2.2.1.- Contenido de humedad de equilibrio 16

Capitulo I
Generalidades
1.1.- Título
Determinación de los parámetros en el secado de la lúcuma (Pouteria
obovata)
1.2.- Área del estudio
El presente estudio se inscribe en el área de tecnología de los
Alimentos procesos
1.3.- Antecedentes locales
Una revisión bibliográfica de los antecedentes locales se ha podido
determinar que existen trabajos similares , aplicados a diferentes
materias primas, de las cuales se mencionan , las siguientes:
-1-
Dentro de los antecedentes locales se puede mencionar que existen
trabajos similares al respecto y que a continuación se describen:
Estudio de Pre factibilidad para la Instalación de una Planta Industrial
de Harina y Almidón a partir de Manihot Esculenta (Yuca), de
Choque Flores Rosell y De LA Cruz Castillon, Evaristo.
Estudio de Investigación Recuperación del Almidón y Proteínas
existentes en la Harinilla de Trigo, de Baldeón Ramos, Ronald y
Enriquez Bendezú Mirtha.
1.4.-Fundamentación del estudio
1.4.1.- Definición del problema
Dentro de los productos agrícolas que tienen un potencial de
industrialización alto, se encuentra la Lúcuma (Pouteria macrophylla ,
especialmente para la elaboración de cierto tipo de harina que es
utilizada como saborizante en la industria del helado.
El fruto tiene una alta perecebilidad y tiende a descomponerse
rápidamente, aun en las mejores condiciones después de madurarse,
además tiene una piel muy suave lo cual la hace muy vulnerable a los
esfuerzos mecánicos que se producen durante el manipuleo y
transporte, desde la cosecha al consumidor
Teniendo en consideración los aspectos antes vertidos, se formula el
siguiente problema metodológico:
-2-
¿En que medida se determina los parámetros en el secado de la
lúcuma (Pouteria obovata)
1.4.2.- Objetivos
1.4.2.1.- Objetivo General
Determinar
los parámetros, de secado de la lúcuma
(Pouteria obovata)
1.4.2.2.- Objetivos Específicos
Determinar sus propiedades fìsico-químicas de la lucuma
Determinar la calidad del producto obtenido.
Establecer la Curva de secado de la lucuma.
Determinar la variación de la humedad con el tiempo
1.5.- Hipótesis
Se plantea la siguiente hipótesis
Es posible la determinación de los parámetros, para el secado
de la lúcuma (Pouteria obovata)
-3-
1.6.- Productos del proyecto
Como resultado del presente estudio se habrá logrado:
Un proceso tecnológico para la determinación de los parámetros de
la lúcuma (Pouteria obovata),
De los resultados de este proyecto tendrían inmediata aplicación en
al construcción, operación de un equipo experimental, el que sería
muy útil en investigaciones similares.
1.7.- Metodología
1.7.1.- Variables
Las variables independientes son: tamaño de partícula, , tiempo de
contacto, Humedad
La variable dependiente: lúcuma
-4-
Capitulo II
Marco Teórico
2.1.- Estudio de la materia Prima
2.1.1.- La Lúcuma
Es un cultivo que mayormente se produce en los valles interandinos,
libres de heladas, de Perú y Ecuador.
El árbol de donde se extrae el fruto alcanza de 15 a 20 m de altura.
Por su naturaleza de fruto, se adapta climas subtropicales con
temperaturas bajas, pero mayores que 20° C, tolera suelos y
períodos secos.
Se le emplea en estado seco como saborizante de alimento y no es
dañino. También se emplea como
pulpa de fruta fresca y en la
preparación de helados, jugos, tortas y dulces.
-5-
2.1.1.1.- Descripción botánica
Denominación Botánica:
Lúcuma obuvata H:B:K
Familia
:
Sapotaceas
Genero
:
Lúcuma
El árbol de donde se extrae el fruto alcanza de 15 a 20 m. de altura,
con diámetro de copa de 6 a 10 m. La copa presenta abundantes
ramas, cuyos brotes tiernos tienen pubescencia color marrón claro a
marrón oscuro. Hojas alternas, lanceadas u oblongas, elípticas u
abovadas, con bordes ondulados en algunos cultivares, hasta 25 cm.
de largo y 10 cm. de ancho, ápice obtuso o subagudo.
Hojas jóvenes color verde claro o rosado y muy pubescentes; hoja
adulta verde oscuro brillante y glabra. Flores hermafroditas,
pequeñas, verdes o marrón claro poco vistosas, nacen en la axila de
la hoja en grupos pequeños.
El fruto es una baya esférica, cónica o comprimida basalmente, con
exocarpio o cáscara delgada de color verde o amarillo bronceado,
generalmente en la parte apical, rodeada de una coloración bruno
plateada. El mesocarpio es de sabor y aroma muy agradable, color
amarillo intenso, textura harinosa, de consistencia suave en el cultivar
“lúcuma seda” y dura en el cultivar “lúcuma palo”. El endocarpio
hollejo que envuelve a la semilla es delgado y amarillo claro.
El tamaño del fruto varía de 2 a 10 cm. de diámetro, siendo los
tamaños mayores en las plantas de cultivares mejorados.
2.1.1.2.- Ecología y adaptación
Se encuentra silvestre en los valles interandinos con precipitación
pluvial ente 1,000 a 1,800 mm/año, temperaturas medias de 20 a 22°
C, pero sin riesgo de heladas. Se adapta bien a condiciones
-6-
desérticas de la costa del Pacífico, pero con riego. No se ha probado
su adaptación a climas de altas temperaturas y precitaciones
pluviales, como los existentes en la Amazonía, donde prospera mejor
la Lúcuma (Pouteria macrophylla).
2.1.1.3.- La planta y su cultivo
Métodos de propagación :
La propagación se hace por semilla y por injerto. La semilla debe ser
sembrada después de quitarle la cáscara. La germinación empieza
entre los 25 y 40 días máximo 90 días, no siendo uniforme, debido al
diferente grado de maduración de semillas.
Es recomendable efectuar la siembra en bolsas con substrato,
porque el prendimiento de las plantas trasplantadas a raíz desnuda
es muy bajo. El injerto puede hacerse con las plantas en las bolsas,
a los ocho meses de la siembra o en campo definitivo, cuando las
plantas tengan el grosor de un lápiz. En este último caso se
trasplantan en julio y se injerta en septiembre. El injerto utilizado es el
terminal simple o el terminal simple o el terminal de doble lengüeta.
Rendimiento :
La siembra en campo definitivo se efectúa a distancia que varían a 5
a 6 m. entre surcos y 4 a 5 m entre plantas. Un distanciamiento
aconsejable sería el de 5 por m. el de 6 m. entre surcos por 4 m.
entre plantas. Cuando se transplantan plantas injertadas, el injerto
debe tener por lo menos 10 cm. y seis hojas desarrolladas.
La lúcuma normalmente desarrolla la copa equilibrada, pero es
necesario darle podas de formación para lograr plantaciones
uniformes. En el primer año se debe cortar el tallo principal a un
metro del suelo, para promover la formación de brotes laterales, de
los que se debe escoger tres a cuatro a diferente altura, para formar
la base de la copa. En el segundo año se cortan las ramas primarias
a 30 a 40 cm. de su base, para abrir la copa y lograr un conjunto
-7-
armonioso. Se debe eliminar los brotes que se encuentran en el
interior de la planta, así como los chupones o mamones que crecen
desde la base de la planta. A partir del tercer año las podas son
solamente de limpieza.
La producción se inicia al cuarto año en plantas injertadas y al quinto
o sexto año en plantas francas. La producción máxima se alcanza al
décimo año, pudiendo llegar hasta 300 frutos por árbol, con 1540 a
200 g por fruto.
La producción de fruta en una plantación a 6 por 5 m. puede ser
estimada como sigue :
Año
T/ha
Año
t/año
1
-
6
5.0
2
-
7
8.0
3
-
8
12.0
4
1.0
9
16.0
5
2.5
10
18.0
2.1.1.4.- Principales plagas y enfermedades
a) Control
Las principales plagas que afectan al cultivo de la lúcuma son la
mosca de la fruta, el gusano peludo, la queresa hemisférica y la
mosca blanca. La mosca de la fruta (anastrepa serpentina), oviposita
en los frutos cuando éstos se acercan a la maduración y sus lavas
causan pudrición. Se controla mediante cebos a base de insecticida
y de una sustancia atrayente (proteína hidrolizada). El gusano u
-8-
oruga peluda (Clutomulus spp), cubierto por pelos grises, con
mechones negros en la parte anterior del cuarpo, devora las hojas de
la planta. Tiene
un controlador
biológico, la mosca parásita
Achaeroneura spp. La queresa hemisférica (Sassetla coffeae)
localiza su ataque en las nervaduras centrales de la hoja; cuando
recién se presenta se controla con aplicaciones de desmanche con
productos fosforados, pero cuando se ha extendido se debe aplicar
aceite agrícola. La mosca blanca (Aleutothrixus spp) se localiza en la
parte inferior de la hoja; la secreción de miel por el insecto atrae a
las hormigas y favorece la formación del hongo de la fumagina. Se
controla con desmanches a base de productos fosforados.
Entre las enfermedades, la única de importancia en las zonas donde
no llueve es el oidium ( Oidium spp.) en que ataca principalmente las
hojas tiernas, formando manchas blanquecinas y pulverulentas en
ambos lados de la hoja. Se controla con fungicidas a partir de azufre
o productos orgánicos.
b) Tecnología de cosecha u post- cosecha :
La fruta está lista para cosecharse cuando la cáscara presenta un
ligero color amarillo verdoso, ocurriendo ocho a nueve meses
después de la floración. En este caso la fruta puede ser transportada
a cortas distancias y debe ser comercializada en unos pocos días.
Sin embargo, no todas las frutas muestran el cambio de color,
algunas solamente disminuyen la dureza del epicarpio cuando
maduran. Si la fruta se cosecha antes de tiempo, no llega a madurar,
se arruga y toma un sabor desagradable.
No se tiene prácticas especiales de post- cosecha, no obstante, de
manera general se sugiere mantener la fruta cosechada en la sombra
(para evitar la formación de manchas y escaldaduras en la cáscara),
-9-
utilizar embalajes de 6 a 8 kg. Como máximo y forrar los embalajes
de madera con papel periódico, para evitar daños en la cáscara.
2.1.1.5.- Perspectivas del Mejoramiento Genético.
La diversidad genética es muy apreciable, existiendo dos tipos :
“lúcuma seda” y “lúcuma palo”, correspondiendo a la menor o
mayor dureza del mesocarpio o pulpa de la fruta madura. También
existe diversidad por tamaño y forma de la fruta, color de la cáscara
(de verde a verde amarillento) y de la pulpa (de amarillo claro a
amarillo intenso) y aroma de la fruta.
La Universidad Nacional Agraria “La molina” y el INIA “Molina”,
tienen selecciones de cultivares mejorados por precocidad y
características de pulpa.
Asimismo , los viveristas de la costa peruana tienen identificadas
plantas de características agronómicas favorables. Sin embargo,
este germoplasma no es mantenido ni evaluado de manera
sistemática.
2.1.1.6.- Composición química del valor nutricional
El siguiente cuadro muestra la participación porcentual de las
diferentes partes del fruto en variedades sembradas en la costa
peruana.
- 10 -
Cuadro N °.1
Composición porcentual del fruto de lúcuma
Componente
%
Pulpa
69 a 82
Cáscara
7 a 15
Hollejo
2a3
Semilla
8 a 14
Fuente: Oscar Malca; Miriam Ugarte y Zaragoza Ramos
Kathy. “Seminario de Agronegocios” Lúcuma. U. Del
Pacífico. Facultad de Administración. Lima. 2000. pp. 10
- 11 -
Cuadro Nº 2
Composición química de la lúcuma en 100 gr. de fruta
COMPÒSICIÒN
VALOR
Energía (Kcal)
99
Agua (gr)
72.3
Proteínas (gr)
1.5
Grasa (gr)
0.5
Carbohidratos (gr)
25
Fibra (gr)
1.3
Ceniza (gr)
0.7
Calcio (mg)
16
Fósforo (mg)
26
Hierro (mg)
0.4
Retinol (ug)
355
Tiamina (mg)
0.01
Riboflavina (mg)
0.14
Niacina (mg)
19.6
Ac. Ascòrborico (mg)
2.2
Fuente: www.alimentacion.org.ar
- 12 -
2.2.- El Secado
La operación de secado es una operación de transferencia de masa de
contacto gas- sólido, donde la humedad contenida en el sólido se
transfiere por evaporación hacia la fase gaseosa, en base a la diferencia
entre la presión de vapor ejercida por el sólido húmedo y la presión parcial
de vapor de la corriente gaseosa. Cuando estas dos presiones se igualan,
se dice que el sólido y el gas están en equilibrio y el proceso de secado
cesa.
El estudio del secado es de trascendental importancia en Ingeniería
Química, debido a que es una operación unitaria básica, para el manejo
de productos sólidos. Entre las operaciones unitarias, el secado, en su
forma más primitiva es la primera de todas, pues el hombre desde que fue
nómada, secó frutos utilizando la energía solar, no obstante, formas más
elaboradas del secado han surgido. Aún así, el secado por energía solar,
es una forma alternativa, utilizada en procesos de gran volumen y poca
velocidad como el secado de granos, sobre todo de café.
En términos generales, el término secado se refiere a la eliminación de
líquidos, en cantidades grandes, de un material sólido, por medio de
vapor arrastrado por un gas. El líquido a remover, es generalmente agua,
no obstante hay otros.
