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UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO

INSTITUTO DE INVESTIGACION DE INGENIERIA QUIMICA

(Informe Final)

Ing. CARLOS ERNESTO ANGELES QUEIROLO

(01/01/11 AL 31/12/12) (Resolución Rectoral N° 094-2011-R)

INDICE

Página Resumen I

II

04

Introducción

05

1.1

Presentación del Problema de Investigación

08

1.2

Enunciado del Problema de investigación

09

1.3

Objetivos de la Investigación

10

1.3

Importancia y justificación de la investigación

10

1.5

Enunciado de hipótesis

12

Marco teórico

13

2.1

Los pimientos

13

2.2

El pimiento piquillo

20

2.2.1 Origen y características

20

2.2.2 Aspectos económicos del piquillo peruano

23

El secado

28

2.3.1 Definiciones

28

2.3.2 Nomenclatura en secado

33

2.3.3 Clasificación de los equipos de secado

38

2.4

Isotermas de equilibrio

41

2.5

Secado por convección

47

2.5.1 Curvas de secado

48

2.5.2 Factores de influencia

55

2.5.3 Mecanismos de transporte

57

2.5.4 Modelado de la cinética del secado

61

2.3

2

III

IV

V

Materiales y métodos

63

3.1

Materia prima

63

3.2

Materiales de ejecución

63

3.3

Caracterización de materia prima y producto seco

65

3.4

Isotermas de desorción

68

3.5

Acondicionamiento de la materia prima

70

3.6

Prueba experimental de secado

73

3.7

Modelado matemático del secado

74

3.8

Procedimiento estadístico y análisis de datos

76

Resultados

77

4.1

Caracterización de la materia prima

77

4.2

Caracterización del producto seco

78

4.3

Isotermas de desorción

79

4.4

Curvas de secado

82

4.5

Modelado de las curvas de secado

88

Discusión de resultados

89

5.1

Caracterización de materia prima y producto seco

89

5.2

Isotermas de desorción

93

5.3

Curvas de secado

95

5.4

Modelado de las curvas de secado

98

VI

Referenciales

101

VII

Apéndice

106

VIII

Anexos

147

3

RESUMEN En el presente trabajo se ha realizado el estudio sobre el secado por medio de aire caliente del pimiento (Capsicum annuum L.) variedad piquillo. De los análisis químicos, tanto al estado fresco como deshidratado, se ha observado que no existe mayor pérdida de los nutrientes por efecto del secado.

Las curvas de secado se han obtenido utilizando un secador experimental a 50 ºC, 60 ºC y 70 ºC y los resultados muestran que el secado del pimiento abarca los períodos de inducción, de velocidad constante hasta alcanzar una humedad crítica de 5.3

kg agua/kg sólido seco, y de velocidad decreciente. Se ha

observado que al incrementar la temperatura se incrementa la velocidad de secado, y que el período de velocidad constante tiene una duración muy corta, en comparación con el período de velocidad decreciente.

El modelado de la cinética del secado permite observar que durante el período de velocidad constante, la velocidad de secado disminuye linealmente con la humedad libre (X – X*), y que el período de velocidad decreciente se ajusta al modelo difusional de la ley de Fick.

4

I

INTRODUCCIÓN

Un gran número de productos vegetales son utilizados en la preparación de alimentos en forma tan amplia que podría decirse que hay pocos elementos alimenticios que no contengan una o más de las especias comunes. Dentro de estos productos vegetales tenemos a los pimientos, que pueden considerarse como hortalizas de gran importancia comercial.

Los pimientos son frutos de plantas que pertenecen al género Capsicum, de la familia de las solanáceas. Su etimología se debe a la semejanza que tienen sus frutos con una caja (capsa), en la cual están encerradas las semillas, pero según otros provendrían de la palabra griega “capto” (mordaz) por el sabor acre y picante de los frutos de muchas variedades.

Desde el punto de vista nutricional, el pimiento presenta un alto contenido de humedad y en menor proporción carbohidratos y proteínas, sin embargo desde el punto de vista nutricional es una hortaliza rica en sales minerales y vitaminas. Los elementos que contribuyen al color rojo de los pimientos son carotenoides como la capsorubina, la capsantina, la zea-xantina, la luteína, el -caroteno y -caroteno.

5

Este contenido de vitaminas y principalmente su sabor agradable y estimulante, ya sea en variedades dulces o picantes, hacen que esta hortaliza sea un ingrediente valioso y casi esencial en la preparación de alimentos, en muchos países del mundo.

El pimiento procede del continente americano. Sus países de origen son las Antillas y América del Sur, en el Brasil donde se encuentra todavía abundantemente en estado salvaje. En su primer viaje, Cristóbal Colón llevó al viejo mundo los pimientos americanos y su cultivo se difundió rápidamente por todo el mundo. Con el pasar de los años se desarrollaron distintas variedades de pimientos en España, uno de ellos es el piquillo; por lo que solemos atribuir su "nacionalidad" a este país, específicamente a la ciudad de Lodosa, en donde se cultiva de forma artesanal.

Entre 1994 y 1996 se importaron semillas de dicha hortaliza a nuestro país, que fueron sembradas y cosechadas por empresarios peruanos. Gracias a la cercanía de nuestro país a la línea ecuatorial, a que en la costa del Perú no existen extremos de temperatura y a que nos encontramos en la zona tropical del mundo, el resultado de la siembra fue un pimiento piquillo con

6

características tan excepcionales que está desplazando al pimiento piquillo español en España.

El pimiento piquillo es una hortaliza que ha contribuido de forma muy notable al crecimiento experimentado por las agro-exportaciones peruanas en los últimos años. Las extraordinarias cualidades del pimiento del piquillo peruano, rico en calcio y vitaminas A y C, son muy apreciadas por el mercado internacional, que demanda este producto en conserva tanto por su gran calidad como por su exquisito sabor.

Desde el año 1999 hasta la actualidad se ha registrado un incremento en las exportaciones de pimiento piquillo en conserva. Este crecimiento de las exportaciones se debe a que en los últimos años se han incrementado las empresas dedicadas a comercializar este producto y con esto la cantidad de hectáreas sembradas.

Actualmente toda la zona productiva de pimiento piquillo peruano se ha concentrado en la costa norte, específicamente en los departamentos de Lambayeque, La Libertad y Piura, debido a las mejores condiciones climáticas que ofrece el norte del país.

7

Dado que su cultivo está siendo incrementado de año a año, y con los avances conseguidos en el mejoramiento de los cultivos, se hace necesario encontrar nuevos métodos de utilización de esta materia prima, como es el caso de la deshidratación, para que parte de esta producción sea desviada hacia la industrialización. Esta industrialización resultaría beneficiosa no solamente para el agricultor sino también para el consumidor y la industria, como una nueva opción de mercado.

1.1

Presentación del Problema de investigación

El pimiento por sus características organolépticas como son el sabor, aroma y color, es uno de los vegetales más consumidos en el mundo entero. El efecto conservador de la deshidratación constituye uno de los descubrimientos más antiguos de la humanidad y la eficacia de este proceso se basa en el hecho de que los microorganismos no pueden crecer ni causar alteraciones en alimentos cuya actividad de agua se encuentre en niveles críticos. Por otro lado, la separación del agua de los tejidos paraliza las reacciones de deterioro natural del producto, resultando un material altamente concentrado y de calidad duradera.

8

El secado consiste en la eliminación de agua por deshidratación con aire caliente y presenta algunas ventajas, principalmente económicas, sobre los demás procesos de conservación, ya que pueden reducir los gastos de almacenamiento y de distribución de productos deshidratados, al reducirse tanto el peso como el volumen del producto.

Por esta razón, el objetivo principal de este trabajo consistirá en analizar y profundizar en el estudio del secado por aire caliente del pimiento

rojo

variedad

“piquillo”,

por

ser

esta

la

técnica

tradicionalmente empleada para la deshidratación de esta hortaliza, y analizar los efectos del pretratamiento en la cinética deL secado por aire caliente y en la calidad del producto final.

1.2

Enunciado del Problema de investigación

De acuerdo a la situación problemática planteada anteriormente se pueden identificar el siguiente problema de investigación: ¿Cuál es el comportamiento (cinética) del secado observado durante la deshidratación del pimiento piquillo?

9

1.3

Objetivos de la Investigación

Objetivo general Modelar la cinética del secado del proceso de secado por aire caliente del pimiento piquillo, variando las condiciones externas de secado.

Objetivos específicos a) Evaluar la influencia de la temperatura del aire caliente en el proceso de secado del pimiento. b) Analizar los efectos del pretratamiento en la cinética de secado por aire caliente y en la calidad del producto final.

1.4

Importancia y justificación de la investigación

De acuerdo con la naturaleza del problema y teniendo en cuenta los objetivos planteados, se puede manifestar que el presente trabajo es del tipo de investigación tecnológica, que se desarrollará en los niveles explicativo y descriptivo. Los resultados de la investigación se pueden aplicar en beneficio de la agroindustria, que está alcanzando un notable desarrollo en muchas 10

regiones del país, y especialmente en la costa norte del Perú, donde se ha alcanzado grandes volúmenes de producción del pimiento variedad piquillo, pero que mayormente está orientado a la elaboración de conservas. El conocimiento de la cinética del secado del pimiento variedad piquillo permitirá un adecuado diseño del proceso del secado y la obtención de un pimiento deshidratado de buena calidad.

El estudio de la cinética del secado es esencial para diseñar un correcto proceso de secado que permita además obtener un producto de calidad y por otro lado un buen modelo matemático del proceso de secado, puede considerarse como una herramienta muy eficiente para salvar obstáculos tales como daños al producto, consumo excesivo de energía, desgaste del equipo o la disminución del rendimiento.

La deshidratación por aire caliente es el principal método de secado de este tipo de hortalizas y la calidad final es un factor muy importante para su comercialización, fijación de precios y la aceptación por parte del consumidor. No menos importante son los actuales costos de producción agrícola sumados al alto costo de procesamiento para la obtención de pimiento deshidratado, lo que hace necesario mejorar su

11

procesamiento con la finalidad de optimizar los recursos económicos y obtener productos de mayor calidad.

El desarrollo de este trabajo de investigación permitirá para el pimiento variedad piquillo: Lograr una nueva forma de aprovechamiento a escala industrial Verificar si las teorías generales sobre el secado se cumplen en el caso de esta hortaliza. Obtener un modelo matemático que describa la cinética del secado y su aplicación en el diseño de equipos de secado.

1.5

Enunciado de hipótesis

En base al análisis anticipatorio se puede formular la siguiente hipótesis de trabajo:

Si el pimiento es sometido a un secado en condiciones constantes, a diferentes temperaturas de trabajo se reducirá el contenido de humedad a una velocidad de secado que sigue un patrón determinado (comportamiento o cinética del secado).

12

II

2.1

MARCO TEÓRICO

Los pimientos

Los pimientos son frutos de plantas que pertenecen al género Capsicum, de la familia de las solanáceas. Su etimología se debe a la semejanza que tienen sus frutos con una caja (capsa), en la cual están encerradas las semillas, pero según otros provendría de la palabra griega capto (mordaz) por el sabor acre y picante de los frutos de muchas variedades.

El pimiento procede de las regiones tropicales y subtropicales del continente americano. Sus países de origen son las Antillas y América del Sur, probablemente en Perú y Bolivia donde se han encontrado semillas de más de 7000 años. En el Brasil, se encuentra todavía abundantemente en estado salvaje. Después del descubrimiento de América, su cultivo se difundió rápidamente por todo el mundo.

Su principal valor nutritivo lo constituye el alto contenido de vitamina C, un fruto maduro contiene de 150 a 180 mg/100 g. Los frutos rojos

13

tienen un alto contenido de vitamina A o caroteno. Este contenido de vitaminas y principalmente su sabor agradable y estimulante, ya sea en variedades dulces o picantes, hacen que esta hortaliza sea un ingrediente valioso y casi esencial en la preparación de alimentos, en muchos países del mundo. El sabor ardiente de las diversas variedades se debe al contenido de capsaicina que fluctúa, según la variedad de capsicum, entre 0.12 % o menos hasta 1.45 % y a pequeñas cantidades de aceite esencial y azúcares.

Las especies de mayor interés hortícola son las siguientes: Capsicum frutescens: con frutos son variables en forma y tamaño casi nunca llegan a medir más de 10 cm de largo. Capsicum annuum: con frutos son muy variables en forma, color y tamaño, alcanzan desde 1 cm hasta 30 cm de largo. Capsicum pendulum: con frutos que varían considerablemente, mostrando tonos blancos, amarillos o verdes cuando el fruto está en desarrollo, y tonos anaranjados o rojos cuando está maduro. Capsicum pubescens: Con frutos variables en tamaño y forma, son mediano o fuertemente picantes.

14

En el Perú, las principales especies que se cultivan son el pimiento morrón, pimiento piquillo, páprika, ají panca, rocoto y ají amarillo, tal como se puede apreciar en la tabla N° 1.

Figura Nº 1: Principales especies de capsicum cultivadas en el Perú

Pimiento morrón

Pimiento piquillo

Paprika

Rocoto

Ají panca

Ají escabeche

Fuente: Elaboración propia

15

Tabla N° 1 : Principales especies de capsicum cultivadas en el Perú Nombre científico

Nombre común

Capsicum annuum L.

Pimiento morrón, pimiento piquillo, paprika

Capsicum frutescens

Ají panca

Capsicum pubescens

Rocoto

Capsicum pendulum

Ají escabeche, ají mirasol

Fuente: Infoagro.com (2012)

Relacionada con la forma de los frutos, ha sido propuesta una clasificación de interés comercial, basándose en la cual los pimientos pueden ser divididos en tres grupos de variedades: los de frutos lisos y pedúnculos curvos, los que tienen el fruto con unas costillas más o menos marcadas y de pedúnculos siempre curvos, y finalmente un tercer grupo que comprenderá formas y variedades con frutos lisos y pedúnculos erectos.

Pertenecen al primer grupo los pimientos de condimento como los varios rojo largo ordinario, el negro largo de México o el cardenal; al segundo grupo pertenecen casi todas las formas dulces de mesa como el pimiento cuadrado, pimiento piquillo y al tercero los pimientos de racimo.

16

La clasificación taxonómica del pimiento dulce es la siguiente: Tipo:

Fanerógamas

Sub-tipo:

Angiospermas

Clase:

Dicotiledóneas

Sub-clase:

Gamopétalas

Familia:

Solanáceas

Género:

Capsicum

Especie:

Capsicum annuun L.

