Pedro Vanegas Mahecha¹, Alfonso Parra-Coronado²

¹ Ingenier químico. M.Sc. en Ingeniería Agrícola. Profesor Asistente, Departamento de Ingeniería, Facultad de Ingeniería y Administración, Universidad Nacional de Colombia, sede Palmira. pvanegasm@palmira.unal.edu.co.

² B.Sc., Ingeniería Agrícola, M. Sc. Profesor Titular, Departamento de Ingeniería Civil y Agrícola, Universidad Nacional de Colombia, Bogotá . Colombia. aparrac@unal.edu.co.

RESUMEN

En el presente trabajo se diseñó un prototipo funcional de un secador dinámico conformado por: túnel de secado, sistema mecánico de transporte de material en el interior del equipo y selección y diseño del sistema de suministro de aire caliente. Se implementó un mecanismo de transporte sencillo, que permite la combinación de dos disposiciones de flujo: paralelo y contracorriente. Para la evaluación del prototipo se deshidrató pulpa de mango(Mangifera indica L.) usando tres temperaturas en el aire de secado (50, 60 y 70 °C) y tres velocidades del aire en el interior del secador (1,6; 2,2 y 3,4 m s^-1). Se utilizó combustión de gas propano para calentar el aire. El prototipo permitió deshidratar pulpa de fruta fluida con un contenido de humedad inicial de 4,26 bs hasta un contenido de humedad final de 0,11 bs, con un tiempo de secado de 8 h (temperatura y velocidad del aire de 70 °C y 3,4 m s^-1 respectivamente), con un espesor de pulpa de 4,5 ± 0,5 mm, dispuesta en bandejas rectangulares de 300 x 180 mm y una altura de 15 mm. Bajo estas condiciones se obtienen láminas de pulpa deshidratada con un espesor de 1,5 ± 0,5 mm. El producto final tiene una actividad de agua ( a_w ) de 0,60, lo que lo hace estable, con bajo contenido de agua y con características muy similares al producto fresco (demostrado por análisis Weende).

Palabras claves: secado, deshidratación, pulpas de frutas, secadores dinámicos.

ABSTRACT

This paper describes how a functional prototype for a dynamic dryer was designed, along with its basic parts: drying tunnel, mechanical transport system for material inside the equipment and selecting and designing a system for supplying hot air. A simple transport mechanism was implemented which allowed combining two flow dispositions: parallel and countercurrent flow. Mango (Mangifera indica L) pulp was dehydrated using three dryer air temperatures (50°C, 60°C and 70°C) and three drying air speeds inside the dryer (1.6, 2.2, 3.4 m s^-1) for evaluating the prototype. Propane gas was used as fuel for heating the air. The prototype design led to dehydrating fruit pulp having 4.26 bs smooth initial humidity content up to a 0.11 db final humidity content, with 8-hour drying time (70°C and 3.4 m s^-1 air speed), assuming 4.5 ±0.5 mm pulp thickness, in 300 x 180 mm and 15 mm height rectangular trays. 1.5 ± 0.5 mm thickness rolled dehydrated pulps were obtained in these conditions The final product had 0.60a (aw) water activity providing for a stable product, having low water content and very similar characteristics to those of the fresh product (shown by Weende analysis).

Keywords: drying, dehydration, fruit pulp, dynamic dryer.

Recibido: octubre 29 de 2009. Aceptado: febrero 3 de 2011

Introducción

La deshidratación de frutas es una agroindustria que ha sido muy poco explorada en Colombia debido a la permanente oferta de frutas frescas en el mercado nacional, existiendo una tasa de penetración de importaciones del 84,4%, de acuerdo al reporte del Observatorio Agrocadenas de Colombia del 2003. El proceso se realiza en equipos estáticos, cuya característica principal son los prolongados tiempos de procesamiento, que superan las 14 h. Surge la necesidad de un cambio tecnológico para un proceso más económico y eficiente e innovar en la presentación de los productos finales con los deshidratados laminados. Como antecedentes sólo se conoce la investigación de Cerquera (2006), quien determinó las variables de secado para la obtención de pulpas laminadas de banano y maracuyá. Los productos laminados se pueden obtener con secadores de tambor mediante el uso de vapor presurizado, con la implicación de ser un tratamiento no recomendado para productos sensibles al calor, como es el caso de las frutas (Brenan, 1998).