Existen procesos químicos industriales importantes en los cuales
conviene el secado, entre otros, está el secado de la sal, la cual es
pasada, una vez cristalizada por un túnel de aire, para eliminar el exceso
- 13 -
de humedad en la misma, también se puede mencionar el secado del
carbón, de productos alimenticios, de arena, entre otros.
Es usual el uso del secado como medio de preservación de
materiales biológicos, en ocasiones, se llega hasta el límite de
deshidratación, para disminuir la actividad bacteriana o microbiológica en
general. Esto se debe, a que la actividad microbiológica cesa a niveles de
humedad menores del 10%.
De acuerdo con el tipo de proceso de secado, se puede separar el
proceso, en proceso continuo y proceso batch. En general, se comprende
por secado continuo, el secado en procesos en los que no hay
acumulación de sólidos en un recipiente cerrado. Obviamente, el proceso
batch, es el proceso en el cual se alimenta un secador y se termina la
operación en el momento en que se extrae todo el material alimentado.
De acuerdo con las condiciones en que se realiza el secado, pueden
mencionarse los secadores en los cuales el calor se añade directamente
a los materiales, por medio de aire caliente y a presión atmosférica. Otro
método de secado consiste el secado al vacío, en el cual se trabajan
materiales termolábiles. Finalmente está el secado en la liofilización, el
agua se sublima directamente del material congelado.
Se entiende que es seguro un nivel de humedad por debajo del cual
se reduce la actividad respiratoria de los granos y se dificulta el ataque de
insectos y hongos. Dicho nivel varia con los distintos tipos de granos,
pero, para las condiciones brasileñas y los granos más comunes, abarca
una gama entre 10 y 14% de humedad expresada sobre base húmeda.
Se han secado productos agrícolas desde los albores de la
civilización. Al comienzo no habia preocupación por el almacenamiento, y
- 14 -
la disminución de la humedad se producía en el campo mismo. Era un
"secado" que se realizaba en las condiciones naturales del ambiente,
dictadas principalmente por la energía solar incidente y el movimiento del
aire, es decir
por el viento. Más adelante se intentó controlar
parcialmente las condiciones del secado, y éste pasó a realizarse en
hornos especiales o en recintos calentados. Recién entre la Primera y
Segunda
Guerras
Mundiales
se
construyeron
diversas
unidades
experimentales de secado. En aquella época sólo funcionaban algunas
unidades comerciales, las que se destinaban, fundamentalmente, a la
deshidratación de frutas, verduras, heno y al secado de semillas de maíz.
Después de la Segunda Guerra Mundial se hicieron comunes las
grandes unidades de secado de granos comerciales, y en las haciendas
se empezó a secar grandes cantidades de ellos.
Este aumento en la demanda de secado fue consecuencia del
desarrollo de los métodos mecánicos de cosecha. En América Latina, una
parte importante de la producción de granos se seca todavía en forma
primitiva, es decir, se seca en el campo durante largos períodos. El uso
de esta técnica acarrea elevadas pérdidas de producción, puesto que los
granos quedan expuestos, durante lapsos prolongados, a condiciones
adversas y a la acción de depredadores.
Hay consenso, entre los técnicos del sector almacenados de que el
secado de granos a bajas temperaturas presenta buenas perspectivas de
aplicación en el país, principalmente ante la necesidad de ampliar la
capacidad de almacenamiento de las haciendas, para lo cual esta
tecnología reviste especial interés económico.
El secado a bajas temperaturas viene atrayendo, además, al sector
productor de semillas, puesto que con tal sistema se puede mantener la
calidad del producto cosechado mejor que con el uso de secadores que
funcionan a temperaturas elevadas.
- 15 -
Se espera que este trabajo sirva a los profesionales que se
dedican a este campo de la ingeniería agrícola y llene el vació que
significa la dificultad de encontrar literatura nacional sobre el tema.
Al llegar a la madurez fisiológica, los productos agrícolas y en
especial los granos, presentan en la mayoría de los casos, un contenido
máximo de materia seca. Seria recomendable cosechar los granos en ese
punto de desarrollo, desde el punto de vista del rendimiento máximo de la
producción. No obstante, varios factores limitan esa posibilidad,
destacándose entre ellos el contenido de humedad de los granos.
Al comienzo de la etapa de madurez fisiológica, los granos
presentan, además del contenido máximo de materia seca, un elevado
porcentaje de agua. Esta condición acarrea algunas dificultades, pues los
granos no resisten los procedimientos mecánicos de recolección y demás
operaciones de tratamiento. Es preciso esperar, entonces, que la cosecha
se realice "tan pronto" como los granos lo soporten. Esta técnica ofrece
algunas ventajas, como son: un mayor porcentaje de materia seca (como
ya se mencionó), menor contaminación del producto en el campo, menor
pérdida por ataque de depredadores, mayor porcentaje de germinación y
vigor y otras.
El mayor inconveniente de la cosecha de productos húmedos es la
necesidad de reducir su contenido de humedad a niveles seguros para su
almacenamiento, siendo un proceso que exige un gran consumo de
energía. En general el secado artificial de granos es una técnica poco
difundida en América Latina. En las regiones en que se la conoce,
normalmente está mal utilizada. En consecuencia, hay elevadas pérdidas
de granos en esos países.
- 16 -
2.2.1.- Contenido de humedad de equilibrio
Al igual que todo proceso de transferencia, el motor principal de la
transferencia es un gradiente.
Por ejemplo, en la transferencia de
momentum, el gradiente era de presión (o altura, que induce una presión),
para la transferencia de calor, era un gradiente térmico, en este caso, es
un gradiente de concentración, más específicamente para secado de
concentración de líquido en la corriente de vapor y el sólido, que se
entiende como humedad.
Cuando se coloca en un secador un sólido, debido a la gran
cantidad de aire que se hace fluir, a pesar que el aire se humedece, su
variación de humedad no es considerable, por ende se considera como
una humedad constante. El comportamiento de la humedad de un sólido
con respecto del tiempo es decreciente asintótico, este valor límite al cual
tiende la humedad luego de un tiempo suficientemente largo, supuesto
infinito, se considera como su humedad al equilibrio, que es el contenido
de humedad mínimo para una humedad de aire determinada. Este valor
se expresa en lb de H2O por lb de sólido seco, o bien Kg.
Este tipo de datos suele estar tabulado en manuales específicos
para cada material, no obstante, para materiales biológicos, estos datos
suelen tomarse experimentalmente, lo cual no supone una técnica en
exceso complicada, sino todo lo contrario, intuitiva.
A toda humedad que sobrepase la humedad en equilibrio, se le
considera la humedad libre, que es la que obviamente puede ser
removida aún del sólido. Nótese que esta temperatura de equilibrio,
depende únicamente o casi solo de las propiedades del gas, es decir,
humedad relativa, temperaturas de bulbo húmedo y seco, entalpía, etc.
- 17 -
2.2.2.- Formas de enlace de la humedad con el material.
El mecanismo del proceso de secado depende considerablemente de
la forma de enlace de la humedad con el material: cuanto más sólido
es dicho enlace, tanto más difícil transcurre el secado. Durante el
secado el enlace de la humedad con el material se altera.
Las formas de enlace de la humedad con el material se clasifican en:
químico, físico-químico y físico- mecánico (Kasatkin, 1985).
La humedad ligada químicamente es la que se une con mayor solidez
al material en determinadas proporciones (estequiométricas) y puede
eliminarse sólo calentando el material hasta altas temperaturas o
como resultado de una reacción química. Esta humedad no puede ser
eliminada del material por secado.
Durante el secado se elimina, como regla, sólo la humedad enlazada
con el material en forma físico-química y mecánica. La más fácil de
eliminar resulta la enlazada mecánicamente que a su vez se subdivide
en: humedad de los macrocapilares y microcapilares ( capilares con el
radio medio mayor y menor de 10-5 cm). Los macrocapilares se llenan
de humedad durante el contacto directo de ésta con el material,
mientras que en los microcapilares la humedad penetra tanto por
contacto directo, como mediante la adsorción de la misma en el medio
ambiente. La humedad de los macrocapilares se elimina con facilidad
no sólo por secado, sino que también empleando métodos mecánicos.
El enlace físico-químico une dos tipos de humedad que difieren por la
solidez del enlace con el material: la humedad ligada osmóticamente y
por adsorción.
La primera llamada también humedad de hinchamiento, se encuentra
dentro de las células del material y se retiene por las fuerzas
osmóticas. La segunda se retiene sólidamente sobre la superficie y en
los poros del material. La humedad de adsorción requiere para su
eliminación un gas con una energía considerablemente mayor que la
utilizada para eliminar la humedad de hinchamiento. La existencia de
- 18 -
estos tipos de humedad especialmente se manifiesta en materiales
coloidales y poliméricos (Kasatkin, 1985).
2.2.3.- Definiciones fundamentales.
Contenido de humedad, base seca: x
Contenido de humedad, base húmeda:
2.2.4.- Humedad de equilibrio: x*, Humedad del sólido cuando su
presión de vapor se iguala a la presión de vapor del gas. Es decir,
humedad del sólido cuando está en equilibrio con el gas.
2.2.5.- Humedad libre: x- x*, Es la humedad del sólido; que es la
humedad que está en exceso con relación a la humedad de equilibrio.
Es ésta la humedad que se puede evaporar y depende de la
concentración de vapor en la corriente gaseosa.
Existen otras definiciones como humedad límite; que es la humedad
del sólido que ejerce una presión de vapor de equilibrio menos que
aquella que ejerce el líquido puro a la misma temperatura y la
humedad no límite que es la humedad del sólido que ejerce una
presión de vapor igual a la del líquido puro a la misma temperatura.
2.2.6.- Clasificación de la operación de secado.
Las operaciones de secado pueden clasificarse ampliamente según
que sean por lotes o continúas. Estos términos pueden aplicarse
específicamente desde el punto de vista de la sustancia que está
- 19 -
secando.
Así,
la
operación
denominada
secado
por
lotes,
generalmente es un proceso en semilotes, en donde una cierta
cantidad de sustancia que se va a secar se expone a una corriente de
aire que fluye continuamente, en la cual se evapora la humedad. En
las operaciones continuas, tanto la sustancia qué se va a secar, como
el gas pasan continuamente a través del equipo. Generalmente, no se
utilizan métodos normales por etapas; en todas las operaciones ocurre
el contacto continuo entre el gas y la sustancia que se seca. El equipo
que se utiliza para el secado se puede clasificar de acuerdo con el tipo
del equipo y por la naturaleza del proceso de secado .
La clasificación siguiente es útil para delinear las teorías de secado y
los métodos de diseño.
1. Método de operación, o sea, por lotes o continuo. El equipo por
lotes, o semilotes, se opera intermitente o cíclicamente en condiciones
‘de estado no estacionario: el secador se carga con la sustancia, que
permanece en el equipo hasta que se seca; entonces, el secador se
descarga y se vuelve a cargar con un nuevo lote. Los secadores
continuos generalmente se operan en estado estacionario.
2. Método de obtención del calor necesario para la evaporación
de la humedad. En los secadores directos, el calor se obtiene
completamente por contacto directo de la sustancia con el gas caliente
en el cual tiene lugar la evaporación. En los secadores indirectos, el
calor se obtiene independientemente del gas que se utiliza para
acarrear la humedad evaporada. Por ejemplo, el calor puede
obtenerse por conducción a través de una pared metálica en contacto
con la sustancia o, con menos frecuencia, por exposición de la
sustancia a radiación infrarroja o calentamiento dieléctrico. En este
ultimo caso, el
calor se genera dentro del sólido mediante un campo eléctrico de alta
frecuencia.
- 20 -
3. Naturaleza de la sustancia que se va a secar. La sustancia puede
ser un sólido rígido como madera o triplay, un material flexible como
tela o papel, un sólido granular, como una masa de cristales, una
pasta ligera o un lodo ligero, o una solución. Si es un sólido, puede ser
fragil o fuerte. La forma física de la sustancia y los diferentes métodos
de manejo necesarios tienen tal vez, la mayor influencia sobre el
secador que se va a utilizar.
. Un aparato típico, mostrado esquemática.
mente en la figura 1, consta de un gabinete que contiene platos
móviles sobre los cuales se coloca el sólido por secar. Una vez
cargado, el gabinete se cierra y se introduce aire calentado con vapor
a través y entre los platos, para evaporar la humedad (secado por
circulación cruzada). Se puede utilizar un gas inerte, aun calor
sobrecalentado [‘* W (que tiene la ventaja de una alta capacidad
calorífica) en lugar de aire si el líquido que se va a evaporar es
- 21 -
combustible o si el oxígeno puede estropear el sólido. Cuando el
sólido alcanza el grado de sequedad querido, el gabinete se abre y los
platos se reemplazan con un nuevo lote.
Los equipos utilizados para secar se pueden clasificar también de
acuerdo a cualquiera de estas categorías:
I. Métodos de operación: Continuos ó Discontinuos.
II. Métodos de propiciar el calor necesario para la evaporación de la
humedad: En secaderos directos e indirectos
III. Naturaleza de la sustancia a secar: Puede ser la sustancia un
sólido rígido como la madera, un material flexible como el papel o la
tela, un sólido granular tal como la masa de cristales, una pasta
espesa o delgada o una solución. Es probable que la forma física de la
sustancia y los distintos métodos de manipulación empleados, ejerzan
la influencia más grande en el tipo de secadero a utilizar.
2.2.7.- Tipos de secaderos.
