TNEL DE SECADOLaboratorio de procesos biolgicos. Prctica 4

Susana Mesa Vanegas, Jonathan Patio Alzate, Karent Carrero Contreras, Valeria Meja R, Oscar Trujillo CrdenasIngeniera biolgica, Facultad de ciencias, Universidad Nacional de Colombia Sede Medellnsmesav@unal.edu.co-jpatinoa@unal.edu.co-kacarreroc@unal.edu.co-vmejiar@unal.edu.co-odtrujilloc@unal.edu.co

Abril 13 de 2015__________________________________________________________________________________________________Resumen En operaciones unitarias, se conoce como secado al proceso de eliminar humedad por evaporacin en una corriente gaseosa. Haciendo uso de un tnel de secado, operado a 45 C durante 135 minutos, se retir la humedad a un trozo semicircular de 41.8cm2 (rea superficial) de manzana Granny Smith, teniendo en cuenta los parmetros ambientales, as como del aire dentro del equipo y la geometra de la muestra a secar. A partir de los datos experimentales obtenidos se calcul la rapidez y el tiempo de secado de la manzana y se trazaron las curvas tpicas del proceso, humedad vs tiempo y rapidez de secado vs humedad. De los resultados alcanzados fue posible identificar grficamente las diferentes etapas de una operacin de secado y usando las correlaciones para transferencia de masa y calor en conjunto se lograron obtener los valores tericos para la rapidez y el tiempo de secado. Finalmente concluimos que la manzana posea un 87% agua y que para retirar el 99.8% de esta usando el tnel de secado del laboratorio son necesarios aproximadamente 114 minutosPalabras Clave: Humedad, secado, transferencia de calor, transferencia de masa.1. IntroduccinLa eliminacin de la humedad en una sustancia es la definicin ms global de secado, sin embargo es necesario restringir su significado, encaminndolo al inters de los procesos industriales mediados por operaciones unitarias. En este mbito no se tienen en cuenta procesos de centrifugacin o exprimido que se consideran como secado mecnico, para nuestro objetivo de estudio limitamos la operacin de secado a la eliminacin de humedad de slidos y lquidos por evaporacin en una corriente gaseosa. Por lo general la humedad es con mucha frecuencia agua y el gas de secado es con tanta frecuencia aire que esta combinacin ha sido ampliamente estudiada y ya se tiene buen conocimiento del fenmeno y bases analticas para su modelado [1]. Las operaciones de secado pueden clasificarse en dos grandes grupos, lotes o continuas. En nuestro caso tenemos un proceso de secado continuo en el cual la sustancia que se va a secar, como el gas de secado pasan continuamente a travs del equipo. Para la caracterizacin de la operacin del secado, son frecuentes los siguientes tipos de graficas: Grafica 1. Humedad del material vs Tiempo.Grafica 2. Rapidez de secado vs HumedadEn las grficas anteriores los segmentos de las curvas representan las fases del proceso de secado: AB - Periodo de ajuste inicial, BC - Periodo de rapidez cte, CD - Periodo de rapidez decreciente, DE - Secado hasta humedad de equilibrio. El proceso de secado por aire caliente de productos vegetales es una de las operaciones unitarias ms usadas en la industria alimentaria. En este ocurre conjuntamente transferencia de calor y masa a travs de la membrana plasmtica celular, acompaada de un cambio de fase. Adems al retirar el agua de los alimentos, se disminuye el potencial desarrollo de microorganismos y de reacciones qumicas indeseadas prolongando la vida til de los productos[2].Para el desarrollo de la prctica se decidi usar una manzana Granny Smith, dado que en esta fruta tericamente el mayor componente es el agua (85% Base hmeda) seguido de carbohidratos (12%) protenas (0,3%) y micronutrientes como vitaminas, minerales y enzimas, entre otros. La tecnologa de secado es responsable de los procesos de deshidratacin para la conservacin, pero hay que tener en cuenta la geometra del producto y el tipo de secador. Los mtodos ms aplicados en los procesos de secado son, convectivo, convectivo microondas, vaco y liofilizacin [3]. El secado convectivo transmite el calor necesario para la evaporacin del agua y transporta el vapor de agua que se elimina del alimento [4]; la tecnologa convectivo-microondas utiliza las propiedades dielctricas del agua, proporcionando una ventaja que distingue este mtodo de los otros convencionales; la liofilizacin busca alcanzar valores de 5% de humedad o menores, disminuyendo las prdidas de los componentes voltiles y termo sensibles; el secado al vaco es un sistema adecuado para materiales sensibles al calor y a la oxidacin, como es el caso de las frutas y vegetales [5].En esta prctica, el objetivo fue obtener las curvas de secado de una muestra de manzana usando un tnel de secado continuo a temperatura, flujo de aire y humedad constante. Construir las graficas del proceso: humedad vs tiempo, rapidez de secado vs humedad adems, obtener los valores para la rapidez y el tiempo de secado a partir de las correlaciones con las ecuaciones de transferencia de masa y calor.2. Materiales y mtodos2.1. Obtencin de la curva de secadoPara la elaboracin de la curva de proceso se utiliz el tnel de secado del laboratorio de operaciones unitarias de la facultad de Minas cuya cmara de secado mide 25x30 cm y dispone de una ventana de acrlico para el ingreso y retirado de material. Se dispuso de una muestra semicircular de manzana Granny Smith de 3.5cm de radio y un espesor de 0.3cm, la muestra fue pesada en balanza electrnica teniendo un peso inicial de 3.8 gramos, luego fue llevada al tnel de secado a unas condiciones iniciales de temperatura del aire de 45C aproximadamente, humedad relativa del aire entre 21-23%, y velocidad del flujo de aire de 1.59 m/s. Para la recoleccin de los datos de contenido de humedad se retir la muestra a intervalos predeterminados de tiempo, 3 minutos durante la primera etapa, 5 minutos para la segunda y luego a intervalos de 7, 9,10 minutos en las etapas finales del secado y se pes en balanza. Este procedimiento se llev a cabo durante 135 minutos. La muestra se termin se secar en estufa por 24 horas a 60C. Con los datos obtenidos se realizaron las grficas objetivo del laboratorio.