Fuente: Zapata (1992)

La especie Capsicum annuum L. está formada por plantas herbáceas o semileñosas, ramificadas de 1 a 6 pies de altura, poco pubescentes, anuales en climas templados o bienales en climas cálidos, hojas ovaladas, flores de color blanco o blanco verdoso, solitarias o a veces en grupos de dos o tres.

La planta es anual, de tallo erecto y ramificado, que produce constantemente, dando sus flores y frutos en forma sucesiva a medida que se van extrayendo.

Los frutos son bayas de forma y tamaño muy variable, algunos son pequeños y otros pueden llegar a los 20 cm de largo, conteniendo en su

17

interior una placenta con muchas semillas, de color verde al principio y más o menos rojo en la madurez.

El pimiento es una planta de clima cálido, que se adapta bien a los climas templados, pero muy sensible al frío. Su temperatura óptima está entre los 20 y 25 °C de promedio diario y se necesitan por lo menos tres meses de calor para obtener buenas cosechas.

La cosecha de los pimientos se hace en forma escalonada conforme van adquiriendo su tamaño y madurez comercial, esto es cuando adquieren el mayor tamaño dentro del color verde oscuro y antes de que inicien su cambio al rojo bronceado o rojo brillante de la madurez natural. Para que un pimiento sea de buena calidad, debe poseer carne gruesa y firme, estar maduro y tener buena forma y color.

Desde el punto de vista nutricional, el pimiento presenta un alto contenido de humedad y en menor proporción carbohidratos y proteínas, sin embargo desde el punto de vista nutricional es una hortaliza rica en sales minerales y vitaminas, tal como se muestra en la tabla N° 2.

18

Es una fuente muy importante de vitamina C y de carotenos, que tiene la capacidad de convertirse en vitamina A en el organismo humano. Tiene un valor calórico bajo, ya que apenas presenta un contenido en grasas.

Tabla N° 2: Composición química del pimiento (Por 100 g de la parte comestible) (1)

(2)

(3)

Valor energético, cal

35.0

21.0

27.0

Humedad, g

89.6

93.0

90.1

Proteínas, g

1.5

1.0

1.3

Grasas, g

0.5

Huellas

0.6

Carbohidratos, g

7.7

4.0

7.2

Fibra, g

1.2

-----

-----

Cenizas. G

0.7

-----

0.7

Calcio, mg

12.0

7.0

11.0

Fósforo, mg

24.0

-----

26.0

Hierro, mg

0.50

0.50

0.40

Caroteno, mg

0.81

0.93

0.82

Tiamina, mg

0.05

0.06

0.05

Rivoflavina, mg

0.11

0.06

0.04

Niacina, mg

1.60

0.40

0.40

108.30

94.00

121.00

Ac. ascórbico, mg

Fuente: (1) Collazos, C. (1992) (2) U.S. Department of Agriculture (1970) (3) Alter Dietética (1984)

19

2.2

El pimiento piquillo

2.2.1 Origen y características Aunque los pimientos son originarios de América y fueron introducidos en España por Cristóbal Colón, el pimiento del piquillo es una variedad singular y autóctona, en el término geográfico de Navarra – España, que comprende ocho municipios navarros: Andosilla, Azagra, Cárcar, Lerín, Lodosa, Mendavia, San Adrián y Sartarguda.

Se distingue de otras variedades de pimientos por su característico sabor y por su calidad, lo que les hace gozar de reconocimiento internacional figurando en el Registro Europeo de Denominación de Origen de Productos Agrícolas.

El éxito del pimiento del piquillo radica en que es un cultivo con tres destinos de consumo: En fresco. Para pimentón. Para conserva.

20

Los frutos presentan un desarrollo suficiente y un grado de madurez que les permite soportar la manipulación, el transporte y responder en la industria a los procesos de elaboración. Su fruto es de color rojo intenso, es carnoso, compacto y consistente, de carne fina y sabor dulzón, nada ácido, suave al paladar y con cierto gusto a asado.

Las características principales de los frutos procedentes de la especie

Capsicum annuum L. variedad Piquillo son: Color:

Rojo fuerte

Sabor:

Dulce

Forma:

Plana y triangular, con 2 a 3 caras y acabado en una punta incisiva ligeramente curva

Longitud:

Corto, de 8 a 10 cm

Diámetro:

Medio, de 4 a 5 cm

Peso medio del fruto:

De 35 a 50 g

Espesor de la carne:

Fina, unos 3 mm.

Número de lóbulos:

2a3

En cuanto al valor nutricional, su principal riqueza nos la proporciona su color rojo característico, el cual es un claro indicador de la riqueza en 21

carotenos de los pimientos de piquillo. Algunos de ellos como los carotenos, pueden transformarse en vitamina A.

Figura Nº 2: Pimiento piquillo

Fuente: Elaboración propia

Son ricos también en vitamina C (proporcionando más del doble de esta vitamina que la naranja). Los contenidos de vitamina C y carotenos, nos permite decir que los pimientos de piquillo son ricos en antioxidantes.

El componente mayoritario son los hidratos de carbono. Lo mismo que ocurre con las verduras, son buena fuente de fibra soluble. Presentan una baja densidad calórica, por ser ricos en agua y pobres en grasa y proteínas.

El consumo regular de pimientos de piquillo es muy recomendable no solo por sus propiedades nutritivas y gastronómicas.

22

Son recomendables para: Llevar una alimentación sana y rica en antioxidantes. Proporcionar un elevado aporte de fibra dietética. Como elemento protector de la dieta.

2.2.2 Aspectos económicos del piquillo peruano Entre 1994 y 1996 se importaron semillas del pimiento piquillo a nuestro país, que fueron sembradas y cosechadas por empresarios peruanos. Dada la cercanía de nuestro país a la línea ecuatorial nos encontramos en la zona tropical del mundo y a que en la costa del Perú no existen extremos de temperatura, el resultado de la siembra fue un pimiento piquillo con características tan excepcionales que está desplazando al pimiento piquillo español en España.

El Perú dispone de zonas con unas características inigualables para el cultivo del pimiento del piquillo, como lo demuestra el rendimiento medio por hectárea, que puede llegar a las 40 toneladas en los cultivos que emplean tecnología punta, con un costo por hectárea de 4.500 a 5.000 dólares estadounidenses.

23

Las condiciones edafoclimáticas en el Perú son óptimas para el cultivo de pimiento del piquillo durante todo el año, que le permite abastecer al mercado mundial en periodos en que algunos de los principales productores mundiales de este producto dejan de producir.

Las exportaciones de pimiento piquillo de Perú tienen ventajas comparativas respecto a sus más cercanos competidores, como son España y México, debido a los altos rendimientos de las tierras de la costa norte que son óptimas para su cultivo.

El pimiento piquillo es una hortaliza que en poco tiempo se ha convertido en

uno

de

los

principales

productos

estrellas

de

la

canasta

agroexportadora y en uno de los principales motores de crecimiento del sector agrícola en el Perú. Las exportaciones de pimiento piquillo se han incrementado desde 2.36 millones de dólares americanos en el año 1999 a 65.80 millones en el año 2011, tal como se puede observar en la tabla Nº 3. En las exportaciones, China se ha venido imponiendo como el principal exportador de piquillos mientras que el Perú se encuentra entre los primeros 5 exportadores mundiales.

24

Tabla Nº 3: Evolución de las exportaciones del piquillo peruano

Evolución de las exportaciones del pimiento piquillo peruano Miles TM

Millones $ US

1999

2.36

2000

4.34

2001

6.24

2002

10.82

2003

12.2

21.4

2004

22.3

32.4

2005

25.7

36.1

2006

31.8

50.6

2007

25.7

44.3

2008

22.8

40.8

2009

21.7

40.7

2010

23.6

50.1

2011

30.7

65.8

Fuente: Elaboración propia

Gráfico Nº 1: Evolución de las exportaciones del piquillo peruano 70 65.8 60 50.6 50

50.1

40

32.4

30

36.1

21.4

20

44.3 40.8

31.8 25.7

10 2.36

4.34

30.7

25.7

22.3

10.82

40.7

22.8

21.7

23.6

2008

2009

2010

6.24 12.2

0 1999

2000

2001

2002

2003

2004

2005

Miles TM Fuente: Elaboración propia

25

2006

2007

Millones US $

2011

2012

Los principales destinos de las exportaciones peruanas han sido España, Estados Unidos y Canadá. Actualmente el Perú es uno de los principales exportadores de pimiento piquillo en la Unión Europea y en los Estados Unidos (Tabla Nº 4 y Gráfico Nº 2). Tabla Nº 4: Exportaciones peruanas de pimiento piquillo en conserva

2008

2009

2010

2011

España

84.7%

82.1%

84.2%

83.6%

Estados Unidos

13.3%

11.7%

10.2%

7.8%

Alemania

0.0%

2.5%

2.5%

3.1%

Canadá

0.6%

0.5%

1.0%

1.1%

Francia

0.4%

1.1%

0.7%

1.0%

Países Bajos

0.3%

0.2%

0.3%

0.8%

Fuente: Ministerio de Agricultura (2012)/Elaboración propia

Gráfico Nº 2: Exportaciones peruanas de pimiento piquillo en conserva

90% 80% 70% 60% España

50%

Estados Unidos Alemania

40%

Canadá

30%

Francia Países Bajos

20% 10% 0%

2008

2009

2010

2011

Fuente: Ministerio de Agricultura (2012)/Elaboración propia

26

La demanda del pimiento piquillo peruano en el mundo es cada vez mayor, no sólo en España, el principal mercado de destino con 83.6%, sino que cada vez más se van diversificando los mercados de este producto peruano hacia Estados Unidos (10.7%), Alemania (2.0%), Canadá (0.8%), Francia (0.8%) y los Países Bajos (0.4%).

Así mismo, existen empresas peruanas productoras de vegetales deshidratados naturales que exportan utilizan los frutos del género Capsicum, tal como se muestra en la Tabla Nº 5, siendo Agrícola Cerro Prieto el mayor productor de pimiento deshidratado en el Perú.

Tabla Nº 5: Frutos del género Capsicum deshidratados en el Perú Empresa

Producto deshidratado

Canpexperu S.A.C.

Ajíes amarillo y colorado, rocoto

Fructus Ferrum S.A.

Ajíes amarillo, mirasol y panca, páprika

Jasabus Trading S.A.C.

Páprika, Piquillo, Ajíes amarillo y panca

Food Agro S.A.C.

Páprika, Ajíes amarillo y Jalapeño

Agroinversiones Caral S.A.C.

Páprika

Suministros Del Valle S.R.L.

Páprika

Belly Foods S.A.C.

Páprika, Pimiento piquillo

Agrícola Cerro Prieto

Pimiento

Corporación Miski S.A.

Páprika

Fuente: Elaboración propia

27

2.3

El Secado

2.3.1 Definiciones El secado, como una operación unitaria en la ingeniería química se caracteriza por la separación o eliminación (generalmente parcial) de la humedad de sólidos, mediante la vaporización de ésta, ya sea en el seno de una corriente gaseosa o no, para arrastrar el vapor producido. La separación o eliminación se realiza por medio del calor.

Cuando se seca un sólido se producen dos procesos fundamentales y simultáneos: Transmisión del calor para evaporar el líquido. Transferencia de masa de la humedad interna y del líquido evaporado.

El mecanismo del secado, al ser controlado por la transferencia de calor y por la transferencia de materia, consiste en el transporte de materia desde el interior del sólido a su superficie, la vaporización del líquido en o cerca de la superficie, y el transporte del vapor hacia el seno del gas.

28

Simultáneamente se transfiere calor desde el seno del gas hacia la fase sólida, en donde todo o parte de éste da lugar a la vaporización y el remanente se acumula como calor sensible.

Figura Nº 4: Mecanismos de transferencia en el Secado

Desde la superficie hacia el interior del sólido

TRANSFERENCIA DE CALOR Desde el gas a la superficie del sólido

GAS CALIENTE Desde el interior a la

superficie del sólido

Cerca o desde la superficie hacia el seno del gas

TRANSFERENCIA DE MASA Fuente: Elaboración propia

La característica principal

T

de masa

en la operación de secado es que los

fenómenos de transporte en la fase gas ocurren en condiciones estacionarias, mientras que en la fase sólida ocurren en condiciones no estacionarias.

El término humedad se usa de manera genérica e incluye a todo líquido volátil que es eliminado en la operación de secado. Generalmente la humedad presente en los sólidos es el agua, mientras que el gas que arrastra el vapor formado es el aire. 29

El agua está retenida por el sólido por diferentes enlaces: Enlaces mecánicos Los macrocapilares (rmedio> 10-5 cm) se llenan de humedad durante el contacto directo de ésta con el sólido y en los microcapilares (rmedio < 10-5 cm), la humedad penetra tanto por contacto directo, como por adsorción de la misma del medio ambiente. Enlaces físico-químicos Corresponde a dos tipos de humedad que difieren por la solidez del enlace con el material: La humedad ligada osmóticamente que se encuentra dentro de las células del material y se retiene por las fuerzas osmóticas; y la humedad ligada por adsorción: se retiene sólidamente sobre la superficie y en los poros del material.

Figura Nº 5: Formas de retención de la humedad

(1) Humedad superficial (2) Humedad retenida en capilares (3) Humedad retenida en poros (4) Humedad cristalizada

Fuente: Elaboración propia

30

Enlaces químicos donde la humedad 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.

Durante el secado se elimina la humedad enlazada con el material en forma mecánica y físico-química, siendo la más fácil de eliminar la primera. La humedad ligada químicamente no puede ser eliminada del material por secado.

Tabla Nº 6: Contenido de humedad final en diversos productos

Producto

% humedad

Sal

0.5

Carbón

4

Almidón (maíz)

9

Azúcar

0.05

Madera

11

Leche en polvo

4

Detergentes

8 - 10

Papel

6 - 10

Cuero

12 - 14

Plomo (Arseniato)

4

Alimentos

5

Fuente: Elaboración propia

31

En la mayoría de las aplicaciones industriales del secado no es necesario ni resulta económicamente factible, eliminar todo vestigio de humedad; el sólido seco generalmente contiene una cierta cantidad de humedad, cuyo contenido estar

condicionado a la calidad del producto y a

factores económicos.

En la tabla Nº 6 se presentan las humedades

finales de algunos productos secos.