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
- 22 -
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:
- 23 -
- 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,
- 24 -
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
- 25 -
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.
2.2.8.-Mecanismos y cinética de secado. Transferencia de
masa y calor.
Un elemento fundamental en el proceso de secado es el estudio de
la intensidad de la trasferencia de masa en el mismo. Para esto es
necesario conocer los elementos más útiles de la transferencia de
calor y masa que funcionen en los secaderos de contacto directo.
Según Madariaga (1995), esta depende de una serie de factores
que van desde condiciones internas a externas.
- 26 -
Las condiciones externas están definidas por la resistencia a la
transferencia de calor y de masa de la capa límite del gas, y en el
caso
que
predominen,
el
secado
no
dependerá
de
las
características del sólido sino de las condiciones del gas, y estará
controlado por la transferencia de masa y calor entre el gas y la
superficie del sólido, empleándose en la evaporación todo el calor
que se recibe del gas, la cual se comporta como una superficie
libre de agua.
Las condiciones internas están definidas, por la transferencia de
calor y de masa a través del sólido. En el caso que predominen, es
decir, que la resistencia a la transferencia de masa a través del
material sea muy superior a la de la capa límite del gas, la difusión
interna controlará el proceso y lo más importante será las
propiedades del sólido.
Cuando
se
seca
un
sólido
se
producen
dos
procesos
fundamentales y simultáneos:
- Transmisión del calor para evaporar el líquido.
- Transferencia de masa en humedad interna y líquido evaporado.
Independientemente del mecanismo de transmisión de calor el cual
puede
ser
por
conducción,
convección,
radiación
o
una
combinación de cualquiera de estos, el calor tiene que pasar
primero a la superficie exterior y desde esta al interior del sólido.
Excepto el secado por electricidad de alta frecuencia, que genera
el calor intercambiante, esto conduce a la circulación de calor
desde el interior hasta la superficie exterior (Menon and Mujundar,
1992) (Treybal, 1965) (Chemical. Eng. 1986). También se ha
reportado otro tipo de secado llamado secado por sublimación.
En el secado por convección el calor necesario para la evaporación
del líquido se transmite por un agente gaseoso o un vapor que
pasa por encima del sólido o lo atraviesa.
En el secado por conducción el producto que debe secarse se
encuentra en recipientes calentado o se desplaza por encima de
- 27 -
estos. El calor también se difunde en el sólido a través de la
conductividad del propio sólido (Chemical. Eng. 1980).
En el secado por radiación el calor se transmite por las superficies
radiantes próximas.
En el secado dieléctrico la energía es generada en el interior del
propio material mediante un campo electromagnético de alta
frecuencia en la zona de microondas (De La Peña Vilar ,1994).
También se reporta en la literatura el
secado por sublimación,
denominando así al secado en estado de congelación al vacío
profundo. Según el método de transmisión del calor este
procedimiento es análogo al secado por conducción pero debido a
sus peculiaridades el secado por sublimación se destaca como un
grupo especial (Kasatkin, 1985).
2.2.9.- -Movimiento de la humedad dentro del sólido.
Cuando se produce la evaporación superficial, debe haber un
movimiento de humedad desde las profundidades del sólido hacia
la superficie.
La naturaleza del movimiento influye en el secado en los períodos
de caída del régimen (Menon & Mujundar, 1992).
A continuación se explicarán brevemente algunas de las teorías
que se adelantaron para explicar el movimiento de la humedad y la
relación de ésta con las curvas de régimen.
1. Difusión líquida: Se puede producir la difusión
de la humedad
líquida debido a los gradientes de concentración entre las
profundidades del sólido, donde la concentración es alta y la
superficie donde ésta es baja (Treybal, 1965).
2. Movimiento capilar: La humedad no límite en sólidos granulares y
porosos tales como arcillas, pigmentos de pinturas y otros
semejantes, se traslada a través de capilares e intersticios de los
sólidos mediante un mecanismo que implica tensión superficial.
Los capilares se extienden desde pequeños receptáculos de
- 28 -
humedad dentro del sólido hasta la superficie de secado. A medida
que se lleva a cabo el secado, al principio la humedad se traslada
por capilaridad hacia la superficie con suficiente rapidez, siendo
constante el régimen de secado.
3. Difusión de vapor: Especialmente si se suministra calor a una
superficie de un sólido mientras en otra el secado continua, se
puede evaporar la humedad debajo de la superficie, difundiéndola
hacia afuera como vapor. También se puede evaporar debajo de la
superficie, las partículas de humedad existentes en sólidos
granulares en forma aislada de la porción mayor de humedad que
fluye a través de los capilares.
4. Presión: Durante el secado debido a la concentración de las
capas externas de un
sólido, se puede compeler la humedad
hacia la superficie. Usualmente solo podemos
conjeturar sobre
cual de los mecanismos es el apropiado para cada sólido en
particular, debiendo apoyarnos en el trabajo más o menos empírico
de los regímenes experimentales de secado.
2.2.10 .-Curvas fundamentales de secado.
La cinética de secado de un material no es mas que la
dependencia de la humedad del material y de la intensidad de
evaporación con el tiempo o variables relacionadas con este, como
la propia humedad o las dimensiones del equipo.
La intensidad de evaporación se determina a través de la velocidad
de secado, que es el cambio de humedad (base seca) en el
tiempo.
A partir de las curvas de cinética de secado (x vs t, dx/dt vs x), que
deben ser obtenidas a nivel de laboratorio, puede tenerse una idea
del tiempo de secado, del consumo de energía, del mecanismo de
migración de humedad, de las condiciones predominantes en la
transferencia de calor y masa y de la influencia que tienen en la
- 29 -
velocidad de secado las variables del proceso tales como:
temperatura, humedad de entrada, velocidad del aire, etc.
Por todo esto es que determinar las curvas de secado constituye
uno de los objetivos fundamentales de este trabajo.
Curvas de régimen de secado.
Se puede obtener abundante información si se convierten los datos
a regímenes de secado, expresados como N (lb de humedad
evaporada/ h· pie2), y se lleva a un gráfico en función del contenido
de humedad. Se puede hacer esto midiendo las pendientes a las
tangentes trazadas a la curva de humedad contra tiempo, o por
medio de la determinación en base a la curva, de pequeños
cambios x en el contenido de humedad para los correspondientes
cambios en el tiempo t y calculando el régimen de secado como:
N= -Ls· x/ A·t. Donde Ls es el peso del sólido seco y A es la
superficie húmeda sobre la que sopla el gas y a través de la cual
se lleva a cabo la evaporación en el caso del secado con
circulación cruzada de aire.
- 30 -
Figura 2. Curva de velocidad de secado vs humedad.
Generalmente se pueden apreciar dos partes notorias de la curva
de régimen de secado: un período de régimen constante y uno de
caída de régimen, aunque teóricamente existen o se
pueden
apreciar tres etapas del proceso o períodos de secado.
Etapa A-B: Es una etapa de calentamiento (o enfriamiento) inicial
del sólido normalmente de poca duración en la cual la evaporación
no es significativa por su intensidad ni por su cantidad. En esta
etapa el sólido se calienta desde la temperatura ambiente hasta
- 31 -
que se alcance el equilibrio entre el enfriamiento por evaporación y
la absorción de calor de los gases. Este equilibrio se alcanza a la
temperatura de bulbo húmedo del gas.
Etapa B-C: Es el llamado primer período de secado o período de
velocidad de secado constante; donde se evapora la humedad libre
o no ligada del material y predominan las condiciones externas. En
este período el sólido tiene un comportamiento no higroscópico. La
velocidad de secado se mantiene constante si el gas tiene un
estado estacionario y en general depende solo de las propiedades
y velocidad del mismo. Si durante el proceso, el gas se enfría, la
velocidad de secado decrece pero sigue en esta zona dependiendo
de factores externos al sólido. Durante este período la temperatura
del sólido se mantiene igual a la de bulbo húmedo del gas, ya que
se mantiene el equilibrio alcanzado al final de la etapa de
calentamiento.
Etapa C-E: Es el segundo período de secado o período de
velocidad de secado decreciente; donde se evapora la humedad
ligada del material y predominan las condiciones internas o las
características internas y externas simultáneamente. En estas
condiciones el sólido tiene un comportamiento higroscópico.
Durante el período, la temperatura del material sobrepasa la de
bulbo húmedo debido a que el descenso de la velocidad de secado
rompe el equilibrio térmico que mantiene estable la temperatura y
una parte considerable del calor se emplea en un calentamiento
del sólido. Ahora la humedad deberá ser extraída del interior del
material con el consiguiente incremento de la resistencia a la
evaporación.
Este período de velocidad decreciente puede dividirse
en dos
partes, con diferentes comportamientos de la velocidad de secado,
- 32 -
la cual decrece cada vez mas al diminuir la humedad del sólido.
Esto implica dos modelo de secado diferente en dicha zona.
Un parámetro muy importante a determinar en los materiales a
secar es la humedad a la cual se cambia del primero al segundo
período, llamada humedad crítica. Esta depende del tipo del
material y de la relación de secado en el primer período.
La forma de la curva de secado en el segundo período varía en
dependencia de las características del material a secar. Existen
curvas típicas de cuerpos capilar-porosos con grandes superficies
específicas y de pequeñas superficies específicas así como de
cuerpos coloidales (Madariaga, 1995).
Se reportan algunos trabajos donde se han realizado estudios de
curvas de secado específicamente de bagazo. Guerra (1971) lo
realizó a baja temperatura y no detectó valor alguno de humedad
crítica, partiendo de una humedad del 50 %. Grobart (1973)
determinó un valor constante de humedad crítica de 44.66 % para
un rango de temperatura del aire entre 45 ºC y 70 ºC. Martínez
(1988) obtiene una gran cantidad de cinéticas de secado para
bagazo en cama fija donde se aprecia la humedad crítica alrededor
del 30 % aunque no da directamente correlaciones para
determinarla y trabaja solamente hasta una temperatura del agente
secante de 90 ºC.
Una de las tareas primarias en el estudio del secado de un sólido,
es la identificación del modelo cinético que más adecuadamente se
ajuste a los datos experimentales de secado. La adecuación de un
modelo de secado consiste en la estimación de sus parámetros
según algún criterio de comportamiento que tome en cuente la
magnitud de la humedad media del sólido y la magnitud de la
humedad calculada por el modelo propuesto (Rev. Tecnología
Química.,N°4. 1983).
Novoa y Haber (1995) realizaron un estudio de la cinética de
secado del cacao donde con el proceso de secado lograron una
- 33 -
disminución de la humedad del grano hasta un nivel tal que
garantiza la conservación en las debidas condiciones hasta su
industrialización. El método utilizado para el procesamiento de los
datos experimentales y ajustar los modelos matemáticos de las
curvas de secado, se basó en una ecuación cinética que permite
describir todo el proceso de secado incluyendo ambos períodos,
donde todos los parámetros de la ecuación se pueden determinar
fácilmente a partir de la curva de secado y las condiciones límites
(Strumillo, 1986).
De esta forma el modelo que permite realizar el ajuste a las curvas
y estimar el tiempo de secado es el siguiente:
t

1
k x0  xeq
x
0


 x  x 
 xi   x1eq  xeq
 x  x
ln
0
1eq
i
eq
Este método ha sido probado en la práctica para el estudio de la
cinética de secado de sólidos porosos y capiloporosos.
Novoa (1995) estima el coeficiente de transferencia de masa
mediante la expresión:
Kg = ms·k·( xi - xeq)/A
donde:
k = coeficiente de velocidad de secado (min-1)
Kg = coeficiente de transferencia de masa (kg/m2 · min)
ms = peso del material seco( kg)
xi = humedad del material en un instante de tiempo ( kg/kg)
xeq = humedad de equilibrio ( kg/kg)
x1eq = contenido de humedad del material durante el período
inicial de secado o humedad crítica ( kg/kg)
x0 = humedad inicial del material ( kg/kg)
- 34 -
Equilibrio durante el secado.
Si el material a secar se pone en contacto con el aire húmedo
entonces en principio son posibles dos procedimientos: 1- secado
( desorción de la humedad del material ) siendo la presión parcial
del vapor (pm) sobre la superficie del material superior a su
presión parcial en el aire o el gas (pv), es decir para pm > pv ; 2humectación (sorción de la humedad del material) para pm < pv.
En el proceso de secado la magnitud pm disminuye y se aproxima
a su límite pm = pv. En este caso comienza el estado de equilibrio
dinámico, al que corresponde la humedad límite del material,
llamada humedad de equilibrio (Xeq).
La humedad de equilibrio depende de la presión parcial del vapor
sobre el material (pv) o de la magnitud de la humedad relativa del
aire () que es proporcional a dicha presión y se determina por vía
experimental (Treybal, 1965) (Menon and Mujundar, 1992).
Para este fin una muestra del material a secar se coloca en un
medio ambiente con distinta humedad relativa (), siendo el
tiempo constante y se pesa periódicamente. La humedad del
material al lograr que su masa no varíe, alcanza el equilibrio.
Figura3. Dependencia entre la humedad de equilibrio del material y
la humedad relativa del aire.
- 35 -
Habitualmente el peso constante para las muestras se logra en
una desecadora, empleando soluciones de ácido sulfúrico de
diferentes concentraciones y así se obtiene la dependencia entre la
humedad de equilibrio del material y la humedad relativa del aire.