3. ResultadosLas condiciones de proceso y caractersticas de la muestra secada en el laboratorio son enunciadas a continuacin.Humedad relativa67,5%

Presin atmosfrica 640 mm Hg

Temperatura ambiente24 C

Tabla 1. Condiciones del laboratorio

Velocidad 1,59 m/s

Temperatura promedio44,95C

Humedad relativa21-23%

Tabla 2. Condiciones del aire en el equipo de secado

Dimetro 7 cm

Espesor 0,3 cm

rea de transferencia 41,8 cm

Peso seco 0,4922 g

Conductividad0.49 W/m*K [6]

Longitud caracterstica0,035 m

Tabla 3. Caractersticas de la muestra

Humedad y rapidez de secado

Para cada dato experimental se hall la humedad en base seca (Ecn.1) y la rapidez de secado (Ecn.2) graficando con estos resultados las curvas caractersticas del proceso (Grficas 3 y 4)W = Peso de la muestra en el tiempoSs=Peso seco de la muestra

A = rea superficial de la muestra

Grafica 3. Humedad (X) vs Tiempo (t)

Grafica 4. Rapidez de secado (N) vs Humedad (X) Figura 1. A. Muestra hmeda. B. Muestra seca Tiempo de secado experimentalSe calcul resolviendo la ecuacin aproximada del comportamiento de la humedad en el tiempo (y = 0,0005x2 - 0,1177x + 6,4224) para y = 0, es decir, cuando no hay humedad en la muestra.

Rapidez de secado tericaEl valor se obtuvo aplicando la ecuacin 3, donde NT, es la rapidez de secado terica, s es el calor latente de vaporizacin del agua, q es el flux de calor total, es el flux de calor por conduccin, flux de calor por conveccin y flux de calor por radiacin.

Suponiendo que la transferencia de calor solo ocurre por conveccin y conduccin pues en comparacin con la transferencia por radiacin sus valores son considerablemente mayores, NT se puede escribir como:

Dnde: Ucoeficiente global de transferenciaKmConductividad de la muestra

Tbstemperatura del airehCoeficiente de transferencia de calor por conveccin

Tstemperatura de la superficieEspesor de la muestra

Area superficiallLongitud caracterstica

KaConductividad del aire

Evaluando h usando la definicin del nmero de Nusselt.

Para determinar las propiedades del aire que se van a utilizar se debe calcular la temperatura de la pelcula:

Como no conocemos la temperatura en la superficie de la manzana y el objetivo de la prctica es comprender el proceso mas no obtener resultados exactos, supusimos un valor razonable (Ts=30C), menor a la temperatura promedio del aire en el tnel. As Tf = 310,47 K.Propiedades del aire a 300 K [6]

Densidad ()1,1614 Kg/m3

Viscosidad ()0,0000184 N*s/m2

Conductividad(K)0,0263 W/m*K

Numero de Prandtl (Pr)0,707

Calor latente de evaporacin s2260000 J/Kg

La geometra de la muestra es una placa plana, y ya que el Re es turbulento se puede usar la siguiente correlacin para el nmero de Nusselt:

Finalmente se puede despejar NT Tiempo de secado experimental

De la ecuacin (2) se puede despejar el tiempo de secado de la siguiente manera:

Y suponiendo constante la rapidez de secado

Datos evaluados

Tiempo experimental Tiempo terico Rapidez experimental Rapidez terica

149,46 min3,77E-03 Kg/min*m2

5,39E-3 Kg/min*m2

Tabla 4. Valores de rapidez y tiempo de secado tericos y experimentales.

