PROYECTO MEJORA DE LAS ECONOMÍAS REGIONALES Y DESARROLLO LOCAL
el secado a pequeña escala de las frutas y cucurbitáceas y raíces
CUADERNO TECNOLÓGICO Nº25 Autor: Doctor Max Reynes
Consultor internacional especialista en el tema, provisto en el marco del contrato con Eptisa de España
Noviembre de 2015
PROYECTO MEJORA DE LAS ECONOMÍAS REGIONALES Y DESARROLLO LOCAL
Delegación de la Comisión Europea en Argentina Ayacucho 1537 Ciudad de Buenos Aires Teléfono (54-11) 4805-3759 Fax (54-11) 4801-1594 Instituto Nacional de Tecnología Industrial Gerencia de Cooperación Económica e Institucional Avenida General Paz 5445 - Edificio 2 oficina 212 Teléfono (54 11) 4724 6253 | 6490 Fax (54 11) 4752 5919
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Contacto Información y Visibilidad: Lic. Gabriela Sánchez gabriela@inti.gob.ar
el secado a pequeña escala de las frutas y cucurbitáceas y raíces
CUADERNO TECNOLÓGICO Nº25 Autor: Doctor Max Reynes
Consultor internacional especialista en el tema, provisto en el marco del contrato con Eptisa de España
Noviembre de 2015
INDICE
1. presentación................................................................................................................................. 4
2. INTRODUCCIÓN................................................................................................................................. 6
3. LOS PRINCIPIOS DEL SECADO.......................................................................................................... 7 3.1 LAS DEFINCIONES................................................................................................................... 7 3.2 EL AGUA DEL PRODUCTO....................................................................................................... 8 3.3 LAS CURVAS DE SORPCION................................................................................................... 9 3.4 LAS CINÉTICAS DE SECADO.................................................................................................. 10
4. LAS TRANFERENCIAS DE CALOR Y AGUA...................................................................................... 7 4.a LA TRANSFERENCIA DE calor 4.b LA TRANSFERENCIA DEL AGUA
4.1el diagrama psicrométrico o de Mollier............................................................... 15
5. EL RENDIMIENTO ENERGÉTICO .................................................................................................... 17 5.1 ENERGÍA Y EFICIENCIA TÉRMICA........................................................................................ 17 5.2 COMPARATIVO SECADEROS y RENDIMIENTO SECADO.................................................... 17
6. LOS SECADEROS SOLARES........................................................................................................... 18 6.1 LOS PRINCIPALES TIPOS DE SECADEROS SOLARES ........................................................ 18 6.2 PASOS PRINCIPALES PARA SECAR Y LOS RENDIMIENTOS ESPERADOS....................... 21
7. CALIDAD DE LOS PRODUCTOs...................................................................................................... 23 7.1 LOS CAMBIOS DE CALIDAD.................................................................................................. 23 7.2 LOS PRETRATAMIENTOS POSIBLES................................................................................... 24 7.3 CONSERVACIÓN Y ALMACENAMIENTO.............................................................................. 25 7.4 RIESGOS DE COMTAMINACIONES .................................................................................... 25
8. BIBLIOGRAFÍA Y FUENTES............................................................................................................ 27
1. presentación
La Unión Europea y el INTI firmaron un convenio de financiación destinado a mejorar la competitividad de las miPyMEs del norte argentino acercando respuestas tecnológicas apropiadas al nuevo entorno productivo industrial. Los responsables de la ejecución del Proyecto ”Mejora de las Economías Regionales y Desarrollo Local” son el Instituto Nacional de Tecnología Industrial (INTI), en representación del gobierno nacional, y la Delegación de la Unión Europea en Argentina.
Durante más de medio siglo, el INTI ha construido capacidades profesionales e infraestructura tecnológica de relevancia que lo posicionan hoy como actor importante para aportar innovación tecnológica aplicada a los procesos productivos de toda la economía y para el desarrollo de soluciones industriales que incrementen la productividad y la competitividad de la industria nacional.
Con la ejecución de este proyecto se busca acercar la tecnología y las capacidades técnicas a las regiones de menor desarrollo relativo del país, poniendo a disposición de las miPyMEs y Pymes los medios para satisfacer las demandas de mejora de eficiencia y calidad de sus productos y/o servicios para dar un salto cualitativo en cada una de las provincias del NOA y NEA.
Por tanto, a través de un diagnóstico y evaluación de necesidades tecnológicas hecho en articulación con los gobiernos provinciales, se diseñó un plan de acción sectorial que se implementará hasta el 2015, en cinco sectores industriales determinados como prioritarios: industrialización de alimentos, curtiembre, textil, y metalmecánica junto a la gestión medioambiental como eje transversal a los sectores industriales anteriores.
El proyecto Mejora de las Economías Regionales y Desarrollo Local surge como parte de las acciones de vinculación internacional del INTI, en donde la cooperación técnica con organismos públicos y privados del mundo -presentes en el campo tecnológico- favorecen el intercambio de conocimientos como elemento fundamental para el desarrollo industrial local.
En esa dirección, uno de los componentes de este proyecto es la convocatoria de especialistas en diversas temáticas, para cumplir con misiones de trabajo en nuestro país. El objetivo de cada misión es brindar capacitaciones específicas a técnicos de las provincias norteñas, de acuerdo a la especialidad de cada experto, a grupos de trabajo de Centros Regionales de Investigación y Desarrollo así como a Unidades Operativas que conforman la red INTI, y brindar asistencia técnica a las miPyMEs que acompañen el desarrollo de las actividades del proyecto. Además, mantienen entrevistas con actores locales quienes constituyen un recurso esencial y estratégico para alcanzar los objetivos planteados.
