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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA QUÍMICA E INDUSTRIAS EXTRACTIVAS
Estudio de las condiciones de operación para obtener piña en polvo por medio de un secador por aspersión
a escala laboratorio
TESIS
QUE PARA OBTENER EL TITULO DE INGENIERO QUÍMICO INDUSTRIAL
P R E S E N T A N
MONROY NAVARRETE MARIA FABIOLA PATIÑO CORTES ENRIQUE ARTURO
MÉXICO D.F. MAYO 2007
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RECONOCIMIENTOS Al Instituto Politécnico Nacional Por ser nuestra alma mater, que nos brindó un hogar, dándonos educación, instrucción y enseñanza, así como también obligaciones y por otorgarnos la confianza para ser parte de la Escuela Superior de Ingeniería Química e Industrias Extractivas. A la Escuela Superior de Ingeniería Química e Industrias Extractivas Por habernos proporcionado los conocimientos y experiencias para ser ingenieros de excelencia. Al M. en C. Alfredo García de la Cruz Por su invaluable apoyo y la dedicación que nos brindo incondicionalmente, para lograr la anhelada meta deseada. A todos nuestros Maestros Por formar nuestros pilares de conocimientos, para emprender el éxito profesional.
Monroy Navarrete Maria Fabiola Patiño Cortés Enrique Arturo
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AGRADECIMIENTOS Doy gracias a Dios Por haberme concedido la oportunidad de vivir y permitirme alcanzar un sueño dándome la capacidad para lograrlo.
A mis padres Por creer en mi, apoyarme y aconsejarme en los momentos que los necesite, por acompañarme una vez mas en esta etapa de mi vida, gracias. A mi hermano, Eduardo Por compartir conmigo triunfos y fracasos y por su apoyo incondicional. A Enrique Por su amistad y apoyo, por hacer mas fácil mi camino para realizar mi sueño. Te amo A mi familia y amigos Por brindarme su amistad y por esos momentos inolvidables que fueron un aliciente para llegar hasta aquí.
Monroy Navarrete Maria Fabiola
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A Dios Por brindarme la oportunidad de vivir con lo más preciado que es mi familia y de darme salud durante este tiempo de vida. A mis madres Margarita y Dulce Por ser las personas que me inspiraron con sus acciones y palabras para lograr una de mis grandes metas. Por apoyarme en todo momento, por brindarme su paciencia, compresión y su amor. A mi hermano Cesar Que siempre me has dado tu apoyo incondicional y en los momentos más difíciles me alentaste a seguir adelante, gracias por haber sido mi hermano durante estos años. A Fabiola, por ser la amiga y compañera incondicional que ha estado a mi lado en todo momento apoyándome e impulsándome a vencer los obstáculos para salir adelante. A Armando, Mario y Liliana Por brindarme su amistad en las buenas y en las malas, y por todos los momentos inolvidables que fueron un motivo para lograr esta meta.
Patiño Cortés Enrique Arturo
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RESUMEN
En el presente trabajo se realizaron 16 experimentos preliminares en dos etapas para
determinar previamente condiciones de operación (temperatura de entrada y salida del aire,
presión del atomizador y los tipos de vehículos a usarse). Así como los análisis de humedad
inicial y final del producto, tiempo de rehidratación del polvo y el porcentaje de rendimiento.
Con los resultados anteriores se decidió emplear un diseño experimental de 24 con 4
puntos centrales en donde las variables usadas fueron tres diferentes: temperaturas,
revoluciones del disco, vehículos, y concentraciones. Se empleo el software statistics versión
6.0 para analizar como los variables de operación influencian sobre la humedad final del polvo,
tiempo de rehidratación del polvo, así como el rendimiento del producto, utilizando diagramas
de superficie de respuesta.
En base a los resultados obtenidos las mejores condiciones de operación fueron las de
los experimentos 8, 12, 16 y 19, cumpliéndose los objetivos específicos.
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INTRODUCCION
El secado es uno de los métodos más antiguos de preservación de frutas y de modo
general, es realizado por un proceso que utiliza energía térmica para remover parte o casi el
total de agua de las frutas.
A través de los tiempos, el hombre ha utilizado el sol como fuente natural de calor para
el secado de las frutas. Actualmente se dispone de varias alternativas tecnológicas para el
secado de las frutas.
Además del objetivo más evidente, que es la conservación de la fruta por la reducción
de la humedad, el secado evita el crecimiento de microorganismos u otras reacciones
químicas. Con la eliminación del agua trae como consecuencia mayor facilidad en el
transporte, almacenamiento y manejo del producto final, sea para el consumo en forma directa,
o como ingrediente en la formulación para la elaboración de otros productos alimenticios.
El secado por aspersión es una técnica bien establecida en la deshidratación de
materiales en forma liquida o semilíquida. Por lo tanto, en el secado de jugos y purés de frutas,
el uso de equipos de construcción convencional no es satisfactorio, resultando productos de
baja calidad requiriendo ellos de accesorios especiales, principalmente cuando se pretende
obtener productos finales con alto porcentaje de contenido del jugo o puré original.
Entre los problemas más serios encontrados desde la atomización hasta la fase de
colecta del polvo, se pueden citar los siguientes:
1) Falta de uniformidad en la atomización, provoca diversos tamaños de partícula, los
cuales no se secan uniformemente.
2) Gasto volumétrico insuficiente de aire en la cámara de secado, dificultando el transporte
del vapor de agua proveniente de las partículas.
3) Daños en el producto por la acción del calor o adherencia de este en las paredes de la
cámara de secado.