La dependencia de la humedad de equilibrio del material en función
de la humedad relativa del aire se determina siendo constante la
temperatura, y por tanto, es una isoterma. La curva 1 de la figura
(.3 ) fue obtenida al evaporar (desorber) la humedad del material, o
sea, al secarlo y se denomina isoterma de desorción. La curva 2
dispuesta por encima, obtenida para el proceso inverso, es decir,
humectación del material ya secado, se llama isoterma de sorción.
La divergencia de las curvas 1 y 2 ( histéresis) indica que para
lograr una misma humedad de equilibrio del aire la magnitud ()
durante la humectación del material debe ser mayor, que durante el
secado mismo. La causa de la histéresis probablemente se deba a
la entrada del aire en los capilares del material secado y su sorción
por las paredes de los capilares.
En estudios realizados en relación a la variación del contenido de
humedad crítica y de equilibrio de la Bentonita de Calcio con la
humedad relativa del gas
(Revista tecnología Química. N° 4.,
1984), se concluye que la curva de velocidad de secado consta de
un período de velocidad constante y de un período decreciente
curvo desde la humedad crítica hasta la de equilibrio, que por ser la
curva cóncava hacia arriba indica que la humedad se elimina por
difusión desde las partes internas del material hasta la superficie,
siendo este el período que controla en el secado.
2.3.- Psicometría
El estudio detallado de las propiedades de la mezcla de aire seco y vapor
de agua es de tal importancia que constituye una ciencia aparte, la
psicometría.
- 36 -
La psicometría. se define como "aquella rama de la física relacionada con
la medición o determinación de las condiciones del aire atmosférico,
particularmente respecto de la mezcla de aire seco y vapor de agua", o
bien "aquella parte de la ciencia que está en cierta forma íntimamente
ligada a las propiedades termodinámicas del aire húmedo". Las
propiedades termodinámicas de la mezcla de aire seco y vapor de agua
revisten gran interés en la etapa de postcosecha de productos agrícolas,
por el efecto que tiene la humedad del aire atmosférico sobre el contenido
de humedad de los productos.
En la conservación y almacenamiento de productos agrícolas se emplean
diversas prácticas con participación directa de la psicrometría; una de
dichas prácticas es el secado. En el secado a bajas temperaturas en
particular, la tasa de secado depende de la capacidad del aire para
evaporar la humedad (potencial de secado), la cual es determinada por
las condiciones psicométricas del aire: temperatura y humedad relativa.
En el secado y almacenamiento, uno de los conceptos más importantes
es el contenido de humedad de equilibrio. Asf se denomina al intercambio
recíproco de humedad entre materiales higroscópicos, tales como los
granos, y el aire que los rodea; la condición de intercambio recíproco de
humedad indica el equilibrio que hay entre el aire y el material. Se
establece dicho equilibrio cuando la presión de vapor que corresponde a
la humedad del producto es igual a la presión de vapor de la humedad
presente en el aire, en condiciones fijas de temperatura. Por tanto, en los
estudios de higroscopia, las propiedades termodinámicas del aire húmedo
son de fundamental importancia.
El conocimiento de las condiciones de humedad y temperatura del aire es
de gran importancia también en muchos otros aspectos de la actividad
humana. La conservación de productos talas como frutas, hortalizas,
huevos y carnes, en cámaras frigoríficas, depende en gran medida de la
mantención de la adecuada humedad relativa del ambiente. - a pérdida de
- 37 -
peso depende de la humedad del aire en la cámara de almacenamiento;
si la humedad es baja, la pérdida de peso es elevada.
2.3.1.- Aire atmosférico
Por sus dimensiones y por los procesos físico-químicos que se
produjeron, el planeta Tierra posee hoy una capa gaseosa que lo
envuelve (aire atmosférico), la que constituye la atmósfera de la
Tierra y es esencial para las formas de vida que se encuentran en
ella.
El aire atmosférico se compone de una mezcla de gases, vapor de
agua y una mezcla de contaminantes, tales como humo, polvo, y
otros elementos gaseosos que no están presentes normalmente,
en lugares distantes de las fuentes de contaminación.
Por definición, existe aire seco cuando se ha extraído todo el vapor
de agua y los contaminantes del aire atmosférico. Mediante
extensas mediciones se ha demostrado que la composición del aire
seco es relativamente constante, si bien el tiempo, la ubicación
geográfica y la altura determinan pequeñas variaciones en la
cantidad de componentes. La composición porcentual, en volumen
o número de males por 100 moles de aire seco, aparece en el
Cuadro 2.
- 38 -
Cuadro Nº 03
Composición del aire seco
Substancia
Fórmula
Masa molecular Porcentajes en
volumen (moles/
(kg kg-mol -1) 100 moles)
Nitrógeno
N2
28,016
78,084
Oxígeno
02
32,000
20,9496
Argón
Ar
39,948
0,934
Dióxido de carbono
CO2
44,010
0,0314
Neón
Ne
20,183
0,001818
Helio
He
4,0026
0,000524
Metano
CH2
16,03188
0,0002
Dióxido de azufre
SO2
64,064
0,0001
Hidrógeno
H2
2,01594
0,00005
Criptón
Kr
83,800
0,0002
Ozono
03
48,000
0,0002
Xenón
Xe
131,300
0,0002
Fuente: ASHRAE, 1977
La masa molecular aparente del aire seco es de 28,9645 kg-mol y
la del vapor de agua es de 18,1535 kg-mol, ambas en la escala del
carbono 12 (ASHRAE, 1977). El aire seco, normalmente tiene
vapor de agua asociado, lo que da origen al que se denomina aire
húmedo, que es una mezcla binaria de aire seco y vapor de agua.
La cantidad de vapor presente en la mezcla puede variar entre cero
y un valor correspondiente al estado de saturación. Esto
corresponde a la cantidad máxima de vapor de agua que el aire
puede soportar a una temperatura determinada.
- 39 -
2.3.2.- Propiedades termodinámicas del aire húmedo
Hay diversas propiedades termodinámicas fundamentales ligadas a
las
propiedades
del
aire
húmedo.
Hay
dos
propiedades
independientes, además de la presión atmosférica necesarias para
establecer el estado termodinámica del aire húmedo.
Tres propiedades se relacionan con la temperatura:
a.
temperatura de bulbo seco;
b.
temperatura termodinámica de bulbo húmedo;
c.
temperatura del punto de rocio.
Algunas propiedades termodinámicas caracterizan la cantidad de
vapor de agua presente en el aire húmedo:
a.
presión de vapor;
b.
razón de humedad;
c.
humedad relativa;
d.
grado de saturación.
Otras propiedades de fundamental importancia, relacionadas con el
volumen ocupado por el aire y con la energía del aire,
respectivamente, son:
a.
el volumen específico,
b.
la entalpía.
La entalpía y el volumen especifico son propiedades de la
mezcla de aire seco y vapor de agua, pero para mayor comodidad
se expresan sobre la base de una unidad de masa de aire seco.
La temperatura psicrométrica de bulbo húmedo. (Tbh) no es
una propiedad termodinámica de la mezcla de aire seco y vapor de
agua y se tratará separadamente.
- 40 -
A continuación se presenta una breve descripción de cada una de
estas propiedades.
Temperatura de bulbo seco (T)
La temperatura de bulbo seco, es la verdadera temperatura del aire
húmedo y con frecuencia se la denomina sólo temperatura del aire;
es la temperatura del aire que marca un termómetro común.
Temperatura de punto de rocio (Tpr)
La temperatura de punto de rocio, es la temperatura a la cual el
aire húmedo no saturado se satura, es decir, cuando el vapor de
agua comienza a condensarse, por un proceso de enfriamiento,
mientras que la presión y la razón de humedad se mantienen
constantes.
Temperatura termodinámica de bulbo húmedo (T*)
La temperatura termodinámica de bulbo húmedo, es la temperatura
de equilibrio que se alcanza cuando la mezcla de aire seco y vapor
de agua pasa por un proceso de enfriamiento adiabático hasta
llegar a la saturación.
Presión de vapor (Pv)
La presión de vapor, es la presión parcial que ejercen las
moléculas de vapor de agua presentes en el aire húmedo. Cuando
el aire está totalmente saturado de vapor de agua, su presión de
vapor se denomina presión de vapor saturado (PVS).
Razón de humedad (razón de mezcla) (W)
La razón de humedad del aire, se define como la relación entre la
masa de vapor de agua y la masa de aire seco en un volumen
dado de mezcla. Algunos autores confunden los términos razón de
humedad y humedad absoluta; la humedad absoluta, denominada
también densidad del vapor de agua, es la relación entre la masa
- 41 -
de vapor de agua y el volumen que ocupa la mezcla de aire seco y
vapor de agua.
Humedad relativa ()
La humedad relativa del aire, se define como la razón entre la
presión de vapor de agua en un momento dado (Pv) y la presión de
vapor de agua cuando el aire está saturado de humedad (Pvs), a la
misma temperatura. La humedad relativa se puede expresar como
decimal o como porcentaje.
Grado de saturación ()
El grado de saturación, es la relación entre la razón de humedad
real de la mezcla (W) y la razón de humedad del aire en estado de
saturación (Ws), a igual temperatura y presión atmosférica.
Entalpía (h)
La entalpía de la mezcla de aire seco y vapor de agua, es la
energía del aire húmedo por unidad de masa de aire seco, por
encima de una temperatura de referencia; dado que en ingeniería
sólo las diferencias de entalpía tienen interés práctico, el valor que
se escoja para la temperatura de referencia carece de importancia.
Volumen específico (Ve)
El volumen específico del aire húmedo, se define como el volumen
que ocupa la mezcla de aire seco y vapor de agua por unidad de
masa de aire seco. La masa especÍfica del aire húmedo no es igual
al recíproco de su volumen específica. La masa específico del aire
húmedo es la relación entre la masa total de la mezcla y el
volumen que ella ocupa.
- 42 -
Temperatura psicométrica de bulbo húmedo
Un psicrómetro se compone de dos termómetros, uno de ellos
envuelto en una tela constantemente humedecida (termómetro de
bulbo húmedo) y otro, al lado del primero, en simple equilibrio
térmico con el aire atmosférico (termómetro de bulbo seco). El
termómetro de bulbo húmedo recibe sobre sí un flujo de aire
constante por medio de un sistema de ventilación. Se evapora así
la humedad y se retira energía del bulbo humedo. La temperatura
baja, y al llegar al punto de equilibrio, se estabiliza. La temperatura
que registra el termómetro en esas condiciones se llama
temperatura psicrométrica de bulbo húmedo. (Tbh)
Se entiende por estado de equilibrio la situación en que el flujo de
energía del aire al bulbo del termómetro es igual a la energía
necesaria para la evaporación de la humedad. En ese estado de
equilibrio, a partir de un balance de energía, se puede escribir la
ecuación siguiente
Pv = PVS,bh - a1 P(T-Tbh)
ec.1
en que a1 se denomina constante psicrométrica, y depende de la
temperatura, de la geometría del bulbo del termómetro y de la
velocidad del aire. Varios investigadores determinaron
empíricamente los valores de la constante psicrométrica, con los
siguientes resultados:
a1 = 0,000662 °C-1 - para psicrómetros con sistema de movimiento
de aire (aspiración) de tipo ASSMANN, donde la velocidad del aire
es mayor que 3 mis.
- 43 -
a1 = 0,000800 °C-1 - para psicrómetros sin aspiración de aire,
instalado en una caseta meteorológica, donde la velocidad del aire
es del orden de 1 m/s.
a1 = 0,00120 °C (-1) - para psicrómetros no ventilados, es decir,
aire sin movimiento (en reposo).
2.3.3.- Grafico psicométrico
Las propiedades termodinámicas de la mezcla de aire seco y vapor
de agua que constituyen el aire atmosférico, se pueden presentar
adecuadamente en forma de gráfico, con el nombre de gráfico
psicométrico, el cual se construye según una presión atmosférica
determinada, aunque suele haber curvas de corrección para otras
presiones.
Hay diferentes gráficos psicométricos en uso. Ellos difieren en
cuanto a la presión barométrica, la banda de temperaturas, número
de propiedades comprendidas, elección de las coordenadas y
temperatura de referencia para la entalpía. El de uso más frecuente
en EE.UU. es aquél en que la razón de humedad o la presión de
vapor, que es una de las coordinadas, se gráfica en función de la
temperatura de bulbo seco, y en que la otra coordenada que se
escoge para la construcción (coordenada oblicua) es la entalpía.
En Europa en cambio, se usa el gráfico de MOLLIER, cuyas
coordenadas son la razón de humedad y la entalpía.
En el gráfico psicométrico, una vez elegidos las coordenadas, las
demás propiedades aparecen como parámetros. Dos propiedades
independientes cualesquiera, incluso la temperatura psicométrica
de bulbo húmedo, fijan el estado de la mezcla (punto de estado).
- 44 -
Enfriamiento con deshumedecimiento
El enfriamiento del aire, cuando se alcanza la curva de humedad
relativa máxima (<P = 100%), se tiene en el punto de roció. El
enfriamiento de ese aire, moverá el punto de estado sobre la línea
de saturación, con lo que se condensa una parte del vapor de agua
presente en el aire. En consecuencia, la razón de humedad
disminuirá.
Secado y humedecimiento adiabático del aire
La adición de humedad al aire o su extracción de él, sin aumentar
ni disminuir la energía, hace que el punto de estado se mueva
sobre una línea de entalpía constante. Si se trata de agregar
humedad, el punto se desplaza hacia arriba y si se trata de retirar
humedad,
se
desplaza
hacia
abajo.
Las
operaciones
de
calentamiento, enfriamiento, secado y humedecimiento del aire
tienen especial Importancia en los trabajos de manejo, secado y
almacenamiento de productos biológicos.