4. DiscusinAl finalizar la practica el 87,05% del peso inicial de la muestra fue eliminado, para fines prcticos supusimos que todo ese peso era agua, lo cual no es cierto pues una manzana contiene adems otras sustancias voltiles. Se pudieron reconocer las 4 etapas caractersticas del proceso delimitadas en la grfica 3 por lneas negras verticales. Entre los primeros dos puntos hubo la mayor prdida de humedad concordando este comportamiento con la etapa de ajuste inicial, luego comienza la fase de rapidez constante, el cambio debido a la pelcula de agua continua presente sobre la superficie del material que se evapora fcilmente, hasta el minuto 50,66 donde la pendiente disminuye pues la rapidez empieza a depender de la diferencia de concentraciones del agua entre el interior de la muestra y su superficie. La ecuacin cuadrtica usada para encontrar el tiempo experimental tiene dos posibles soluciones, se descart una de ellas pues el valor del tiempo que arrojaba no era coherente con la condicin de humedad cero establecida. El error entre el tiempo de secado experimental y terico fue de 1,95%, pequeo considerando las posibles fuentes de error: 1. Para pesar la muestra, esta deba retirarse de la cmara de secado, teniendo por un momento contacto con aire a una diferente humedad relativa y temperatura. 2. La temperatura superficial de la muestra se supuso basados en argumentos subjetivos, pues las dos condiciones colocadas dejan un rango demasiado amplio para el valor. 3. Posiblemente el rea superficial de transferencia es menor que la calculada pues la rodaja de manzana estuvo todo el tiempo sobre una malla de metal no muy delgado y adems para el modelo se tom su forma como un semicrculo perfecto, consideracin inexacta, adems se dej la cascara a la manzana como se aprecia en la Figura 1 lo que tambin limita la transferencia en el borde cubierto por esta.La rapidez terica fue mayor que la experimental, diferencia que puede ser causada por inexactitudes en los datos utilizados en el modelo y adems porque, a medida que la manzana pierde agua, se contrae y se forma una costra en la superficie, lo que disminuye la rapidez de evaporacin.

5. Conclusiones

Como se observa en la grfica 3, la humedad en base seca de la muestra de manzana disminuye conforme avanza el tiempo de secado. Esto evidencia que efectivamente el contacto directo del aire caliente con el slido arrastra la humedad contenida en este. El secado de la muestra de manzana presentado sigue el comportamiento esperado. Esto se evidencia en las curva presentada en la grfica 3, donde se pueden diferenciar claramente las fases del proceso, tal y como se describen en la teora. El mecanismo del proceso de secado depende en gran parte de la conformacin interna del slido y la forma en la cual este se une al agua. En nuestro caso, la manzana es un slido bastante poroso y en el cual el agua no se encuentra fuertemente ligada al contenido fibroso de la misma por lo cual el secado se llev a cabo de forma rpida, pues para el aire caliente no fue difcil sacar el agua del interior de la estructura de la fruta.

6. Bibliografa[1]R. E. Treybal, Operaciones de transferencia de masa, 2nd ed. Mexico DF, 1980, p. 862.[2]L. Puente, S. Lastreto, J. Saavedra, and A. Cordova, Manzana Granny Smith Influence of Osmotic Pretreatment on the Hot Air Drying of Granny Smith Apple, pp. 274283, 2010.[3]M. Henr, S. Almonacid, M. Lutz, R. Simpson, and M. Valdenegro, Comparison of three drying processes to obtain an apple peel food ingredient n de tres procesos de secado para obtener un ingrediente alimentario de ca scara de Comparacio manzana, vol. 11, no. 2, pp. 127135, 2013.[4]P. Fito, A. Andrs, J. Bart, and A. Abors, Introduccion al secado de alimentos por aire caliente. 2001.[5]S. Y. Valencia, L. F. Rodrguez, and G. a. Giraldo, Cintica de la deshidratacin y control de la oxidacin en manzana Granny smith , mediante la aplicacin de diferentes mtodos de secado, Rev. Tumbaga, vol. 6, pp. 716, 2011.[6]F. P. Incropera and R. Cruz, Fundamentos de transferencia de calor. 1999, p. 176.