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4) Dificultad en la remoción y recuperación de las partículas de polvo por la alta
higroscopicidad.
Para solucionar tales problemas, se utilizan secadores de construcción especial, o se
realizan modificaciones en los secadores convencionales.
Así es recomendado el uso en secadores en tres etapas, comprendiendo: (1) zona de
permanencia corta, con gran turbulencia de aire y alta temperatura (200 a 300 0C); (2) zona de
permanencia prolongada con aire parcialmente deshumidificado a temperaturas de 70 °C a
100 °C; (3) próximo a la zona colectora, introducción conjuntamente con la corriente de aire
caliente una cantidad adecuada de aire frió y deshumidificado para evitar el problema de
adherencia a las paredes en esta zona.
Para algunos jugos de frutas hay la posibilidad de alcanzar una humedad en el producto
sólido final hasta de 1% p/p.
OBJETIVO GENERAL:
Estudiar la influencia de las condiciones de operación (temperatura de entrada y salida
del aire, velocidad del atomizador, gasto masa del material a secar, etc.) para la obtención de
piña en polvo, con una alta eficiencia, un tiempo de solubilidad competitivo en el mercado y una
mínima cantidad de humedad según especificaciones del producto final.
OBJETIVOS ESPECÍFICOS:
��Obtener un producto seco con una humedad final menor al 6%.
��Obtener una fácil rehidratación del polvo.
��Obtener una eficiencia del producto superior al 65%.
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CAPITULO 1. GENERALIDADES
1.1 La piña
Nombre primitivo de la planta denominada botánicamente ananas comosus. También se
le conoce por piña tropical o piña de América, por ser originaria de este continente, si bien
luego se ha aclimatado también en Asia y África. El plumero de pequeñas hojas que adorna el
fruto de esta planta le da un aspecto característico. Como se muestra en la Figura 1.1.
Figura 1.1 Piña en su estado natural.
El fruto no tiene semilla, es alargado y cilíndrico y su pulpa es blanca amarillenta, las
hojas tienen bordes lisos. Otras variedades presentan su fruto de color blanco. Su tallo es
vertical, corto y robusto, puede alcanzar la altura de 1.20 a 1.50 metros. Las raíces son cortas,
delgadas, con muchas raicillas bastante superficiales y que se remuevan constantemente [1].
Las diferentes etapas del desarrollo del fruto se pueden observar en la Figura 1.2.
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Figura 1.2. Diferentes etapas del desarrollo del fruto.
Composición química.- El jugo es azucarado y ligeramente ácido. La composición
química con relación a 100 gramos de producto se muestra en las Tablas 1.1, 1.2 y 1.3.
Tabla 1.1. Composición porcentual de la piña.
Componente % Peso
Agua 82.6
Sacarosa 12.1
Glucosa 3.1
Proteínas 0.4
Grasas 0.2
Celulosa 0.4
Minerales 1.2
(Anónimo, Diccionario de los alimentos, 1984)
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Tabla 1.2. Composición de las sales minerales presentes en la piña.
Componente % Peso
Potasio 0.134
Sodio 0.024
Calcio 0.026
Magnesio 0.023
Fierro 0.002
Fósforo 0.012
Azufre 0.044
Manganeso 0.011
Cloro 0.029
Yodo 0.00003
(Anónimo, Diccionario de los alimentos, 1984)
Tabla 1.3. Composición de las vitaminas presentes en la piña.
Componente Unidades por cada 100 g de piña
Vitamina A 200 U.I.
Vitamina C 45 mg
Vitamina B1 0.09 U.I.
Vitamina B2 0.04 U.I.
Vitamina PP 0.31 U.I.
(Anónimo, Diccionario de los alimentos, 1984)
En cantidades reducidas pero equilibradas, la piña tropical aporta vitaminas A, B y C,
así como iodo (indispensable para la glándula tiroides), magnesio (cuyos efectos de protección
sobre las células son bien conocidos), calcio y fósforo (tan útiles en particular para células
nerviosas), fierro, azufre (mineral que da agilidad, antiesclerósico), y manganeso (que favorece
la actividad de las glándulas genitales, testículos y ovarios, y ayuda a la elaboración de
hormonas y enzimas), (Anónimo, Diccionario de los alimentos, 1984).
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Cosecha.- La época de cosecha depende de la variedad, manejo del cultivo y el grado
de madurez deseado, en función de los mercados. En efecto, la agroindustria prefiere frutas
bien maduras, en tanto que para el mercado de fruta fresca, sobre todo para exportación se
deberá cosechar antes de la completa maduración de la fruta. La piña se haya lista para la
primera zafra, a partir de los 14, 16 o 18 meses, dependiendo de que la siembra sea a partir de
estolones, retoños axilares o corona respectivamente. La segunda zafra se obtendrá entre los
12 y 14 meses. Previo a la cosecha (una semana antes) debe realizarse una evaluación por
muestreo del color de la corteza de la pulpa, su porosidad y contenido de azúcar (°Brix), así
como del peso de la fruta. La cosecha se realiza una vez determinado el grado de madurez. La
coloración de la cáscara y la maduración de la pulpa se toman, habitualmente, como
indicadores de madurez. Adicionalmente se debe considerar la edad y tamaño del fruto. Se
prefiere la fruta firme, de pulpa amarilla intensa, que haya alcanzado entre 1.8 y 2.2
Kilogramos, y libre de enfermedades, magulladuras o deformaciones. El primer indicio de
madurez, es el cambio de color de las yemas del fruto hacia el color amarillo. Se han
determinado tres grados de maduración [2].