La publicación que se dispone a conocer ha sido concebida como resultado de una misión técnica de uno de los expertos intervinientes en este proyecto. Cada experto al finalizar su trabajo en el país, elabora un informe técnico con recomendaciones para el fortalecimiento del sector para el cual fue convocado y que da lugar a la presente producción, editada con el propósito de divulgar los conocimientos a partir de las necesidades
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detectadas y los resultados del intercambio efectivo hecho en territorio, conjugando los basamentos teóricos con la realidad local.
Dra. Graciela Muset Directora del Proyecto Mejora de las Economías Regionales y Desarrollo Local
Este documento ha sido realizado con la ayuda financiera de la Comunidad Europea. Su contenido es responsabilidad exclusiva del Doctor Max Reynes y, en ningún caso, se debe considerar que refleja opinión oficial de la Unión Europea
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2. INTRODUCCION
El INTI de Argentina y la Unión Europea, dentro de un acuerdo de cooperación desarrollan asistencias técnicas a productores agrícolas de las regiones de NOA y NEA en el marco del proyecto ”Mejora de las Economías Regionales y Desarrollo Local”.
Para apoyar a las microempresas rurales y las pequeñas y medianas empresas MiPymes, el INTI junto a la Unión Europea, tienen el objetivo de capacitar, informar, y asistir a los productores de pequeña escala, los industriales rurales, los funcionarios de las diferentes dependencias involucradas en el desarrollo rural, y especialmente interesados en dar apoyo a la política de ”industrializar la ruralidad”.
Este cuaderno tecnológico que se presenta aquí, sobre la tecnología de secado que se podría usar a pequeña escala, pretende servir de guía y de capacitación mínima a los productores locales interesados para mejorar el secado de sus productos y para las distintas agencias públicas que los respaldan.
Este cuaderno va presentar los datos básicos útiles para entender el proceso de secado, con valores técnicos, permitiendo a cada uno entender el fenómeno de extracción de agua de un producto fresco mediante un flujo de aire seco.
El objetivo es entonces presentar los principios del proceso de secado tomando en cuenta que este proceso de secado puede combinarse o no con otros procesos (confitación por ejemplo) y que sea implementado a baja escala con poca inversión.
El secadero permite procesar casi todas las frutas locales y cucurbitáceas que se encuentran en las provincias visitadas del NEA y NOA como los zapallos, algarroba, tubérculos, plantas aromáticas, frutas, tallos y tubérculos.
Se ha excluido (para responder a los objetivos del cuaderno) las técnicas de alta inversión y alto costo de mantenimiento como los secaderos por atomización, liofilización y rollos.
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3. LOS PRINCIPIOS DEL SECADO
Para adaptar las tecnologías a las realidades de las regiones del NEA y NOA, nos pareció conveniente exponer las bases teóricas y científicas del interés de la deshidratación con aire mediante un secadero para la conservación a pequeña escala de los productos perecederos y la valorización de un producto fresco con corto tiempo de almacenamiento, con alto contenido de agua.
El proceso de secado puede ser adaptado a empresas familiares con inversión escasa. El secado de las frutas y vegetales permite conservar un producto al principio rico en agua y fácilmente perecedero. Este proceso elimina parcialmente el agua del producto mediante una acción combinada del calor y de un flujo de aire. En general se logra obtener un producto seco que tendrá entre 10 y 15% de contenido de agua (un producto fresco tiene 80/90% de agua), mediante varios tipos de secaderos que pueden funcionar mediante una energía externa que puede ser el calor del sol, u otra fuente de energía.
3.1 LAS DEFINICIONES
Los contenidos en agua, las humedades y la noción de actividad de agua de un producto.
Un producto está caracterizado por: • su contenido en agua: contenido Kg en agua/Kg materia seca • su humedad es caracterizada por el Kg de agua/Kg de materia fresca (base húmeda)
La materia seca es entonces expresada en %: masa materia seca/masa producto húmedo.
La temperatura húmeda es la temperatura medida con un termómetro (cubierto de tela o algodón mojado). Es siempre menor o igual a la temperatura del aire dado que la evaporación del agua del algodón va a enfriar el bulbo del termómetro. Su medida era antes la única manera de evaluar la humedad del aire. El aire húmedo es el conjunto de aire seco y de vapor de agua.
El calor específico (cp) es la cantidad de calor necesaria para elevar un grado centígrado un gramo de sustancia y la capacidad calorífica (C) es la cantidad de calor necesaria para elevar un grado centígrado una determinada cantidad de sustancia.
El calor específico del agua es 418 Kjoules/Kg de agua/temperatura (en grados Kelvin), es decir que para calentar una agua de 0 a 100°C se necesitará 418 KJoules (calor latente); y se tiene que saber que para evaporar 1 kg de agua se necesita 2250 KJ/kg (calor de vaporización).
La entalpia (H) representa la cantidad de energía que un sistema (o un producto) puede intercambiar con su entorno: su variación expresa una medida de la cantidad absorbida o cedida por un sistema termodinámico (medido usualmente en Joules). Es una propiedad
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extensiva (depende de la cantidad de materia presente) que se puede emplear para obtener el calor absorbido o desprendido por una reacción química. La entalpía es una función de estado.
Se ha elaborado curvas de humedad para mezclas de aire y vapor de agua, relacionados con las temperaturas: eso es el diagrama de Mollier o diagrama psicométrico.
La temperatura de rocío es la temperatura a partir de la cual el vapor de agua contenido en el aire va a condensarse cuando el aire se enfría.