Son múltiples las razones para efectuar el secado: En muchos casos, el objeto es extraer un líquido de un sólido, ya sea para facilitar el manejo de éste en otra operación o por ser inconveniente la humedad en alguna operación subsiguiente de elaboración. Otra de las razones puede ser que el producto final debe estar seco para que pueda ser utilizado, como sucede con los pigmentos, el rayón y el azúcar. Otras veces es necesario el secado para eliminar costos de transporte, para asegurar la conservación de un producto durante su almacenamiento o transporte, o para aumentar la capacidad de otros equipos en un proceso de fabricación.

32

En cuanto al diseño del equipo de secado, los problemas básicos que deben resolverse consisten en: Proporcionar un medio eficiente de suministro de energía al sólido húmedo. Proporcionar un medio eficiente para remover el vapor producido en la operación de secado. Como recolectar eficientemente el sólido seco. Como consecuencia de la especialización de los secadores, la selección de un secador apropiado para un producto

determinado es un paso

importante en la especificación y diseño de la planta procesadora. Si se escoge un tipo de secador inadecuado, puede dar lugar a una operación deficiente y se obtiene un producto de menor calidad

2.3.2 Nomenclatura en Secado Contenido de humedad, en base húmeda Es la humedad que contiene un sólido, expresada como la fracción peso de la humedad en el sólido húmedo. x = masa de humedad / masa sólido húmedo x = masa de humedad / (masa sólido seco + masa de humedad)

33

Contenido de humedad, en base seca Es la humedad que contiene un sólido, expresada como la relación entre la masa de la humedad y la del sólido seco. X = masa de humedad / masa de sólido seco

Humedad de equilibrio: X* Es el límite al cual puede llevarse el contenido de humedad de un sólido, cuando éste se pone en contacto con un gas por un tiempo suficiente y en condiciones determinadas.

Cuando un sólido húmedo se pone en contacto con una corriente de un gas a temperatura y humedad determinadas y constantes, utilizándose un gran exceso del gas para que sus condiciones permanezcan invariables y después de haber expuesto el sólido por un tiempo suficiente, éste podrá perder o ganar humedad hasta alcanzar un contenido de humedad definido. A este valor se le conoce como contenido de humedad de equilibrio del material. En este momento la presión de vapor que ejerce la humedad del sólido es igual a la presión parcial del vapor que acompaña al gas (presión parcial de equilibrio).

34

El comportamiento de un sólido respecto al secado es función de la naturaleza del sólido, de la naturaleza de la humedad, de la temperatura y de las condiciones del gas (temperatura y humedad relativa). En la Figura Nº 6 se muestran algunas curvas de humedad de equilibrio.

Figura Nº 6: Humedad de equilibrio de algunos sólidos

1 Fibra de asbesto 2 PVC 3 Carbón vegetal 4 Papel Kraft 5 Yute 6 Trigo 7 Papas Fuente: Treybal, 1980

Humedad libre Se define como la cantidad de humedad que puede perder un sólido después de un contacto suficientemente prolongado con un gas a condiciones constantes de humedad relativa y temperatura. La humedad libre está dada por la diferencia entre el contenido de humedad del sólido y el contenido de humedad de equilibrio.

35

Depende tanto de la humedad del sólido como de la humedad relativa del gas, de la temperatura y de la naturaleza del sólido.

Figura Nº 7. Curva de humedad de equilibrio HR 1.0 Humedad desligada Humedad ligada Humedad libre

M

X*

X

Fuente: Elaboración propia

Humedad ligada o límite Es la humedad del sólido que está en contacto con el gas, que ejerce una presión parcial menor que la presión de vapor como líquido puro a la misma temperatura (p < Pº).

Si la humedad es el agua, la humedad ligada es el agua combinada con el sólido, que puede estar retenida en pequeños capilares o en solución con

36

las paredes celulares o también ligada por un fenómeno de adsorción física o química sobre la superficie del sólido:

Fuerzas capilares: Agua retenida por capilares de tamaño muy pequeño (microcapilares) Fijada sobre grupos polares, por puentes de hidrógeno, en forma de capa monomolecular sobre puntos activos. Fijada la monocapa sobre estos puntos activos, se van formando 2, 3 o más capas sobre la monocapa, que tampoco participa

en las

reacciones. La humedad ligada no puede intervenir en las posibles reacciones ni como solvente ni como reactivo, ya está fuertemente retenida por el sustrato.

Humedad desligada o no límite Es la humedad del sólido que está en contacto con el gas, que ejerce una presión parcial igual a la presión de vapor como líquido puro a la misma temperatura (p = Pº). Si la humedad es el agua, la humedad desligada sería el agua sin combinar, presente principalmente en los espacios vacíos del sólido.

37

En el caso de geles, se habla de agua inmovilizada, donde una cantidad importante de agua es retenida, debido a la estructura del producto, y puede participar en las reacciones.

En caso del agua desligada tenemos: Retenida en capilares pero de tamaño mayor que en el caso de la ligada (macrocapilares). Fenómenos de adsorción. Agua inmovilizada, retenida por membranas celulares.

2.3.3 Clasificación de los equipos de secado Debido a la naturaleza universal del secado, el equipo utilizado en esta operación adopta las formas más diversas, por lo que resulta conveniente una clasificación de éstos, con la finalidad de esquematizar las teorías de secado y los métodos de diseño.

Los criterios más utilizados para clasificar los equipos de secado son: De acuerdo al modo de operación de los equipos De acuerdo al método de proporcionar calor al material húmedo.

38

El primero se refiere al método de transporte del material a través el secador, es decir en la forma de alimentar el sólido húmedo y de extraer el producto seco.

Se distinguen dos grupos:

Secadores discontinuos: Aquellos que operan en forma intermitente o cíclica, bajo condiciones de estado no estacionario. El material húmedo se carga al secador y permanece en él, hasta que se seca a una humedad determinada. Una vez que el producto está seco, éste se retira del secador y luego se carga con nuevo material. Este tipo de equipos es recomendable para producciones a gran escala.

Secadores continuos: Aquellos que operan en forma continua y bajo condiciones de estado estacionario. El material húmedo ingresa al secador, se traslada a través de éste y sale del mismo en forma continua. Este tipo de equipos es recomendable para producciones a gran escala.

El segundo criterio se refiere a la manera como se transmite el calor al material a secar y se clasifican en: 39

Secadores convectivos o directos: Aquellos que se caracterizan por utilizar gases calientes que entran en contacto directo con el material

húmedo,

al

que

transfieren

calor

por

convección

fundamentalmente, y que arrastran fuera del secador los vapores producidos.

Secadores conductivos o indirectos: Aquellos que se caracterizan porque en ellos la transmisión de calor hasta el material húmedo tiene lugar por conducción a través de una superficie caliente, generalmente

metálica.

Difieren

de

los

secadores

directos,

respecto a la forma de suministrar calor al material húmedo y a la forma de eliminar la humedad. Los vapores producidos son eliminados independientemente del medio calefactor.

Secadores por radiación: Aquellos que se basan en la transferencia de energía radiante para evaporar la humedad del material a secar. Esta energía se produce eléctricamente

por medio de lámparas

infrarrojas, por medio de resistencias eléctricas o por medio de refractarios incandescentes calentados por gas.

40

Secadores dieléctricos: Aquellos que se caracterizan por generar calor en el interior del propio sólido, en virtud de un campo eléctrico de alta frecuencia que provoca una gran agitación de las moléculas polares, cuya fricción genera el calor necesario para la vaporización de la humedad.

2.4

Isotermas de equilibrio

El equilibrio de adsorción o de desorción del agua está relacionado con el concepto de actividad del agua (aW). En el equilibrio, la actividad del agua es igual a la relación entre la presión parcial en fase vapor ejercida por la humedad que contiene un sólido en un ambiente cerrado que lo rodea y la presión de vapor del agua líquida a una determinada temperatura.

aW = pA / Pºagua = % Humedad relativa / 100

La humedad contenida en los alimentos es el agua, la que actúa favoreciendo los mecanismos de deterioro de los alimentos en las posibles reacciones químicas, enzimáticas y no enzimáticas que puedan ocurrir, así como el desarrollo de microorganismos que pueden deteriorar el alimento o causar daño al ser humano al ser ingeridos. 41

Disminuyendo la actividad del agua, se consigue retardar el deterioro y contaminación

microbiológica

de

los

alimentos

durante

el

almacenamiento, transporte y distribución.

La eficacia del secado se basa en el hecho de que los microorganismos no pueden crecer ni causar alteraciones en alimentos cuya actividad de agua se encuentre en niveles críticos. Así para la mayoría de las bacterias este nivel está alrededor de 0.90, para hongos y levaduras es de 0.61 y el de hongos micotoxigénicos es de 0.78.

Por otro lado, la separación del agua de los tejidos paraliza las reacciones de deterioro natural del producto, resultando un material altamente concentrado y de calidad duradera. La actividad del agua está relacionada también con la textura de los alimentos y afecta a propiedades como la aglutinación en el caso de productos en polvo o gránulos.

.

Las isotermas de equilibrio o de desorción son representaciones gráficas que relacionan el contenido de agua en un sólido, expresada en base seca (masa humedad/masa sólido seco) y la actividad del agua.

42

Se

les

conoce

como

isoterma

de

adsorción

si

se

determina

experimentalmente a partir de un producto seco y como isoterma de desorción si se determina a partir de un producto saturado en agua o fresco.

Las isotermas de adsorción y e desorción son generalmente

diferentes, presentándose el fenómeno denominado histéresis.

La isoterma de desorción es útil para calcular la humedad de equilibrio de un producto que se está sometiendo al secado. Existen modelos matemáticos usadas comúnmente para describir la isotermas de equilibrio, entre los cuales tenemos: Modelo de Brunnauer, Emmett y Teller (B.E.T.) Modelo de Caurie Modelo de Guggenheim, Anderson y De Boer (GAB)

Estos modelos no se pueden aplicar de modo universal, son válidos dentro de ciertos rangos y tampoco se puede indicar si son aplicables a un caso particular, por lo que se requiere un tratamiento de datos experimentales para determinar el modelo adecuado.

Modelo de Brunnauer, Emmett y Teller (B.E.T.) Válido entre valores de  = 0.05 – 0.40 43

X1 . C .  Xe = -----------------------(1- ) . (1–  + C.  )

La ecuación de B.E.T. se puede transformar en una ecuación correspondiente a una línea recta:  1 ( C – 1 ) 1 ------ . ---- = -------- .  + -----(1 - ) Xe X1 . C X1 . C

Figura Nº 8: Isoterma de B.E.T.

 1 ------- . --(1 - )Xe

9 8 7 6 5 4

1 ----X1 . C

3

(C – 1) m = -----X1 . C

2 1 0 0.05

0.15

0.25

0.35



0.45

Fuente: Elaboración propia



Humedad relativa ( tanto por uno )

Xe

Humedad del producto ( kg agua / kg sólido seco)

X1

Humedad correspondiente a la capa mono molecular absorbida ( kg agua / kg sólido seco) Constante característica del alimento, relacionada con el calor de adsorción de las moléculas de agua: C = K . eQs/RT

C

44

Modelo de Caurie Válido entre valores de  = 0 – 0.85 Xe = EXP ( ln r ) .  - ( 1 / 4.5 XS ) La ecuación de Caurie se puede transformar en una ecuación correspondiente a una línea recta: ln (1 / Xe) = - ( ln r ) .  + (1 / 4.5 XS )

Figura Nº 9: Isoterma de Caurie 1 ln. --Xe

8 7 6

1 ----4.5XS

5 4 3

m = - ln r

2 1 0 0

0.2

0.4

0.6



0.8

Fuente: Elaboración propia





     



Humedad relativa ( tanto por uno )

Xe

Humedad del producto ( kg agua / kg sólido seco)

XS

Humedad de seguridad que proporcionará la mayor estabilidad del alimento deshidratado durante el almacenamiento. (Ligeramente S > 1)

ln r

Parámetro característico de cada producto

 45

Modelo de Guggenheim, Anderson y De Boer ( GAB ) Válido entre valores de  = 0 – 0.90  Xm. C . k .  Xe = ---------------------------------( 1 – k .  ) . ( 1 – k . + C . k .  ) La ecuación de GAB se puede transformar en:

 1 (C – 2) k (1 – C) --- = --------- + ------ .  + -------- . 2 Xe Xm . k . C Xm . C Xm . C

Figura Nº 10: Isoterma de G.A.B.  --Xe

8 7 6 5 4 3 2 1 0 0

0.2

0.4

0.6

Fuente: Elaboración propia

0.8





Humedad relativa ( tanto por uno )

Xe

Humedad del producto ( kg agua / kg sólido seco)

k

Parámetro de corrección de las propiedades del agua

C y Xm

Tienen el mismo significado que C y X 1 en la ecuación de B.E.T. Parámetro característico de cada producto 46

2.5

Secado por convección

El secado por aire caliente es un método por el cual se transfiere calor al sólido húmedo fundamentalmente por convección, al entrar en contacto directo con el sólido húmedo; siendo uno de los métodos más utilizados. Cuando se quiere diseñar un secador por convección es necesario conocer el mecanismo y la cinética del secado de un material en cuestión, es decir se deben establecer relaciones cuantitativas entre el tiempo que debe durar la operación y las condiciones de secado, antes de efectuar cualquier intento de cálculo.

Para lograr establecer una relación cuantitativa entre el tiempo de secado y cada una de las variables, se deberán efectuar pruebas experimentales manteniendo constantes cada una de ellas; exceptuando la que queremos analizar. Así por ejemplo, para establecer una relación entre el tiempo de secado y la temperatura del gas, habrá que procurar que las otras variables permanezcan

constantes;

realizando

diferentes temperaturas.

47

pruebas

experimentales

a

En todos los casos habrá que procurar obtener información lo más representativa posible. Para ello además de la constancia de las variables indicadas, será

necesario operar en condiciones lo más

parecidas que se pueda a las del secador industrial que se quiera diseñar. Es decir se trata de imitar en todo lo posible en el secador experimental, las condiciones que se obtendrán en el secador que se está diseñando. Así mismo se debe procurar que el modo de circular el aire y los mecanismos por los que se transmitirá el calor sean idénticos a los del equipo que se quiere diseñar.

2.5.1 Curvas de secado Una

prueba

experimental

del

secado

consiste

en

determinar

periódicamente el contenido de humedad de una muestra del sólido en intervalos de tiempo medidos desde el inicio de la prueba, manteniendo constantes todas las variables que influencian el tiempo de secado. Esta medición se realiza tomando el peso del sólido en función del tiempo que transcurre la operación. Las características del secado de un sólido se describen muy bien al representar el contenido de humedad del sólido (humedad en base seca) frente al tiempo transcurrido desde que se inició la operación ( X vs  ).