1) Maduración inicial: frutos cuya madurez es incipiente, presentando una coloración
amarilla - anaranjada solamente en la base del tallo.
2) Pintón: Frutas de maduración intermedia, cuya coloración amarillo - anaranjada se
extiende desde la base hasta la mitad del fruto.
3) Maduro: Cuya pigmentación amarillo - anaranjado sobrepasa la mitad del fruto.
El cambio del color de la cáscara del verde al amarillo en la base de la fruta nos indica
el grado de madurez. Las piñas son frutas no climatéricas por lo que se les debe cosechar
cuando están listas para consumirse. Un contenido mínimo de sólidos solubles de 12% y una
acidez máxima de 1% asegurarán un sabor mínimo aceptable a los consumidores. La fruta se
clasifica en tres categorías:
1) Categoría A.- frutos con peso superior a 1.5 kg.
2) Categoría B.- frutos con peso comprendido entre 1 y 1.5 kg.
3) Categoría C.- frutos con peso inferior a 1 kg,
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Para su cultivo se requiere de terrenos sueltos muy permeables al aire, pobres en cal y
manganeso y ricos en materia orgánica, soportan la falta de humedad debido a que las hojas
acanaladas recogen y almacenan en los senos el roció y las lluvias.
Los principales países productores son Tailandia, Filipinas, Brasil, China, India, Costa
Rica, Nigeria, Kenya, México e Indonesia, entre otros, como se muestra en la Figura 1.3, la
producción mundial de la piña se duplicó entre 1948 y 1965 y desde entonces se haya en
rápido aumento. Al margen de su importancia como fruto, el ananás se ha venido también
cultivando desde hace tiempo como planta de fibra. Las fibras se extraen manualmente de las
hojas, tras el proceso de tueste y decoloración [3].
Figura 1.3. Principales productores de piña a nivel mundial.
En México el cultivo de la piña se realiza principalmente en los estados de Oaxaca,
Veracruz y Tabasco, entre otros, produciendo en total 515 ,765 Toneladas en el 2006 [4] como
se observa en la Tabla 1.4.
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Tabla 1.4. Siembra y Cosecha de Piña.
Estado Superficie Sembrada (HA) Producción (Ton)
Chiapas 112 2708
Colima 8 210
Guerrero 15 217
Jalisco 97 2443
Edo. México 4 16
Nayarit 902 15622
Oaxaca 2985 82406
Quintana Roo 80 2500
Tabasco 1801 32500
Tamaulipas 16 560
Veracruz 23461 376565
Yucatán 6 19
Total 28766 515765
El porcentaje de producción de los estados productores de piña, se muestra en la Figura
1.4. [5].
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Figura 1.4. Estados productores de piña en México.
1.2 Secado por aspersión
Inventado en el último cuarto del siglo XIX y extensamente empleado por la industria de
alimentos y química desde entonces, el secado por aspersión no es ciertamente una técnica
novedosa de deshidratación. Sin embargo, el secado por aspersión es todavía indudablemente
un área fértil para la investigación creativa y el desarrollo, con muchas preguntas abiertas y
potencialidad considerable para la innovación industrial. Estudios sistemáticos en la
generación de la pulverización, partícula y flujo del gas, transferencia de calor y masa, dirigidos
a la racionalización del diseño del equipo, (Bonazzi y colaboradores, 1996).
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Siendo un proceso realmente de tiempo corto, con daño térmico mínimo al producto, el
secado por aspersión está atrayendo considerable interés para la aplicación en la
biotecnología. La aplicación del secado por aspersión para microencapsulación en un área
específica y altamente importante que distingue el secado por aspersión de otras técnicas de
deshidratación, (Bonazzi y colaboradores, 1996).
El secado por aspersión es una técnica de importancia en la industria, muy comúnmente
usada para deshidratar alimentos y bebidas, además la naturaleza del proceso es tal que los
cambios físicos y químicos en los materiales son mínimos. El proceso involucra la
transformación del material alimentado de un estado líquido o en forma de pasta conteniendo
sólidos disueltos y atomizada en gotas (10-500 µm) y puestas en contacto con una corriente de
aire caliente para llevar a cabo el secado.
El secado rápido del líquido conteniendo compuestos cristalizables tales como azúcares
o grasa, puede conducir a diferentes formas físicas en el polvo resultante: amorfo, cristalizado
o elástico. Este tipo de secado se usa para encapsular los componentes más importantes,
tales como aromas y pigmentos, en una forma irregular. Las soluciones sobresaturadas
pueden conducir a la buena retención del aroma, probablemente debido a la presencia
simultánea de microcristales y de fases amorfas, como en el caso de lactosa (Senoussi y
colaboradores, 1995). La evaporación del agua desde las gotas depende también del estado
de la gota a ser secado: sí un estado elástico es mantenido como mezclas de azúcares, la
difusión del agua llega a ser muy difícil. Las propiedades térmicas tales como temperatura de
transición vítrea, adhesividad y puntos de fusión son los parámetros importantes para
considerar como una gota líquida se convierte en una partícula sólida.
Durante el tiempo corto del secado por aspersión, la actividad del agua varía
generalmente de 0.1 a 0.2 y la gota semisólida puede tener propiedades térmicas y pueden
variar dentro de un intervalo amplio, alterando la temperatura de la gota. Los agentes usados
como vehículos de secado, tales como maltodextrina y goma arábiga, modifican las
propiedades térmicas de la mezcla para evitar el estado elástico (Bhandari y colaboradores,
1993; Dumoulin y colaboradores, 1995). Las propiedades de los polvos determinados así
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deben ser preservadas por el propio diseño de las condiciones de empacado y
almacenamiento después del secado.