Humedad relativa y déficit de presión de vapor
La medida de la humedad relativa del aire se puede obtener
mediante las temperaturas de bulbo seco y de bulbo húmedo,
medidas con un psicrómetro. La disminución de la temperatura de
bulbo húmedo depende de la cantidad de vapor de agua que
contiene el aire, además de la velocidad del aire en torno a la tela
embebida en agua destilada. El déficit de saturación se encuentra
por la diferencia entre la presión de vapor de agua saturado (P VS) y
la presión de vapor real del aire (Pv ), a la temperatura en que se
encuentra el aire. Cuando se conoce la temperatura del aire, la
presión del vapor de agua saturado (PVS). La presión de vapor de
agua real (Pv), se puede calcular con la ecuación siguiente:
- 45 -
Pv= PVS,bh - a1 P (T - Tbh)
ec.2
y la presión atmosférica, de acuerdo a la altura del lugar. Luego,
recordando que la humedad relativa del aire la da
se puede determinar la humedad relativa del aire en lugares en que
no se dispone de gráficos psicrométricos, de acuerdo con la altura
local, o incluso en situaciones en que no se dispone de
psicrómetros con sistema de movimiento de aire.
2.3.4.- Ecuaciones psicométricas
Hay en la literatura ecuaciones exactas y termodinámicamente
congruentes para la razón de humedad, volumen especificó,
entalpía, grado de saturación y presión de vapor de agua saturado.
Dichas ecuaciones se elaboraron sobre la base de los conceptos
de termodinámica estadística, tomando en cuenta las fuerzas
intermoleculares que hacen que el aire atmosférico se comporte
como un gas no ideal. En ASHRAE (1977) se publican tablas de
las propiedades del aire húmedo, construidas a partir de dichas
ecuaciones.
Por la complejidad de las ecuaciones que se utilizaron en la
preparación
de
dichas
tablas,
se
elaboraron
ecuaciones
simplificadas que suministran resultados aproximados a los valores
reales, sobre la base del supuesto de que el aire húmedo se
comporta como un gas ideal. Estas ecuaciones simplificadas son
las que se usan para calcular parámetros psicométricos a
presiones atmosféricas diferentes de las que se usaron para
construir las tablas y gráficos psicométricos, y son adecuadas para
- 46 -
la mayoría de las aplicaciones en ingeniería. En cambio, para fines
que exijan resultados exactos, las ecuaciones de los gases ideales
son en cierto modo limitadas.
La mayoría de las veces se obtiene el valor de la temperatura de
bulbo seco junto con otro parámetro psicométrico, esto es,
temperatura de bulbo húmedo, humedad relativa o temperatura de
punto de rocío. A partir de dichas mediciones se puede obtener
una o todas las demás propiedades termodinámicas del aire
húmedo. Las ecuaciones presentadas se pueden usar para
calcular dichas propiedades Bel aire húmedo. El orden en que se
apliquen depende sobre todo de los parámetros conocidos.
2.3.5.- Higroscopia
El agua participa activamente en la formación de los
cereales,
oleaginosas, y hortalizas, pues es el vehículo de transporte de las
sustancias nutritivas, a partir de hojas y raíces, que mediante
procesos bioquímicos se polimerizan en almidón, lípidos y
proteínas, durante la fase de maduración. Cuando alcanza la
madurez fisiológica, el grano se independiza de la planta y, según
las condiciones psicométricas del aire (temperatura y humedad
relativa), pierde humedad hasta el momento de la cosecha.
El comportamiento durante el almacenamiento depende de la
temperatura y del contenido de humedad que presenta el producto.
No se puede emprender ningún análisis de esta materia sin
referirse a dichos parámetros. El contenido de humedad, es decir,
la cantidad de agua contenida en el vegetal, se puede expresar
tanto en base húmeda como en base seca. La humedad con base
húmeda, Hbh, y la humedad con base seca, Hbs, se definen
- 47 -
respectivamente con las ecuaciones 14 y 15: donde mw es la masa
del agua, ms es la masa de la materia seca y mt es la masa total.
ec.3
ec.4
El contenido de humedad con base húmeda se puede expresar
tanto en decimal como en porcentaje (parte de los componentes
del material en relación con el total); en cambio, el contenido de
humedad con base seca sólo tiene sentido si se expresa en
decimal, puesto que se trata de una relación entre componentes
del material. En el comercio y la industria se emplea mayormente el
contenido de humedad con base húmeda, mientras que en ciencia
el contenido de humedad con base seca resulta más adecuado.
Para comprender el papel que desempeña el agua de los granos
en los procesos de secado y almacenamiento, es preciso
comprender primero los principios básicos que intervienen en la
fijación del agua por los componentes químicos de los granos.
Cuando dichos principios están claros se puede apreciar todo el
alcance de los diversos aspectos prácticos que tiene la relación
entre el anua contenida en los aranas y los procesos de secado Y
almacenamiento.
2.3.6.-Fenómeno de "sorcion"
El agua contenida en los vegetales se presenta en distintas formas,
en función de la naturaleza de las ligazones químicas que existen
- 48 -
entre los componentes de la materia seca y las moléculas de agua,
lo que determina los diferentes niveles de hidratación del producto.
Una parte del agua está estrechamente vinculada con la sustancia
adsorbente. Se compone de una capa monomolecular ligada a
determinados agrupamientos moleculares fuertemente polarizados,
tales como los hidroxilos (OH). Puede esta combinada con la
sustancia por medio de ligazones químicas, o sea, es parte
integrante de una sustancia dada. Esta forma de agua se la puede
eliminar sólo bajo rigurosas condiciones de temperatura y tiempo,
como las que se emplean para determinar la humedad de los
granos en estufa.
También se encuentra en los vegetales una cantidad de agua
contenida en una capa polimolecular que se fija sobre la aludida
capa monomolecular. Las distintas capas monomoleculares que
componen la capa polimolecular están ligadas a la materia por
medio
de
ligazones
electromagnéticas
y
forman
agua
pseudoligada, no solvente, sin papel biológico y fuertemente
adsorbida.
Los vegetales contienen además agua liquida bajo tensión
osmótica. Se trata de agua solvente que retienen diferentes
sustancias
en
las
células
del
material
biológico;
aparece
débilmente adsorbida, cumple un papel biológico y puede permitir
las reacciones químicas (enzimáticas), además del desarrollo de
hongos; se elimina, en gran parte, con el secado.
Cierta cantidad de agua se puede mantener libremente en los
espacios correspondientes a los poros de los vegetales, es decir,
se mantiene débilmente en el sistema gracias a fuerzas capitales.
Esta cantidad de agua se conoce como agua de impregnación;
algunos investigadores la llaman agua libre o adsorbida. Tiene las
mismas propiedades que el agua libre. Las paredes celulares la
- 49 -
retienen mecánicamente en el vegetal; las moléculas de las
sustancias adsorbentes no se ven afectadas, actúan sólo como
estructura de soporte. La presencia de agua libre en el vegetal lo
inhabilita para el almacenamiento, puesto que puede favorecer el
desarrollo de hongos y bacterias. Este tipo de agua se evapora
fácilmente en el secado.
De acuerdo con lo anterior, el agua está adsorbida, es decir, se
mantiene en los vegetales gracias a fuerzas de atracción
molecular, o bien está firmemente ligada a la sustancia adsorbente.
El término general "sorción" se usa para denotar esta interacción
agua-sustancia adsorbente. Los términos generales adsorción y
deserción se usan especialmente para denotar el proceso de ganar
o perder agua por medio de sorción.
Esta clasificación de los tipos de agua presente en los vegetales no
es más que una clasificación en categorías habituales. Cabe tener
presente que en los sistemas coloidales, tales como los granos,
que están compuestos de varias sustancias y poseen una
estructura organizada, se presentan muchos tipos de agua ligada
en el abanico que va desde el agua libre al agua ligada
químicamente.
Isotermas de sorcion
La humedad de equilibrio se define como el contenido de humedad
de un material higroscópico después de estar expuesto a un
ambiente en condiciones controladas de temperatura y humedad
relativa, durante un lapso prolongado. Se puede decir, además,
que el material está en equilibrio higroscópico con el ambiente en
que se encuentra cuando la presión de vapor de agua
correspondiente a la humedad del material es igual a la presión de
vapor de agua del aire ambiente. Para cada especie o variedad de
- 50 -
material, la tensión de vapor tiene un valor característico acorde
con la temperatura y el contenido de humedad del material.
La importancia que tiene la obtención de datos experimentales de
equilibrio higroscópico de los productos agrícolas es bien conocida.
Dada la importancia de este concepto, por sus innumerables
aplicaciones en el secado, almacenamiento y manejo de los
productos agrícolas, se han desplegado esfuerzos para obtener
ecuaciones que expresen el contenido de humedad de equilibrio
respecto de cada producto, en función de la humedad relativa y la
temperatura del aire.
La utilidad de obtener esas ecuaciones son múltiples: a) las
variaciones continuas de temperatura y humedad del aire en
contacto con los productos almacenados originan cambios en el
contenido de humedad de equilibrio. En las investigaciones
relativas al almacenamiento, frecuentemente es preciso calcular
dicho tenor de humedad por medio de dichas ecuaciones; y b) en
los cálculos de secado, independientemente del sistema de secado
que se ocupe, los valores de contenido de humedad de equilibrio
se calculan incontables veces. Cabe destacar también la
importancia de conocer esas ecuaciones de equilibrio higroscópico,
para calcular la entalpía de la vaporización del agua de los
productos biológicos en los procesos de secado.
Los valores del contenido de humedad de equilibrio de los
productos biológicos dependen, principalmente, de la temperatura
y de la humedad relativa del aire, de la especie o variedad del
producto. La madurez fisiológica y la historia del producto, junto
con la manera en que se obtuvo el equilibrio (adsorción o
deserción), también influyen en la humedad de equilibrio.
El contenido de humedad de equilibrio de un material higroscópico,
en determinadas condiciones de temperatura y humedad relativa
- 51 -
de equilibrio, depende del camino que se siga para alcanzar el
equilibrio. Así, para una misma humedad relativa, puede haber dos
isotermas, denominadas isotermas de adsorción y de deserción,
obtenías en función de las condiciones experimentales iniciales.
Esto, porque el material puede presentar un contengo de humedad
menor o mayor que la humedad de equilibrio para las condiciones
del ambiente. Este fenómeno se llama histéresis. Las isotermas
tienen forma sigmoidal, pues la isoterma de deserción presenta
valores de humedad de equilibrio superiores al de la isoterma de
adsorción
En la literatura consultada no se encontró ninguna explicación
concluyente acerca del fenómeno de la histéresis. Una de las
explicaciones es la teoría del "frasco de tinta", que aparece en
varios trabajos. CHUNG y PFOST, (1976) pretenden explicar el
fenómeno sobre la base de la contracción del volumen que se
produce durante la deserción de humedad en el proceso de
secado. Es decir, la reducción de volumen del producto acarrea la
disminución de los puntos de ligazón disponibles para ligar el agua
con las moléculas de las sustancias, lo que conduce a la histéresis.
Hay otras hipótesis acerca de este tema en la literatura.
Modelos de equilibrio higroscópico
Se han propuesto diversos modelos teóricos, semi teóricos y
empíricos para expresar el contenido de humedad de equilibrio de
los granos. Pese a las investigaciones en este campo, ningún
modelo teórico ha sido capaz hasta ahora de predecir exactamente
el contenido de humedad de equilibrio de granos en todas las
gamas de temperatura y humedad relativa. Además, sólo algunos
modelos tienen en cuenta la temperatura como parámetro. Se han
propuesto modificaciones a diversas ecuaciones y, en este caso, la
- 52 -
gama de validez aumenta sustancialmente. En el Cuadro 3 se
muestran los modelos más comunes de isotermas de sorción.
La ecuación de Kelvin se aplica solamente a las humedades
relativas superiores a 95% y la ecuación de Langmuir no se aplica
a productos alimenticios. La ecuación de BET y la versión que
presenta Rounsley permiten estimar la parte de agua adsorbida en
relación con el total de agua ligada. Las ecuaciones de BET,
Harkins-Jura y Rounsley, ofrecen resultados aceptables solamente
para valores de humedad relativa inferiores a 30% La ecuación de
Henderson y la de Chung-Pfost son las que mejor expresan el
contenido de humedad de equilibrio de granos en gamas más
amplias de temperatura y humedad relativa. Las modificaciones
empíricas mejoraron sustancialmente dichas ecuaciones y las
hicieron aplicables a una mayor parte del abanico de temperaturas
y humedades relativas.
Ecuaciones de humedad de equilibrio para diversos productos
Ecuación de Henderson modificada
ec.5
 = 1 - exp [-c1 (T + c2) (100 - He)c3],
ec.6
en que la humedad relativa  se expresa en decimal y la temperatura
T en °C.
El Cuadro 4 muestra los valores de los parámetros de la ecuación de
Henderson modificada, respecto de diversos productos.
- 53 -
Ecuación de Chung-Pfost
He = d1 - d2 (ln - (T + d3)ln )
ec.7

ec.8
en que la humedad relativa y se expresa en decimal y la temperatura
T en °C.