3.2 EL AGUA DEL PRODUCTO
El objetivo principal del proceso de secado es transformar alimentos perecederos en productos estables y almacenables en el tiempo. El exceso de humedad se elimina del producto por evaporación del agua que contiene.
El producto final es un sólido. Además de contribuir a la conservación de alimentos, el secado reduce el peso y el volumen de éstos. Así el transporte se facilita y se reduce al mínimo el espacio de almacenamiento pero siempre se tiene que pensar que si los productos son demasiado secos su textura, características organolépticas y propiedades nutricionales pueden ser alteradas. Los productos secos no son estériles.
La "aptitud" de un producto para el secado varía por el mismo producto en función de su contenido de agua. Se estima que hay 4 tipos de aguas en un producto: (i) una capa molecular unida al producto con fuerzas de Van der Vals, (ii) una capa poly-molecular fuertemente ligada al producto, (iii) una agua osmótica absorbida débilmente al producto, (iv) una agua de impregnación superficial.
La actividad de agua (aw) o disponibilidad del agua está relacionada con el agua contenida en un producto. Esta "disponibilidad" aparente se cuantifica por una cantidad física sin unidades cuyos valores varían entre 0 <w <1 caracteriza cualquier producto para traducir la disponibilidad de agua en relación con las actividades enzimáticas o microbiológicas. Para una fruta seca se sabe que esta aw es 0,65 que corresponde a 14/16% de contenido de agua: así se podrá conservar sin riesgo alguno el producto seco.
Este dato cuantificando un contenido de agua (más o menos "disponible") de un producto y nos indicará si el secado es bien hecho o si vamos a tener contaminaciones. Esta disponibilidad del agua varía de un producto a otro, dependiendo de su composición bioquímica; ciertas estructuras o moléculas retienen el agua más que otros.
Se define esta noción respecto a un estado de referencia es agua pura, para la cual la actividad es igual a 1.
Para la mayoría de las frutas y verduras, una parte importante del agua del producto estará en la forma de agua libre en la superficie del producto. La actividad del agua de un producto fresco es siempre menor o igual a 1. Esta agua puede evaporar: se dice que este producto tiene agua libre. Es el caso de los productos muy hidratados.
Cuando la actividad de agua de un producto es menor que 1, esto significa que los constituyentes del producto fijan parcialmente el agua y se reduce así su capacidad para vaporizar. Esto se conoce como agua ligada más o menos al producto por adsorción.
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aw= P (=Presión parcial del vapor de agua del producto)/ P'(=presión parcial del vapor de agua del agua pura)
En este punto es importante entender que el secado no es un proceso homogéneo en el tiempo, sino más bien debe ser visto como una sucesión de fases bastante diferentes, en los que será necesario para volver después de explicar cómo hacer el intercambio de agua entre el producto y el aire. El secado debe permitir la obtención de un producto con un contenido de agua que asegurará su estabilidad microbiológica, contenido de humedad que debe conectarse a un valor de actividad de agua.
El valor límite del desarrollo de diversos contaminantes es una aw de 0,65; eso quiere decir que se tendrá que secar para sacar el agua hasta obtener una aw de ≤ 0,65.
3.3 LAS CURVAS DE SORPCION
Para cada producto que se va secar se tiene que conocer el punto ideal de secado (y entonces su contenido en agua). Para lograr esta característica se tiene que marcar una curva del isoterma de sorpción relacionando el contenido en agua (para 100 gramos) y la actividad de agua (para el objetivo de conocer cuál será la cantidad de agua de un producto seco final que tendrá una aw=0,6 por ejemplo. Esta evaluación se hace una vez en laboratorio mediante sales específicos que tienen una actividad de agua bien conocidas (estándares).
Las sales de referencia (útiles para marcar una curva de opción) con sus actividades de agua específicas son los siguientes:
Sales y actividades de agua correspondientes: Cloruro de litio caracteriza una aw de 0,1116 Acetato de potasio: 0,2161 Cloruro de magnesio: 0,3238 Carbonato de potasio: 0,4317 Bromuro de sodio: 0,5603 Cloruro de estroncio: 0,6911 Cloruro de potasio: 0,8362 Cloruro de bario: 0,8980
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Ex: Chips de fruit
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Figura Nº 1: Ejemplo de curva de sorpción
Se representa en esta curva, en rojo son los valores de contenido de agua (5,10,20%) y se presenta la escala de aw de 0 a 1, el óptimo en valor de aw es 0,6.
De esta curva se puede concluir que se tiene que secar el producto hasta tener un contenido de agua de 8% (relacionado con una aw de 0,6).
3.4 LAS CINÉTICAS DE SECADO
El contenido inicial de agua antes del secado (que es una característica del producto), es del 95% para los tomates y el 20% para el trigo). El contenido de agua final será de 5/8% para ambos por ejemplo. Se especifica de manera anticipativa (con las curvas de sorpción por ejemplo) el nivel de humedad del producto, para conseguir asegurar su conservación durante un largo tiempo.
No se debe confundir la materia seca, que es lo que queda cuando el producto ha perdido toda su agua (obtenido por un largo tiempo en el horno) y el producto seco, que es el producto final después del secado y todavía contiene un poco de agua.
Durante el secado hay reacciones varias afectando la calidad del producto seco. Para evaporar el agua se requiere energía. La transformación del agua de una forma a otra (liquida, vapor), también llamado cambio de estado absorbe o suministra energía según sea apropiado. Se tiene primero que vaporizar y después evaporar.