En forma general, eso significa que la introducción de ciertos aditivos en el líquido a
secar, abren el campo a nuevos productos con propiedades dadas, las cuales se mencionan a
continuación:
1) Una forma diluida de un compuesto activo en un soporte sólido neutro.
2) Polvos de jugos de fruta concentrados secados por atomización con vehículos de
secado.
3) Polvo estable que puede ser almacenado sin daño.
4) Productos sólidos con posible liberación controlada por la aplicación de calor, presión o
disolución, por ejemplo durante el cocimiento o consumo.
Las propiedades físicas de las partículas sólidas tales como tamaño, volumen y
densidad aparente, pueden ser controladas durante el secado por aspersión modificando la
composición y concentración del líquido. Si un tamaño de partícula de l0 µm puede ser
deseable en cosméticos, en alimentos en polvo, tales partículas pueden ser consideraras
desfavorables, ya que son una fuente de pérdidas de material y contaminación. En algunos
casos el secado por aspersión y la aglomeración combinados son usados para la recirculación
de finos. De esta manera es posible modificar la composición y mejorar la solubilidad (como en
los alimentos instantáneos).
La retención del aroma en secado por aspersión ha sido extensamente estudiada.
Aunque una cierta proporción de los componentes volátiles del sabor puede ser pérdida,
particularmente en el primer período de secado, gran parte del aroma se encuentra en el
producto final. La retención notable del aroma en secado por aspersión puede ser explicada
por la teoría de la difusión selectiva de Thijssen (Coumans y colaboradores, 1994).
Junto con la formulación líquida, los diferentes parámetros de secado deben ser
controlados: temperatura de entrada y salida del aire, flujo del aire, distribución de la
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temperatura y la humedad; distribución del tiempo de residencia relacionado a la mezcla entre
las gotas y el aire y a la geometría de la cámara, gasto masa del material a secar, etc. La
actividad del agua final del polvo esta relacionada a todos estos parámetros que no puedan ser
aislados.
Existen tres tipos de atomizadores que son utilizados en la industria del secado:
1) Boquilla a presión. Atomización por energía de presión (Figura 1.5).
2) Disco rotatorio. Atomización por energía centrífuga (Figura 1.6).
3) Boquilla de doble fluido. Atomización por energía cinética.
Figura 1.5. Atomizador de boquilla a presión.
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Figura 1.6. Atomizador de disco rotatorio.
La elección del atomizador depende tanto de las propiedades de la alimentación como
las especificaciones del producto seco. En casos donde se puede seleccionar más de un tipo
de atomizador, el atomizador de disco rotatorio es generalmente usado ya que tiene mayor
flexibilidad y es fácil de operarse [6]. Las ventajas incluyen:
1) Manejo de velocidades altas de alimentación sin necesidad de incrementar la
atomización
2) Manejo de alimentaciones abrasivas
3) Ningún problema de taponamiento en la alimentación
4) Sistemas de alimentación a baja presión
5) Facilidad de controlar el tamaño de gota ajustando la velocidad del disco.
1.2.1 Efecto del gasto volumétrico del aire alimentado.
La velocidad a la cual el aire de secado cruza la superficie del producto impacta la
velocidad de migración de la humedad de la superficie de la partícula al aire de secado. La
evaporación de la superficie es aumentada por la transferencia de masa convectiva mejorada
por el aumento de la velocidad del aire. Así, al aumentar la velocidad del aire disminuye el
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periodo de velocidad de secado constante que es generalmente corto en las operaciones de
secado por aspersión, durando quizás solamente unos pocos segundos. Consecuentemente,
la mayoría del secado sucede en el periodo de velocidad decreciente. Ahí, la velocidad de
trasporte y de humedad desde el centro de la gota a la superficie limita la cantidad de agua
transferida al aire de secado y por lo tanto el secado esta limitado por las condiciones internas.
Así, aumentando la velocidad del flujo de aire tiene poco efecto sobre las características de los
sólidos totales del producto final. (Jumah y colaboradores, 2000).
1.2.2 Efecto de la presión en el atomizador.
A una presión del atomizador más grande resulta en partículas más pequeñas, el
secado es más rápido debido al aumento del área de contacto más grande, y la densidad
aparente resulta más alta debido a la reducción del volumen de los intersticios (Chu y
colaboradores, 1951;Nonhebel & Moss, 1971).
Puede ser observado que el uso de una presión excesiva en el atomizador será un
gasto inútil de energía ya que no se nota disminución en el tamaño de la gota, también el
tiempo de exposición de la gota al aire de secado será más corto. Además de eso, a una
presión también alta de atomización, el bombeo del aire por el atomizador influencia
negativamente el patrón del flujo dentro del secador ya que resulta una mezcla de aire mas frió
y más húmedo, reduciendo las fuerzas motrices para las velocidades de secado inicial de las
gotas (Jumah y colaboradores, 2000).