Cuadro Nº 03 Ecuaciones de isotermas de sorción
ECUACION
AUTOR
Kelvin (1871)
Langmuir (1918)
B.E.T (1938)
= exp(k3-K4/H2)
H = k5-k6 In(1-
Harkins-Jura(1944)
Smith (1947)
)
= 1-exp[-(k7THk89]
Henderson(1952)
Rounsley (1961)
Chung-Pfost (1967)
Fuente: FORTES y OKOS (1981)
- 54 -
Cuadro Nº 04 Parámetros de la ecuación de Henderson modificada,
respecto de diversos productos
PRODUCTO
c1
-5
c2
c3
195,267
2,0123
Cebada
2,2919 x 10
Frijol comestible
2,0899
254,23
1,8812
Maíz
8,6541
49,810
1,8634
Maní en grano
65,0413
50,561
1,4984
Maní con cáscara
6,6587
23,318
2,5362
Arroz con cáscara
1,9187
51,161
2,4451
Sorgo
0,8532
113,725
2,4757
Soja
30,5327
134,136
1,2164
Trigo (durum)
2,5738
70,318
2,2110
Trigo (duro)
2,3007
55,815
2,2857
Trigo (blando)
1,2299
64,346
2,5558
Yuca
0,2892
64,3551
1,7267
Cacao
4,1942
0,0
2,7296
Frijol negro
3,7198
273,16
1,6260
Fuente: ASAE (1981); BACH (1979); SILVA (1979); FlOREZE (1982).
El Cuadro 5 muestra los valores de los parámetros empíricos de la
ecuación de Chung-Pfost respecto de diversos productos.
Métodos experimentales para obtener el equilibrio higroscópico
Hay dos métodos para la obtención experimental de contenidos de
humedad de equilibrio: el estático y el dinámico. En el método estático, las
muestras se colocan en recipientes con humedad relativa y temperatura
controladas, hasta que alcancen el equilibrio higroscópico, sin que haya
movimiento de aire. Existe también otro método estático, en que una
muestra de granos relativamente grande se coloca en un recipiente
herméticamente cerrado dotado de un dispositivo higrosensor para
determinar la humedad relativa. Cuando se alcanza el equilibrio
- 55 -
higroscópico, no se producen variaciones apreciables en los valores de
humedad relativa en el aire intersticial.
Cuadro Nº 05 Parámetros de la ecuación de Chuag-Pfost respecto de
diversos productos
PRODUCTO
d1
d2
d3
d4
d5
Cebada
0,38363
0,050279
91,323
761,66
19,889
Frijol comestible 0,43001
0,062596
160,629
962,58
15,975
Maíz
0,33872
0,058970
30,205
312,30
16,058
Maní en grano
0,18948
0,034196
33,892
254,90
29,243
Maní con
cáscara
0,16510
0,026383
12,354
522,01
37,903
Arroz con
cáscara
0,29394
0,046015
35,703
594,61
21,732
Sorgo
0,35649
0,050907
102,849
1099,67
19,644
Soja
0,41631
0,071853
100,288
328,30
13,917
Trigo (durum)
0,37761
0,055318
112,350
921,65
18,077
Trigo (duro)
0,35616
0,056788
50,998
529,43
17,609
Trigo (blando)
0,27908
0,043360
35,662
726,49
23,607
Fuente: ASAE (1981).
Diversas sustancias químicas poseen la característica de retirar o ceder
humedad del ambiente en que se encuentran, hasta que se alcanza un
estado de equilibrio. Las sustancias que así se comportan se denominan
materiales higroscópicos, y el contenido de humedad, cuando están en
equilibrio con la atmósfera circundante, se conoce como contenido de
humedad de equilibrio.
El método dinámico consiste en hacer pasar el aire, con humedad relativa
y temperatura controladas, a través de la muestra, o vice versa, hasta que
no haya variación de masa en la muestra. Este método permite obtener el
equilibrio higroscópico en un lapso inferior al que necesita el método
estático, en las mismas condiciones de temperatura y humedad relativa.
- 56 -
El estado de humedad relativa se puede mantener constante al interior de
recipientes herméticamente cerrados, con soluciones de ácido sulfúrico,
ácido clorhídrico y etilen glicol, las que mantendrán la humedad relativa
constante en cualquier valor que se desee; solo basta con variar la
concentración. Se pueden emplear también soluciones saturadas de
diferentes sales, las que han sido preferidas por muchos autores por las
ventajas siguientes:
a) la misma solución de sal se puede usar con diversas temperaturas, sin
grandes variaciones en el valor de la humedad relativa; b) las sales son
menos corrosivas que los ácidos y causan menos daño a los operadores
durante su manejo; y c) aunque el material higroscópico pierda o gane
humedad en cantidades relativamente grandes, la solución permanece
saturada, siempre que se deje un depósito de cristales de sal en el fondo
de la solución.
Un inconveniente es la dificultad de encontrar sales que abarquen toda la
gama de humedad relativa que interesa. En los Cuadros 6 y 7 aparecen
los datos de humedades relativas, en función de la temperatura, que se
mantienen con soluciones de diversas sales.
Entalpía de vaporización
La entalpía de vaporización se define como la energía necesaria para que
una unidad de masa de una sustancia pase del estado liquido al estado
gaseoso. Si se trata de productos biológicos, tales como los granos, se
define como la cantidad de energía necesaria para evaporar una unidad
de masa de agua contenida en el producto.
- 57 -
Cuadro Nº 06
Humedades relativas mantenidas con soluciones saturadas de sales
a distintas temperaturas
Sal
Temperatura (°C)
Humedad Relativa(%)
Ba Cl2 2H2O
(Cloruro de bario)
29,4
88
-6,7
44
0
41
10
40
21
35
5
39,8
20
32,3
24
31,0
20
98
-6,7
64
0
64
10
59
21
55
20
53,6
25
50,4
30
46,6
35
42
37.8
38,9
20
49,0
25
48,2
30
47,2
37,8
45,9
0
97,6
10
95,5
20
93,2
30
90,7
40
87,9
Ca Cl2
(Cloruro de calcio)
Ca Cl2 .6 H2O
(Cloruro de calcio)
Ca SO4 . 5H2O
(Sulfato de calcio)
Ca (NO3)2
(Nitrato de calcio)
Ca (NO3)2. 4 H2O
(Nitrato de calmo)
K NO2
(Nitrito de potasio)
K NO3
(Nitrato de potasio)
- 58 -
50
85,9
20
43,9
25
43,8
30
43,6
37,8
43,4
20
86,6
25
86,5
30
86,3
37,8
85,6
0
99,1
10
97,9
20
97,2
30
96,6
40
96,2
50
95,8
K Br
(Bromuro de potasio)
20
84,0
100
69.2
K2 CO3. 2H2O
(Carbonato de potasio)
18,9
44
24,4
43
KCNS
(Tiocinato de potasio)
20
47,6
25
45,7
30
43,8
37,8
41,1
20
23,2
25
22,7
30
22,0
37,8
20,4
0
14,7
20
12,4
30
11,8
40
11,6
50
11,4
20
11,2
25
11,2
K2CO3
(Carbonato de potasio)
K2 Cr O4
(Cromato de potasio)
K2 SO4
(Sulfato de potasio)
K C2 H3 O2
(Acetato de potasio)
Li Cl. H2O
(Cloruro de litio)
Li Cl
(Cloruro de litio)
- 59 -
Mg Cl2
(Cloruro de magnesio)
Mg Cl2. 6 H2O
(Cloruro de magnesio)
Mg (NO3)2
(Nitrato de magnesio)
Mg (NO3)2 . 6H20
(Nitrato de magnesio)
Na Br
(Bromuro de sodio)
Na Cl
(Cloruro de sodio)
Na2C2 H3 O2
(Acetato de sodio)
Na2 C2 H3 O2. 3 H2O
(Acetato de sodio)
30
11,2
37,8
11,2
22,8
32,9
30
32,4
37,8
31,9
O
35,0
20
33,6
30
32,8
40
32,1
50
31,4
22,8
53,5
30
51,4
37,8
49,0
0
60,6
20
54,9
30
52,0
40
49,2
50
46,3
20
59,2
25
57,8
30
56,3
37,8
53,7
0
74,9
20
75,5
30
75,6
40
75,4
50
74,5
22,8
74,8
30
71,4
37,8
67,7
20
76
25
73,7
30
71,3
37,8
67,6
- 60 -
NaNo2
(Nitrito de sodio)
Na2 Cr2 O7
(Dicromato de sodio)
Na2 Cr2 O7. 2H2O
(Dicromato de sodio)
NH4 Cl
(Cloruro de amonio)
NH4 H2 PO4
(Monofosfato de amonio)
20
65,3
25
64,3
30
63,3
37,8
61.8
22,8
54,1
30
52,0
37,8
50,0
0
60,6
20
55,2
30
52,5
40
49,8
50
46,3
-6,7
82
0
83
10
81
21,1
75
20
93,2
25
92,6
30
92,0
37,8
91,1
83,7
NH4 SO4
(Sulfato de amonio)
0
83,7
20
80,6
30
80,0
40
79,6
50
79,1
Fuente: HALL (1980)
- 61 -
Cuadro Nº 07
Humedades relativas mantenidas con soluciones de ácidos en
diversas concentraciones, a distintas temperaturas
Acido
H2 SO4
(Sulfúrico)
Temperatura °C
Concentración de Acido (% en peso)
20
40
60
80
-17,8
87,3
55,7
15
3,14
10
87,4
56,6
15,8
3,88
20
87,7
56,7
16,3
4,76
30
87,5
56,6
17,0
5,75
40
87,6
57,5
17,8
6,88
44
88,8
58,2
18,8
8,2
20
30
40
50
-17,8
89,2
78,4
65,3
45,7
10
86,7
77
63
45,6
20
86,6
75,2
61,5
-
30
86,6
74,9
61,3
-
40
85,9
74,1
60,5
-
44
86,5
74,6
-
-
60
86,9
75,6
-
-
10
20
30
40
-17,8
83,5
56
27,4
8,9
10
83,5
-
-
-
20
83,2
-
-
-
30
84 2
-
-
-
Concentración de Acido (% en poso)
H NO3
(Nítrico)
Concentración de Acido (% en peso)
H Cl
(Clorhídrico)
Fuente: HALL (1980)
- 62 -
Con la aparición de los modelos matemáticos de secado, la determinación
de una ecuación para la entalpía de vaporización del agua de los granos
creció en importancia, ya que se trata de una de las propiedades del
producto que se usa en los modelos existentes.
Las isotermas de sorción del agua de los productos biológicos
proporcionan los datos necesarios para calcular la entalpía de
vaporización. La entalpía de vaporización del agua de un producto
determinado depende, sobre todo, de la temperatura y del contenido de
humedad que presenta dicho producto Cuanto mayor sea el contenido de
humedad, menor será la cantidad de energía necesaria para evaporar una
unidad de masa de agua contenida en un producto, y vice versa.
OTHMER (1940) elaboró una metoddogía general para obtener datos de
entalpía de vaporización de una sustancia, basada en la ecuación de
ClausiusClapeyron que aparece a continuación:
ec.9
Como el volumen especifico de la fase liquida V' es despreciable,
comparado con el de la fase de vapor, se considera la ecuación 31 en la
forma:
dPV / dT = LV / VVT
ec.10
Suponiendo que el vapor de agua se comporta como un gas perfecto, el
volumen especifico de la fase de vapor, Vv, se puede obtener a partir de
la ecuación de los gases perfectos. Así:
Vv=RVT / PV
ec.11
y la ecuación 12 será
- 63 -
ec.12
La
ecuación
12
se
puede
aplicar
a
cualquier
sustancia
cuyo
comportamiento concuerde con las suposiciones que se hacen en las
ecuaciones 9 y 11.
Así, si se escribe la ecuación 24 para agua libre y para agua contenida en
un producto biológico, a la misma temperatura T, se tiene:
ec.13
puesto que el segundo miembro de la ecuación 34 es igual tanto para el
agua libre como para el agua contenida en el producto biológico. En la
ecuación 25. L'V, LV, PVS y PV representan la entalpía de vaporización del
agua libre, la entalpía de vaporización del agua del producto biológico, la
presión de vapor del agua libre y la presión de vapor del agua
correspondiente a la humedad del producto biológico, respectivamente.
Integrando la ecuación 13 se tiene:
ec.14
Las isotermas de sorción de agua de granos están representadas por
ecuaciones del tipo:
He = He(T, ). ec.27 o bien
 = (T, He),
ec.15
como las ecuaciones 7, 8, 9 y 20.
- 64 -
Así, a punir de las isotermas de sorción, fijando un valor a la humedad del
producto, se determina el valor de humedad relativa de equilibrio
a
diferentes temperaturas T, y en seguida se calculan los valores de la
presión de vapor PV por la relación:
PV =  PVS
ec.16
Los valores de presión de vapor de agua saturado PVS se obtienen en
tablas de las temperaturas correspondientes. Reemplazando los valores
de PV Y PVS en la ecuación 16 se obtiene el valor de LV/L'V, que es la
inclinación de la recta de un gráfico bilogarítmico de PV en función de
PVS. Aplicando el mismo procedimiento a otros contenidos de humedad,
en la misma gama de temperaturas, se determinan los valores de LV/L'V
para los contenidos de humedad correspondientes.