48

Esta representación gráfica da origen a lo que se conoce como la Curva de secado. La mayoría de los sólidos húmedos presentan una curva similar a la mostrada en la figura Nº 11 y sobre todo en el caso de sólidos muy húmedos.

Figura Nº 11: Curva de Secado 0.30

X 0.25

0.20

0.15

0.10

0.05

0.00 0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

Fuente: Elaboración propia

El comportamiento del secado se puede observar mejor, si a partir de la curva de secado se calcula la velocidad de secado ( N ) y se representa frente al contenido de humedad del sólido, dando origen a la curva de velocidad de secado.

49

La velocidad de secado (N) se define como la pérdida de humedad del sólido húmedo en la unidad de tiempo y por unidad de rea de la superficie del sólido expuesta al secado, operando en condiciones constantes: N = - (LS/A) . (dX/d ) donde : Ls

= Peso del sólido seco

A

= Superficie del sólido expuesta al secado

(dX/d) = Variación del contenido de humedad con respecto al tiempo.

Para calcular la velocidad de secado en un determinado instante, se toma un punto de la curva de secado (1 , X1) y se traza una línea recta tangente a ese punto de la curva. Tomando el punto de intersección de esa recta con el eje de ordenadas (2 , X2) se calcula la pendiente, que será igual a dX / d. (X2 - X1) (X1 - X2) dX m = -------- = -------- = --(2 - 1) 1 d

Luego, la velocidad de secado: N = - (LS / A) . m

50

Se toman varios puntos de la curva de secado, calculando la velocidad de secado en cada uno de ellos. Tabulando los datos se obtiene N = f (X), que al ser representados dan lugar a la Curva de Velocidad de Secado.

Figura Nº 12: Cálculo de la velocidad de secado

0.30

X 0.25

0.20

X2 0.15

0.10

X1

0.05

0.00

0 2

1

2

3

4

5 1

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

Fuente: Elaboración propia

Otra forma de obtener datos para la curva de

secado, consiste en

tomar segmentos de la curva, aproximándolos a una recta, de modo que: X Xn+1 – Xn m = ----- = --------n+1- n

y multiplicar por LS/A para obtener N.

51

Para la humedad se toma la media aritmética de las humedades y obtener un valor promedio. Xn+1 + Xn Xpromedio = -------2

Figura Nº 13: Curva de velocidad de secado 0.25

N

C

0.20

B A

0.15

0.10

0.05

D E

0.00 0.00

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

X

0.30

Fuente: Elaboración propia

En la curva de velocidad de secado se pueden distinguir en forma más clara las zonas o períodos que se indicaron en la curva de secado:

Zona A-B: Período de inducción, donde la pérdida de humedad del sólido aumenta ligeramente. Se le conoce también como zona o período de ajuste.

52

En este período el sólido húmedo se calienta y aumenta la temperatura de la interfase, produciéndose una adaptación del sólido a las condiciones de secado. Este período depende de numerosos factores y su duración será función del contenido de humedad inicial del sólido, de su temperatura, de la velocidad del aire, etc. Generalmente este período es corto, por lo que para fines de cálculo se prescinde de él, ya que se considera que en su transcurso el secado tiende al régimen estacionario.

Zona B-C: Período de velocidad de secado constante, donde la pérdida de humedad del sólido varía linealmente con el tiempo de secado. En este período la velocidad con que se elimina la humedad de la superficie del sólido es menor que la velocidad con que esta llega a la superficie desde el interior del mismo. A esto se debe que la superficie del sólido se mantiene constantemente mojada y se comporta como una masa de líquido, de ahí que la velocidad de secado es igual a la velocidad de evaporación de la humedad.

53

En tales condiciones, la temperatura de la interfase será constante y el calor que llega al sólido se invierte totalmente en evaporar el líquido. Las variables que influencian este período son los llamados factores externos: velocidad del gas, estado termodinámico y propiedades de transporte del gas; y el estado de agregación de la fase sólida.

Zona C-E: Período de velocidad decreciente velocidad de secado decreciente, en donde la pérdida de humedad del sólido comienza a disminuir; anulándose cuando la humedad del sólido alcanza su valor de equilibrio con el gas de secado. A medida que transcurre el tiempo, el sólido se va secando y llegará un momento en que la velocidad con que la humedad llega a la superficie del sólido se hace menor que la velocidad con la que llega el calor a la superficie. Desde este momento comienza el período de velocidad decreciente en que parte del calor que llega a la superficie del sólido, se invierte en calentarlo. En este punto, el contenido de humedad del sólido se conoce como la humedad crítica ( XC ). La película superficial de humedad se reduce y un posterior secado ocasiona la aparición de zonas secas sobre la superficie, las que 54

ocuparán progresivamente mayores proporciones a medida que continúa

el

corresponde

secado.

Dentro

del

período

decreciente,

esto

a un primer período de secado con superficie no

saturada (C – D) que concluye cuando se ha evaporado totalmente la película superficial. En un segundo período (D - E), comienza a controlar el régimen al que puede moverse la humedad a través del sólido. Como decrece el régimen del movimiento interno de la humedad, la velocidad de secado cae más rápidamente hasta alcanzar la humedad de equilibrio, y el secado cesa. En este período los factores externos no tienen tanta influencia como las propiedades de transporte del sólido, que son los factores controlantes sí como la temperatura que es la variable primordial del diseño.

2.5.2 Factores de influencia Las variables que influencian en las curvas de secado son numerosas y están relacionadas tanto con las condiciones de la fase gaseosa como con el sólido que está siendo expuesto al secado.

55

Para la fase gaseosa se deben considerar la temperatura, velocidad, humedad, dirección del flujo y las propiedades de transporte del gas. Si en el equipo de secado se pueden considerar despreciables los efectos de la transferencia de calor por conducción y radiación, la velocidad de secado es proporcional a la velocidad del gas, es decir a medida que aumenta lo hace también la velocidad de secado. Sin embargo a partir de ciertos valores el efecto es menos importantes, ya que el secado está controlado por los mecanismos de difusión de la humedad. Si los efectos de la conducción y radiación son importantes, el efecto del flujo del gas será menor. La velocidad de secado también es proporcional a la temperatura del gas. Al aumentar la temperatura del gas se incrementa la diferencia con la temperatura de la superficie de secado, por lo que

la

velocidad de secado se incrementa. La velocidad de secado también es inversamente proporcional a la humedad del gas. Al aumentar la humedad, disminuye el gradiente de humedades en el seno de la corriente gaseosa, se transfiere a ésta menor cantidad de humedad y la velocidad de secado disminuye.

56

Para la fase sólida se debe considerar la naturaleza, el estado de agregación, la geometría, tamaño, espesor y las propiedades de transporte de la fase sólida. La composición y estructura del material influyen en la actividad del agua en lo que se refiere a la humedad de equilibrio. Si las superficies que no se están secando están bien aisladas ó si el secado ocurre en todas las superficies del sólido, la velocidad de secado es independiente del espesor. Durante el período de velocidad de secado constante, el tiempo de secado es directamente proporcional al espesor.

2.5.3

Mecanismos de transporte

Como se ha mencionado, el secado es una operación que se caracteriza por la transferencia simultánea de calor y de masa.

Los fenómenos de transporte que ocurren en el exterior del sólido son: Transferencia de calor desde el seno del gas a la interfase. Transferencia de materia desde la interfase al seno del gas.

Los fenómenos de transporte que ocurren en el interior del sólido son:

57

Transferencia de calor

desde la interfase hacia el interior del

sólido. Transferencia de materia desde

el interior del sólido hacia la

superficie, que puede realizarse por capilaridad o por difusión.

En cuanto a la transferencia de calor, ésta puede ocurrir por diferentes mecanismos: conducción, convección, radiación o una combinación de cualquiera de éstos. El calor proporcionado por el gas caliente se transfiere primero a la superficie exterior e inicialmente se consume inicialmente en evaporar la humedad superficial del sólido, lo que ocurrirá de forma constante durante el primer período de secado. Durante el período de velocidad decreciente, existe un remanente de calor que se transfiere al interior del sólido y se traduce en un incremento de su temperatura.

En lo que corresponde a la transferencia de masa, cuando se produce la evaporación de la humedad superficial, se generan gradientes de concentración de humedad dentro del sólido; por lo que da lugar a un movimiento de humedad desde el interior del sólido hacia la superficie. 58

Las teorías que se han desarrollado para explicar de la humedad dentro de un sólido son el de la capilaridad y la difusión, aunque también se puede considerar el efecto de la presión:

Difusión: 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. Si se suministra calor a una superficie de un sólido mientras en otra el secado continúa, se puede evaporar la humedad debajo de la superficie, difundiéndola hacia afuera como vapor. En aquellos sólidos que presentan capilares finos, poros y pequeños espacios vacíos donde es retenida la humedad, una vez que ésta se ha vaporizado, la difusión molecular presenta una tendencia al movimiento desde el interior a la superficie.

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. 59

Los capilares se extienden dentro del sólido como pequeños receptáculos de humedad 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. El flujo capilar ocurre por la atracción molecular entre el sólido y el líquido.

Presión: Durante el secado debido a la contracción de las capas externas de un sólido, se puede compeler la humedad hacia la superficie.

En cuanto a los mecanismos de transferencia de masa en el interior del sólido:

La difusión es el mecanismo que prevalece en materiales como jabones, gelatina, goma, lana y en la última etapa del secado de almidones, papel, arcillas, textiles, etc.

La capilaridad es el mecanismo que prevalece en materiales como arena, pigmentos para pinturas, minerales (sólidos granulares), etc.

60

2.5.4 Modelado de la cinética del secado El secado de un alimento (sólido húmedo) depende de factores externos referidos a las condiciones del aire de secado, tales como la temperatura de bulbo seco, la humedad relativa, la velocidad y el sentido en que circula respecto al sólido, y de factores internos, por ejemplo, el espesor y geometría del producto. Para el diseño de un secador se requieren datos sobre el mecanismo y cinética del secado, que pueden venir en forma de gráficos o mediante ecuaciones. En el desarrollo y perfeccionamiento de los equipos utilizados para el secado es muy importante la simulación y obtención de información teórica referida al comportamiento de cada producto durante la eliminación de la humedad que contiene un sólido. La representación gráfica de los datos experimentales de una prueba de secado dan como resultado las curvas de secado, las cuales se pueden utilizar para obtener modelos matemáticos que ayuden a predecir el comportamiento o cinética del secado de un sólido. Los modelos matemáticos son herramientas útiles para estimar el tiempo necesario en reducir la cantidad de agua del producto a

61

diferentes condiciones de secado mejorando la eficiencia del proceso. La mayoría de estos modelos son empíricos, pero derivan del modelo difusional de la segunda ley de Fick para diferentes geometrías. El modelo difusional de Fick considera que el transporte de agua desde el interior

del

sólido

hacia

la

superficie

del

mismo

tiene

lugar

principalmente por difusión, calculándose de este modo un coeficiente de difusión efectivo (Treybal, R. 1973). Así mismo, estos modelos de secado se basan en las condiciones de equilibrio entre el sólido húmedo y la atmósfera a la que está expuesta este sólido. Para ello se requiere definir las isotermas de desorción que dependen de su capacidad de retener la humedad, variable que se determina por medio de la actividad del agua.

62

III

3.1

MATERIALES Y MÉTODOS

Materia prima Para el trabajo de investigación se ha utilizado el pimiento ( Capsicum

annuum L.) variedad piquillo obtenido en el mercado de Surquillo Nº 1, procedente de la región Lambayeque. Las muestras se mantuvieron en refrigeración a unos 4 ºC, hasta su utilización en las pruebas experimentales.

3.2

Materiales de ejecución Reactivos Acetato de potasio Ácido sulfúrico concentrado Ácido sulfúrico 0.02 N Ácido sulfúrico 0.005 N Alcohol etílico Bromuro de potasio Cloruro cuproso Cloruro de litio Cloruro de magnesio 63

Cloruro de selenio Cloruro de sodio Éter de petróleo Hidróxido de sodio 0.005 N Indicador rojo de metilo Indicador azul de metileno Ioduro de potasio Nitrato de magnesio Sulfato de potasio Sulfato de cobre Equipos e instrumentos: Balanza analítica Mettler Toledo 0.001 g Balanza FLOVIC 1 G Equipo para análisis semi micro Kjeldahl VELP SCIENTIFICA Estufa de aire caliente VENTICELL Extractor tipo Soxhlet GERHARDT Horno mufla hasta 600 °C LABTECH Secador experimental de bandejas por aire caliente Materiales de vidrio diversos para análisis químicos Menaje tales como coladeras de acero, cuchillos de acero Canastillas de acero 64

3.3

Caracterización de materia prima y producto seco En el desarrollo del presente trabajo se ha realizado un estudio físico de la materia prima para determinar los porcentajes en que están presentes

los

componentes

del

fruto,

vale

decir

la

parte

correspondiente a la cápsula, a las placentas y a las semillas.

También se han efectuado análisis químicos de los pimientos frescos para determinar su composición química proximal.

El análisis se ha

realizado tomando muestras de la parte comestible del fruto, es decir la cápsula, descartando la placenta y las semillas. Así mismo se han efectuado los mismos análisis para el producto seco.

Los análisis químicos realizados son para la determinación de proteínas, grasas, cenizas, humedad, carbohidratos y fibra. Los métodos utilizados para cada análisis se especifican a continuación:

Proteínas: Se determinó empleando el método semi-micro Kjeldahl, estimando el contenido de nitrógeno como un porcentaje y multiplicando este valor por el factor 6.25; para obtener el contenido de proteínas (A.O.A.C. 954.01 , 15 ed. , p. 70, 1990).

65

Figura Nº 14: Equipo semi-micro Kjeldahl VELP SCIENTIFICA

Fuente: Elaboración propia

Grasas: La muestra previamente desecada se sometió a una extracción utilizando éter de petróleo como solvente, utilizando en un equipo Soxhlet (A.O.A.C. 932.02 , 15 ed. , p. 80, 1990).

Figura Nº 15: Equipo Soxhlet GERHARDT

Fuente: Elaboración propia

Cenizas: Se determinó por el método de calcinación de la muestra, en una mufla a 600 ºC y por un tiempo de 4 horas o el necesario para

66

obtener cenizas libres de carbón (A.O.A.C. 942.05, 15 ed. , p. 70, 1990) Figura Nº 16: Horno mufla LABTECH

Fuente: Elaboración propia

Humedad: Se determinó por desecación de la muestra en una estufa a 110 ºC y por 5 horas (A.O.A.C. 7.003, 14 ed. , p. 152, 1984).

