agua/kg ss)
X= humedad antes de iniciar el segundo periodo de velocidad decreciente (kg agua/kg ss)

PREDICCIÓN DEL TIEMPO DE SECADO

Calculo del tiempo para X en el segundo periodo de velocidad decreciente

X 0  X c1 X c1  X r1 X c1  X r1 X c1  X r1 X c 2  X r 2 X  X r2
t  ln  * * ln c 2
Rc Rc X c 2  X r1 Rc Rc X  X r2

Xo = humedad inicial (kg agua/kg ss)

Xc1= humedad critica primer periodo (kg agua/kg ss)
XR1= humedad residual primer periodo (kg agua/kg ss)
Xc2= humedad critica segundo periodo (kg agua/kg ss)
XR2= humedad residual segundo periodo (kg agua/kg ss)
X= humedad en el segundo periodo de velocidad
decreciente (kg agua/kg ss)

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Perfiles de temperatura
durante los periodos de
velocidad constante y
decreciente

Relación de
temperaturas
durante el
secado en co-
corriente y
contracorriente

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Rc= Velocidad de secado constante

Usando balance de calor: Calor latente de evaporación = calor transferido por
convección
Lecho de partículas (espesor 2L) en las que esta circulando aire de secado por ambas
superficies h(Ta  Ts )
Rc 
h fg .L. s
Rc  Velocidad de secado [ kg H2O/kg ss. seg]
h Coeficiente de transmisión de calor[W/m2.K]
Ta  Temperatura del aire
Ts  Temp.superf del solido= temperatura de bulbo húmedo
h fg  Calor latente de vaporización en superf [J/kg H2O]
L Mitad del espesor total del solido [m]
s  Densidad del material [kg ss/m3]

Rc= Velocidad de secado constante

Cubos de lado L evaporando por todas las caras
L
6h(Ta  Ts )
Rc 
h fg .L. s

Paralelepipedo: Solido con sus lados a y 2a y espesor L :

L

2a
h(Ta  Ts )  3 2 
Rc   a
h fg .L. s  a L 

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Estimaciones de h

Para materiales sólidos en forma de lamina colocados en

bandejas o cintas transportadoras

h  14,305G 0,8
Flujo paralelo

h : W / m2 K 
G : kg / m seg 
2

h  413,5G 0,37
Flujo perpendicular 
h : W / m2 K 
G : kg / m seg 
2

SECADEROS INDUSTRIALES
Mecanismo de transferencia de calor
• Conducción
• Radiación
• Convección
• Dieléctrico- Microondas
Condiciones de operación
• Temperatura del aire de secado: baja, media o alta
• Presión: a presión atmosférica o bajo vacío
Características físicas del material
Líquidos – sólidos- semisólidos
Tiempos de residencia
Segundos, minutos, horas
Tipo de equipo
Continuo - discontinuo

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Secadero de bandejas

SECADERO DE LECHO FLUIDIZADO

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SECADERO DE DOBLE TAMBOR

SECADERO ROTATORIO

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SECADERO DE CINTA CON SISTEMA DE FLUJO

MIXTO CO-CORRIENTE Y CONTRACORRIENTE

SECADERO A VACÍO DE CINTA SIN FIN

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SECADERO SPRAY

ELEMENTOS DE UN SISTEMA DE ATOMIZACIÓN

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TIPOS DE ATOMIZADORES

• Centrífugos
• De cabeza difusora por presión
• Inyectores de fluido
Formas de alimentación al atomizador: solución,
pasta o suspensión

• Aplicaciones: café, huevos, leche, sopas,

alimentos infantiles

ESTIMACIÓN APROXIMADA DEL TIEMPO DE SECADO EN EL SPRAY

Partículas muy pequeñas, Re0
4( X o  X c )  L h fg r 2 h fg  s rc2
t  *(Xc  X )
3k f (1  X 0 )(Ta  Ts ) 3k f Tm
L  Densidad del liquido

s  Densidad del producto

r Radio inicial de la gota

rc  Radio de la gota seca

h fg  Calor latente de vaporización en la superficie
kf  Conductividad térmica del aire saturado a la temperatura Ts

Ta  Temperatura del aire

Ts  Temperatura de bulbo húmedo

X c  Critica
Tm Diferencia media logarítmica entre la depresión de la temperatura
de bulbo húmedo y la diferencia entre las temperaturas del aire
que sale y el producto
Toledo. Fundamentals of Food Process Engineering

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e
(Taire  Tbhe )  (Taire
s
 Tprod
s
)
Tm  e
(Taire  Tbhe )
ln s
(Taire  Tprod
s
)

Tamaño de la gota en función de la velocidad

periférica de un atomizador centrífugo

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Tamaño de la gota en función de la presión de

un atomizador neumático

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