1.2.3 Distribución del tiempo de residencia
La distribución del tiempo de residencia de las partículas es una característica clave en
un proceso de “secado por aspersión” ya que determina el tiempo que las partículas están en
contacto con el aire caliente. Es, por lo tanto, uno de los mas importantes factores que influyen
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en el proceso interno de las partículas ya que no son lineales en tiempo, tales como la pérdida
de humedad (en el instante), degradación térmica, etc. (Kieviet & Kerkhof, 1993)
En la literatura generalmente se supone que la distribución del tiempo de residencia de
las partículas es el mismo como él del aire de secado (Masters, 1985). A pesar de que muchos
artículos han sido publicados sobre la medición de distribución del tiempo de residencia del
aire de secado (Place y colaboradores 1959; Keey & Pham, 1977; Paris y colaboradores, 1971;
Ade-John & Jeffreys, 1978), y solamente uno reportado por Pham & Keey (1977), donde se
midió la distribución del tiempo de residencia de las partículas.
La distribución del tiempo de residencia de las partículas, generalmente no será el
mismo que el tiempo del aire de secado. Esto puede resultar del hecho de que las partículas
no puedan seguir al aire por causa de su inercia y densidad. Otro mecanismo que prolongará
el tiempo de residencia de las partículas comparado al tiempo de residencia del aire de
secado, será causado por el hecho de que las partículas puedan finalizar su trayectoria en la
corriente de aire cuando ellas son depositadas en la pared, donde estas se deslizaran o
descenderán lentamente a la salida de producto. El transporte a lo largo de la pared
generalmente será propiciado por acciones externas tales como golpes en la pared exterior
con martillos eléctricos y escobas de aire o escobillones. Ya que las temperaturas de la pared
serán altas, cuando la partícula choca con la pared no significa que los procesos tales como
secado especialmente la degradación térmica alcancen su etapa final, a pesar de que la
transferencia de masa se deteriorara. Las medidas de las distribuciones del tiempo de
residencia de la partícula no estarán, limitadas a partículas que son transportadas por el aire
continuamente (Kieviet & Kerkhof, 1993).
Las distribuciones del tiempo de residencia de las partículas en operaciones de secado
por aspersión, pueden ser medidas por la perturbación de la alimentación de alguna manera y
midiendo la respuesta en la corriente del producto. Así una perturbación, puede ser aplicada al
gasto volumétrico o a la composición de la alimentación, sobre el hecho de que las condiciones
en la cámara de secado que afectan la distribución del tiempo de residencia no sean
cambiadas (Kieviet & Kerkhof, 1993).
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Cuando midiendo la respuesta a una perturbación del gasto masa de la alimentación, el
disturbio debería ser completamente grande para distinguir la respuesta del ruido actual. Un
gran cambio en el gasto masa de la alimentación afecta la evaporación total en la cámara del
secador y así la temperatura y la velocidad del aire. Cuando se usa una tobera de presión
para atomizar la alimentación, la distribución del tamaño de partícula también es afectada. Una
perturbación en el gasto masa de la alimentación no es, por lo tanto, un método exacto para la
medición de la distribución del tiempo de residencia (Kieviet & Kerkhof, 1993).
En el caso de un componente trazador, las condiciones del secado por aspersión
(temperatura, etc.) no son afectadas y así ofrece mejores oportunidades para las mediciones,
debido a que la cantidad de él es muy pequeña. Otra ventaja del uso de trazadores es que la
distribución del tiempo de residencia puede ser medida como función del tamaño de partícula.
Esto es importante ya que las partículas grandes pueden tener otros tiempos de residencia que
las partículas pequeñas. Un trazador debe reunir las siguientes condiciones: el compuesto
debe ser soluble en la alimentación, debe ser fácilmente descubierto en pequeñas cantidades
y no cambiar durante el proceso de secado por aspersión (degradarse o evaporarse).
1.2.4 Utilización de diferentes vehículos
Los aditivos que han sido utilizados para producir cambios físicos en el producto y
reducir el deposito en la pared y los problemas de manejo del producto, incluyen al aire, gases
comprimidos para producir espumas, alginatos, proteína de soya, monoestearato de glicerol,
gomas naturales, sacarosa, jarabes de maíz y dextrinas. Bohm y Bornegg (1931) sugirieron el
uso de cantidades pequeñas de gomas solubles en agua tales como goma arábiga, goma de
alquitira, y agar-agar. Ellos, encontraron que 2 % de goma arábiga, con base del contenido de
sólidos totales de la alimentación, da un producto de baja higroscopicidad. Perech (1946) usó
sales de carboximetilcelulosa y sugirió que 2% de la sal de sodio fue la más apropiada para la
producción de jugo de fruta cítrica. Eddy (1950) utilizó 1 % de metilcelulosa como un vehículo
de secado, para el de jugo de naranja. El monoestearato de glicerol en la proporción de 1% del
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contenido de sólidos totales del jugo de naranja fue utilizado por Strashun (1951). Sin embargo
fueron encontrados bajos rendimientos, cambios en el sabor y pobre en la rehidratación.
Durante la Segunda Guerra Mundial el polvo de jugo de limón secado por aspersión fue
producido conteniendo 20 % de sólidos de jugo de limón y 80% de sólidos de jarabe de maíz
(Strashun & Talburt, 1954; Tressler,1956). El producto reconstituido poseía un sabor
modificado y fue limitado en su aplicación. Holzcker (1943) produjo un jugo de naranja en polvo
de buen sabor y color conteniendo 25% de sólidos de jugo de naranja y 75% de sólidos de
jarabe de maíz.
Leche desnatada fue usada como un vehículo para una amplia variedad de jugos de
fruta por Coulter & Breene (1966). El producto obtuvo buenas características físicas pero hubo
varias limitaciones en su uso.