Figura Nº 17: Estufa Aire caliente VENTICELLI

Fuente: Elaboración propia

67

Carbohidratos: El contenido de carbohidratos se obtuvo por diferencia, es decir restando del 100 %

los porcentajes de

proteínas, grasas, cenizas y humedad.

Fibra: La muestra previamente desengrasada, se sometió a una hidrólisis con ácido sulfúrico 0.005 N (1.25 %) y posteriormente con hidróxido de sodio 0.005 N (1.25 %); cada una de éstas por un tiempo de 30 minutos. El residuo fue filtrado, secado, pesado, calcinado y nuevamente pesado. (A.O.A.C. 962.09 , 15 ed. , p. 80 , 1990).

3.4

Isoterma de desorción Para la obtención de la isoterma de desorción (Curva de humedad de equilibrio) se utilizó un método estático que se basa en determinar el contenido de humedad en una muestra, después de que ésta ha alcanzado el equilibrio con un aire de humedad relativa constante. Este método se basa en el hecho de que si en un recipiente herméticamente cerrado se coloca una solución salina saturada (que corresponde a una composición porcentual determinada para cada tipo de sal), se origina en el espacio libre por encima de la solución un ambiente de humedad relativa conocida, cuyo valor depende solamente de la temperatura.

68

Mediante un tapón adecuado se introduce en el recipiente una cesta metálica o de vidrio, colgada de un alambre, conteniendo una muestra. Esta muestra tenderá a ganar o perder humedad hasta alcanzar un contenido en equilibrio con la humedad relativa ambiente, a la temperatura constante a la que se realiza la experiencia. Si el sólido posee una humedad inferior a la del equilibrio, éste tomará humedad del ambiente que lo rodea, y por el contrario, la cederá si su humedad es superior a la del equilibrio. En ambos casos la humedad relativa ambiente permanecerá constante, ya que la solución saturada absorbe las variaciones de humedad.

Figura Nº 18: Dispositivo para determinar humedad de equilibrio

Muestra Cesta

Solución salina

Sal cristalizada

Fuente: Elaboración propia

69

Pesando la cesta periódicamente, el ensayo finalizará cuando la muestra alcanza un peso constante. Posteriormente se determina el contenido de humedad del sólido, que corresponde a la humedad de equilibrio.

Los resultados obtenidos se aplicaron a los modelos Brunnauer, Emmett y Teller (B.E.T.); de Caurie y de Guggenheim, Anderson y De Boer (GAB, para definir cual era el que mejor se ajustaba a los datos experimentales.

3.5

Acondicionamiento de la materia prima Se realizaron ensayos para determinar las condiciones en que deben llevarse a cabo las operaciones de acondicionamiento de la materia prima, previo al secado del pimiento piquillo. Las principales operaciones preliminares que se realizaron fueron: selección, lavado, separación de semillas y placentas, cortado y escaldado.

Selección Uno de los factores más importantes que determinan la calidad del producto deseado es su cuidadosa selección y para este fin se hace uso

70

de una serie de atributos de la materia prima: tamaño, color, grado de madurez, textura, ausencia de magulladuras o defectos causados por mohos o insectos. Los pimientos se clasificaron manualmente en mesas de trabajo, de acuerdo a su grado de madurez, teniendo en cuenta la coloración del fruto. Se utilizaron los que presentaron una buena coloración roja, y se separaron aquellos que aún se encontraban verdes y los que no tenía tamaño uniforme. Paralelamente se eliminaron los frutos deteriorados, descartando aquellos que se encuentren aplastados o magullados, con signos de encontrarse en mal estado o de podredumbre.

Limpieza o lavado La limpieza se realizó por inmersión en agua clorada (3 - 5 ppm de hipoclorito de sodio, pH = 5 – 6) con la finalidad de separar toda partícula extraña a la materia

prima y una desinfección de los

pimientos, eliminando los restos de suciedad que puede favorecer el crecimiento de microorganismos que pueden deteriorar el producto. Luego se procedió a un enjuague con agua limpia,

para eliminar las

últimas trazas de suciedad y el olor característico del desinfectante. Finalmente los pimientos, una vez enjuagados, se escurrieron para pasar a la operación siguiente. 71

Separación de semillas y placentas Los pimientos se cortaron por la parte superior, eliminando el pedúnculo así como la placenta y las semillas del fruto. En esta etapa es donde ocurrieron las mayores pérdidas de producto.

Cortado El cortado tuvo como finalidad facilitar el secado y se realizó en tiras de aproximadamente 1 cm de ancho. El cortado incrementó la superficie de exposición al aire caliente. El cortado se realizó de la manera más uniforme posible, por lo que se seleccionaron los pimientos que tenían tamaño uniforme y de forma regular.

Blanqueado o escaldado Esta operación es importante para casi la totalidad de los vegetales, y consistió en un tratamiento térmico con agua a 95 - 100 °C, por un período corto de tiempo, con la finalidad de destruir o inactivar las enzimas naturales que podrían producir alteraciones en el color, en el aroma, en las características del tejido celular y en la conservación de las vitaminas. El escaldado, aparte de la destrucción enzimática, también consigue reducir la carga microbiana. 72

3.6

Prueba experimental de secado Las pruebas de secado se realizaron utilizando un equipo experimental de secado por aire caliente tipo cabina (Figura Nº 20). El equipo constituido por un ventilador que insufla el aire caliente hacia una cabina donde se colocó la bandeja, cargada con el producto a secar, que cuelga de una balanza.

Figura Nº 19: Equipo experimental de secado

Fuente: Elaboración propia

Las bandejas utilizadas, construidas con mallas de alambre tenían dimensiones de 25.5 cm x 21.0 cm x 3 cm. Los pimientos ya preparados, se colocaron en las bandejas en forma de capas de 3 cm de espesor, del

73

modo

más

uniforme posible,

para

garantizar

que

el

secado

ocurra también de manera uniforme, con un peso aproximado de 300 g. La prueba experimental de secado consistió en pesar periódicamente el contenido de humedad de una muestra del sólido en intervalos de tiempo medidos desde el inicio de la prueba, manteniendo constantes todas las variables que influencian en el tiempo de secado. Esta medición se realizó tomando el peso del sólido en función del tiempo hasta acercarse a las condiciones de equilibrio; es decir cuando la variación del peso del sólido es casi nula, tendiendo a un peso constante.

Las pruebas de secado se efectuaron utilizando aire a una velocidad de 2 m/s y con temperaturas de bulbo seco de 40 ºC, 50 ºC y 60 ºC para el aire de secado, de modo que se estudia el efecto de esta variable sobre la velocidad de secado.

3.7

Modelado matemático del secado Para el modelado de la cinética del secado con aire caliente se han utilizado dos ecuaciones, las que están relacionadas con los períodos que se han observado durante el secado del pimiento piquillo.

74

Existe un primer período, denominado de inducción, que por de un lapso muy corto se considera que forma parte del segundo período, que corresponde a la velocidad de secado constante. Para este segundo período, la velocidad de secado es constante hasta alcanzar un contenido de humedad denominado humedad crítica. La ecuación utilizada para describir este período, que corresponde desde el punto de vista geométrico a la de una línea recta, fue la siguiente: dX - ---- = k . ( X – X* ) + b d En esta ecuación X es la humedad en base seca (kg agua/kg sólido seco) en cualquier instante de tiempo, X* es la humedad de equilibrio en base seca (kg agua/kg sólido seco) y dX/d es la velocidad de secado. (kg agua/kg sólido seco – s), k es la constante cinética que se ha determinado para cada temperatura del aire de secado.

Para el tercer período de secado, que corresponde al de velocidad de secado decreciente, se ha utilizado el modelo difusional, que se sustenta en los estudios de la transferencia de masa en condiciones de estado no estacionario. El modelo utilizado fue la ecuación integrada de la segunda ley de Fick para una placa plana cuya ecuación es la siguiente:

75

X* - X 8 -------- = ---X – X0 2

EXP

- Dw . 2 .  ------------4 L2

En esta ecuación X es la humedad en base seca (kg agua/kg sólido seco) en cualquier instante de tiempo, X0 es la humedad inicial en base seca (kg agua/kg sólido seco), DW es la difusividad del agua,  es el tiempo os y L es el semiespesor de la lámina en metros.

3.8

Procedimiento estadístico y análisis de datos Con los datos obtenidos experimentalmente se realizó un análisis utilizando en primer lugar los elementos de la estadística descriptiva, tales

como

las

medidas

de

tendencia,

en

lo

referente

a

la

caracterización química de la materia prima.

También se utilizó el análisis de regresión para poder construir el modelo matemático que represente la isoterma de desorción y la cinética del secado y que explique los datos obtenidos durante el secado del pimiento.

76

IV

4,1

RESULTADOS

Caracterización de la materia prima La materia prima utilizada fue el pimiento (Capsicum annuum L.) de la variedad "piquillo", cuyos frutos tienen de 8 a 10 centímetros de longitud, un diámetro de 4 – 4.5 centímetros y un peso de 40 – 50 gramos. Son de color rojo muy intenso y están exentos de sabor picante. El fruto del pimiento está constituido por la cápsula, la placenta y las semillas, correspondiendo la mayor parte del fruto a la cápsula y en menor grado a la placenta y las semillas. De los análisis efectuados, se presentan en la tabla N° 7 los porcentajes en que están presentes cada una de estas partes.

Tabla N° 7 : Composición física del producto Fruto entero

100 .00 %

Pericarpio

93.60 %

Placenta

5.20 %

Semillas

1.20 %

Fuente: Elaboración propia

77

En cuanto a la composición química proximal de la parte comestible del pimiento, las pruebas se realizaron por triplicado, determinando la cantidad

de

nutrientes

tales

como

agua,

proteínas,

grasas,

carbohidratos y cenizas. Adicionalmente se determinó el contenido de fibra, constituida por algunos carbohidratos. En la tabla N° 8 se presentan los resultados de los análisis químicos.

Tabla N° 8 : Composición química del pimiento (Por 100 g de parte comestible)

Humedad, g

90.00

Proteínas, g

1.35

Grasas, g

0.48

Cenizas, g

0.87

Carbohidratos, g

7.30

Fibras, g

1.60

Fuente: Elaboración propia

4.2

Caracterización del producto seco Al producto seco, también se le realizaron los mismos análisis que el producto fresco. Las pruebas se realizaron por triplicado, determinando 78

la cantidad

de

nutrientes

tales

como

agua,

proteínas, grasas,

carbohidratos y cenizas. Adicionalmente se determinó el contenido de fibra, constituida por algunos carbohidratos. En la tabla N° 9 se presentan los resultados de los análisis químicos.

Tabla N° 9: Composición química del pimiento seco (Por 100 g de parte comestible)

Humedad, g

12.60

Proteínas, g

11.79

Grasas, g

4.24

Cenizas, g

7.61

Carbohidratos, g Fibras, g

63.76 14.5

Fuente: Elaboración propia

4.3

Isotermas de desorción Las isotermas de desorción del pimiento piquillo se obtuvieron a las temperaturas de 20 ºC, 30 ºC y 50 ºC, empleando un método estático consistente en colocar una masa conocida de muestra en una atmósfera de humedad relativa conocida hasta que se alcance el equilibrio, lo cual 79

ocurrió cuando la muestra ya no presentaba variación de peso. En ese instante, el contenido de humedad de la muestra corresponde a la humedad de equilibrio.

Los resultados obtenidos se presentan en la tabla Nº 10 y relacionan la humedad relativa () con la humedad de equilibrio (X*).

Tabla Nº 10: Datos de equilibrio de desorción del pimiento piquillo T = 20 ºC

T = 30ºC

T = 50ºC



X*



X*



X*

0.1131

0.0641

0.1126

0.0532

0.1111

0.0214

0.2311

0.0818

0.2161

0.0710

0.2080

0.0385

0.3308

0.1009

0.3244

0.0959

0.3054

0.0548

0.4316

0.1231

0.4317

0.1238

0.4544

0.0929

0.5438

0.1581

0.5140

0.1445

0.6449

0.1578

0.6990

0.2323

0.6789

0.2347

0.7443

0.1956

0.7547

0.3096

0.7509

0.3186

0.7902

0.2729

0.8167

0.4807

0.8027

0.4123

Fuente: Elaboración propia

Los resultados experimentales son mostrados en la figura Nº 21, donde se

representan

las

isotermas

mencionadas.

80

a

las

tres

temperaturas

antes

Los datos experimentales se aplicaron en los modelos de GuggenheimAnderson-De Boer (G.A.B.); Brunauer-Emmett-Teller (B.E.T.) y el de Caurie.

Figura Nº 20: Isotermas de adsorción del pimiento piquillo 0.5

X* 0.4

0.3

0.2

0.1

0.0 0.0

0.2

0.4

20 ºC

0.6 30 ºC

0.8

1.0

50 ºC

Fuente: Elaboración propia

Por aplicación de regresión lineal y de acuerdo con los ajustes obtenidos para cada modelo (Apéndice Nº 2 ), utilizando como criterio el valor de coeficiente de regresión lineal, se encontró que el modelo de Guggenheim, Anderson y De Boer; era el modelo que mejor se ajustaba a los datos experimentales.

81

En la tabla Nº 11 se presentan los parámetros de la ecuación de G.A.B (C, k y Xm ) obtenidos para cada temperatura así como el valor de R 2 obtenido.

Tabla Nº 11: Parámetros del modelo de G.A.B.

Constantes

20 ºC

30 ºC

50 ºC

C

16.909

13.679

5.324

k

0.960

1.024

0.928

Xm

0.080

0.075

0.067

R2

0.986

0.987

0.981

Fuente: Elaboración propia

4.4

Curvas de secado Los datos experimentales obtenidos durante las pruebas de secado para las diferentes temperaturas del aire caliente son presentados en el Apéndice Nº 3. Estos resultados muestran la variación del peso del sólido húmedo (WSH), expresado en gramos, en función del tiempo de secado (), expresado en minutos. La representación gráfica de los resultados experimentales se presentan en la figura Nº 21.

82

Figura Nº 21: Representación gráfica de datos experimentales de secado a diferentes temperaturas 320

W SH 280

240

200

160

50 ºC 60 ºC

120

70 ºC 80

40

0 0

100

200

300

400

500

600

700

800

, m in u to s

Fuente: Elaboración propia

Para una mejor interpretación de los resultados, éstos se representan en una curva de secado, que relacionan el contenido de humedad en base seca y el tiempo de secado. Para

poder

efectuar

esta

representación,

los

experimentales sobre el peso del sólido son transformados

datos a

contenido de humedad en base seca (X) y se representan en función del tiempo (). Los datos transformados son presentados en el Apéndice Nº 4 y las curvas de secado resultantes en las figuras N° 22, 23 y 24.