La primera fase tuvo como objetivo el establecimiento del alcance y modelo conceptual, definición de los parámetros de diseño y estudio de propiedades fisicoquímicas de algunas frutas. La segunda fase consistió en el diseño del prototipo y posterior construcción, de acuerdo a requerimientos, restricciones y finalmente realizando la evaluación de funcionalidad, deshidratando pulpa fluida de mango con un diseño experimental para establecer el efecto de las condiciones de operación.

Material y métodos

Diseño, construcción y evaluación del prototipo de secador

El diseño se realizó en dos fases; la fase 1 consistió en la definición del alcance y el proceso conceptual en el diseño del prototipo utilizando la metodología propuesta por Dym y Little (2002); la fase 2 abarcó los cálculos, el diseño preliminar, la construcción y evaluación funcional del prototipo deshidratando pulpa de mango.

Fase 1: Alcance y proceso conceptual en el diseño del prototipo

Diseñar un prototipo de baja potencia, de longitud corta, que permita escalar un equipo de deshidratación de bajo costo, versátil, con condiciones de operación adecuadas (temperatura de secado en el rango de 50-70 °C), que sirva para la industrialización de pulpas deshidratadas en forma de lámina (capas delgadas de 5 mm de espesor).

Fase 2: Cálculos, diseño, construcción y evaluación funcional del prototipo

Teniendo en cuenta los requerimientos del usuario, las restricciones y los criterios de diseño de secadores, se seleccionó el tipo continuo, de circulación directa, utilizando baja velocidad del aire de secado por medio de la cámara de secado, procediendo a hacer el cálculo de la longitud del secador (Perry, 1992; Treybal, 1988).

Se establecieron algunas propiedades físicas de la pulpa como: contenido de humedad inicial, calor específico, densidad, temperatura. Condiciones del aire ambiente para una temperatura de bulbo seco de 292 K y una humedad relativa (HR) de 65%. Para el aire de secado se estableció un rango de temperatura entre 323 y 343 K, y se determinaron las demás propiedades térmicas de acuerdo a metodologías descritas por Parra y Hernández (2005).

Cálculos: longitud del secador

Para aire a través del secador con una velocidad de 3,0 m s^-1 y densidad ^{ρ aire} =0,785 kg m^-3, se obtiene una velocidad de masa G de 8.478 kg h^-1 m^-2.

Se calculó el coeficiente de película, en la zona de velocidad constante, mediante la ecuación presentada por Perry (1992) y Geankoplis (2005):

(1)

Para G = 8.478 kg h^-1m^-2 se obtiene un coeficiente de película c de 28,3 W m^-2K^-1

Se calculó la velocidad de secado Rc en la fase de velocidad constante, usando la siguiente ecuación (Geankoplis, 2005):

(2)

Para un calor latente de vaporización a la temperatura de bulbo húmedo (^λtbh ), de 2.433,8 kJ kg^-1, una temperatura del aire a la entrada del secador (Taes) de 343 K y una temperatura de bulbo húmedo ( T_bh ) de 299,4 K , se obtuvo una R_c= 1,8 kg de agua h^-1m^-2

La velocidad total de evaporación de agua RcTOTAL fue calculada por medio de la siguiente expresión (Geankoplis, 2005):

(3)

Para una superficie de secado (Ss) de 0,054 m² y con R_C= 1,8 kg de agua h^-1m^-2, se obtiene una R_cTOTAL = 2,6 x 10^-5 kg s^-1

La longitud del prototipo se calculó usando el método de elementos de transmisión (NUT) y la longitud de la unidad de transmisión (LUT). Para calcular las NUT se consideró el perfil térmico del aire y de la pulpa durante el proceso de secado, y en el caso de los secadores de circulación directa se aplicó la siguiente ecuación (Ocon y Tojo, 1980; Treybal, 1988):

(4)

Para una diferencia media logarítmica de temperatura ((ΔTm)de 19,95 K entre el aire y los sólidos en todo el secado, una temperatura del aire a la entrada del secador ( T_aes ) de 343 K y una temperatura del sólido a la salida del secador (T_ass) de 313 K, se obtiene un NUT = 1,002.