Hay varias etapas dentro de un proceso de secado. Al inicio, el agua libre se comporta como una agua pura: para vaporizarla se necesita una energía baja (del orden de 2.400 kJ / kg de agua libre). Las etapas siguientes del secado cuando se tendrá que evaporar el agua residual se requerirá mucho más energía.
Para asegurarse que el proceso de secado es correcto se tiene que seguir el tiempo de secado así que los contenidos de agua residual del producto.
El método es lo siguiente. Con un sistema de balanza vamos a establecer (paso a paso) el contenido de agua primero del producto analizado y en seguida, cada 2 horas por ejemplo, el peso del producto (o de la bandeja sacándola del secadero para tomar el peso).
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Se establece de esta manera una curva de secado (seguimiento del peso del producto hasta peso constante) que nos va a dar las informaciones sobre datos sobre duración del secado.
Te
0 I II
Tiempo
Figura Nº 2: Curva de secado relacionado una temperatura (Te) con el tiempo (en horas por ejemplo)
En la porción de la curva delimitada "etapa 0”, hay mucho agua libre y móvil: los fenómenos de difusión térmicas y másicas son rápidos. Las transferencias externas son limitantes: es por eso que la calidad del aire es importante (humedad, velocidad) y que a este nivel se puede emplear una temperatura alta (por ejemplo 80°C).
Dentro de la segunda parte de la curva (denominada "etapa I") ya no hay agua libre y este agua es menos móvil: los transportes de agua y de calor internos al producto son los factores limitantes y caracterizan un producto.
En la última etapa (denominada etapa II), ya no hay agua libre a la superficie del producto, los transportes internos de las moléculas de agua son limitantes.
Para los tiempos más largo de secado, el contenido de agua del producto acerca el contenido de agua del aire (en equilibrio: aw = Humedad del aire) y se puede apurar el proceso de secado.
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4. LAS TRANSFERENCIAS DE CALOR Y AGUA
Se puede clasificar el proceso de secado según dos vías:
Mediante un flujo de aire que va extraer la humedad • el producto está en contacto con un flujo de aire bastante seco y caliente (secadero, efecto solar) • La temperatura del agua del producto es inferior a la su temperatura de ebullición • la evaporación se hace bajo el efecto de una diferencia de la presión parcial del vapor de agua entre la superficie del producto y la del aire • el modo de transferencia del calor se hace mediante una convección
Mediante un proceso de ebullición • el producto está en contacto de una superficie caliente • la temperatura del producto es superior a la su temperatura de la ebullición • secado interviene cuando la temperatura del producto este >a la presión atmosférica • el modo de transferencia del calor se hace por conducción (secadero tipos cilindros)
No se va a describir este último proceso de secado por ebullición dado que no se aplica al secado a pequeña escala.
El proceso más empleado para secar a pequeña escala consiste en colocar los productos en un flujo de aire caliente y seco (Figura Nº 3). El agua se evapora bajo el efecto del gradiente de presión parcial de vapor de agua. Este gradiente de vapor de agua se genera por el calor (producida con energías tales como la combustión de propano (lo más empleado en secado) o para los secadores solares, la energía solar.
Se hace circular el aire caliente en el secadero con un ventilador. Así la transferencia de calor se efectúa por movimientos convectivos. Los intercambios de calor son favorecidos cuando se emplea una velocidad del aire (flujo turbulento) óptima de 1m/secudo .
El calor es difundido en el producto bajo el efecto de diferencias de temperatura. Bajo la acción del calor, el agua migra desde el interior a la superficie del producto por difusion. En la superficie, el vapor de agua en el aire se vaporiza y se elimina por convección .
La característica del aire aparece entonces importante para el secado: se trata de la húmeda absoluta y del contenido en agua del aire: Y (kg agua / kg aire seco)
La humedad relativa ( higrometria) que representa el grado de saturación del aire con el vapor de agua:= Presion agua/presion agua sat ( a una temperatura T)
Las temperatura seca Ts (°C) y la temperatura húmeda Th (°C)
La entalpia del aire ((kJ/kg aire seco)
= Humedad aire seco+Humedad vap agua = Cpaire. Ts+ Y (Cpeau . Ts+ ΔHv)
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*Cpaire. Ts= entalpia necesaria para calentar el aire de 20°c a Ts *Y (Cpeau . Ts+ ΔHv): entalpia del agua a TS +entalpia de vaporisacion del agua a TS
Con estas fórmulas se puede trabajar sobre un diagrama psicrométrico del aire húmedo o diagrama de Mollier.
Cuando se seca un producto, hay unas transferencias e intercambios entre el producto y el aire. Se tiene dos tipos de fenomeno:
• transferencias de calor (al nivel interno del producto o al nivel del aire al contacto con el producto )
• transferencias de materia (es el agua que sea al nivel interno o externo)
Principio del secado por extracción por el aire
Transferencias externas
Gas vector: aire
Transferencia calor
Transportes internos
Transportes de calor
alimento
CONVECCIÓN
Transferencia agua superficie
Transportes de agua
DIFUSIÓN
Transferencias externas: entre la superficie del producto y el gas vector de secado (aire) Transportes internos: al nivel del producto
Figura Nº 3: Esquema de las transferencias y transportes de calor y del agua durante el secado de un producto con aire (referencia curso Dr A Collignan (antoine.collignan@cirad.fr);
4.a la transferencia de calor (Ref. bibliográfica Collignan)
Al nivel interno: Se tiene (debido a un gradiente de temperatura) una difusión del calor de la superficie
del producto hacia el corazón. Esta difusión de calor sigue la ley de Fourrier. La difusión aparente del calor en m2/
secundos) depende del contenido de agua y de la temperatura caraterizada por Q (flujo de calor en w/s).