83

Figura Nº 22: Curva de secado a 50 ºC

10

X

9 8 7 6 5 4 3 2 1 0

Fuente: Elaboración propia

Figura Nº 23: Curva de secado a 60 ºC 10

X 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 0

100

200

300

Fuente: Elaboración propia

84

400

500

Figura Nº 24: Curva de secado a 70 ºC

10

X 9

8

7

6

5

4

3

2

1

0 0

100

200

300

400

Fuente: Elaboración propia

De las curvas presentadas se ha evaluado el contenido de humedad crítica (XC), expresado en kg agua/ kg sólido seco, para cada valor de temperatura. Este valor corresponde al instante en que la velocidad de secado comienza a decrecer y se presentan en la tabla Nº 12.

Tabla Nº 12: Contenidos de humedad crítica (kg agua/kg sólido seco) T ºC

XC

50

5.30

60

5.30

70

5.30

Fuente: Elaboración propia

85

Para las velocidades de secado, estas se han obtenido a partir de las curvas de secado. Se ha utilizado el método de las gradientes para calcular las velocidades de secado, los cálculos son presentados en el Apéndice Nº 5.

En las figuras Nº 25, Nº 26 y Nº 27 se presentan las curvas de secado obtenidas para las temperaturas de 50 ºC, 60 ºC y 70 ºC.

Figura Nº 25: Curva de velocidad de secado a 50 ºC 0.07

-dX/d 0.06

0.05

0.04

0.03

0.02

0.01

0.00 0

2

4

Fuente: Elaboración propia

86

6

8

X

10

Figura Nº 26: Curva de velocidad de secado a 60 ºC 0.12

- dX /d 0.10

0.08

0.06

0.04

0.02

0.00 0

2

4

6

8

X

10

Fuente: Elaboración propia

Figura Nº 27: Curva de velocidad de secado a 70 ºC 0 .1 8

- dX /d 0 .1 5

0 .1 2

0 .0 9

0 .0 6

0 .0 3

0 .0 0 0

2

4

Fuente: Elaboración propia

87

6

8

X

10

4.5

Modelado de las curvas de secado Para el modelado de la cinética del secado se han considerado los dos períodos de secado: el período de velocidad constante y el período de velocidad decreciente. Se han calculado las humedades de equilibrio (X* kg agua / kg sólido seco) a partir de la ecuación de GAB, utilizando los parámetros obtenidos a la temperatura de 50 ºC y las condiciones del aire de secado, tal como se muestra en la tabla Nº 13.

Tabla Nº 13: Humedades de equilibrio calculadas a partir del modelo de GAB Temperatura del aire ºC

Humedad relativa del aire (%)

Humedad de equilibrio (X*)

50

18.0

0.0569

60

12.0

0.0384

70

7.5

0.0242

Fuente: Elaboración propia

Para el período de velocidad de secado constante, se han obtenido los parámetros k y b (Apéndice Nº 6) para las temperaturas de 50 ºC, 60 ºC y 70 ºC, tal como se muestra en la tabla Nº 14.

88

Tabla Nº 14: Parámetros k y b para el período de velocidad constante a diferentes temperaturas Temperatura del aire ºC

K

b

50

0.00012

0.06021

60

0.00201

0.08301

70

-0.00043

0.14685

Fuente: Elaboración propia

Para el período de velocidad de secado decreciente, utilizando el modelo difusional, al representar la fuerza impulsora (X* - X)/(X* – X0), en función del tiempo (Apéndice Nº 7 ), se han obtenido las coeficientes de difusividad para cada temperatura de trabajo, tal como se muestra en la tabla Nº 15.

Tabla Nº 15: Coeficientes de difusividad a diferentes temperaturas Temperatura del aire ºC

D m2 / s

R2

50

9.59 x 10-9

99.01

60

13.35 x 10-9

99.56

70

15.53 x 10-9

93.03

Fuente: Elaboración propia

89

V

5.1

DISCUSIÓN DE RESULTADOS

Caracterización de la materia prima y del producto seco

Los resultados obtenidos para la composición química proximal del pimiento (Tabla Nº 8) son comparables con las composiciones que se han presentado en la bibliografía citada (Tabla Nº 2).

La composición de los productos de origen vegetal, tales como frutas y hortalizas no solo varía de acuerdo con las variedades botánicas, las prácticas de cultivo y el estado atmosférico, sino que cambia con el grado de madurez antes de la cosecha y la condición de madurez posterior, progresiva después de la cosecha.

De los resultados obtenidos, se puede señalar que los pimientos variedad piquillo presentan un alto contenido de agua, siguiendo en orden de importancia los carbohidratos y cenizas, mostrando un bajo contenido de proteínas y grasas. Estos contenidos de nutrientes son característicos en la mayoría de las frutas y hortalizas que presentan un alto contenido de agua y bajos contenidos en proteínas y grasas.

90

Los carbohidratos que contiene el pimiento son de dos tipos: digeribles (azúcares y féculas) y no digeribles (forma de celulosa o fibra). Los carbohidratos digeribles están presentes en forma de azúcares de bajo peso molecular o de polímeros macromoleculares. Los azúcares se encuentran principalmente en las frutas maduras y el almidón tanto en las frutas que aún no han madurado como en las hortalizas. El hombre puede digerir y utilizar como fuentes energéticas tanto los azúcares como el almidón por lo que las hortalizas con un elevado contenido en almidón resultan en muchas sociedades contribuyentes a la ingesta energética diaria. Una parte sustancial de los carbohidratos de frutas y hortalizas está presentada por la fibra, que atraviesa sin digerirse el tubo intestinal. La fibra está formada por celulosa, sustancias pécticas y hemicelulosa, todos ellos carbohidratos poliméricos. La fibra no es digerida por el hombre porque éste no segrega los enzimas precisos para degradar los mencionados polímeros y liberar los monómeros constitutivos para ser absorbidos en el tracto intestinal.

En cuanto al contenido de proteínas del pimiento piquillo, al igual que las frutas y hortalizas, no es un contribuyente importante

91

al contenido

proteico.

La proteína representa generalmente alrededor del 1% del

peso fresco de las frutas y del 2% de la mayoría de las hortalizas.

El contenido de grasas o lípidos representan menos del 1% del peso fresco de la mayor parte de frutas y hortalizas, como ocurre como el pimiento piquillo, Se hallan asociados con las capas protectoras de la superficie y con las membranas celulares.

El contenido de cenizas está relacionado con el de sales minerales. El pimiento piquillo, como las frutas y verduras, es fuente importante de minerales y ciertas vitaminas.

Los resultados obtenidos en los análisis efectuados al pimiento seco, para determinar su composición química proximal son presentados en la tabla Nº 9. Se puede observar que como consecuencia de la disminución de

su

contenido

de

humedad,

los

nutrientes

se

encuentran

concentrados en el producto seco. Los carbohidratos, proteínas, grasas y cenizas están presentes en mayor cantidad por unidad de peso en el producto deshidratado comparado con su contenido en el estado fresco.

92

Si se comparan las composiciones del pimiento fresco y del pimiento seco, expresadas en base seca (g/100 g de sólido seco), es decir no tomando en cuenta el contenido de humedad, se puede notar claramente que ocurre una ligera disminución del contenido de estos nutrientes, lo cual se puede deber al efecto de la temperatura durante el escaldado y el secado. Debe notare que los pimientos, así como todo alimento sometido de la operación de secado, durante el secado sufren una reducción de volumen e inclusive modificaciones en su forma.

5.2

Isotermas de desorción De la figura Nº 21, se puede observar que para las tres temperaturas utilizadas se han obtenido isotermas de desorción de la misma forma, que corresponden a una adsorción de tipo físico.

La adsorción física o adsorción de Van der Waals es un fenómeno resultado de las fuerzas intermoleculares del sólido y la sustancia adsorbida. La sustancia adsorbida permanece sobre la superficie y por su naturaleza no específica, es posible lograr la adsorción sobre una capa ya adsorbida,

es decir la adsorción física puede producir

monocapas o multicapas.

93

Según la clasificación de las isotermas propuesta

por Brunauer S.,

Deming L., Deming W.S. y Teller E., que también se referencia como clasificación de Brunauer,

se tiene cinco tipos y según la clasificación

IUPAC se tiene 6 tipos; que corresponden a un comportamiento de adsorción bien definido. En ambos casos, las isotermas obtenidas coinciden con las del tipo III.

Este tipo de isotermas es convexa respecto al eje de abscisas y es indicativo de interacciones débiles entre el adsorbato y el adsorbente. El adsorbato tiene aproximadamente la misma afinidad por el adsorbente y por sí mismo, ó es ligeramente más afín a sí mismo que al adsorbente. En este sentido, una vez que se ha adsorbido una molécula, ésta actúa también como sitio libre para que otra molécula se adsorba. De este modo, se tiende a un recubrimiento desigual, con partes limpias cubiertas con una monocapa y partes cubiertas con multicapas.

A temperatura constante, se puede observar que al incrementarse la actividad del agua también se incrementa el contenido de humedad en el equilibrio. Por otro lado, los valores de humedad de equilibrio a una misma humedad relativa son inversamente proporcionales a la temperatura. Para una 94

misma humedad relativa, a mayor temperatura es menor la humedad de equilibrio. Así mismo se puede observar que para 20ºC y 30 ºC las isotermas se sobreponen en algunas secciones, por lo que se podría inferir que este gradiente de 10 grados de temperatura no tendría una influencia significativa en los datos de equilibrio. Sin embargo si se comparan con la isoterma de 50 ºC,

estos datos están claramente

diferenciados.

5.3

Curvas de secado Los ensayos realizados han permitido conocer los mecanismos y la cinética del secado del pimiento piquillo, al establecer relaciones cuantitativas en forma gráfica entre el tiempo que debe durar la operación y las condiciones en que se han efectuado las pruebas.

Mediante el secado se ha extraído deliberadamente el agua contenida en los pimientos, por vaporización de la misma al ponerla en contacto con el aire caliente. Las características del secado de los pimientos a las diferentes temperaturas que se han utilizado se pueden observar de las curvas de

95

secado obtenidas. Estas presentan la forma

característica que

corresponde al secado de sólidos húmedos.

En todos los casos se han detectado la ocurrencia de los tres períodos de secado:

Un primer período que corresponde al período de inducción o de ajuste, un segundo período en el cual la evaporación de la humedad ocurre a velocidad constante y un tercer período en el cual la evaporación de la humedad ocurre a velocidad decreciente.

El período de inducción ocurre durante la fase inicial del secado, en la que el pimiento piquillo se adapta a las

condiciones de secado,

incrementándose rápidamente la velocidad de evaporación de la humedad. Este período tiene un tiempo de duración muy corto, por lo que se puede considerar despreciable..

El segundo período de velocidad constante de secado ocurre debido a que todo el calor que llega a la superficie de secado es consumida en vaporizar la humedad superficial y a que la velocidad a la cual se transfiere la humedad desde el interior del sólido hacia la superficie es 96

tal

que

ésta

siempre

se

encuentra

completamente

húmeda,

comportándose como una película de líquido que rodea al sólido.

El tercer período de velocidad decreciente, ocurre debido a que al reducirse el contenido de humedad, la velocidad a la cual se transfiere la humedad desde el interior del sólido hacia la superficie es tal que permite la aparición de zonas secas, el calor que llega a esta superficie, está en exceso y hay menos humedad que evaporar.

Por otro lado, al compararse las curvas de velocidad de secado para las diferentes temperaturas, se puede apreciar que a medida que la temperatura se incrementa, la velocidad de evaporación de la humedad también se incrementa y por tanto se recude el tiempo total de secado.

En lo referente a la duración de cada período de secado, el período de velocidad constante de secado tiene una duración menor que el período de velocidad decreciente. El período de velocidad constante de secado concluye cuando se alcanza el contenido de humedad crítica (X C) y se da inicio al período de velocidad decreciente desecado.

97

En cuanto al contenido de humedad crítica, se han obtenido los mismos valores para las tres temperaturas de trabajo (5.3 kg agua / kg sólido seco), lo cual indicaría que el cambio del período de velocidad constante al período de velocidad decreciente no está influenciado por la temperatura.

5.4

Modelado de las curvas de secado De los resultados obtenidos se puede deducir que la cinética del secado es dependiente de la temperatura del aire de secado, aunque las diferencias disminuyen a medida que la operación avanza.

Para el modelado de la cinética del secado por aire caliente del pimiento piquillo se han considerado solo los períodos de velocidad de secado constante y de velocidad de secado decreciente. No se ha considerado el período de inducción que es muy corto, donde el sólido húmedo se adapta a las condiciones de secado, y para fines de cálculo se prescinde de él, ya que se considera que en su transcurso el secado tiende al régimen estacionario.

98

Para el modelado del período de velocidad constante, se ha tenido que evaluar la humedad de equilibrio, utilizando los parámetros de la ecuación de GAB determinados experimentalmente a 50 ºC. Se observa que la humedad de equilibrio se reduce al incrementarse la temperatura del aire de secado, lo que se debe a que si bien el contenido de humedad absoluta del aire permanece constante, a mayor temperatura se reduce la humedad relativa.

Los parámetros k y b se han obtenido considerando que

durante el

período de velocidad constante, la velocidad de secado es función del contenido de humedad libre (X - X*).

Los resultados alcanzados para

las distintas temperaturas utilizadas, han permitido observar que la velocidad de secado es dependiente de la temperatura del aire de secado, incrementándose a medida que lo hace la temperatura.

Para el período de velocidad decreciente se aplicó el modelo difusional de la segunda ley de Fick, dado que los pimientos fueron colocados en bandejas de la manera lo más uniforme posible, considerando una geometría correspondiente a una placa plana. Este modelo se ha venido utilizando para el estudio de la transferencia de materia en sólidos húmedos, bajo condiciones de estado no estacionario. 99

Para el caso del pimiento piquillo se ha aplicado la ecuación integrada para tiempos largos y en una sola dimensión, utilizando solo el primer término del desarrollo de este modelo. Se ha representado el logaritmo natural de esta fuerza impulsora como una función del tiempo, lo que ha permitido

evaluar

los

coeficientes

de

difusividad

a

las

tres

temperaturas que se han utilizado en los ensayos. Los valores obtenidos están dentro del rango de 10-9 m2/s, valores característicos para la difusividad en este tipo de productos, nos señalan que hay una dependencia directa entre la difusividad y la temperatura.

