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DYNA

Print version ISSN 0012-7353

Dyna rev.fac.nac.minas vol.80 no.181 Medellín Sep./Oct. 2013

 

APLICACIÓN DE MODELOS MATEMÁTICOS AL PROCESO DE SECADO ASISTIDO POR INFRARROJOS DE DESCARTES DE LIMÓN (CITRUS LIMON (L.) BURM. F. CV. GENOVA)

APPLICATION OF MATHEMATHICAL MODELS TO INFRARED ASSISTED DRYING PROCESS OF LEMON WASTE (CITRUS LIMON (L.) BURM. F. CV. GENOVA)

 

LUIS PUENTE-DÍAZ
Dr- Facultad de Ciencias Químicas y Farmacéuticas - Universidad de Chile, lpuente@ciq.uchile.cl

ERIC ECHEGARAY- PACHECO
Ing - Facultad de Ciencias Químicas y Farmacéuticas - Universidad de Chile, eechegaray@ciq.uchile.cl

EDUARDO CASTRO- MONTERO
McS., - Facultad de Ciencias Químicas y Farmacéuticas - Universidad de Chile, ecastro@ciq.uchile.cl

KARINA DI SCALA
Dra. Facultad de Ingeniería, Universidad Nacional de Mar del Plata, Argentina. kdiscala@fi.mdp.edu.ar

 

Recibido para revisar Mayo 12 de 2012, aceptado Mayo 17 de 2013, versión final Agosto 27 de 2013.

 


RESUMEN: Los desechos agroindustriales son uno de los principales problemas ambientales a nivel mundial. Debido a las altas exigencias de calidad, la comercialización de limones de exportación genera grandes cantidades de desechos. Los descartes de limón contienen fibra, pectina, potasio, calcio y vitamina C. Por lo tanto, es importante desarrollar alternativas de procesamiento de estos sub-productos para agregarles valor y aumentar su vida útil. El objetivo de la presente investigación fue la aplicación del secado asistido por infrarrojos, como tecnología emergente, para estudiar el efecto de la temperatura de proceso sobre las cinéticas de secado de descartes de limón a 30, 40 y 50°C. Se utilizaron seis modelos matemáticos de capa fina encontrados en literatura para representar la cinética experimental. Basándose en análisis estadístico, el modelo Logarítmico presentó el mejor ajuste. Los valores de la difusividad efectiva del agua se estimaron en el rango de 9.45x 10-10 - 3.71× 10-9 m/s2. El valor de la energía de activación fue 55.90 kJ/mol.

PALABRAS CLAVE: secado por infrarrojos, modelamiento matemático en capa fina, coeficiente de difusividad efectiva, sub-productos, limón.

ABSTRACT: Agroindustrial wastes are a major environmental problem worldwide. Due to high quality requirements, commercialization of export lemons generates huge amounts of wastes. Lemon wastes have fiber, pectin, potassium, calcium and vitamin C. Therefore, it is important to develop alternative processing methods to add value and improve their shelf life. The aim of this work was to apply infrared drying, as an emergent technology, to study the effect of drying temperature on the drying kinetics of lemon waste at 30, 40 and 50°C. Six thin layer models found in literature were used to represent the experimental drying kinetics. Based on statistical tests, the Logarithmic model presented the best fit. Values of moisture effective diffusivities were in the range of 9.45x 10-10 - 3.71× 10-9 m/s2. The value of activation energy was 55.90 kJ/mol.

KEYWORDS: infrared drying, thin layer mathematical modeling, effective diffusion coefficient, by-products, lemon.


 

1. INTRODUCCIÓN

El destino de los desechos agroindustriales es uno de los grandes problemas ambientales a nivel mundial. El uso de estos descartes como sub-productos se ha convertido en uno de los desafíos más importantes en la industria alimentaria, ya que no sólo permite otorgarles un nuevo uso como materia prima, sino que además permite abaratar costos y contribuir a reducir el impacto ambiental [1].

En el año 2011 Chile exportó aproximadamente 171 000 toneladas de limones, ubicándolo en el lugar 14 del mundo [2]. En el caso de los limones, se pueden considerar como descarte todos aquellos frutos que tengan daño por frío, manchas, magulladuras, falta o excesiva madurez, entre otros. Dentro de las propiedades que poseen, se encuentra su alto contenido de fibra, pectina (principalmente en su cáscara), potasio, calcio y por sobre todo vitamina C [3]. Sin embargo, estos desechos son altamente perecibles, debido a la alta humedad que presentan, por lo cual el secado es una alternativa para aumentar la vida útil de los mismos [4]. El secado se puede realizar utilizando diferentes métodos, entre ellos, se encuentra el secado por infrarrojos. La radiación es un método de transferencia de calor que permite el secado de alimentos producida por la interacción entre las ondas electromagnéticas originadas por el generador de infrarrojos (IR), y el agua presente en el alimento, originando vibraciones mecánicas de las moléculas o de un conjunto molecular particular en un fenómeno muy complejo de sobrelapación [5], generando un calentamiento volumétrico.