Q=-lA. dt/dx
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en donde: - A es la area de intercambio en m2 - l alimento es la caracteristica de la conductividad termica del alimento en
w/m.sec.K - dT/dX: gradiente de temperatura (K.m)
Al nivel externo: Se trata de la circulación del aire alredor del producto, con una velocidad mínima para
asegurar la extraccion del agua: se trata de un fenómeno de transferencia por convección. Al contacto del alimento, se encuentra un equilibrio de temperatura y de humedad
entre el producto y el aire.
Taire = Tproducto y HR = aw producto = Pv producto/PVaire saturado
Se puede determinar el flujo de calor (Q) expresa en watts: Q= A .h (Taire-Tproducto)
En donde : - A es la área de contacto en m2 - h es el coeficiente de transferencia de calor (w/m2.K) - T las temperaturas del aire y productos en K (°Kelvin)
4.b La transferencia de agua (Ref. bibliográfica/Collignan)
Al nivel interno: Se trata de modelizar la tranferencia del agua del centro del producto a la superficie. A
este último nivel habrá una evaporación del vapor de agua. Se podrá observar un gradiente de concentración interna de agua (DappdC/dx), así que una migración del agua a partir del corazón del producto. Una difusión según la segunda ley de Fick ocurrirá.
La difusibilidad aparente (D en m2/s) dependerá del gradiente de agua y de la temperatura y es representada por la fórmula siguiente:
∂ X/∂t = -DappdC/dx (Ref. bibliográfica/Collignan)
Al nivel externo: Es la transferencia del agua del producto al aire debido al flujo de aire. El agua es eva-
porada bajo la influencia de la presion parcial del agua encontrada entre la superficie del producto y el aire cuya caracteristicas son la siguientes:
- HR aire (humedad relativa) <aw del alimento es decir la importancia de la característica del aire
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- la transferencia del agua se hace por la diferencia de presión parcial del agua del producto y del aire
Se puede explicar este fenómeno mediante la fórmula siguiente: m= A Kp( P producto-P aire)
en donde tenemos: - m= flujo de agua en Kg/s - A= superficie de excambio en m2 - Kp= coeficiente de transferencia de materia en Kg/m2.s.Pa - P producto=presión parcial del vapor de agua a la superficie del producto (Pa) - P aire: =presión parcial del vapor de agua del aire (Pa)
4.1 el diagrama psicrométrico o de Mollier
Para optimizar el uso del diagrama de Mollier (Figura Nº 4) se tiene que pensar que, por ejemplo, un aire a 20°C de temperatura tiene una humedad relativa de 30%.
Entonces se puede marcar en el diagrama una línea roja a la vertical de los 20°C que va cruzar la curva de higrometría de 30%. Con esta línea roja se puede llegar a las curvas de entalpias que nos indica a la intersección, un valor del entalpia del aire seco que estará en nuestro ejemplo: 31Kj/kg de aire seco.
También, siguiendo una línea horizontal del cruce (vertical temperatura e higrometría de 30%) vamos a leer en la escala de los contenidos en agua que este aire tiene 4,3 gramos de agua / Kg de aire seco.
Con esta línea azul se puede llegar a la línea de enthalpias que nos indica que este aire (20ºC y 30% HRº) tiene una enthalpia de: 31 kj/kg de aire seco.
Con esta línea azul se puede obtener el contenido de humedad que será de: 4,3 g de agua / kg de aire seco
31 kj/kg
4,3 g
aire
agua
Figura Nº 4: diagrama de Mollier y lecturas informaciones
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Si seguimos la lectura (Figura Nº 5) y tomando en cuenta que dentro de un secadero, calentamos el aire para por ejemplo subir su temperatura de 40°C, vamos a ver:
• a la vertical del valor de la temperatura de 40°C vamos a marcar una linea verde para llegar a la intersección de la línea roja ya dibujada horizontalmente (conservamos el mismo contenido de agua a saber 4,3 g de agua / kg de aire seco).
• Se puede así leer las curvas del grado de higrometría que será de 9% de HR. Con esta línea verde se puede conseguir la entalpía del aire que tenemos (40°C y 9% HR): 51,3 kJ
Con la experiencia vamos a escoger una humedad relativa del aire después del secado de 60% de HR (salida secadero) El secado es isoentálpico: el valor de la entalpía del aire es (51,3 k podemos J) es conservada. Pero a la intersección con la curva de higrometría de 60%, marcar una línea verde en paralelo a los contenidos de humedad: así obtenemos un contenido de agua de este aire de: 10,8 g de agua / kg de aire seco Se puede así conocer la cantidad de agua extraída por cada Kg de aire seco: 10,8 - 4,3 = 6,5 g Con el flujo de aire de secado (kg/h) se podrá calcular la cantidad de agua extraída. Marcando la línea verde vertical, se obtiene el valor de la temperatura del aire a la salida del secadero: 23,6º C
10,8 g de agua
Figura Nº 5: diagrama de Molier N°2 y lecturas informaciones
Con la experiencia de manejo de secaderos (figura N° 5), se escoge en general una humedad relativa del aire después del secado de 60% de HR (salida secadero), se puede concluir y adaptar el secadero asi:
El secado es isoenthalpico: el valor de la entalpía del aire es (51,3 kJ) es conservada A la intersección con la curva de higrometría de 60%, podemos marcar una línea en paralelo a los contenidos de humedad: así obtenemos un contenido de agua de este aire de: 10,8 g de agua/ kg de aire seco. Se puede así conocer la cantidad de agua extraida por cada Kg de aire seco: 10,8 – 4,3 = 6,5 g. Con el flujo de aire de secado (kg/h) se podrá calcular la cantitad de agua extraida. Marcando la línea verde vertical, se obtiene el valor de la temperatura del aire a la salida del secadero: 23,6°C
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5. EL RENDIMIENTO ENERGÉTICO
5.1 ENERGÍA Y EFICIENCIA TÉRMICA
Los coeficientes del calor másico son: para el aire (Cp aire)= 1 kJ/kg Aire seco para el agua (Cp agua) = 4,18 kJ/kg agua/°Kelvin
y para evaporar 1kg de agua se necesita 2250 kJ/kg de agua
La eficiencia de un secadero se calcula así: (producto humedo-producto seco) x 2250/
Cantidad de gas (butano por ejemplo) x 46000
con las datos siguientes: 46000 kJ = calor másico para 1kg gas butano 2250 kJ = calor másico para 1kg de agua
Se tiene que notar que la leña tiene un valor de 1200 y 2700 kJ/kg, muy inferior a la del gas butano por ejemplo.