La longitud de la unidad de transferencia (LUT) y la longitud del secador se hallaron a partir de las siguientes expresiones (Geankoplis, 2005; Ocon y Tojo, 1980):

(5)

(6)

Para un calor especifico del aire de 1,0 kJ kg-1K-1, un área de contacto (a) de 0,054 m²m^-3, G = 8478 kg h^-1m^-2 y h_c= 28,3 W m^-2K, se obtuvo un LUT de 1.553 m.

Con NUT = 1,002 y LUT = 1.553 m, se obtuvo una longitud del secador L_s de 1.556,1 m.

Construcción

La longitud teórica del secador que se obtuvo no es viable en la práctica, por lo cual se construyó un prototipo de longitud corta, donde el material a deshidratar hiciera contacto con el aire de secado en recorridos cortos de forma continua, hasta obtener un producto con un contenido de humedad deseado. El prototipo construido (figura 1) está compuesto por dos túneles en lámina cold rolled, un ventilador de 3.500 rpm y un sistema para calentar el aire. En la cámara de secado el material a deshidratar hace contacto con el aire de secado (el material y el aire tienen un movimiento relativo), tanto de forma paralela como en contracorriente (Saastamoinen, 2005; Lijuan, 2005). El prototipo se dotó de instrumentos como termocuplas, termómetros y caja de mandos eléctricos, con el fin de facilitar el trabajo experimental durante la prueba de funcionalidad.

El prototipo está conformado por un sistema de transporte de las bandejas que contienen el producto a deshidratar, y un intercambiador de calor compuesto por un tubo aleteado que permite calentar el aire proveniente de un ventilador de 3.500 rpm, provisto de compuerta para variar el flujo.

Los valores de velocidad del aire de secado obtenidos por diseño (1,5; 2,0 y 3,0 m s_-1) se acercan a los obtenidos por mediciones con tubo de pitot (1,6; 2,2 y 3,4 m s_-1 respectivamente). El número de Reynolds crítico (NRe crítico) obtenido para las diferentes velocidades: 20313,16; 27930,6 y 43165,5 respectivamente, se encuentran en la región de régimen laminar (NRe crítico menor a 3,2 x 10⁵), de acuerdo a Costa Novella (1984).

Evaluación funcional del prototipo

La evaluación del prototipo construido se realizó en el Laboratorio de Operaciones Unitarias de la Facultad de Ingeniería de la Universidad Nacional de Colombia - sede Palmira, ubicado a 1.000 msnm. Para evaluar el prototipo se deshidrató pulpa de mango.

Preparación de la materia prima

La pulpa de mango se licuó hasta obtener puré, al cual se le realizaron las siguientes determinaciones: contenido de humedad en base húmeda utilizando una estufa a vacío (método 934.06-37.1.10) de la AOAC; los sólidos solubles totales (°Brix)se midieron por lectura directa en un refractómetro digital PDX- 95 marca VEE GEE con escala de 0 a 95 °Brix, la acidez titulable se determinó por titulación de acuerdo a la metodología propuesta por AOAC:942.15(37.1.37), el pH se midió usando un pHmetro 744 Metrohm calibrado y la densidad de la pulpa se determinó usando la norma INEN 391 propuesta por Alvarado (2001). Las mediciones se realizaron por triplicado.

La caracterización de la pulpa fresca de mango (Mangifera indica L.), fue la siguiente: Brix de 17,6%, acidez titulable de 1,06 (porcentaje de ácido cítrico), pH de 3,66 y densidad de 1.008,6 kg m_-3, CHbs de 4,26.