Los IR corresponden a una radiación con una longitud de onda que se encuentra entre los 0,78 y 1000 mm, situándose entre el espectro de la luz visible y microondas. La radiación infrarroja penetra directamente en los productos a secar con una transferencia directa de energía térmica, donde la profundidad de penetración depende generalmente de la absorbancia del producto, siendo el agua el componente que más absorbe la radiación infrarroja, cumpliendo la Ley de Lambert-Beer en relación a la absorción de energía de un cuerpo con respecto a una determinada emisión de luz [6]. Dentro de las ventajas del IR se encuentran la protección del producto de contaminación (con respecto al secado solar), su versatilidad, simplicidad del equipamiento requerido, rápida respuesta de calentamiento y secado, fácil instalación de la cámara de secado y bajo costo de capital [7]. Varias aplicaciones de IR se han publicado en diversas investigaciones en frutas y vegetales como: apios [7], castañas [8], pimientos rojos [9], cebollas [10] y duraznos [11].

Por otro lado, el uso de modelos matemáticos que representen la cinética de secado de los alimentos contribuye a predecir tiempos de procesamiento y así optimizar la eficiencia del secado [12]. El objetivo de este trabajo es estudiar el proceso del secado por infrarrojos para descartes de limón como posible tecnología de preservación. Para ello se prevé, determinar las cinéticas de secado a cada una de las temperaturas empleadas aplicando modelos matemáticos de capa fina y evaluar la bondad del ajuste de los mismos a los datos experimentales.

 

2. MATERIALES Y MÉTODOS

2.1. Materia prima
La materia prima utilizada fue descartes de limón, obtenidos a través del proyecto FIA-VERAGRO (EST-2008-0208), procedentes del sector de Talagante, Melipilla, Padre Hurtado e Isla de Maipo, Chile.

Las muestras fueron seleccionadas, descartando aquellas con presencia de hongos y/o características organolépticas alteradas. Luego, cada una de las muestras fue separada en cuatro partes y molida hasta formar una pasta homogénea. Se almacenaron en bolsas de polietileno a temperatura de congelación (-24°C) para su posterior uso.

2.2. Dispositivo experimental
La Fig. 1 muestra el secador a escala de laboratorio utilizado. El mismo consiste en una cámara de secado formada por un material aislante, recubierto internamente con material refractante, cuyas dimensiones son 300 x 370 x 270 mm. En la parte superior de la cámara se encuentra una balanza con precisión de 0.01 g (Radwag WTB3000, Polonia) para medir el peso de la muestra distribuida en una rejilla de 130 x 120 x 20 mm. La balanza está conectada a través de una conexión RS232 a un computador que registra los valores obtenidos en el tiempo. En la parte inferior de la cámara, se encuentra un foco infrarrojo de 250W de potencia máxima (OSRAM Siccatherm 220-230V, Alemania), para efectos del secado, se regula la potencia a través de un potenciómetro, el que permite entregar distintas temperaturas de secado. En la parte lateral, la cámara posee un ventilador (Garrity YF52209, 130 m3/h, China) que permite ingresar flujo de aire desde el ambiente para arrastrar el vapor formado por el secado y bajar la temperatura de los valores deseados.

2.3. Experimentos de Secado
La muestra fue descongelada a temperatura de refrigeración (5°C) durante 24 horas previas al secado. La humedad inicial se determinó en estufa a 105°C por 5 horas según norma AOAC 934.06 [13]. En el secador las muestras fueron distribuidas en la rejilla formando una capa de 0.5 cm de espesor con un peso aproximado de 65 ± 2g, obteniendo una densidad de carga de 0.06 g/cm2. Durante la experiencia de secado, se trabajó a tres temperaturas diferentes: 30, 40 y 50°C, con una velocidad de aire de 1 m/s. La variación de peso de la muestra durante el secado fue registrada en el computador, desde donde se obtuvieron los datos cada 15 minutos durante la primera hora, 30 minutos durante las dos horas posteriores y finalmente cada una hora hasta que la muestra llega a una humedad del 5% (base seca). Las mediciones se realizaron por triplicado.