De este modo, si se desea determinar la entupía de vaporización de
humedad del agua del arroz en cáscara, a temperaturas en la gama de 15
a 60 °C. y con contenidos de humedad en la gama de 0,15 a 0,25, base
seca, se puede utilizar la ecuación de Chung-Pfost, ecuación 30, cuyos
parámetros constan en el Cuadro 11:
ec.17
- 65 -
Cuadro Nº 08
Relaciones entre Lv y L'v
Humedad (base seca)
Relación Lv/L'v
15
1,08453
17
1,05431
19
1,03496
21
1,02275
23
1,01405
25
1,01006
Lv / L'v - 1 = a exp (-bH),
ec.18
en que a = 4,35 y b = 28,25. Los valores de Lv/L'v se obtuvieron mediante
el procedimiento ya descrito, y los coeficientes a y b se estimaron por
análisis de regresión. La entalpía de vaporización del agua libre está
representada por la expresión:
L'v = 3,11 x 106 - 2,38 x 103 T
ec.19
Aplicando la metodología presentada por OTHMER (1940) para obtener la
entalpía de vaporización de otros productos, se obtienen los coeficientes
a y b de la ecuación 31, que aparecen en el Cuadro 09.
Cuadro Nº 09 Parámetros a y b de la ecuación 31 respecto de
diversos productos
Producto
a
b
Arroz en cáscara
2,1274
21,6100
Soja
0,3240
13,9170
Cebada
0,8627
19,8890
Sorgo
1,0452
19,6440
Trigo (hard)
1,3069
17,6090
Frejol
0,4542
15,9750
- 66 -
Otro método para obtener la entalpía de vaporización del agua de
productos biológicos es citado por FORTES (1978). Según este método,
la entalpía de condensación o de adsorción de agua en alimentos y
granos, Lc, se compone de dos partes: la entalpía que se libera cuando el
agua se condensa del vapor saturado en estado de agua libre, Lo, y la
entalpía diferencial de adsorción, LW. . En física, la entalpía diferencial de
adsorción corresponde a la entalpía excesiva del valor de estado libre,
que se libera cuando las moléculas de agua son atraídas por fuerzas
físicas y químicas. Asf:
ec.20
o bien
LW= Lc-Lo
ec.21
La ecuación de Clausius-Clapeyron, ecuación 34, se puede escribir
en la forma:
ec.22
Las Ecuaciones 43 y 45 conducen a:
ec.23
ec.24
- 67 -
Así, en el caso del secado, la entalpía de vaporización del agua al interior
del cuerpo se puede expresar como sigue:
ec.25
La ecuación 25 ofrece una alternativa al método que propone OTHMER
(1940) o las expresiones empíricas que aparecen en la literatura. Para
aplicar las ecuaciones 24 y 5 hay que conocer la ecuación de las
isotermas de sorción del producto, las ecuaciones 17 a 20, y el Lo se
puede calcular por la ecuación 22
- 68 -
CAPITULO III
PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL
3.1.- Materiales y Reactivos
En el desarrollo
experimental del presente estudio se
requirieron de los siguientes materiales, reactivos e instrumentos que
a continuación detallo:
a) Materiales
-
Vasos de precipitados
-
Tubos de ensayos
-
Probetas graduadas
-
Buretas
-
Vaguetas
-
Densímetros
- 69 -
-
Embudos
-
Fiolas
-
Cápsulas de vaporización
b) Insumos
-
Lugol
-
Yodo ( QPA)
-
Yoduro de potasio QPA
-
Alcohol Absoluto
-
Eter de petróleo QPA
c) Instrumentos
-
polarógrafo
-
Microscopio luminoso
-
Balanza analítica
-
Estufa de secado
-
Horno de mufla
-
Agitador de eje flexible
-
Equipo Soxhlet
-
Equipo de destilación
-
Equipo Kjeldall
- 70 -
3.2.-Control de Calidad de la Materia Prima
a)Determinación de la Humedad.El objetivo de este análisis es conocer la cantidad de humedad que
posee la lúcuma y por ende la materia seca. Se basa en la pérdida
de peso que sufre la muestra por efecto de calentamiento.
Procedimiento:
Se pesa un vaso y se agrega 5 gramos de lúcuma, colocándolo en la
estufa a 100 °C durante 3 horas. Se retira y se deja enfriar en el
desecador, se pesa y se vuelve a calentar por 15 minutos, se enfría
nuevamente en el desecador y se pesa, hasta que alcance peso
constante.
b)Determinación de Proteínas.
Este análisis tiene por objeto determinar la cantidad de nitrógeno y
proteína total que posee la lúcuma
Procedimiento:
Se pesa 0,3 grs, de muestra, luego se agrega un gramo de
catalizador (mezcla de sulfato de Potasio y sulfato de cobre), para
acelerar la reacción. Se limpia con un poco de agua el cuello del
balón de digestión. Se agrega 2,5 ml. de ácido sulfúrico concentrado
y se coloca el balón en la cocina de digestión. La digestión termina
cuando el contenido del balón es completamente cristalino.
Luego se coloca la muestra digerida en el aparato de destilación, se
agrega 5 ml de hidróxido de sodio concentrado e inmediatamente se
conecta el vapor para que se produzca la destilación. Se conecta el
refrigerante y se recibe el destilado en un erlenmeyer conteniendo 5
ml. de la mezcla de ácido bórico más indicadores de pH.
- 71 -
La destilación termina cuando ya no pasa más amoníaco y hay viraje
del indicador, luego se procede a la titulación con ácido clorhídrico
valorado 0,05N. Se anota el gasto.
Cálculos :
ml.HCl x N mleq. Nit
% Nit = ------------------------------------ x 100
gramos muestra
Para la cantidad de proteína bruta, se multiplica por el factor
respectivo para lal alcachofa, 6.25
c)Determinación de Sustancias grasas.
En éste análisis se trata de determinar el contenido de grasa total de
una muestra de material estudiado.
Procedimiento
Para la determinación de la grasa por éste método se deben
usar muestras deshidratadas.
Se pesan 5 gramos de muestra secada, empaquetándola en un
pedazo de papel del filtro Whatman N° 2. Luego se coloca el paquete
en el cuerpo del aparato Soxhlet, y luego se agrega hexano destilado
hasta que una parte del mismo sea sinfoneado hacia el matraz.
El hexano al calentar debe evaporar a 69°C, ascendiendo a la
parte superior del cuerpo. Allí se condensa por refrigeración con
agua y cae sobre la muestra, regresando posteriormente al matraz
por sifón, arrastrando consigo la grasa.
Cálculos :
Pmg - Pmv
% Grasa = ------------------------- x 100
P mp
- 72 -
Donde :
Pmg = Peso del matraz con grasa
Pmv = Peso del matraz vacío
Pmp = Peso de la Materia prima
.
d)Determinación de Carbohidratos.
Entre los carbohidratos que forman parte de la lúcuma se
encuentra pocos azúcares. Estos se determinan de acuerdo a los
siguientes procedimientos:
-Determinación del Azúcar
Se agitan 10 g de la lúcuma en un matraz de un litro , con agua
destilada, después de haber dejado reposar se extrae el líquido , y
sobre una parte alícuota del mismo, concentrándola si fuese
necesario se determina los azúcares reductores con el licor de
Fehling.
e)Determinación de la Fibra Bruta
Pesar entre 1 ó 2 gr. de la lúcuma, depositarlo en un erlenmeyer de
un litro.
Con un dispensador añadir 200 ml. de ácido sulfúrico al 1,25 %
calentando hasta entrar ebullición. Se utiliza los primeros 30 a 40
ml para dispersar la muestra.
Se añade una gotas de agente antiespumante y se calienta para
que entre en ebullición.
Hervir suavemente durante 20 minutos bajo condensadores. Rotar
periódicamente los matraces para mezclar el contenido y
desprender las partículas adheridas a la pared.
- 73 -
Se filtra el contenido del matraz a través de un embudo buchner.
Se arrastra por lavado la muestra de nuevo hacia el matraz original
utilizando 200 ml de hidróxido de sodio a 1,25 % y calculando
hasta ebullición durante 30 minutos.
Se transfiere todo el material insoluble a un crisol de vidrio poroso
empleando agua hervida.
Se lava sucesivamente con agua hirviendo, ácido clorhídrico al 1 %
y agua hirviendo de nuevo hasta exento de ácido
Se lava dos veces con alcohol y tres veces y de secar a 100°C
hasta peso constante.
Incinerar en horno de mufla a 550°C durante una hora.
Enfriar el crisol en desecador y volver a pesar.
(W 2 – W 3 )
Contenido de Fibra ( % ) = -------------------- x 100
W1
Donde : W 1 es el peso de la muestra en gramos
W 2 es el peso de la materia insoluble en gramos
W 3 es el peso de las cenizas en gramos
f)Determinación de Cenizas
Se pesa 2 gramos de muestra de la lúcuma, previamente
desengrasada y pulverizada, se colocan en un crisol desecado, se
calienta en una mufla primero a 200°C
y luego se eleva la
temperatura hasta 650°C, por espacio de seis horas hasta
incineración total se deja enfriar y se retira a un desecador para su
posterior pesada, hasta obtener peso constante.
- 74 -
3.3.- Descripción del Proceso Experimental
La lúcuma proveniente del lugar de procedencia cultivada y
cosechada
,
es
sometida
al
siguiente
procedimiento
experimental:
Selección
La lúcuma es seleccionada de tal manera que se separa
aquellas que estén malogradas, magulladas o que presenten
deficiencias en su superficie.
Lavado
Una vez echas la selección, son lavadas con abundante agua,
con el fin de retirar la tierra adherido después de la cosecha que
pudo haberse quedado y que es muy perjudicial ..
Pelado y despepitado
Se realizara en forma manual, se elimina cáscara y pepas
Despulpado
Una vez pelado y extraída la pepa en forma manual, queda la
pulpa , el cual tiene que ser sometido a una leve molienda,
preparando para el siguiente operación , que es el secado.
Secado
La muestra se lleva a cabo al la mufla y durante el secado se
tomaran los pesos, cada 10 minutos, para obtener la curva de
secado
Envasado
Las muestras secadas se colocan en envases de plástico
transparente herméticamente cerrado.
Almacenado
Se almacenan a temperatura ambiente
- 75 -
Capitulo IV
Análisis y Tratamiento de los Resultados
4.1.- Resultados Obtenidos
4.1.1.- Del Análisis proximal de la lúcuma
En esta parte del trabajo de investigación, se realizan las
determinaciones de los principales parámetros del análisis proximal
de la materia prima como son :. La humedad, fibras, cenizas,
proteínas , grasas y carbohidratos, y que a continuación se dan los
resultados obtenidos.
- 76 -
Cuadro Nº 4.1
Determinación de la Humedad
Muestra
%
1
73.70
2
74.23
3
74.65
4
74.98
5
77.09
Promedio
Fuente: Elaborado por los autores
75.09
Cuadro Nº 4.2
Determinación de la Fibra
Muestra
%
1
1,94
2
1,87
3
1,97
4
1,08
5
1,07
Promedio
Fuente: Elaborado por los autores
- 77 -
1.98
Cuadro Nº 4.3
Determinación de la Cenizas
Muestra
%
1
0.78
2
0.67
3
0.54
4
0.63
5
0.56
Promedio
Fuente: Elaborado por los autores
0.63
Cuadro Nº 4.4
Determinación de Grasas
Muestra
%
1
0.43
2
0.44
3
0.42
4
0.43
5
0.42
Promedio
Fuente: Elaborado por los autores
- 78 -
0.43
Cuadro Nº 4.5
Determinación de las Proteínas
Muestra
%
1
1.10
2
1.11
3
1.15
4
1.12
5
1.10
Promedio
Fuente: Elaborado por los autores
1.12
Cuadro Nº 4.6
Determinación de los Carbohidratos
Muestra
%
1
23.50
2
23.22
3
23.12
4
23.15
5
23.17
Promedio
Fuente: Elaborado por los autores
- 79 -
23.23
Cuadro Nº 4.7
Resumen del Análisis Proximal
Muestra
%
Humedad
75.09
Fibra
1.98
Cenizas
0.63
Grasas
0.43
Proteínas
1.12
Carbohidratos
23.23
Fuente: Elaborado por los autores
- 80 -
4.1.2.- De los Parámetros óptimos en el secado de la lúcuma
Para la determinación de los parámetros óptimos en el secado de
la lúcuma
se llevaron a cabo determinaciones de tiempo de secado,
perdida de humedad de la lúcuma y peso de la lúcuma obtenida después
del secado.
Cuadro Nº 4.8
Resultados de los principales parámetros en el secado de la lúcuma
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 psicométrico (10-120 ºC)
basado en una presión barométrica de 101325 KPa (ver diagrama
psicométrico).
Tabla 1
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
- 81 -
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
0.7693
4.9
96.83
0.7615
5.9
96.17
0.7494
6.9
95.76
0.7420
7.9
95.03
0.7287
8.9
94.29
0.7152
9.9
93.69
0.7043
10.9
93.11
0.6938
11.9
92.54
0.6834
12.9
92.02
0.6740
13.9
91.38
0.6623
14.9
90.73
0.6505
15.9
90.31
0.6428
16.9
89.86
0.6347
17.9
89.52
0.6285
18.9
88.95
0.6181
19.9
88.38
0.6077
20.9
87.93
0.5995
21.9
87.26
0.5874
22.9
86.93
0.5814
23.9
86.38
0.5714
24.9
85.89
0.5624
25.9
85.35
0.5526
26.9
85.03
0.5468
27.9
84.66
0.5401
28.9
83.88
0.5259
29.9
83.26
0.5146
30.9
82.8
0.5062
- 82 -
31.9
82.2
0.4953
32.9
81.77
0.4875
33.9
81.55
0.4835
34.9
80.84
0.4706
35.9
80.4
0.4626
36.9
80.04
0.4560
37.9
79.69
0.4496
38.9
79.38
0.4440
39.9
78.96
0.4364
40.9
78.43
0.4267
41.9
77.73
0.4140
42.9
77.38
0.4076
43.9
76.97
0.4002
44.9
76.43
0.3903
45.9
75.8
0.3789
46.9
75.06
0.3654
47.9
74.67
0.3583
48.9
74.18
0.3494
49.9
73.72
0.3410
50.9
73.31
0.3336
51.9
72.92
0.3265
52.9
72.4
0.3170
53.9
72.25
0.3143
54.