100

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www.siicex.gob.pe

Sistema integrado de información de Comercio Exterior Ministerio de Comercio Exterior y Turismo

www.minag.gob.pe

Ministerio de Agricultura

www.proinversion.gob.pe Dirección de promoción inversionista privado www.agrodataperu.com

.

105

y

apoyo

al

APÉNDICES

106

Apéndice Nº 1: Glosario de términos

A

Superficie del sólido expuesta al secado

D

Difusividad másica

HR

Humedad relativa

N

Velocidad de secado

NC

Velocidad de secado en el período constante

phumedad

Presión parcial de la humedad

Pºhumedad

Presión de vapor de la humedad

WSH

Peso del sólido húmedo

x

Humedad del sólido, en base húmeda

X

Humedad del sólido, en base seca

X*

Humedad de equilibrio

XC

Humedad crítica

Xfinal

Humedad final

Xinicial

Humedad inicial

 secado

Tiempo de secado

Elaboración propia

107

Apéndice Nº 2:

Isotermas de desorción a 20 ºC, 30 ºC y 50 ºC

108

Isoterma de desorción del pimiento piquillo a 20 ºC: Aplicación de los modelos de GAB, BET y Caurie

Modelo de GAB



Xe

Xe

0.1131

0.0641

1.76443

0.2311

0.0818

2.82518

0.3308

0.1009

3.27849

0.4316

0.1231

3.50609

0.5438

0.1581

3.43960

0.6990

0.2323

3.00904

0.7547

0.3096

2.43774

0.8167

0.4807

1.69898

Modelo de GAB 20 ºC 4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5

y = -13.12156x 2 + 12.38878x + 0.59651

1.0

R2 = 0.98575

0.5 0.0 0.0

0.2

0.4

109

0.6

0.8

1.0

Modelo de BET



Xe

Xe)

0.1131

0.0641

1.98944

0.2311

0.0818

3.67432

0.3308

0.1009

4.89912

0.4316

0.1231

6.16835

0.5438

0.1581

7.53967

0.6990

0.2323

9.99681

0.7547

0.3096

9.93779

0.8167

0.4807

9.26885

M o d elo d e BET

20 ºC

16 14 12

y = 1 1 .9 7 2 4 x + 0 .8 7 2 6 R2 = 0 .9 7 1 7

10 8 6 4 2 0 0 .0

0 .2

0 .4

110

0 .6

0 .8

1 .0

Modelo de Caurie



e

1 e

ln (1/e)

0.1131

0.0641

15.60062

2.74731

0.2311

0.0818

12.22494

2.50348

0.3308

0.1009

9.91080

2.29363

0.4316

0.1231

8.12348

2.09476

0.5438

0.1581

6.32511

1.84453

0.6990

0.2323

4.30478

1.45973

0.7547

0.3096

3.23008

1.17251

0.8167

0.4807

2.08030

0.73251

0.9700

2.5000

0.40000

-0.91629

Mod elo d e Caurie

20 ºC

3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 y = - 3 .6 0 5 8 1 x + 3 .5 0 7 4 9

0.0

R 2 = 0 .8 5 0 4 6

-0.5 -1.0 0.0

0.2

0.4

111

0.6

0.8

1.0

Isoterma de desorción del pimiento piquillo a 30 ºC: Aplicación de los modelos de GAB, BET y Caurie

Modelo de GAB



e

e

0.1126

0.0532

2.11654

0.2161

0.0710

3.04366

0.3244

0.0959

3.38269

0.4317

0.1238

3.48708

0.5140

0.1445

3.55709

0.6789

0.2347

2.89263

0.7509

0.3186

2.35687

0.8027

0.4123

1.94688

0.9759

2.0000

0.48795

Modelo de GAB

30 ºC

4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 y = -11.210403x2 + 10.010855x + 1.270137 R2 = 0.987652

1.0 0.5 0.0 0.0

0.2

0.4

112

0.6

0.8

1.0

Modelo de BET



e

e)

0.1126

0.0532

2.38510

0.2161

0.0710

3.88272

0.3244

0.0959

5.00694

0.4317

0.1238

6.13598

0.5140

0.1445

7.31912

0.6789

0.2347

9.00850

0.7509

0.3186

9.46156

0.8027

0.4123

9.86763

0.9759

2.0000

20.24689

Modelo de BET

25 20

30 ºC

y = 16.2692x - 0.5439 R2 = 0.8129

15 10 5 0 0.0

0.2

0.4

113

0.6

0.8

1.0

Modelo de Caurie



e

1 e

ln (1/e)

0.1131

0.0532

18.79699

2.93370

0.2311

0.0710

14.08451

2.64508

0.3308

0.0959

10.42753

2.34445

0.4316

0.1238

8.07754

2.08909

0.5438

0.1445

6.92042

1.93448

0.6990

0.2347

4.26076

1.44945

0.7547

0.3186

3.13873

1.14382

0.8167

0.4123

2.42542

0.88600

0.9759

2.0000

0.50000

-0.69315

Modelo de Caurie

30 ºC

3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0

y = -3.60667x + 3.59930

0.5

R 2 = 0.89402

0.0 -0.5 -1.0 0.0

0.2

0.4

0.6

114

0.8

1.0

Isoterma de desorción del pimiento piquillo a 50 ºC: Aplicación de los modelos, de GAB, BET y Caurie

Modelo de GAB



e

e

0.1111

0.0214

5.19159

0.2080

0.0385

5.40260

0.3054

0.0548

5.57299

0.4544

0.0929

4.89128

0.6449

0.1578

4.08682

0.7443

0.1956

3.80521

0.7902

0.2729

2.89557

0.9582

1.5000

0.63880

Modelo de GA B

50ºC

6.0 5.0 4.0 3.0 2.0 1.0

y = -10.620015x 2 + 6.257645x + 4.569444 R 2 = 0.980570

0.0 0.0

0.2

0.4

115

0.6

0.8

1.0

Modelo de BET



e

e)

0.1111

0.0214

5.84046

0.2080

0.0385

6.82146

0.3054

0.0548

8.02331

0.4544

0.0929

8.96496

0.6449

0.1578

11.50892

0.7443

0.1956

14.88156

0.7902

0.2729

13.80155

0.9582

1.5000

15.28230

Modelo de BET

50ºC

20

y = 12.0441x + 4.2926

15

R 2 = 0.9597

10

5

0 0.0

0.2

0.4

116

0.6

0.8

1.0

Modelo de Caurie



e

1 e

ln (1/e)

0.1111

0.0214

46.72897

3.84436

0.2080

0.0385

25.97403

3.25710

0.3054

0.0548

18.24818

2.90407

0.4544

0.0929

10.76426

2.37623

0.6449

0.1578

6.33714

1.84643

0.7443

0.1956

5.11247

1.63168

0.7902

0.2729

3.66435

1.29865

0.9582

1.5000

0.66667

-0.40547

5.0 4.0 3.0 2.0 1.0

y = -4.20762x + 4.31181

0.0

R2 = 0.92846

-1.0 0.0

0.2

0.4

117

0.6

0.8

1.0

Apéndice Nº 3:

Datos experimentales de secado a 50 ºC, 60 ºC y 70 ºC

118

Datos experimentales de secado a 50 ºC  = minutos WSH = gramos



WSH



WSH

0

300.0

300

58.9

5

290.8

320

56.0

10

281.6

340

53.5

15

272.9

360

51.2

20

263.2

380

49.5

25

254.3

400

47.9

30

244.8

420

46.4

40

226.4

440

45.2

50

207.8

460

44.1

60

189.2

480

43.3

70

174.4

500

42.2

80

161.4

520

40.8

90

149.9

540

39.6

100

138.9

560

38.9

120

123.8

580

37.7

140

113.2

600

36.6

160

101.2

620

36.0

180

89.8

640

35.4

200

79.9

660

34.6

220

74.1

680

34.3

240

69.5

700

33.9

260

65.2

720

33.4

280

61.7

740

32.8

Fuente: Elaboración propia

119

Datos experimentales de secado a 60 ºC  = minutos WSH = gramos



WSH



WSH

0

300.0

200

58.3

5

284.9

220

53.1

10

270.0

240

49.8

15

254.8

260

47.2

20

240.7

280

45.0

25

226.2

300

42.9

30

212.1

320

41.3

40

184.7

340

40.1

50

168.6

360

38.7

60

152.3

380

37.6

70

133.5

400

36.6

80

121.5

420

35.7

90

112.1

440

34.9

100

103.2

460

34.3

120

90.3

480

33.8

140

81.1

500

33.5

160

71.6

520

33.2

180

64.9

540

32.9

Fuente: Elaboración propia

120

Datos experimentales de secado a 70 ºC  = minutos WSH = gramos



WSH



WSH

0

300.0

140

47.9

5

278.9

160

43.1

10

258.2

180

40.1

15

236.2

200

39.1

20

214.3

220

38.2

25

190.1

240

37.5

30

168.1

260

36.9

40

139.8

280

36.4

50

120.1

300

35.8

60

103.7

320

35.3

70

91.5

340

34.8

80

78.2

360

34.2

90

70.5

380

33.7

100

63.3

400

33.4

120

55.8

420

33.0

Fuente: Elaboración propia

121

Apéndice Nº 4:

Datos para Curvas de secado a 50 ºC, 60 ºC y 70 ºC

122

Datos para curvas de secado a 50 ºC  = minutos

X = kg agua / kg sólido seco



X



X

0

9.00

300

0.96

5

8.69

320

0.87

10

8.39

340

0.78

15

8.10

360

0.71

20

7.77

380

0.65

25

7.48

400

0.60

30

7.16

420

0.55

40

6.55

440

0.51

50

5.93

460

0.47

60

5.31

480

0.44

70

4.81

500

0.41

80

4.38

520

0.36

90

4.00

540

0.32

100

3.63

560

0.30

120

3.13

580

0.26

140

2.77

600

0.22

160

2.37

620

0.20

180

1.99

640

0.18

200

1.66

660

0.15

220

1.47

680

0.14

240

1.32

700

0.13

260

1.17

720

0.11

280

1.06

740

0.10

Fuente: Elaboración propia

123

Datos para curvas de secado a 60 ºC  = minutos

X = kg agua / kg sólido seco



X



X

0

9.00

200

0.94

5

8.50

220

0.77

10

8.00

240

0.66

15

7.49

260

0.57

20

7.02

280

0.50

25

6.54

300

0.43

30

6.07

320

0.38

40

5.16

340

0.34

50

4.62

360

0.29

60

4.08

380

0.25

70

3.45

400

0.22

80

3.05

420

0.19

90

2.74

440

0.16

100

2.44

460

0.14

120

2.01

480

0.13

140

1.70

500

0.12

160

1.39

520

0.11

180

1.16

540

0.10

Fuente: Elaboración propia

124

Datos para curvas de secado a 70 ºC  = minutos

X = kg agua / kg sólido seco



X



X

0

9.00

140

0.60

5

8.30

160

0.44

10

7.61

180

0.34

15

6.87

200

0.30

20

6.14

220

0.27

25

5.34

240

0.25

30

4.60

260

0.23

40

3.66

280

0.21

50

3.00

300

0.19

60

2.46

320

0.18

70

2.05

340

0.16

80

1.61

360

0.14

90

1.35

380

0.12

100

1.11

400

0.11

120

0.86

420

0.10

Fuente: Elaboración propia

125

Apéndice Nº 5:

Cálculo de velocidades de secado a 50 ºC, 60 ºC y 70 ºC

Cálculo de velocidades de secado a 50 ºC

126

Xprom = ( X1 + X2 ) / 2

X = kg agua/kg sólido seco

X/ = ( X1 - X2 ) / (1 - 2)

 = minutos

Xprom

-X/

8.69

8.8467

0.0613

10

8.39

8.5400

0.0613

15

8.10

8.2417

0.0580

20

7.77

7.9350

0.0647

25

7.48

7.6250

0.0593

30

7.16

7.3183

0.0633

40

6.55

6.8533

0.0613

50

5.93

6.2367

0.0620

60

5.31

5.6167

0.0620

70

4.81

5.0600

0.0493

80

4.38

4.5967

0.0433

90

4.00

4.1883

0.0383

100

3.63

3.8133

0.0367

120

3.13

3.3783

0.0252

140

2.77

2.9500

0.0177

160

2.37

2.5733

0.0200

180

1.99

2.1833

0.0190

200

1.66

1.8283

0.0165

220

1.47

1.5667

0.0097

240

1.32

1.3933

0.0077

260

1.17

1.2457

0.0071



X

0

9.00

5

Fuente: Elaboración propia

127



X

Xprom

-X/

280

1.06

1.1157

0.0059

300

0.96

1.0100

0.0047

320

0.87

0.9150

0.0048

340

0.78

0.8257

0.0041

360

0.71

0.7457

0.0039

380

0.65

0.6783

0.0028

400

0.60

0.6233

0.0027

420

0.55

0.5717

0.0025

440

0.51

0.5267

0.0020

460

0.47

0.4883

0.0018

480

0.44

0.4567

0.0013

500

0.41

0.4250

0.0018

520

0.36

0.3833

0.0023

540

0.32

0.3400

0.0020

560

0.30

0.3083

0.0012

580

0.26

0.2767

0.0020

600

0.22

0.2383

0.0018

620

0.20

0.2100

0.0010

640

0.18

0.1900

0.0010

660

0.15

0.1667

0.0013

680

0.14

0.1483

0.0005

700

0.13

0.1367

0.0007

720

0.11

0.1217

0.0008

740

0.10

0.1067

0.0007

Fuente: Elaboración propia

128

Cálculo de velocidades de secado a 60 ºC

Xprom = ( X1 + X2 ) / 2

X = kg agua/kg sólido seco

X/ = ( X1 - X2 ) / (1 - 2)