2.4. Cálculo del Coeficiente de Difusividad Efectiva y Energía de Activación
Para el cálculo del coeficiente de difusividad efectiva, se utilizó la solución analítica de la segunda ecuación de Fick, la cual resulta adecuada para fenómenos difusivos durante la transferencia de masa en el alimento durante el secado hasta alcanzar el equilibrio [12]. Asumiendo que los descartes de limón se asemejan a una lámina infinita, que la transferencia de masa es unidimensional y los tiempos de secado son largos, la expresión matemática del modelo se puede escribir como:

Donde: Deff es el coeficiente de difusividad efectiva (m/s2) y L0 es el semiespesor de la capa a secar (m). Deff es determinado a través de la gráfica de los datos experimentales de ln(MR) versus tiempo, a través de la pendiente de la Ec.1.

En general, la influencia de la temperatura de secado sobre el coeficiente de difusividad efectiva del agua en los alimentos sigue una tendencia tipo Arrhenius, la relación descrita por la ecuación (2) y al representar el ln Deff vs 1/T se obtiene una línea recta de cuya pendiente se obtiene la Ea y de la ordenada al origen se obtiene el factor de Arrhenius (Do).

Donde: D0 es el factor de Arrhenius, R es la constante universal de los gases y T es la temperatura absoluta.

2.5. Modelamiento Matemático
Se utilizaron seis modelos matemáticos de capa fina de los más utilizados en la literatura para representar la cinética de secado experimental de descartes de limón. La Tabla 1 muestra las expresiones de los modelos seleccionados: Newton (Ec. 3, Page (Ec. 4), Page modificado (Ec. 5), Henderson-Pabis (Ec. 6), Henderson-Pabis modificado (Ec. 7) y Logarítmico (Ec. 8). En estos modelos, la variable dependiente es MR la cual representa la relación de humedad ( ).

Donde: M es la humedad del producto en un tiempo determinado, M0 la humedad en tiempo inicial, t es el tiempo de secado y k, n, a, b, c, g y h son parámetros o constantes de los modelos.

2.6. Análisis estadístico
Para evaluar el ajuste de los modelos matemáticos con los datos experimentales, se utilizaron los siguientes coeficientes estadísticos: CHI-cuadrado (c2), suma de los errores al cuadrado (SSE) y raíz cuadrada de los errores al cuadrado (RMSE). Los mejores ajusten serán de aquellos modelos que presenten los valores más bajos valores de c2, SSE y RMSE [13]. Las ecuaciones (9-11), expresan como calcular los valores estadísticos mencionados.

Donde MRexp,i representan la relación de humedad obtenida experimentalmente, MRpre,i son las predicciones hechas por los modelos matemáticos, N es el número de datos y z el número de constantes. El ajuste y los cálculos de estos análisis estadísticos se realizaron con el programa Microsoft Excel 2010.

2.7. Consumo energético
Para el secador por infrarrojos, el consumo de energía está dado por la suma de la lámpara infrarrojos y el ventilador usado para arrastrar el vapor producido por el secado de la muestra dentro de la cámara. Para el cálculo se tomará en cuenta la ley de Stefan-Boltzmann, la energía proporcionada por la irradiación es proporcional a la cuarta potencia de la temperatura absoluta del material (Ec. 12) [19]

E1 es la energía expresada en kW/m2, T la temperatura del material refractante (K) y s la constante de Stefan-Boltzmann (56.7*10-12 kW/m2K4). Para expresar la energía en unidades de kW.h, se necesita el tiempo total de secado (h) y la superficie a secar (m2). Para calcular la energía consumida con el ventilador (E2), se utilizará la Ec. 13 [19].

E2 es la energía consumida por el ventilador en cada ciclo de secado (kW) y V es la velocidad del aire (m/s). Para obtener el valor en kW/h, se debe multiplicar por el tiempo total de secado (h).

Finalmente, el consumo total de energía estará dado por la suma de E1 y E2 (Ec. 14).

 

3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN

3.1. Características del secado por infrarrojos a diferentes temperaturas.
La humedad inicial de la materia prima fue de 88.29 ± 0.5% (base húmeda). La Fig. 1 muestra las curvas experimentales de secado de los descartes de limón a las tres temperaturas estudiadas. Los tiempos de secado para alcanzar la humedad establecida del 5% fueron de 660±109, 480±23 y 420±38 minutos para las temperaturas de 30, 40 y 50°C, respectivamente. La forma exponencial de las curvas de secado se ha evidenciado en trabajos similares de secado por IR de frutas [9] y de subproductos agroindustriales tales desechos de uva [21] y para la elaboración de sub-productos en base de tomate [15].

