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INSTITUTO TECNOLÓGICO DE ORIZABA. LABORATORIO INTEGRAL III. Actividad Experimental No. 2. “SECADOR DE LECHO FLUIDIZADO”. OBJETIVO: Determinar propiedades térmicas de los alimentos en el proceso de secado en lecho fluidizado, así como determinar la humedad y construir curva de secado. FUNDAMENTOS TEÓRICOS: El proceso de secado en lechos fluidizado, constituyen hoy en día, una alternativa eficiente para la deshidratación de productos. Este proceso se lleva a cabo, gracias a la transferencia de calor y masa que se realiza dentro del equipo, posibilitadas por el contacto íntimo que tiene el producto con los gases de secado dentro del lecho fluidizado. En secaderos de lecho fluidizado continuos, la alimentación se realiza por el extremo superior del lecho, la misma cae y se pone en contacto con una corriente de aire caliente, produciéndose de esta forma la fluidización y evaporación. Luego es transportada neumáticamente hacia una segunda zona, en donde el polvo es enfriado, obteniéndose en el proceso global una aglomeración parcial del polvo y consecuentemente la modificación de las propiedades iniciales. Debido a los altos coeficientes de transferencia térmica logrados con este proceso, se puede ubicar al secadero de lecho fluido continuos como un equipo de tiempo de residencia media, permitiendo la deshidratación de productos termo sensibles. Este proceso es muy difundido para productos que requieren, una disminución limitada de humedad y definidas propiedades granulométricas. En cambio en los secaderos fluidizados discontinuos, el producto a deshidratar debe ser apto para soportar grandes tiempos de residencias. Para ambos casos, el calor intercambiado depende de la humedad del producto a procesar y tanto la temperatura del gas como la altura del lecho, pueden ser variadas compatibles con el diseño del equipo. Tamaño de las partículas El tamaño de las partículas sólidas que se pueden fluidificar varía considerablemente, desde menos de 1 mm hasta 6 cm. Se ha concluido en que las partículas que varían entre los 150 y 10 mm son las que dan por resultado una fluidificación más uniforme. Las partículas grandes producen una gran

desestabilizad y dan por resultado ondas abultadas que golpean con fuerza. Las partículas pequeñas inferiores a 20 mm, incluso secas, se suelen comportar como amortiguadores y forman aglomerados, fisuras o canalizaciones en el lecho. La adición de partículas pequeñas a un lecho de partículas grandes o viceversa por lo general, da una mejor fluidificación. La velocidad ascendente varía entre 0.15 m/s y 6 m/s. Esta velocidad se basa en un flujo a través de un recipiente vació y se conoce como velocidad superficial. Propiedades térmicas de los alimentos Entre las propiedades de alimentos más recurrentes, están las propiedades térmicas, íntimamente ligadas a los procesos térmicos. Las propiedades térmicas involucradas en los distintos procesos térmicos son: conductividad térmica, calor específico y difusividad térmica. La conductividad térmica (Cp) de un material es una medida de habilidad de este para conducir el calor, en alimentos, la conductividad térmica depende principalmente de la composición, pero también de algunos otros factores que afectan el camino del flujo de calor a través del material tales como porcentaje de espacios vacíos, homogeneidad, forma y tamaño del alimento. Por su parte el calor específico (k) nos indica cuanto calor es requerido para cambiar la temperatura de un material, en el caso de un alimento de masa M a una temperatura inicial, el calor requerido para calentar y llegar a una temperatura final T2, sería igual al producto de la masa y el calor especifico. A diferencia de la conductividad termina, el calor específico es independiente de la densidad de masa, por lo tanto conociéndose el calor específico de cada componente de una mezcla es suficiente para predecir el calor específico de toda la mezcla. De igual forma la difusividad térmica relaciona la habilidad de un material para conducir calor y su habilidad para almacenar calor, por lo que es usada en la determinación de las velocidades de la transferencia de calor de alimentos sólidos en cualquier forma. Esta puede ser calculada como la conductividad térmica dividida por el producto del calor específico y la densidad. Ecuación (1) empírica de Sweat (1986), que se desarrolló especialmente para alimentos sólidos y líquidos. k =0.25mc + 0.155mp +0.16mf +0.135ma +0.58mm Donde: k = conductividad térmica (W/m°C) m = fracción peso, c = carbohidratos, p=proteína, f = grasa, a = cenizas, m=humedad

Ecuación (2) empírica de Dickerson (Singh y Heldman, 1998), que se desarrolló especialmente para alimentos sólidos y líquidos. cp =1.424mc +1.549mp +1.675mf +0.837ma + 4.187mm Donde: Cp=calor especifico (KJ/kg°C), m = fracción peso, c = carbohidratos, p =proteína, f = grasa, a = cenizas, m=humedad

MATERIAL, EQUIPO Y SERVICIOS: -500 gr de zanahoria. -Espátula -Papel aluminio -Desecador

-Equipo secador de lecho -Aire fluidizado. -Balanza infrarroja -Balanza granataria.