Desarrollo experimental: prueba de funcionalidad

Para la evaluación de funcionalidad del prototipo se definió un diseño experimental factorial, tomando como unidad experimental una bandeja con 200 g de puré de mango. La variable dependiente fue el contenido de humedad en base seca (CH bs), como Factor A la velocidad del aire de secado (niveles: 1,6; 2,2 y 3,4 m s^-1) y como Factor B la temperatura del aire de secado (niveles: 50, 60 y 70 °C). Se tuvieron 9 tratamientos con 3 repeticiones cada uno, para un número total de 27 experimentos. En el análisis estadístico se utilizó el paquete de diseños experimentales FVANL (Olivares, 1990). Los datos correspondientes al proceso de deshidratación (Ch_bs vs. tiempo) se obtuvieron pesando cada hora la bandeja testigo con una balanza Ohaus (capacidad 600 g, precisión 0,1 g). Todos los ensayos se realizaron en un tiempo total de secado de 9 h. La humedad de la pulpa durante el deshidratado se calculó con la siguiente ecuación:

(7)

donde:

P_ph, peso de pulpa de fruta húmeda (g)

ms, materia seca (g)

Resultados y discusión de la prueba de funcionalidad

En las tabla 1 se consignan los datos (valores medios) de los cambios de humedad obtenidos durante la deshidratación de pulpa de mango (Mangifera indica L.) en los ensayos realizados, con tres repeticiones.

En la figura 2 se registra la velocidad media de secado obtenidadurante las pruebas de funcionalidad del prototipo para las tres diferentes velocidades del flujo de aire. En la fase decreciente se presenta una disminución de la velocidad de secado, lo cual concuerda con el comportamiento típico de productos agrícolas durante el secado (Parra-Coronado et al; 2008). La humedad final en base seca (chbs) del producto fue 0,11.

La tabla 2 muestra los resultados experimentales obtenidos para los tres niveles del Factor A y los tres niveles del Factor B.

En la tabla 3 se presenta el análisis de varianza (Anova), el cual indica que los dos factores tienen diferencias significativas.

En la tabla 4 se presentan los valores medios del contenido de humedad en base seca (CHbs) para los tres niveles. Si la operación se realiza con aire calentado a 70 °C y una velocidad de 3,4 m s^-1, se obtiene un material deshidratado estable, con bajo contenido de humedad y actividad de agua (aw) de 0,60, lo cual concuerda con lo indicado por Larragaña (1998).

En la figura 3 se pueden observar las láminas de fruta deshidratadas obtenidas en el prototipo de secador dinámico.

Conclusiones

El prototipo logrado permite escalar un secador industrial semicontinuo tipo túnel de flujo combinado, de longitud corta (4 m),para la producción de pulpa deshidratada en láminas. El sistema de movimiento de las bandejas desarrollado (engranajes, cadena) es sencillo y práctico, lo cual permitirá innovar los equipos de secado de materiales agrícolas. La condición de velocidad de 3,4 m s ^-1 permite un modelo de contacto aire-superficie-pulpa de flujo laminar, haciendo que la operación no sea agresiva y minimizando los cambios desfavorables que una operación de secado puede producir en las frutas que se someten a deshidratado.

Aunque la prueba de funcionalidad se hace con pulpa de mango, el prototipo preliminar diseñado puede servir para escalar un equipo de deshidratación de otras materias primas (hortalizas, hierbas aromáticas) y así obtener otros productos finales con otra presentación para el consumidor final.

En futuras investigaciones se puede abordar el desarrollo de un sistema de transferencia que permita obtener el producto deshidratado laminado de forma continua, así como hacer el modelamiento del sistema cuando se combinan los flujos en contracorriente y paralelo simultáneamente.

Agradecimientos

A la empresa Ingesec Ltda. y Carlos Julio Ameca, por el apoyo e interés en el proyecto.

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