La adición de pequeñas cantidades de aditivos como maltodextrinas o goma arábiga es
recomendable en jugos, que se desean secar, estas cantidades no excediendo los límites
operacionales del equipo (puede aumentar la viscosidad y afectar negativamente el
funcionamiento) o alterar el sabor. La maltodextrina es actualmente el aditivo más usado para
obtener jugos de fruta en polvo, puesto que satisface las demandas y es razonablemente
barata. (Bhandari y colaboradores, 1997; Bhandari y colaboradores 1993; Dib Taxi y
colaboradores, 2000; Figueiredo, 1998; Ribeiro, 1999).
En 1974, Kalil y Sial estudiaron el efecto de la concentración de un aditivo específico y
de la velocidad de la atomización sobre el color en el secado por aspersión del jugo del mango,
y demostraron que la velocidad de la atomización (40.000-500.000 rpm) tenía poco efecto en el
color, aunque un aumento en la concentración de los aditivos (alginato de sodio y
monoestearato de glicerina) produjo un efecto negativo en el color del producto.
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CAPITULO 2. MATERIAL Y MÉTODOS
2.1 Material
2.1.1 Materia prima.
La piña fue comprada en un mercado local. Se descascaró usando un cuchillo, con el
cual se corta en rebanadas y después en cubos y estos se licuan, se filtra y se pesa el jugo en
un recipiente, se le adiciona el vehículo previamente seleccionado y la concentración
adecuada se disuelve y así la muestra acondicionada se somete al proceso de secado, como
se muestra en la Figura 2.1 (diagrama de flujo del proceso).
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DIAGRAMA DE FLUJO DEL PROCESO
PIÑA
DESCASCARAR
CORTE EN RODAJAS
MOLIENDA
PESADO
ACONDICIONAMIENTO DE LA MUESTRA
SECADO
PRODUCTO
AGUA
VEHÍCULO O SOPORTE
FILTRACIÓN
Figura 2.1 Diagrama de flujo del proceso
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2.2 Métodos.
2.2.1 Determinación de sólidos totales.
Esta determinación se realiza por medio de la siguiente diferencia:
Sólidos totales = masa de la muestra – masa del agua
2.2.2 Determinación de humedad.
Esta determinación fue hecha en una termo balanza a 80 0C hasta obtener un peso
constante.
2.2.3 Solubilidad
La solubilidad del polvo seco por aspersión fue llevado a cabo adicionando 2 gramos del
polvo a 50 mL de agua destilada a 20 oC ( El-Tinay & Ismail,1985). La mezcla fue agitada en
un vaso de precipitados de vidrio de 100 mL en un agitador magnético a 892 rpm, usando una
capsula magnética de 2mm x 7mm. El tiempo requerido para que el polvo se disuelva
completamente, fue registrado.
2.2.4 Rendimiento
Esta determinación se obtuvo con base a los sólidos del jugo acondicionado y del polvo
obtenido, mediante la siguiente relación:
% 100alimentada muestra la de Sólidos * alimentada muestra la de Peso
seco producto del Sólidos * seco producto del Peso oRendimient =
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2.3 Equipo
El secador por aspersión usado en la investigación tiene las siguientes características:
a) Marca
A/F NIRO ATOMIZER COPENHAGEN, DENAMARK No. 1535
b) Geometría del equipo
El cuerpo del secador es de forma cilíndrica y con fondo cónico construido en acero
inoxidable. Tiene 1.8 m de altura aproximadamente con 1.85 x 0.95 m en sus lados (Figura
2.2). Las partes principales del secador por aspersión son las siguientes:
Figura 2.2. Secador por Aspersión
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1) Cámara de secado
2) Tapa removible
3) Ventana de la cámara
4) Pistón neumático para levantar la tapa
5) Ciclón
6) Recipiente colector del producto
7) Línea de salida del producto.
8) Calentador de gas
9) Manivela.
c) Descripción del secador
La parte superior del equipo es cilíndrica y la inferior cónica, formando la cámara de
secado. La tapa de esta cámara se eleva por medio de aire a presión. En el centro de esta
tapa se coloca la turbina que pulveriza la solución dentro de la cámara de secado. Por la parte
inferior de la cámara cónica salen por un tubo la mezcla de gases y sólidos, los que pasan a un
separador de ciclón en donde se retiene el polvo seco, que se acumula en un frasco de vidrio
conectado a el ciclón y el gas húmedo caliente sale por la parte superior del ciclón hasta el
extractor, el cual lo expulsa al exterior (a la atmósfera).
Cuenta con un tablero en donde se encuentran los siguientes accesorios:
1. - Válvula de aire para el atomizador.
2. - Válvula reguladora para el calentador de gas.
3. - Manómetro de entrada de aire.
4. - Interruptor del elevador.
5. - Interruptor del ventilador extractor y resistencias de calentamiento.
6. - Válvula para controlar la ramificación (aire, gas, combustible).
7. - Focos de piloto para las resistencias.
8. - Termómetro de aire o gases de combustión a la entrada del secador.
9. - Termómetro del aire o gases de combustión a la salida del secador.
10. - Regulador de tiro del aire o gases de combustión a la salida.
23
CAPITULO 3. EXPERIMENTACION
3.1 Operación del equipo
1) Colocar el atomizador en su posición para operar, conectándolo a la alimentación
y al aire para la turbina, colocar en su posición el frasco colector de producto seco.
2) Determinar las temperaturas de bulbo seco y húmedo del aire ambiente.
3) Conectar el calentador y esperar que se caliente el aparato el tiempo necesario
para obtener la temperatura de entrada deseada y la temperatura de salida que se obtendrá
por medio de la alimentación del agua al secador al estar funcionando la turbina. En el caso de
usar resistencias eléctricas para el calentamiento el tiempo de este será mucho mayor.