Equipo de secado de lecho fluidizado.

SECUENCIA EXPERIMENTAL 1. Encender el compresor de aire para su suministro con apoyo del profesor. 2. Posteriormente purgar el tanque del compresor abriendo la válvula lateral del mismo, con el fin de retirar el agua condensada en el interior del tanque, no se cierra la válvula hasta que el aire que salga del compresor se encuentre lo más libre de humedad posible. 3. Una vez terminado lo anterior cerrar la válvula de purga y abrir la de paso a las líneas de aire del laboratorio, y proceder a purgar el sistema de circulación de aire el cual consta de 3 válvulas, las cuales se deben ir abriendo individualmente, mientras las demás permanecen cerradas.

4. Repetir el procedimiento de purgado una vez más para garantizar que el aire este lo mayor posible libre de humedad. 5. Simultáneamente con lo anterior se debe pelar y picar los 500 gr de zanahoria en trozos de tamaño menor a 1 cm para que el secado sea más eficiente y rápido. 6. Tomar una muestra inicial de aproximadamente 1 gr y llevarla a la termobalanza (balanza infrarroja) para determinar la humedad inicial de la muestra a 65°C. 7. Pesar una cantidad de muestra de 400 gr para introducirla al secador. 8. Encender el secador de lecho fluidizado y programarlo a la temperatura de 65°C ya que es la temperatura promedio antes de que los alimentos pierdan valor nutricional. 9. Al llegar a la temperatura de 65°C tomar el tiempo y sacar una muestra a los primeros 20 minutos, posteriormente llevar esta muestra a la termo-balanza y medir su humedad. 10. Tomar una muestra cada 20 minutos hasta que la medida de humedad sea constante o mínima para completar el secado. DATOS Y CÁLCULOS: Datos experimentales Tiempo (min) % de Humedad 0 82.9 20 75.95 40 24.87 60 16.43 80 1.38 100 0.49 Peso de la muestra antes de secado 454 gr Velocidad de aire 1.57 m/s

Peso de muestra (gr) 1.009 0.992 0.998 1.004 1.009 1.007

Curva de secado 80 70

% Humedad

60 50 40 30 20 10 0

0

20

40

60 Tiempo (min)

80

100

120

Datos del valor nutricional de una zanahoria Análisis nutricional Carbohidratos Proteína Grasa Cenizas Humedad

Datos en 100 gr 0.9 0.2 7.3 2.9 88.7

Fracción peso 0.009 0.002 0.073 0.029 0.887

Cálculo de conductividad térmica k =0.25(0.009) + 0.155(0.002) +0.16(0.073) +0.135(0.029) +0.58(0.887) k=0.532615 W/m°C

Cálculo de Cp Cp =1.424(0.009) +1.549(0.002) +1.675(0.073)+0.837(0.029) + 4.187(0.887) Cp= 3.8763 KJ/kg°C CUESTIONARIO: 1.- Menciona tres tipos de secadores para alimentos   

Secador de charolas Secador de lecho fluidizado Secadores de túnel

2.- ¿Qué es un secador de lecho fluidizado y cómo funciona? Este proceso se lleva a cabo, gracias a la transferencia de calor y masa que se realiza dentro del equipo, posibilitadas por el contacto íntimo que tiene el producto con los gases de secado dentro del lecho fluidizado. Funciona de tal manera que se introduce el alimento en el lecho, posteriormente se cierra y se hace pasar aire caliente el cual entra en contacto con el alimento haciendo que se seque. 3.- ¿Cuáles son los tipos de curvas de secado?   

Humedad vs tiempo Velocidad de secado vs tiempo Peso vs tiempo

4.- ¿Cuáles son las principales propiedades térmicas de los alimentos? Las propiedades térmicas involucradas en los distintos procesos térmicos son: conductividad térmica, calor específico y difusividad térmica.