Si bien la temperatura de 30ºC es la que presenta menores velocidades de secado, se han publicado trabajos donde se utiliza esta condición del aire de secado para evitar fenómenos de endurecimiento de la capa externa del descarte [20].

3.2. Determinación del coeficiente de difusividad efectiva y Energía de Activación
A partir de la Ec. (2) se obtuvieron los siguientes valores del coeficiente de difusividad efectiva del agua 9.45x 10-10, 2.36x 10-9 y 3,71x 10-9 m/s2 para 30, 40 y 50°C, respectivamente. Estos valores de Deff pertenecen al rango de 10-12 y 10-8 m2/s correspondientes a alimentos o sistemas alimentarios [14] y son comparables con los valores hallados para el secado asistido por infrarrojos de murta, papa dulce y zanahorias [22, 23, 24].

Utilizando la Ec. (2) se determinó un valor de energía de activación de 55.9 kJ/mol. El valor encontrado es mayor que el valor informado durante la deshidratación del residuo de la torta de prensado de las olivas, zanahorias y pimiento rojo, pero menor que la menta y el té negro [14, 25, 26].

3.3. Modelado matemático de la cinética de secado
La Tabla 2 presenta los valores de los parámetros de ajuste de los modelos seleccionados. Se pudo observar que en los modelos de Newton, Henderson-Pabis y Logarítmico, la constante k, correspondiente al valor exponencial decreciente es dependiente de la temperatura, pues mientras más alta sea ésta, su valor va aumentando. Con respecto al modelo de Henderson-Pabis modificado, los valores k y g presentan el mismo comportamiento que se describió anteriormente. El mencionado efecto de la temperatura sobre las constantes cinéticas ha sido informado en trabajos previos de secado de diversas frutas [29, 30] .Caso contrario, pasa al revisar el modelo de Page modificado, donde no presenta una dependencia de temperatura.

3.4. Análisis de ajustes de modelamiento.
La Fig. 3 muestra los valores promedios de los tests estadísticos aplicados. De la comparación de los datos experimentales con los modelos matemáticos propuestos y apoyados en los valores entregados por los coeficientes estadísticos, se puede inferir que el modelo que presenta el mejor ajuste con los datos experimentales es el modelo Logarítmico. Los valores promedios de los estadísticos obtenidos por este modelo, empleados a cada temperatura presentan valores para SSE, RMSE c2 dan valores por debajo de 0.001, 0.08 y 0.003 respectivamente, presentando un buen valor de ajuste [16].

La Figura 4 muestra la comparación de los datos experimentales de MR con los estimados a través del modelo Logarítmico (r2 = 0.991). En base a los resultados obtenidos, se recomienda utilizar este modelo para estimar tiempos de operación de descartes de limón secados mediante infrarrojos en el rango de temperatura de 30-50ºC.

3.5. Cálculo del consumo energético
El consumo de energía para los descartes de limón fue de 0.886 (±0,0016), 0.788 (±0,0039) y 1.015 (±0,031) kWh para 30, 40 y 50°C, respectivamente. Al aumentar la temperatura del medio de secado se causa una disminución del tiempo de operación, sin embargo no se observó una tendencia definida entre el la temperatura y el consumo de energía. A 40ºC se observó el menor consumo de energía. Resultados similares fueron publicados en trabajos previos de alimentos secados por IR [29, 30]. Basándose en los resultados obtenidos, se sugiere secar los descartes de limón a 40ºC.

 

4. CONCLUSIONES

La aplicación de secado por IR de descartes de limón como alternativa de tecnología de preservación, permitió estudiar el efecto de la temperatura de proceso sobre la cinética de secado y consumo energético del mismo. El modelo que mejor representó las curvas de secado experimentales para las tres condiciones estudiadas fue el modelo Logarítmico. Por lo tanto, se recomienda utilizar este modelo para el secado de descartes de limón en finas capas por infrarrojos entre 30-50ºC. Los valores de los coeficientes de difusividad efectiva del agua obtenidos fueron 9.45x 10-10, 2.36x 10-9 y 3.71x 10-9 m/s2 para 30, 40 y 50°C, respectivamente. La energía de activación se estimó en 55.90 KJ/mol. En cuanto al consumo energético, se recomienda deshidratar a los descartes de limón a 40ºC ya que esta temperatura presentó el menor consumo de energía para llegar a un contenido de agua final de 5%.

 

5. AGRADECIMIENTOS

Los autores agradecen la colaboración al proyecto de FIA-VERAGRO, financiado por la Fundación de Innovación Agraria (EST-2008-0208).

 

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