La comprensión del papel de la estructura en el proceso de secado es útil para el diseño de alimentos deshidratados, el proceso de secado, y el diseño de equipos [14]. Existen varias técnicas para realizar este proceso, entre ellas el secado solar directo e indirecto, secado con gases calientes, con secaderos por conducción, por convección, por métodos combinados, liofilización, etc.
Una idea de la importancia que tienen los procesos de secado se puede leer en los estudios hechos por Franzen [15], quien en 1987 estimó que a nivel mundial más de 2 x108 kJ de energía se consumen solamente en el secado de alimentos cada año. Por otro lado, Strumillo [16], determinó que el 12% del consumo mundial de energía a nivel industrial es destinado a los procesos de secado. A pesar de que los datos anteriores señalan al secado como uno de los procesos a nivel industrial más empleado, todavía se desconocen muchos aspectos relacionados con las etapas y los mecanismos implicados en el mismo. Esto se debe en gran parte a la complejidad de la estructura de los materiales a secar, porque a nivel microscópico son muy irregulares y complejos.
En años recientes se ha incrementado la aplicación de técnicas de procesamiento de imágenes para la evaluación de la calidad de alimentos [17]. Teniendo la ventaja de que es una herramienta no invasiva, no destructiva, que ha sido desarrollada y ampliamente estudiada con resultados que permiten describir con una gran precisión y detalle características de los alimentos. Estas técnicas se han aplicado principalmente para evaluación de color, evaluación de tamaños y formas, evaluación topográfica, así como de características internas de los alimentos [25].
El objetivo del análisis de imágenes dentro del proceso de secado, es obtener información relevante de una imagen, y sobre todo de una imagen digital, [18], principalmente durante su deshidratación (en tiempo real). La tarea puede ser tan simple como medir el color de un material [19] o algo más sofisticado como el análisis de la microestructura de alimentos. El uso de herramientas básicas es una tarea tediosa y consume mucho tiempo, por lo que el uso del proceso de imágenes digitales mediante computadora es ideal para reducir el tiempo invertido en su análisis [20].
El análisis de imágenes digitales (DIA por sus siglas en inglés), como una técnica altamente informatizada, tiene muchas ventajas para cumplir estas tareas en comparación con la inspección visual subjetiva: es cuantitativa, precisa, exacta, objetiva y también una técnica rápida [21],[22]. Además, el crecimiento continuo de la potencia de cálculo permite el uso de algoritmos cada vez más sofisticados para manejar la información de una imagen con resultados de fácil interpretación [23]. De acuerdo con Galbiati [24], esta tecnología es multidisciplinaria, en el sentido que hace uso de los conocimientos tradicionales de la ingeniería y programación de computadoras para las diferentes etapas del proceso. El uso de la tecnología de visión se ha especializado durante las últimas tres décadas al utilizarlas en procesos industriales, militares y espaciales. La imagen digital tendrá un gran impacto en todas las tareas laborales en los próximos años debido a que las tecnologías de apoyo han progresado hasta el punto en que el uso de esta tecnología es ahora viable. Se necesitan tres condiciones principales para la aplicación generalizada de una nueva tecnología: (1) Hardware confiable a un costo razonable, (2) personal que tenga el hardware y conocimientos de programación para aplicar la tecnología y (3) la necesidad o un problema que requiera una solución [24]. Un ejemplo del crecimiento de la utilización de DIA es el número de investigadores que emplean la técnica: en el año 1986, una investigación de Ciencias de la Alimentación en resúmenes tecnológicos que utilizaban el análisis de imágenes pudo identificar únicamente 6 artículos para ese año, en 2000, la misma búsqueda produjo 65 artículos de revistas y dos patentes [25]. Por otra parte, se publicó un libro escrito por Davies (2000) titulado: "Procesamiento de Imágenes para la Industria Alimentaria", en el cual se dan antecedentes detallados sobre lo que es procesamiento de imágenes y además expone como se puede aplicar dicho análisis en las principales áreas de producción y procesamiento de alimentos. [26].
A fines del siglo XIX y principios del XX, se desarrollaron sistemas artificiales de secado que sustituyeron el secado por medio del sol. Los secadores de tambor y por aspersión se desarrollaron antes de la 2ª. guerra mundial y fueron usados ampliamente para secado de leche y huevo [27].
El secado es el proceso mediante el cual se elimina agua o humedad para detener o hacer más lento el crecimiento de microorganismos patógenos o de algunas reacciones químicas. Los términos secado y deshidratación no son sinónimos, el departamento de agricultura de
Estados Unidos de Norteamérica define a los alimentos deshidratados a aquellos con no más del 2.5% de agua (base húmeda), mientras que el secado es aquel que ha sido expuesto a procesos para retirar humedad y quedan con más del 2.5 % de humedad base [28].
La eliminación de agua se realiza principalmente por convección, por contacto directo con aire seco y caliente (aunque existen otras técnicas de secado indirecto por conducción secado por congelación y por ósmosis, etc.), el cual evapora el agua de la superficie. El proceso de secado de alimentos no sólo afecta el contenido de agua del producto sino que hay propiedades físicas y químicas que se afectan, entre las características que se estudian para describir el proceso de secado de alimentos se encuentran: Actividad del agua, isotermas de sorción, deterioro microbiano, reacciones enzimáticas y no enzimáticas, fenómenos físicos y estructurales y comportamiento de aromas, sabores y nutrientes [29]. Contenido de humedad.