Finalmente tiene que recordarse que para evaporar el agua libre de una fruta se necesita 2400 kj/kg de agua y entonces 50 gramos de gas butano o 1kg de leña.
5.2 COMPARATIVO SECADEROS Y RENDIMIENTO SECADO
Cuando se compara los secaderos actualmente presente en el mercado, que se calcula la energía necesaria para secar 100kg de mangos tenemos los resultados siguientes:
• secaderos (N° 1) con una convección natural: 10,7 Kg de gas que permite obtener 11 Kg de mangos deshidratados
• secaderos (N° 2) térmicos con flujo de aire y ventilador: 7kg de gas +1,53kw que permite obtener 13 Kg.
Por ejemplo en un país en donde tenemos los costos siguientes de energía siguientes para secar:
(i) Gas: O,46 US$ / kg gas ; poder calorífico (PCI): 45600 kJ / kg; (ii) Electricidad: 0,26 US$ / kwh eléctrico,
El costo final relativo del producto seco es de 0,44 US$ para el N°1 y 0,28 para el N°2 (lo más eficiente en general en todos los países),
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6. LOS SECADEROS SOLARES
Cuando se usa secaderos solares, el tiempo de secado depende de varios factores a saber:
• los tipos de productos (contenido de agua) a secar, • los tamaños de los trozos del producto • las condiciones atmosféricas tales como la temperatura del aire, la humedad relati-
va del aire y su velocidad.
En general a pequeña escala se desarrolla secaderos solares que permiten secar los productos en unos días (2 hasta 15 días). La duración del secado puede ser reducida cuando se utiliza una energía mixta (solar y gas por ejemplo) pero las inversiones son mucho más altas.
6.1 LOS PRINCIPALES TIPOS DE SECADEROS SOLARES
Muchos datos de este capítulo tienen como referencia "la guía de uso de secaderos solares/Fundación Celestina Pérez de Almada" (ver bibliografía).
Hay dos tipos de secaderos que utilizan la energía solar: • los secaderos con secado directo por el sol, • los secaderos con secado indirecto por el sol
Los secaderos directos tipo carpa y túnel
El secadero tipo carpa y túnel sirve para pequeños emprendimientos industriales. Se llama carpa si es una caja de tipo túnel de 1 metro que se pone en una mesa (foto N°1) o una mesa/ túnel (foto N° 2) con una mesa. Ambos tienen una cobertura transparente de lámina de polietileno de larga duración. Se usa para el secado mesas de madera o de hierro con soportes de hilo de nylon. Sobre este se coloca una gasa o una malla fina sobre la cual se colocarán los productos a secar.
El aire circula en forma horizontal a través de todo el túnel, ingresando por un extremo y saliendo por el otro, generalmente con la ayuda de un ventilador eléctrico o de una chimenea.
Estos secaderos se usan cuando hay mucho sol y presentan los puntos positivos siguientes:
• muy cómodos de instalación: son mesas con protecciones para el agua, para los insectos.
• inversión muy baja
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Los problemas ligados y las limitaciones para este tipo de secadero son las siguientes: • tiempo de secado largo (mínimo 2/3 días de secado) • no hay control posible del proceso de secado: depende de las condiciones climáticas • muchas degradaciones por el sol y la luz ultravioleta: destrucción de las vitaminas
A y C, pérdida de los colores; textura ablandada (fuerte actividad enzimática); • mucha mano de obra
Cobertura transparente
Bandeja de secado
Aperturas de ventilación
Foto Nº 1: secado solar directo tipo carpa referencia: "la guía de uso de secaderos solares / Fundación Celestina Pérez de Almada" (ver bibliografía).
Foto N° 2: secado solar directo tipo túnel (foto de R. Anselin). Empresa Mangos de Matanzas, República Dominicana
Los secaderos indirectos (llamados también secaderos armarios)
En este caso los productos no están expuestos al sol directamente. De esta manera el producto seco conserva mejor su color inicial, y sus valores nutricionales (vitaminas A y C).
Es un modelo más complejo para secar todo tipo de alimentos, especialmente cuando el color y las propiedades naturales son exigidos.
El secado a pequeña escala de las frutas y cucurbitáceas y raíces
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Este tipo de secadero comprende: • un colector solar inclinado, cubierto con vidrio, y tiene en su interior una chapa de
color negro. El aire entra por la parte inferior del colector, calentándose para entrar finalmente en la cámara a donde están las bandejas y los productos para secar. • una cámara de secado conteniendo superpuestas varias bandejas de secado removibles con tejido. • un extractor en la parte superior de la cámara para extraer el aire húmedo.
