Curvas de Secado

Son curvas construidas a partir de datos experimentales que dan información sobre la velocidad de secado de un alimento bajo determinadas condiciones. Se obtienen preferiblemente en un equipo que reproduzca lo más fielmente posible

28 el equipo de proceso usando condiciones de aire que se asemejen a las que se usan en el mismo. La información obtenida de estas curvas es útil para propósitos de:

1. Estimar el tamaño del secador

2. Establecer las condiciones de operación

3. Calcular, estimar o aún predecir el tiempo de secado

La velocidad de secado de un material depende de sus propiedades y densidad global; así como de su contenido de humedad inicial y en equilibrio. La velocidad de secado no es la misma durante todo el proceso. La representación gráfica de la velocidad de secado frente a la humedad del producto o frente al tiempo se denomina “curva de secado”, y será diferente según sea el tipo de producto a deshidratar. Generalmente la forma de las curvas de secado es complicada y deben obtenerse experimentalmente.

Figura 2. Curvas de velocidad de secado Fuente: Sharma (2003)

29 En la Figura 2, se representa una curva de secado. El producto se encuentra inicialmente en el punto A. En la etapa inicial del secado (AB) el agua se calienta lentamente. En el punto B, la temperatura de la superficie alcanza su valor de equilibrio. Cuando el sólido está a una temperatura por arriba de la temperatura de operación, la velocidad de secado empieza en el punto A’.

Posteriormente, inicia una pérdida de agua a velocidad constante (BC). El periodo de velocidad de secado constante se caracteriza por la evaporación de la humedad a partir de una superficie saturada. El secado de velocidad constante equivale fundamentalmente a evaporación a partir de un cuerpo de agua grande y es independiente del tipo de solido (Sharma, 2003). Esta etapa finaliza cuando se alcanza la llamada humedad crítica (Xc), facilmente identificable en las curvas de secado por el cambio brusco de velocidad. En esta etapa no hay suficiente agua en la superficie para mantener una película continua. La velocidad empieza a decrecer (CD), pudiendo existir uno o varios periodos de velocidad decreciente. El periodo de velocidad decreciente es por lo general el periodo más largo de una operación de secado y depende de la temperatura del aire, velocidad del aire y del espesor del alimento. Es posible que la cantidad de humedad que se elimina durante el periodo de velocidad decreciente sea pequeña; sin embargo los tiempos de secado pueden ser prolongados.

Una curva de interés para el diseño de secado de frutas es la que relaciona el tiempo de secado con la pérdida de humedad (Figura 3). En esta curva se puede observar la disminución de la cantidad de agua en la muestra a medida que transcurre el tiempo; la cual puede ser directamente analizada para la

30 determinación de tiempos de secado de grandes masas, hasta llegar al más bajo nivel de humedad.

Figura 3. Contenido de humedad en función del tiempo Fuente: Mujamdar (2000)

Si el proceso se lleva a cabo en las mismas condiciones de proceso, para mejores resultados es conveniente comparar en una gráfica donde se coloca la velocidad de secado versus el contenido de humedad libre. En la curva se puede definir las diferentes etapas, tales como: A-B, es un período de equilibrio, donde la superficie busca un equilibrio con el aire. Este período es usualmente corto comparado con el tiempo total de secado. B-C es el periodo de velocidad constante, aquí la superficie del alimento se encuentra saturada con agua;

como el agua es evaporada desde la interfase, el agua del interior se mueve hacia la superficie.

En la Figura 4 se muestra la curva de las diferentes etapas que transcurre durante el secado. La velocidad de secado, es limitado por la velocidad de transferencia de calor hacia el alimento desde el aire caliente. La temperatura

31 es usualmente la temperatura de bulbo húmedo. La siguiente etapa correspondiente a C-D, representa el período de velocidad decreciente, este es caracterizado por un ligero incremento de la temperatura del producto, la velocidad de secado es controlada por la difusión de la humedad hacia la superficie.

Figura 4. Velocidad de secado (dW/dt) en función del tiempo 2.6 CINETICA DE SECADO

La cinética de secado muestra la variación de la humedad del material (intensidad de evaporación) con el tiempo. Las curvas de cinética de secado dan idea del tiempo necesario de secado, del consumo de energía, del mecanismo de transferencia de agua, de las condiciones predominantes en la transferencia de calor y masa, y de la influencia que tienen en la velocidad de secado las variables de proceso tales como:

la temperatura, humedad de entrada, velocidad del aire, etc. Esto permite realizar un diseño o una selección más eficiente de secaderos así como de las variables de proceso (Garcia y Shimalko, 2007).

32 La cinética de secado es de gran utilidad, ya que permite el estudio del proceso de secado bajo condiciones controladas. Además es esencial para un correcto diseño del proceso de secado, lo que permite obtener un producto de calidad. La descripción de la cinética de secado contempla:

Movimiento de la humedad: la transferencia de masa, es decir del agua, ocurre durante el secado como líquido, vapor o ambos dentro del sólido y vapor desde las superficies húmedas. La resistencia a la transferencia de materia, y no a la transmisión de calor, puede controlar la velocidad de secado (McCabe, et al.,1991).

Al igual que en otros procesos de transferencia, como transferencia de masa, el proceso de secado de materiales debe considerarse desde el punto de vista de las relaciones de equilibrio (aire-vapor de agua y el material sólido) y además, de las relaciones de velocidad (Geankoplis, 1998).

Difusión dentro del sólido: dependiendo de la naturaleza del sólido el secado puede basarse tanto en el mecanismo interno de la circulación del líquido como en el efecto de las condiciones externas. En el caso de sólidos no porosos este periodo puede ser descrito por un modelo de difusión y para sólidos porosos por un modelo de flujo capilar.

Modelo de difusión: es característico de los materiales que se secan lentamente. La resistencia a la transferencia de vapor de agua desde la superficie del sólido hasta el aire es generalmente despreciable y la difusión dentro del sólido controla la velocidad global de secado. Por tanto, el contenido de humedad en la superficie es muy próximo a la humedad de equilibrio. La velocidad del aire tiene poco o ningún efecto, mientras que su humedad influye sobre el proceso al determinar la humedad de

33 equilibrio (McCabe, et al., 1991). En el modelo de difusión es aplicable la segunda ley de Fick que describe el comportamiento de humedad en un sólido no poroso.

Modelo de flujo capilar: se puede suponer que un lecho empacado de esferas no porosas contiene espacios vacíos entre dichas esferas que se llaman poros. A medida que se evapora el agua, las fuerzas capilares se ponen en acción debido a la tensión interfacial entre el agua y el sólido. Estas fuerzas proporcionan la fuerza impulsora para el movimiento del agua a través de los poros hacia la superficie de secado, el agua puede fluir desde regiones de concentración elevadas hasta las de bajas concentraciones como resultado de una acción capilar en lugar de difusión, por lo cual es aplicable la primera ley de Fick en lugar de la segunda