4) Alimentar el aire al atomizador manteniendo la presión al valor seleccionado
5) Alimentar el material a secar usando una bomba peristáltica y con una abertura
de la válvula obtenida en el paso anterior, se debe tener cuidado que la alimentación del aire y
del líquido sean siempre constantes, ya que sí esta en exceso la alimentación de aire, el polvo
que se encuentra en la cámara puede absorber agua y pegarse a las paredes del secador, al
tubo que conduce a los gases húmedos y al producto seco, y sí la alimentación del producto a
secar esta en exceso se pega en la parte cilíndrica de la cámara y no se seca.
6) Cuando las condiciones de operación se mantengan constantes (régimen
permanente), determinar las temperaturas de bulbo seco y húmedo del aire en la descarga de
los gases al exterior en la atmósfera.
7) Para terminar la operación se deja de alimentar el producto a secar, se cierra la
válvula del gas y se espera que el aire a la salida tenga una temperatura máxima de 75 °C
antes de desconectar el extractor.
24
8) Retirar el recipiente colector del material seco (pulpa de fruta), y se determina la
humedad residual. Se determina la cantidad de agua eliminada por diferencia de la cantidad de
material a secar alimentada menos la cantidad de material seco colectado y menos la cantidad
de material seco acumulado dentro de la cámara.
9) Al finalizar la operación se procede a lavar el equipo.
3.2 Cálculos
El desarrollo de los cálculos es el mismo para todos los experimentos, así que por
razones prácticas, sólo se presenta los datos del mejor experimento, el cual fué el número 12,
así como la secuencia de cálculos
3.2.1 Datos experimentales
Tabla 3.1. Datos experimentales
Descripción Unidades Experimento Nº 12
Peso de la muestra alimentada g 300.22
% Sólidos de la materia prima % 21.40
% Humedad de la materia prima % 78.59
Tiempo de operación min 27
Temperatura de aire a la entrada ºC 150
Temperatura de aire a la salida ºC 68
Revoluciones del atomizador rpm 29000
Temperatura de bulbo húmedo del ambiente ºC 16
Temperatura de bulbo seco del ambiente ºC 18
Temperatura de bulbo húmedo del aire a la salida del extractor ºC 26
Temperatura de bulbo seco del aire a la salida del extractor ºC 37
% Sólidos del producto seco % 95.21
% Humedad del producto seco % 4.787
Peso del producto seco g 67.4921
25
3.2.2 Cálculos Matemáticos
3.2.2.1 Secuencia de cálculos
3.2.2.2 Balance de Materia
Este se realizó conociendo la cantidad de mezcla alimentada y su concentración de
sólidos, así como el contenido de agua inicial del jugo de piña, es decir, realizando un balance
General de Materia en el Proceso, el cual es el siguiente:
Entra = Sale
321 MMM +=
Donde:
M1 = Masa alimentada (Jugo de Piña)
M2 = Masa del Producto.
M3 = Masa de agua eliminada durante el secado.
Ecuación de una línea de Humidificación adiabática
WWG
W
�
Y0.450.24ttYY +=
−−
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .(1)
Despejando Y obtenemos la siguiente ecuación:
( )( )WGW
WGWW
tt0.45�
tt0.24�YY
−+−−= . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .(2)
WT
WW PP
P0.625Y
−= . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .(3)
26
PPP
0.625YT −
= . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .(4)
Despejando “P” de la ecuación (4), se obtiene la siguiente ecuación:
Y0.625YP
P T
+= . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .(5)
100PP
%YG
r ×= . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .(6)
Conociendo el contenido de agua inicial del jugo de piña y determinando la residual del
producto, además de conocer la cantidad de materia prima húmeda alimentada por hora, por
medio de un balance de agua se calcula la cantidad de aire seco usado en kg/h y en función
de la humedad y temperatura de salida del aire se determina su volumen en m3/h.
Balance de agua
222111 WYGWYG +=+ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .(7)
Donde 21 GG = . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .(8)
Sustituimos la ecuación (8) en (7)
211122 WWYGYG −=− . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .(9)
( ) 21121 WWYYG −=−
21ev WWW −= . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .(10)
27
Sustituimos la ecuación (10) en (9)
( ) ev121 WYYG =− . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .(11)
Despejamos “G1” de la ecuación (11)
12
ev1 YY
WG
−= . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .(12)
T
G2
Agua
2
AireH P
RTPM
YPM
1V ×
���
�
���
�+= . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .(13)
H1V VGG ×= . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .(14)
Y0.450.24CS += . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .(15)
Y�tCH GGS += . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .(16)
( )121 HHGQ −= . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .(17)