Las dos partes están unidas entre sí en la parte inferior de la cámara. Los limitantes son: • los metros cuadrados del colector • el costo importante del equipamiento • la velocidad del secado que depende de las condiciones climáticas y de la
concepción del secadero.
HR 15%
2
T 45ºC
HR 55ºC T 32ºC
1
Cámara de secado
Colector solar de aire
HR 60% T 21ºC
Foto 3: secadero solar indirecto tipo armario Referencia: ECHEVERRIARZA. María Paz: ”guía de uso de secaderos solares para frutas, legumbres, hortalizas, plantas medicinales y carnes," UNESCO 2015, Educación MERCOSUR Montevideo
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6.2 PASOS PRINCIPALES PARA SECAR Y LOS RENDIMIENTOS ESPERADOS
Los pasos principales para secar son los siguientes: • seleccionar las frutas maduras, en buen estado y descartar los que tienen manchas,
y mal estado • lavar con agua con cloro, y limpiar suciedad de la superficie de las frutas • seleccionar las partes que se va a conservar, eliminando cáscara, semillas… • cortar en trozos finos o por lo menos iguales, (los más grandes van a tardar para
secar) • lavar o limpiar los pedazos (eliminación restos de cáscara por ejemplo) • hacer un pre tratamiento eventual si se requiere, • colocar los trozos sobre las bandejas del secadero y seguir el secado hasta el conte-
nido de agua deseado (o el peso si se hizo una calibración) colocar las frutas a razón de 10 - 12 kg/m2). • seleccionar los trozos secos (eliminar los que tienen color no uniforme o si esta obscura) • envasar en bolsas plástica con referencia de la fecha de envaso por ejemplo • almacenar con buenas condiciones
Los rendimientos esperados
Para calcular de una manera muy sencilla las cantidades de producto seco que se lograra, se puede hacer los cálculos siguientes:
Ejemplo: 400 gr de tomates con unos 5% Ms (materia seca) y humedad fresca (HF) de 95%, y queremos un producto final de Hs (humedad producto seco) de 8% de humedad.
Materia seca producto inicial: 400 x 5=20 g Contenido en agua = peso producto fresco (400) X 95% = 380 g Rendimiento = (100 - 95 (Hf) / (100 – 8 (Hs) = 5/92 = 0,054
Predicción de la masa de producto final: 0,054x400gr = 21,6gr (el cual tendrá 8% de humedad).
Se presentan algunos datos relacionando el contenido inicial de agua de unos productos, la materia seca que en general se desea, y la temperatura recomendada para secar tal producto:
El secado a pequeña escala de las frutas y cucurbitáceas y raíces
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Productos
durazno manzana banana guayaba
uva mango mamón arveja cebolla hortalizas en hoja tomate repollo zanahoria
ají ajo pescado (sin salado) pescado (con salado)
contenido de agua inicial
85 84 80 80 80 85 85 80 80 80 95 94 70 86 80 80 80
Materia seca final
18 14 15 7 15 a 20 12 a 15 2 a 15 5 4 10 8 4 5 5 8 a 10 15 a 40 35 a 45
temperatura de secado
recomendada n/d 50 70 n/d 55 65 65 60 55 50 65 55 60 60 55
40 40
Los rendimientos de producción dependen del tipo de producto (su % de materia seca inicial) y como ejemplo, son para 1kg de materia prima podemos citar los siguientes:
• 100 gramos para las cebollas, repollo, zanahorias, berenjena, mango, banana, • 50/75 gramos para los tomates • 150/200 gramos para la papa, mandioca, batata,
Al nivel del diseño de un secado solar, el rendimiento al nivel de un secadero solar (correspondiente a la superficie necesaria para evaporar 1 litro de agua) se calcula tomando en cuenta la energía solar. Así en el Chaco este valor fluctúa entre 8 Kw/h/día (promedio). Para evaporar 1 litro de agua la superficie de secado es de: 2240KJ (calor latente agua)/8 x3600x10h=0,8M2
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7. CALIDAD DE LOS PRODUCTOS
7.1. LOS CAMBIOS DE CALIDAD
Durante el secado tenemos varias reacciones en el producto : • Desnaturalización y agregado de las proteinas • Pérdidas de las substancias aromáticas y diminución del valor nutritional • Vitaminas oxidadas, •Modificacion del color: empardeamiento enzimático • Reacción de Maillard, empardeamiento químico
Las oxidaciones de los lípidos
Los lípidos cuando un secado es mal hecho van a oxidarse, dando un mal gusto (rancio) y bajando la calidad nutricional del alimento. Este fenómeno es influido por factores diversos:
• El grado de insaturación de lípidos: cuando más los lípidos son insaturados más la aptitud a la oxidación es fuerte;
• La temperatura: cuanto mayor la temperatura del producto es alta, más la oxidación es favorecida;
• La luz, la sal, ciertos metales pueden aumentar la velocidad de oxidación; • La actividad del agua en el producto influye sobre la oxidación de los lípidos que es
mínima cuando esta actividad es comprendida entre 0,2 y 0,4
Las modificaciones del color: empardeamiento enzimatico y químico (Maillard) • Los empardeamientos enzimáticos están favorecidos por el oxígeno, un pH
de producto entre 5 y 7, y todos los golpes durante los almacenamientos, etc. Para limitar estas reacciones se puede blanquear el producto antes el secado, bajar el PH o añadir conservantes tales como el ácido ascorbico. • Los empardeamientos químico o reacciones de Maillard intervienen bajo el efecto de un tratamiento térmico o de una temperatura de secado demasiado alta sobre los azucares y las proteinas, una aw entre 0,5 /0,7 un pH entre 1 y 7. Se caracteriza por la aparición de pigmentos obscuroso negros que pueden modificar el sabor o el olor del alimento. Solo el uso del metabisulfito puede limitar estas reacciones.