 = minutos

Xprom

-X/

8.50

8.7483

0.1007

10

8.00

8.2483

0.0993

15

7.49

7.7467

0.1013

20

7.02

7.2583

0.0940

25

6.54

6.7817

0.0967

30

6.07

6.3050

0.0940

40

5.16

5.6133

0.0913

50

4.62

4.8883

0.0537

60

4.08

4.3483

0.0543

70

3.45

3.7633

0.0627

80

3.05

3.2500

0.0400

90

2.74

2.8933

0.0313

100

2.44

2.5883

0.0297

120

2.01

2.2250

0.0215

140

1.70

1.8567

0.0153

160

1.39

1.5450

0.0158

180

1.16

1.2750

0.0112

200

0.94

1.0533

0.0110

220

0.77

0.8567

0.0087

240

0.66

0.7150

0.0055

260

0.57

0.6167

0.0043

280

0.50

0.5367

0.0037

300

0.43

0.4650

0.0035



X

0

9.00

5

Fuente: Elaboración propia

129



X

Xprom

-X/

320

0.38

0.4033

0.0027

340

0.34

0.3567

0.0020

360

0.29

0.3133

0.0023

380

0.25

0.2717

0.0018

400

0.22

0.2367

0.0017

420

0.19

0.2050

0.0015

440

0.16

0.1767

0.0013

460

0.14

0.1533

0.0010

480

0.13

0.1350

0.0008

500

0.12

0.1217

0.0005

520

0.11

0.1117

0.0005

540

0.10

0.1017

0.0005

Fuente: Elaboración propia

130

Cálculo de velocidades de secado a 70 ºC Xprom = ( X1 + X2 ) / 2

X = kg agua/kg sólido seco

X/ = ( X1 - X2 ) / (1 - 2)

 = minutos

Xprom

-X/

8.30

8.6483

0.1407

10

7.61

7.9517

0.1380

15

6.87

7.2400

0.1467

20

6.14

6.5083

0.1460

25

5.34

5.7400

0.1613

30

4.60

4.9700

0.1467

40

3.66

4.1317

0.0943

50

3.00

3.3317

0.0657

60

2.46

2.7300

0.0547

70

2.05

2.2533

0.0407

80

1.61

1.8283

0.0443

90

1.35

1.4783

0.0257

100

1.11

1.2300

0.0240

120

0.86

0.9850

0.0125

140

0.60

0.7283

0.0132

160

0.44

0.5167

0.0080

180

0.34

0.3867

0.0050

200

0.30

0.3200

0.0017

220

0.27

0.2883

0.0015

240

0.25

0.2617

0.0012

260

0.23

0.2400

0.0010

280

0.21

0.2217

0.0008

300

0.19

0.2033

0.0010



X

0

9.00

5

Fuente: Elaboración propia

131



X

Xprom

-X/

320

0.18

0.1850

0.0008

340

0.16

0.1683

0.0008

360

0.14

0.1500

0.0010

380

0.12

0.1317

0.0008

400

0.11

0.1183

0.0005

420

0.10

0.1067

0.0007

Fuente: Elaboración propia

132

Apéndice Nº 5: Estimación de los parámetros k y b para temperaturas de 50 ºC, 60 ºC y 70 ºC

133

T = 50 ºC dX - ----- = k . ( X – X* ) + b d X* = 0.0569 kg agua / kg sólido seco Xprom

-X/

X - X*

8.88

8.9400

0.0600

8.88

4

8.76

8.8200

0.0600

8.76

6

8.64

8.7000

0.0600

8.64

8

8.52

8.5800

0.0600

8.52

10

8.40

8.4600

0.0600

8.40

12

8.28

8.3400

0.0600

8.28

14

8.14

8.2100

0.0700

8.15

16

8.02

8.0800

0.0600

8.02

18

7.90

7.9600

0.0600

7.90

20

7.77

7.8350

0.0650

7.78

22

7.65

7.7100

0.0600

7.65

24

7.52

7.5850

0.0650

7.53

26

7.40

7.4600

0.0600

7.40

28

7.30

7.3500

0.0500

7.29

30

7.18

7.2400

0.0600

7.18

32

7.05

7.1150

0.0650

7.06

34

6.91

6.9800

0.0700

6.92

36

6.78

6.8450

0.0650

6.79

38

6.65

6.7150

0.0650

6.66

40

6.55

6.6000

0.0500

6.54

42

6.45

6.5000

0.0500

6.44

44

6.30

6.3750

0.0750

6.32

46

6.18

6.2400

0.0600

6.18

48

6.05

6.1150

0.0650

6.06

50

5.95

6.0000

0.0500

5.94

52

5.82

5.8850

0.0650

5.83

54

5.70

5.7600

0.0600

5.70



X

0

9.00

2

134

135

T = 60 ºC dX - ----- = k . ( X – X* ) + b d X* = 0.0384 kg agua / kg sólido seco

Xprom

-X/

X - X*

8.80

8.9000

0.1000

8.86

4

8.60

8.7000

0.1000

8.66

6

8.40

8.5000

0.1000

8.46

8

8.19

8.2950

0.1050

8.26

10

8.00

8.0950

0.0950

8.06

12

7.80

7.9000

0.1000

7.86

14

7.60

7.7000

0.1000

7.66

16

7.40

7.5000

0.1000

7.46

18

7.20

7.3000

0.1000

7.26

20

7.02

7.1100

0.0900

7.07

22

6.82

6.9200

0.1000

6.88

24

6.64

6.7300

0.0900

6.69

26

6.45

6.5450

0.0950

6.51

28

6.27

6.3600

0.0900

6.32

30

6.07

6.1700

0.1000

6.13

32

5.87

5.9700

0.1000

5.93



X

0

9.00

2

136

137

T = 70 ºC dX - ----- = k . ( X – X* ) + b d X* = 0.0242 kg agua / kg sólido seco , min

X

Xprom

-X/

X - X*

0

9.00

2

8.73

8.8650

0.1350

8.84

4

8.42

8.5750

0.1550

8.55

6

8.14

8.2800

0.1400

8.26

8

7.84

7.9900

0.1500

7.97

10

7.56

7.7000

0.1400

7.68

12

7.28

7.4200

0.1400

7.40

14

6.98

7.1300

0.1500

7.11

16

6.70

6.8400

0.1400

6.82

18

6.42

6.5600

0.1400

6.54

20

6.13

6.2750

0.1450

6.25

22

5.86

5.9950

0.1350

5.97

24

5.55

5.7050

0.1550

5.68

138

Apéndice Nº 7: Estimación de coeficientes de difusión a temperaturas de 50 ºC, 60 ºC y 70 ºC

139

T = 50 ºC X* - X 8 Y = -------- = ---X* – X0 2 X* = 0.0569 Xo = 9.0000

- Dw . 2 .  ------------4 L2

EXP

kg agua / kg sólido seco kg agua / kg sólido seco

, min

X

Y

Y. /8

ln Y .  / 8

60 70 80 90 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 320 340 360 380 400 420 440 460 480 500 520 540 560 580 600 620 640 660 680 700 720 740

5.31 4.81 4.38 4.00 3.63 3.13 2.77 2.37 1.99 1.66 1.47 1.32 1.17 1.06 0.96 0.87 0.78 0.71 0.65 0.60 0.55 0.51 0.47 0.44 0.41 0.36 0.32 0.30 0.26 0.22 0.20 0.18 0.15 0.14 0.13 0.11 0.10

0.5870 0.5319 0.4834 0.4405 0.3995 0.3433 0.3037 0.2590 0.2165 0.1796 0.1580 0.1409 0.1250 0.1118 0.1014 0.0905 0.0814 0.0727 0.0663 0.0604 0.0548 0.0503 0.0462 0.0432 0.0391 0.0339 0.0294 0.0268 0.0223 0.0182 0.0160 0.0138 0.0108 0.0097 0.0082 0.0063 0.0048

7.242E-01 6.561E-01 5.964E-01 5.435E-01 4.929E-01 4.235E-01 3.747E-01 3.196E-01 2.671E-01 2.216E-01 1.949E-01 1.738E-01 1.542E-01 1.379E-01 1.250E-01 1.117E-01 1.004E-01 8.964E-02 8.182E-02 7.446E-02 6.756E-02 6.205E-02 5.699E-02 5.331E-02 4.825E-02 4.181E-02 3.629E-02 3.308E-02 2.756E-02 2.250E-02 1.974E-02 1.698E-02 1.330E-02 1.192E-02 1.008E-02 7.785E-03 5.946E-03

-0.3227 -0.4214 -0.5169 -0.6097 -0.7074 -0.8593 -0.9815 -1.1408 -1.3200 -1.5068 -1.6351 -1.7499 -1.8695 -1.9811 -2.0791 -2.1919 -2.2986 -2.4120 -2.5033 -2.5975 -2.6947 -2.7799 -2.8649 -2.9317 -3.0314 -3.1746 -3.3161 -3.4090 -3.5915 -3.7943 -3.9251 -4.0756 -4.3198 -4.4292 -4.5968 -4.8556 -5.1251

2

140

2

0.7

Y

y = 0.7421e-0.0063x

0.6

R2 = 0.9901

0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0 0

100

200

300

400

500

600

700

800

0

-1

R2 = 0.990145

-2

ln Y .

2

/ 8

y = -0.006310x - 0.088295

-3

-4

-5 0

100

200

300

400

500

DW . 2/4 L2 = 6.3102 E-03 DW = 5.7542 E-07 m2/ min = 9.5904 E-09 m2/ s

141

600

700

800

T = 60 ºC X* = 0.0384 Xo = 9.0000

kg agua / kg sólido seco kg agua / kg sólido seco

X* - X 8 Y = -------- = ---X* – X0 2

, min

X

40

EXP

- Dw . 2 .  ------------4 L2

Y. /8

ln Y .  / 8

5.16

Y 0.5711

7.046E-01

-0.3501

50

4.62

0.5112

6.307E-01

-0.4609

60

4.08

0.4506

5.559E-01

-0.5871

70

3.45

0.3807

4.697E-01

-0.7557

80

3.05

0.3361

4.146E-01

-0.8805

90

2.74

0.3011

3.715E-01

-0.9903

100

2.44

0.2680

3.306E-01

-1.1068

120

2.01

0.2200

2.714E-01

-1.3041

140

1.70

0.1858

2.292E-01

-1.4731

160

1.39

0.1504

1.856E-01

-1.6841

180

1.16

0.1255

1.549E-01

-1.8652

200

0.94

0.1010

1.246E-01

-2.0828

220

0.77

0.0816

1.007E-01

-2.2955

240

0.66

0.0694

8.557E-02

-2.4584

260

0.57

0.0597

7.364E-02

-2.6085

280

0.50

0.0515

6.355E-02

-2.7560

300

0.43

0.0437

5.391E-02

-2.9204

320

0.38

0.0377

4.657E-02

-3.0669

340

0.34

0.0333

4.106E-02

-3.1927

360

0.29

0.0281

3.464E-02

-3.3628

380

0.25

0.0240

2.959E-02

-3.5204

400

0.22

0.0203

2.500E-02

-3.6889

420

0.19

0.0169

2.087E-02

-3.8694

440

0.16

0.0139

1.720E-02

-4.0629

460

0.14

0.0117

1.445E-02

-4.2374

480

0.13

0.0098

1.215E-02

-4.4103

500

0.12

0.0087

1.077E-02

-4.5306

520

0.11

0.0076

9.398E-03

-4.6673

540

0.10

0.0065

8.021E-03

-4.8257

142

2

2

0.6

y = 0.6604e-0.0088x

Y 0.5

R2 = 0.9956

0.4 0.3 0.2 0.1 0.0 0

100

200

300

400

500

600

0

y = -0.008784x - 0.204821 R2 = 0.995620

-2

l n Y .

2

/ 8

-1

-3

-4

-5

-6

0

100

200

300

400

DW . 2/4 L2 = 8.7839E-03 DW = 8.0099 E-07 m2 / min = 1.3350 E-08 m2 / s

143

500

600

T = 70 ºC X* = 0.0242 Xo = 9.0000

kg agua / kg sólido seco kg agua / kg sólido seco

X* - X 8 Y = -------- = ---X* – X0 2

EXP

- Dw . 2 .  ------------4 L2

, min

X

Y

Y. /8

ln Y .  / 8

25

5.34

0.5919

7.302E-01

-0.3145

30

4.60

0.5102

6.294E-01

-0.4630

40

3.66

0.4051

4.997E-01

-0.6937

50

3.00

0.3319

4.095E-01

-0.8929

60

2.46

0.2710

3.343E-01

-1.0956

70

2.05

0.2257

2.784E-01

-1.2785

80

1.61

0.1763

2.175E-01

-1.5255

90

1.35

0.1477

1.822E-01

-1.7025

100

1.11

0.1210

1.492E-01

-1.9022

120

0.86

0.0931

1.149E-01

-2.1639

140

0.60

0.0638

7.868E-02

-2.5423

160

0.44

0.0460

5.669E-02

-2.8701

180

0.34

0.0348

4.295E-02

-3.1478

200

0.30

0.0311

3.837E-02

-3.2606

220

0.27

0.0278

3.424E-02

-3.3743

240

0.25

0.0252

3.104E-02

-3.4726

260

0.23

0.0229

2.829E-02

-3.5654

280

0.21

0.0211

2.600E-02

-3.6498

300

0.19

0.0188

2.325E-02

-3.7616

320

0.18

0.0170

2.096E-02

-3.8653

340

0.16

0.0151

1.867E-02

-3.9811

360

0.14

0.0129

1.592E-02

-4.1404

380

0.12

0.0110

1.363E-02

-4.2958

400

0.11

0.0099

1.225E-02

-4.4021

420

0.10

0.0084

1.042E-02

-4.5642

144

2

2

0.7

y = 0.4072e-0.0102x

Y

0.6

R2 = 0.9303

0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0 0

50

100

150

200

250

300

350

400

0

y = -0.010218x - 0.688526 R2 = 0.930270

-2

ln Y .

2

/ 8

-1

-3

-4

-5 0

DW . 2/4 L2 =

100

200

300

1.021840E-02

DW = 9.31806 E-07 m2 / min = 1.5530 E-08 m2 / s

145

400

450

ANEXOS

146

Anexo Nº 1: Humedad relativa de soluciones acuosas saturadas a diferentes temperaturas

HUMEDAD RELATIVA

Sal 20ºC

30 ºC

40 ºC

50 ºC

Cloruro de litio

11.31

11.26

11.21

11.10

Acetato de potasio

23.11

21.61 22.68

20.80

31.60

30.54

Fluoruro de potasio Cloruro de magnesio

33.08

32.44

Carbonato de potasio

43.16

43.17

Nitrato de magnesio

54.38

51.40

48.42

45.44

Ioduro de potasio

69.90

67.89

66.09

64.49

Cloruro de sodio

75.47

75.09

74.68

74.43

Bromuro de potasio

81.67

80.27

79.43

79.02

Sulfato de potasio

97.59

97.00

96.41

95.82

Fuente: Greenspan, L. 1976

147

Anexo Nº 2: Cartas de humedad a temperaturas medias

148

Anexo Nº 3: Cartas de humedad a temperaturas altas

149