72.02
0.3101
55.9
71.45
0.2997
56.9
70.81
0.2881
57.9
70.46
0.2817
58.9
70.3
0.2788
59.9
70.05
0.2743
60.9
69.52
0.2646
61.9
69.12
0.2574
62.9
68.77
0.2510
63.9
68.54
0.2468
64.9
67.99
0.2368
65.9
67.60
0.2297
66.9
66.87
0.2164
- 83 -
67.9
66.69
0.2132
68.9
66.38
0.2075
69.9
66.00
0.2006
70.9
65.59
0.1931
71.9
64.98
0.1820
72.9
64.77
0.1782
73.9
64.37
0.1710
74.9
63.86
0.1617
75.9
63.53
0.1557
76.9
63.20
0.1497
77.9
62.98
0.1457
78.9
62.44
0.1358
79.9
62.12
0.1300
80.9
61.81
0.1244
81.9
61.50
0.1187
82.9
61.21
0.1135
83.9
60.93
0.1084
84.9
60.72
0.1046
85.9
60.28
0.0965
86.9
60.05
0.0924
87.9
59.63
0.0847
88.9
59.32
0.0791
89.9
59.08
0.0747
90.9
58.79
0.0694
91.9
58.45
0.0633
92.9
58.2
0.0587
93.9
57.46
0.0452
94.9
57.03
0.0374
95.9
56.85
0.0342
96.9
56.63
0.0301
97.9
56.33
0.0247
98.9
56.07
0.0200
99.9
55.89
0.0167
100.9
55.99
0.0185
101.9
55.82
0.0154
102.9
55.42
0.0081
- 84 -
103.9
55.25
0.0050
104..9
54.97
0
Tie m po ve rs us cantidad de hum e dad
Cantidad de Agua (g)
120
100
80
60
40
20
0
0
50
100
Tie m po (s )
- 85 -
150
1
0.8
0.6
0.4
0.2
98.9
91.9
84.9
77.9
70.9
63.9
56.9
49.9
42.9
35.9
28.9
21.9
14.9
7.9
0
1.3
Perdida de agua (g)
Relacion del tiempo con respecto a la cantidad
de agua removida
tiem po (s)
Cantidad de agua
Removida (g)
La humedad perdida con relacion a la cantidad
de agua removida
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0
0
20
40
60
Tiempo (s)
- 86 -
80
100
120
4.2.- Análisis del secado de la lúcuma
De las diferentes pruebas que se ha llevado a cabo, antes
de establecer las pruebas experimentales definitivas en la
deshidratación de la lúcuma , nos permitieron definir los parámetros
y proporciones adecuadas y optimas para la obtención de este
producto.
La humedad inicial de la lúcuma fue aproximadamente del 92 %.
Las características de la pulpa es de color amarillo, textura suave al
tacto.
La temperatura inicial fue de 22ºC y la final fue de 80ºC.
El tiempo de secado fue de 110 minutos, notándose que el material
pierde al inicio mayor cantidad de humedad, posteriormente
disminuye por la poca cantidad que queda en las células de la
alcachofa, existiendo una disminución gradual de la humedad.
Observando los puntos de velocidad de secado versus tiempo de
secado se nota que es difícil determinar en que punto de la curva
se dan diferentes tipos de velocidades. Constantes, decreciente
debido en partes a características de la dada por la aleotoriedad de
los factores del secado y de la complejidad de la composición de la
lúcuma.
En cuanto a las características organolépticas del producto final se
observo que seguía teniendo el color, olor, sabor característico,
pero la textura es dura.
El porcentaje de humedad alcanzado al final del secado fue de 12
%, en base húmeda.
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)
- 87 -
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.
- 88 -
Conclusiones
1.-. De las pruebas llevadas a cabo, se puede concluir que, es posible
determinar los parámetros óptimos en el secado de la lúcuma.
2.- Los parámetros obtenidos son los siguientes:
Tiempo de secado 110 minutos, la variación de la temperatura fue entre
22 a 80ªC, se ha eliminado el 62 % de humedad.
El producto obtenido por este método conserva las características
organolépticas del producto fresco, excepto que la textura de suave pasa
a dura.
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.
- 89 -
Recomendaciones
Al finalizar la presente investigación se recomienda realizar los estudios
correspondientes a nivel de planta piloto y su posterior proyecto de pre
factibilidad, para la instalación de una planta industrial.
Es necesario la implementación de un laboratorio bromatológico
especializado.
- 90 -
Bibliografía
1.- ABUCCI SILVIO, ANTONIO MALLE " El secado en las unidades de
química fina". 1991./pág 1-3.
2.- CLARK. G. y HAMLEY. G. .- “Enciclopedia de Química Omega S. A. –
Barcelona 1985.
3.CHARLES, HELEN “ Tecnología de Alimentos” Edit. Limusa- México1987
4.- Cheptel, Henry. “ Introducción a la Bioquímica y Tecnología de los
Alimentos” Editorial Acribia. 1976. Vol I
5.- HART. L.- “Análisis Modernos de los Alimentos” Editorial Acribia 1984.
6. HAZEN, T.E.; CURRY, N.H. Psychrometry In agricultural engineering.
Transactions of the ASAE, St. Joseph, Michigan, 11 (2): 180-184, 1968.
7.- DEVORE, G. Y MUÑOZ, M. .- “Química Orgánica Publicaciones
Culturales – México 1985.
8. ECO, UMBERTO “ Como se hace una Tesis. Técnicas y
procedimientos de Investigación, estudio y escritura. Sexta Edición.
Editorial Gedisa. España, 1984.
9. FEISER. L. y FEISER , M. .- “Química Orgánica Superior” Ediciones
Grijalbo S. A. – España – 1985.
10.- HALASZ, L Capítulos da técnica de refrigeraçao. Campinas, Sao
Paulo, Fundaçao Tropical de Pesquisas e Tecnologia, 1980.
11. HENDERSON, S.M. 8 PERRY, R.L Agricultural process engineering.
Westport, Connecticut, The AVI Publishing Company, 1979.
12.- JACOBS, M. .- “Química y Tecnología de los Alimentos y Productos
Alimenticios” Interciencie Publishers Inc New York – 1989.
13.- JACOBS, M.- “Análisis Químico de los Alimentos y Productos
Alimenticios” – Interciencie Publishers Inc. New York – 1989.
-1-
14. JURAN, J.M. “ Manual del Control de Calidad”. Editorial RevertéBarcelona- 1985
15. KNOULE F. " El secado". Bilbao. Ediciones Urno. 1968./pág 50-150.
16.- KASATKIN A. " Operaciones básicas y aparatos en la tecnología
química. T-I./pág 262-366
17. PALMATIER, E.P. The psycrometric chart and its aplication.
Transactions of the ASAE, St. Joseph, Michigan, 11(2): 181-184, 1968.
18.- PAPE, H.- “Biotecnología” – Volumen IV – Ediciones Rehn G. Reed –
USA – 1980.
19.- PAVLOB, B. – “Curso de Química Orgánica” – Editorial MIR – Moscú
– 1980.
20. PERRY J. H. " Chemical Engineering Handbook. 6ta Edición. Mc Graw
Hill, New York./pág 20, 7-20, 8.
22.-PEARSON DAVID “ Técnicas de Laboratorio para el Análisis de
Alimentos” . Editorial Acribia. Zaragoza. 1986
21. LEE, J.F. 8 SEARS, F.W. Termodinamica, Sao Paulo, Editora
Universidade de Sao Paulo, 1969.
22.- SCOUT. V. “ Elementos de Tecnología de Alimentos”. Editorial
Continental. México. 1993
23. SILVA, J.S. & COELHO, D.T. Noçoes de Climatología, Viçosa, Minas
Gerais, CENTREINAR, 1979.
24. SILVA, M.B. Termodinamica. Sao Paulo, Editora Mc Graw-Hill do
Brasil Ltda., 1972.
25. TREYBAL R. C. " Operaciones con transferencia de masa". Cap.
XII./pág 653.
26. NOVA, N.A.V.; OMETO, J.C. & SALATI, E. Aspectos termodinamicos
da atmosfera. Piracicaba, Sao Paulo, Estola Superior de Agricultura Luiz
de Queiroz, 1972.
27. VAN WYLEM, G.J. & SONTAG, R.E. Fundamentos da termodinamica
clássica. Sao Paulo, Editora Edgard Blucher Ltda., 1976.
28.- VILLAVECHIA, V.- “Tratado de Química Analítica Aplicada” – Editorial
Gustavo Gili S. A. Barcelona – 1969.
-2-
29.- WINTON, A.- “Estructura y Composición de los Alimentos” – John
Wiley y Sona – Inc - New York – 1989.
30.- WILLSON Y LOOMIS.- “Botánica” – Editorial - UTEHA S. A. – México
– 1980.
Indice
Pag.
Introducción
Indice
Capitulo I
Generalidades
1.1.- Titulo
01
1.2.- Área del estudio
01
1.3.- Antecedentes locales
01
1.4.- Fundamentacion del estudio
02
1.4.1.- Definición del Problema
02
1.4.2.- Objetivos
03
-3-
1.4.2.1.- Objetivo General
03
1.4.2.2.- Objetivos específicos
03
1.5.- Hipótesis
05
1.6.- Productos del proyecto
04
1.7.- Metodología
04
1.7.1.- Variables
04
Capitulo II
Marco Teórico
2.1.- Estudio de la Materia Prima
05
2.1.1.- La lúcuma
05
2.1.1.1.-Descripción Botánica
06
2.1.1.2.- Ecología y adaptación
06
2.1.1.3. La planta y su cultivo
07
-4-
2.1.1.4.- Principales plagas y enfermedades
08
2.1.1.5.- Perspectivas del Mejoramiento Genético.
10
2.1.1.6.- Composición química del valor nutricional
10
2.2.- El Secado
13
2.2.1.- Contenido de humedad de equilibrio
16
2.2.2.- Formas de enlace de la humedad con el material.
17
2.2.3.- Definiciones fundamentales.
18
2.2.4.- Humedad de equilibrio
19
2.2.5.- Humedad libre
19
2.2.6.- Clasificación de la operación de secado
19
2.2.7.- Tipos de secaderos
22
2.2.8.-Mecanismos y cinética de secado.
Transferencia de masa y calor.
26
2.2.9.- -Movimiento de la humedad dentro del sólido
28
2.2.10 .-Curvas fundamentales de secado.
29
-5-
2.3.- Psicometría
37
2.3.1.- Aire atmosférico
38
2.3.2.- Propiedades termodinámicas del aire húmedo
40
2.3.3.- Grafico psicométrico
44
2.3.4.- Ecuaciones psicométricas
46
2.3.5.- Higroscopia
47
2.3.6.-Fenomeno de "sorcion
48
Capitulo III Procedimiento Experimental
3.1.- Materiales, y Reactivos
69
3.2.- Control de Calidad de la materia prima
70
3.3.- Descripción del Proceso experimental
75
Capitulo IV Análisis y tratamiento de los Resultados
4.1.- Resultados Obtenidos
76
4.1.1.- Del Análisis proximal de la lúcuma
76
-6-
4.1.2.- De los Parámetros óptimos en el secado de
la lúcuma
80
4.2.- Análisis del secado de la lúcuma
87
Conclusiones
Recomendaciones
Bibliografía
Introducción
El secado de los alimentos es uno de los métodos más antiguos que ha
utilizado el hombre para conservar sus alimentos.
-7-
El hombre primitivo utilizó la energía solar que calentaba el medio
ambiente, para secar sus alimentos al aire libre. Actualmente el secado de
frutas y hortalizas es un proceso industrial muy importante en la
preservación de la calidad de los productos agrícolas.
El secado o deshidratación consiste en la extracción del agua contenida
en los alimentos por medios físicos hasta que el nivel de agua sea
adecuada para su conservación por largos periodos.
En el mundo se han desplegado muchos esfuerzos con el fin de aumentar
la producción y la productividad de los productos agrícolas. Estos
esfuerzos, que exigen inversiones importantes, se han visto parcialmente
neutralizados por las pérdidas que se producen después de la
maduración de los diversos productos agrícolas .
Un sistema de secado y almacenamiento exige costos de inversión
relativamente elevados, dependiendo del poder adquisitivo del comprador.
La adquisición o construcción de un sistema de secado involucra la
necesidad de adiestramiento técnico del usuario, para que pueda
aprovechar al máximo los beneficios que la tecnología instalada puede
ofrecer, puesto que las ventajas del sistema dependen de su buen
manejo. Además de conocer las características del equipo de secado, el
usuario debe saber que su capacidad de negociación aumenta en la
comercialización, al obtener un producto de mejor calidad.
-8-
UNIVERSIDAD NACIONAL “ SAN LUIS GONZAGA” DE ICA
FACULTAD DE INGENIERIA QUÍMICA
Tésis
Determinación de los parámetros, en el secado de lúcuma
(Pouteria obovata)
Presentado Por:
Huaman Uribe, Isabel
Alvarez Aparcana, Luis
Ica- Perú
2008
-9-
PROGRAMA DE APOYO ATINA Y EL CARIBE - PROMER
10