El secado es una operación de transferencia simultánea de masa y energía que consiste en la separación de un líquido (agua) a partir de un sólido y la transferencia de calor desde el medio caliente, hacia el material a deshidratar [30]. No obstante la definición anterior, en ocasiones también se considera como secado el eliminar agua a partir de materiales no sólidos. Los factores que influyen en el secado son el contenido de humedad del material, su distribución dentro del mismo, la microestructura del material y su composición química, la humedad y temperatura del aire de secado y las contribuciones de las diferentes formas de calentamiento del material: conducción, convección y radiación. El factor limitante de la deshidratación de un material puede ser cualquiera de los mencionados anteriormente o combinaciones de ellos. La optimización del secado consiste en detectar cual es el factor limitante y tratar de reducirlo.
Existen diferentes métodos para medir el contenido de humedad de un producto. Los métodos indirectos utilizan la dependencia de una propiedad del producto (p.ej. su conductividad eléctrica) con el contenido de humedad, consiguiendo una medición rápida pero que requiere de un equipo muy especializado. La determinación directa del contenido de humedad implica medir la masa de producto y la masa seca correspondiente al eliminar el agua evaporable contenida en él, aplicando calor a una temperatura que sea suficiente
para eliminar agua del material, hasta alcanzar un peso constante de la muestra. Este método, aunque es el más utilizado, presenta como principal inconveniente el que al evaporar el agua se pueden eliminar, al mismo tiempo, otras sustancias volátiles del producto lo cual puede suponer errores en la obtención de dicha variable. Una manera de reducir los efectos no deseados por la evaporación de elementos no deseados, es secar en condiciones de baja presión.
La cantidad de humedad presente en un material puede ser expresada en base húmeda o en base seca, e indicada como decimal o porcentaje [31], [32]. El contenido de humedad en base húmeda, definido como el peso del agua presente en el producto por unidad de peso del material sin secar, viene dado por la ecuación. (1). De igual manera, el contenido de humedad en base seca, definido como el peso del agua presente en el producto por unidad de peso del material seco, se indica en la expresión (2).
donde Mwb es la humedad en base húmeda (kgagua/kgprod. húmedo), Mdb es la humedad en base seca (kgagua/kgprod.seco), W0 es el peso inicial de material sin secar (kg), Ww es la cantidad de agua en el producto húmedo (kg) y Wd es el peso de la materia seca en el producto (kg)[ 31]. El secado se define como la eliminación de la humedad de un producto, y en la mayoría de las situaciones prácticas la etapa principal durante esta operación es la transferencia interna de materia. En los procesos de secado, los mecanismos de transferencia de agua en el producto que se está secando se pueden resumir en los siguientes [33]: Movimiento de de agua bajo fuerzas capilares, difusión del líquido por gradientes de concentración, difusión superficial, difusión del vapor de agua en los poros llenos de aire, flujo debido a gradientes de presión y flujo debido a la vaporización- condensación del vapor de agua. Las fuerzas capilares son responsables de la retención del agua en los poros de los sólidos de construcción rígida, mientras que en los sólidos formados por agregados de polvos finos, es la presión osmótica la responsable de esta retención, así como en la superficie del sólido.
Definición de conceptos
En este apartado se presentan las definiciones de los conceptos más representativos que se utilizarán para la investigación.
Operación de secado.
En los procesos de secado los datos suelen expresarse como la variación que experimenta el peso del producto que se está secando con el tiempo (Figura. 28. Curvas de secado). Aunque a veces los datos de secado pueden expresarse en términos de la velocidad de secado.
Figura. 28. Curvas de secado.
El contenido en humedad del producto se define como la relación entre la cantidad de agua en el alimento y la cantidad de sólidos secos, y se expresa como:
En la que es el peso total de material en un tiempo determinado, siendo el peso de los sólidos secos, e la humedad expresada como peso de agua/peso de sólido seco. En los procesos de secado, una variable muy importante es la denominada contenido de humedad libre, Y, que se define como:
Peso d e l Pr o d u cto (g) Tíempo (min)
En donde es el contenido de humedad cuando se alcanza el equilibrio. Una típica curva de secado se obtiene al representar el contenido de humedad libre frente al tiempo de secado.
La velocidad de secado, R, es proporcional al cambio del contenido de humedad con el
tiempo:
La velocidad del secado R se puede expresar como [34]:
En la que es el caudal sólido seco, y A el área de la superficie que se está secando. Al representar la velocidad de secado frente al tiempo se obtiene una curva de secado como la El proceso de secado de un material, puede describirse por una serie de etapas en las que la velocidad de secado juega un papel determinante. En la Figura. 29 se muestra una típica curva de velocidad de secado en la que los puntos A y A´ representan el inicio de secado para un material frío y caliente, respectivamente. El punto B representa la condición de temperatura de equilibrio de la superficie del producto. El tiempo transcurrido para pasar de A o A´ a B suele ser bajo, y a menudo se desprecia en los cálculos del tiempo de secado. El tramo de la curva B-C es conocido como período de velocidad constante de secado y está asociado a la eliminación del agua no ligada al producto, en el que el agua se comporta como si el sólido no estuviera presente. Al inicio, la superficie del producto se encuentra muy húmeda, presentando una actividad de agua cercana a la unidad. En los sólidos porosos el agua eliminada en la superficie es compensada por el flujo de agua desde el interior del sólido. El período de velocidad constante continúa mientras el agua evaporada en la superficie pueda ser compensada por la que se encuentra en el interior. La temperatura en la superficie se corresponde aproximadamente a la de bulbo húmedo [34] [35].
El período de velocidad decreciente se da cuando la velocidad de secado no se mantiene constante y empieza a disminuir, además, la actividad de agua en la superficie se hace menor que la unidad. En este caso, la velocidad de secado está gobernada por el flujo interno del agua y vapor. Es en este punto 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, la cual decrece cada vez más al disminuir la humedad del sólido. Esto implica dos modelos 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 [36].