5.- Define conductividad térmica Es una medida de habilidad de este para conducir el calor, en alimentos, la conductividad térmica depende principalmente de la composición, pero también de algunos otros factores que afectan el camino del flujo de calor a través del material tales como porcentaje de espacios vacíos, homogeneidad, forma y tamaño del alimento 6.- Define Calor específico. Nos indica cuanto calor es requerido para cambiar la temperatura de un material, en el caso de un alimento de masa M a una temperatura inicial, el calor requerido para calentar y llegar a una temperatura final T2, sería igual al producto de la masa y el calor especifico.

OBSERVACIONES: Mediante la secuencia experimental se resaltan algunos puntos importantes para el desarrollo de esta práctica:  Para comenzar se observó que en el equipo de compresión de aire es importante purgar antes de llevar al aire hacia secador ya que en las tuberías puede quedar humedad y en este caso el secado se llevaría a cabo con dificultad puesto que el aire ya entraría con humedad.



En cuanto a la muestra a analizar (zanahoria) se observó que fuera reducida de tamaño aproximadamente de 0.5 mm para favorecer el secado habiendo mayor área de contacto entre el alimento y el aire caliente.



Para la muestra inicial se tomó 1.009 gr de manera en que la balanza no tardará mucho en dar el resultado de la humedad que tuvo la zanahoria en ese momento, es importante destacar que la primera muestra es la que tarda más en ser determinada su humedad debido a que no ha sido procesada por ningún secador.



Una vez pesados 454 gr de la muestra y llevados al secador de lecho fluidizado. Es importante verificar que el secador debe sellar la parte donde se coloca la muestra y la parte superior del secador para evitar fugas de aire y que el secado sea más efectivo.

Para lograr que esto quede bien cerrado, el recipiente para colocar la muestra cuenta con 6 orificios en los cuales se introducen unos tornillos de manera simultánea.

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La temperatura con la que se trabajo fue de 65°C, las muestras fueron tomadas de la parte superior del secador.

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Con el aerómetro se analizó la velocidad del aire que entraba al equipo de secado. El tiempo que fue tardando la balanza infrarroja en reportar los resultados de humedad fue disminuyendo debido a que en cada muestra había menos humedad por lo tanto esta también fue reduciéndose.

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Mientras el tiempo de secado transcurría y la muestra por lo tanto se iba secando y por lo tanto pesaba menos y debido a la velocidad de aire las partículas de zanahoria flotaban en el interior del secador.

CONCLUSIONES: Es importante purgar las tuberías de aire para asegurar que el alimento no se humedezca más. El proceso de secado de lecho fluidizado se llevó a cado a 65 °C ya que se considera que es la temperatura máxima antes de que el alimento pierda su valor nutricional. Se pesaron 454 gr de zanahoria las cuales se introdujeron en el secador en pedazos de aproximadamente 0.5 cm de tal manera que se incremente el área de contacto entre el aire y la zanahoria. El tiempo de secado fue de 100 minutos de los cuales, la humedad paso de la inicial de 82.9 % a 0.49 %, lo que también significo una pérdida de peso, la cual se observó en los últimos minutos de secado de manera que las partículas de la zanahoria volaban en el interior del secador debido a la pérdida del peso. En cuanto a la curva de secado se puede concluir que la humedad disminuye conforme el tiempo del proceso de secado aumenta. La velocidad de aire medida con el aerómetro fue de 1.57 m/s. Se investigó el valor nutricional de la zanahoria para conocer la cantidad de carbohidratos, proteínas, grasas, cenizas y humedad, que se encuentran en 100 gr de zanahoria y por lo tanto su fracción en peso y los resultados fueron utilizados para calcular la conductividad térmica, la cual nos da como resultado 0.532615 W/m°C y de Calor específico Cp=3.8763 KJ/Kg°C.

BIBLIOGRAFÍA: William D. Callister, Introducción a la ciencia e ingeniería de los materiales, volumen 2, página 679 Gratzek, P. J.y Toledo, R. T., (1993). Solid Food Thermal Conductivity Determination at High Temperature, J. Food Sci. 58 (4): 910-913. Netzsch (2010). Conductividad térmica. Recuperado el 18 de mayo 2018 de: https://www.netzsch-thermal-analysis.com/es/landing-pages/definicion-deconductividad-termica ESPAQFE (2011). Secado de Lecho fluidizado. Recuperado el 18 de mayo de 2018 de: http://www.espaqfe.com.ar/secfluidizado/secfluidizado.htm