La figura Nº 5 nos indica las curvas representando las velocidades de varias actividades que destruyen la calidad de un producto en función de la Aw
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Velocidades relativas del deterioro de los alimentos
Oxidación de lípidos
PardeamienHtiodrnóoliesniszinmoáetinczoimáticEonzimas
Molde Levaduras
Bacterias
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 a
Figura Nº 6: Velocidades de las degradaciones de la calidad en relación con la Aw
Se nota que las actividades microbianas se desarrollan entre los valores de la actividad de agua entre 0,6 y 1.
7.2 LOS PRETRATAMIENTOS POSIBLES
Para tomar en cuenta estos problemas ligados sobre todo a la duración del secado se puede combinar unos tratamientos preliminares permitiendo de mantener la calidad (color, nutrición):
Tratamiento de blanqueado consistiendo a poner las frutas en una solución a 80°C durante unos minutos para destruir las contaminaciones, las actividades enzimáticas y ablandar el producto.
Este tratamiento puede estar combinado con el uso de azucares, poniéndolos dentro una solución de agua con azúcar (40gr/litro), y dejándolos después de blanquear durante 2/3horas a 50°c
Tratamiento con ácidos Con acido cítrico o jugo de limón o acido ascórbico Metodología: jugo de 1 limón con 1 litro de agua
Tratamiento con bicarbonato El bicarbonato de sodio estabiliza los pigmentos verdes de las hojas y hortalizas. Hay
ablandamiento de las cortezas del producto, facilitando la salida del agua durante el secado.
Método recomendado: disolviendo 30 g de bicarbonato de sodio más 3 g de sal común por cada litro de agua.
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Tratamiento de ablandamiento Para frutas que no se pelan antes de secarlas, como ciruelas, uvas e higos, se consigue
un agrietado de la cáscara, usando una solución de hidróxido de sodio Método: inmersión dentro de una solución (80ºC) de hidróxido de sodio (10 g /litro)
unas secundas seguido con una inmersión en una solución con jugo de limón o ácido cítrico (1-2 g por litro).
7.3 CONSERVACION Y ALMACENAMIENTO
Los productos secos deben estar envasados en bolsas de polipropileno o mejor en bolsas de tipo tríplex (tres laminas) que no dejen pasa la humedad, el oxigeno, los rayos UV.
Para la buena conservación de los productos secos, se tiene que limitar la entrada de agua en el producto seco, mediante condiciones de almacenamiento que son:
(i) Guardar los productos en un lugar seco, aireado, si es posible fresco y protegido de la luz. Este lugar debe ser limpio y protegidode insectos y ratones
(ii) Cada cierto tiempo, hay que controlar elestado de los productos (iii) No depositar los productos almacenados en el suelo ni contra las paredes para
evitar el riesgo de absorber humedad, ni al lado de otros productos que tienen olores (gasolina).
Si los productos secos son de buena calidad y están en buenas condiciones de almacenado pueden conservarse durante muchos meses.
Para aumentar el tiempo de almacenamiento, se puede usar unos frigoríficos con una temperatura de 10/15°c.
7.4 RIESGOS DE CONTAMINACIONES
Los productos secados no son estériles. Solo se tiene una reducción de los contaminantes debido a la Aw residual del producto seco.
Las contaminaciones microbianas son probablemente los factores limitantes más conocidos de la conservación de los alimentos. Ellas alteran el sabor y las características de higiene de los alimentos. Hay tres grupos principales de microorganismos: bacterias, levaduras y mohos. Estos microorganismos están presentes naturalmente en los alimentos, pero también pueden ser realizadas por agentes externos (viento, el suelo, el agua, los insectos, las manipulaciones del hombre...).
Si levaduras y hongos son los principales responsables de los cambios en el sabor del producto, muchas bacterias pueden ser extremadamente perjudiciales para los seres humanos o la muerte sobre todo si el pH del producto final es superior a 4,8.
En general, el crecimiento microbiano se desarrolla cuando hay líquidos o ambientes muy húmedos, ricos en azúcar, y cuando se tiene temperaturas entre 20 y 50 ° C. Por lo
El secado a pequeña escala de las frutas y cucurbitáceas y raíces
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tanto, teniendo en cuenta el efecto de la humedad, aparece así el interés de secado para la conservación de alimentos.
El principal problema de los productos secos es la presencia eventual de toxinas emitidas por unos hongos que se desarrollan cuando un producto no está bastante seco. Son las aflatoxinas y las cantidades máximas aceptadas son para la B1 (0,1 µg/Kg), las B1+B2+G1+G2=0,4µg/kg y para la M1 la tolerancia es cero.
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8. BIBLIOGRAFIA Y FUENTES
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CHICHTI, Emma: cursos ingeniería de alimentos sobre el secado, y sobre los productos azucarados
COLLIGNAN Antoine: curso ingeniería de alimentos, Montpellier Supagro: el secado (antoine. collignan@cirad.fr)
CRUZ J.F., Troude F., Griffon D., Hébert J.P., 1988. Conservation des grains en régions chaudes 2. ed. www.fao.org/wairdocs/x5164f/x5164f00.ht
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RIVIER Michel, MEOT Jean Michel, FERRE Thierry, BRIARD Mathieu: le séchage des mangues, guide pratique, Editions Quae CTA - ISBN (Quæ) : 978-2-7592-0341-3,2007
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