3.2.3 Cálculos del experimento No 12.
1) Cálculo de la humedad absoluta (Y1) y porciento de humedad relativa del aire ambiente
(%Yr1)
��
==
→=kcal/kg 587.086�
Hg mm 15.6329PCº18t
G1
G1 VAPORDE TABLASG1
��
==
→=kcal/kg 588.202�
Hg mm 13.7335PCº16t
W1
W1 VAPORDE TABLASW1
28
a) Cálculo de la humedad del aire saturado a la temperatura de bulbo húmedo (Ecuación 3)
W1T
W1W1 PP
P0.625Y
−=
13.7335-58513.7335
0.625YW1 =
seco aire kgagua kg
0.015025YW1 =
b) Cálculo de la humedad absoluta del aire ambiente (Ecuación 2)
( )( )W1G1W1
W1G1W1W11 tt0.45�
tt0.24�YY
−+−−=
( ) ( ) ( )( )16-180.45588.202
16180.24588.2020.015025Y1 +
−−=
seco aire kgagua kg
0.014188Y1 =
c) Cálculo de la presión de vapor de agua a la entrada (Ecuación 5)
1
1T
Y0.625YP
P+
=
( ) ( )0.0141880.625
0.014188585P
+=
Hg mm 12.98483P =
29
d) Cálculo del porciento de humedad relativa del aire ambiente (Ecuación 6)
100PP
Y%G
r ×=
10015.6323
12.98483%Yr1 ×=
83.06091%%Yr1 =
2) Cálculo de la humedad absoluta (Y2) y porciento de humedad relativa del aire a la salida del
secador (%Yr2)
��
==
→=kcal/kg 576.394�
Hg mm 47.43783PCº37t
G2
G2 VAPORDE TABLASG2
��
==
→=kcal/kg 582.624�
Hg mm 25.36914PCº26t
W2
W2 VAPORDE TABLASW2
a) Cálculo de la humedad del aire saturado a la temperatura de bulbo húmedo (Ecuación 3)
W2T
W2W2 PP
P0.625Y
−=
25.36914-58525.36914
0.625YW2 =
seco aire kgagua kg
0.028332YW2 =
30
b) Cálculo de la humedad absoluta del aire ambiente (Ecuación 2)
( )( )W2G2W2
W2G2W2W22 tt0.45�
tt0.24�YY
−+−−=
( ) ( ) ( )( )26370.45582.624
26370.24582.6240.028332Y2 −+
−−=
seco aire kgagua kg
0.023601Y2 =
c) Cálculo de la presión de vapor de agua a la entrada (Ecuación 5)
2
2T
Y0.625YP
P+
=
( )( )0.0236010.625
0.023601585P
+=
Hg mm 21.28646P =
d) Cálculo del porciento de humedad relativa del aire ambiente (Ecuación 6)
100PP
%YG
r ×=
10047.4378321.28646
%Yr2 ×=
44.87234%%Yr2 =
31
3) Cálculo de la cantidad de aire seco y el volumen de aire húmedo que maneja el extractor
a) Cálculo de la cantidad de agua en el jugo alimentado
W1 = Peso de la muestra alimentada x humedad inicial
( )0.785953300.22W1 ×=
g 235.9588W1 =
kg 0.2359588W1 =
b) Cálculo de la humedad en el polvo
W2 = Peso del polvo x humedad final
( )0.04787267.4921W2 ×=
g 3.2310W2 =
kg 0.003231W2 =
c) Cálculo de la cantidad de agua evaporada
Sustituyendo “W1” y “W2” en la Ecuación (10)
Wev = 0.2359588 – 0.003231
kg 0.2327278Wev =
h 1min 60
min 27kg 0.2327278
Wev =
hkg
0.517173Wev =
d) Cálculo de la cantidad de aire seco
Sustituyendo “Wev”, “Y1” y “Y2” en la Ecuación (12)
32
12
ev1 YY
WG
−=
0.0141880.0236010.517173
G1 −=
hseco aire kg
54.9417G1 =
e) Cálculo del volumen del aire húmedo que maneja el extractor
Sustituyendo “tG2”, “Y2”, “PT” asi las constantes de “R”, “PMAire” y “PMAgua” en la Ecuación (13)
T
G2
Agua
2
AireH P
RTPM
YPM
1V ×
���
�
���
�+=
( ) ( )( )585/760
273.15370.082218
0.02360128.8
1VH
+���
��
� +=
seco aire kgmezcla m
1.1934V3
H =
H1V VGG ×=
1.193454.9417GV ×=
hmezcla m
65.5705G3
V =
33
4) Cálculo de la cantidad de calor necesario para el secado
a) Cálculo del contenido de calor del aire húmedo
Sustituyendo “Y1” en la Ecuación (15)
1S1 Y0.450.24C +=
( )0.0141880.450.24CS1 +=
Cº seco aire kgkcal
0.246384CS1 =
b) Cálculo de la entalpía del aire ambiente
Sustituyendo “CS1”, “tG1”, λG1” y “Y1” en la Ecuación (16)
1G1G1S11 Y�tCH +=
( )( ) ( )( )0.014188587.086180.246384H1 +=
seco aire kgkcal
12.76426H1 =
c) Cálculo del contenido de calor del aire húmedo a la salida del extractor
Sustituyendo “Y2” en la Ecuación (15)
2S2 0.45Y0.24C +=
34
( )0.0236010.450.24CS2 +=
Cº seco aire kgkcal
0.25062CS2 =
d) Cálculo de la entalpía del aire a la salida del extractor
Sustituyendo “CS2”, “tG2”, λG2” y “Y2” en la Ecuación (16)
2G2G2S22 Y�tCH +=
( )( ) ( )( )0.023601588.202160.25062H2 +=
seco aire kgkcal
22.87626H2 =
e) Cálculo del calor necesario para el secado
Sustituyendo “G1”, “H1” y “H2” en la Ecuación (17)
( )121 HHGQ −=
( )12.76426-22.8762654.9417Q =
hkcal
555.571Q =
35
3.3 Nomenclatura
YW1 = Humedad del aire saturado a la temperatura de bulbo húmedo del aire ambiente
YW2 = Humedad del aire saturado a la temperatura de bulbo húmedo a la salida del secador
Y1 = Humedad absoluta del aire ambiente en kg de agua / kg aire seco
Y2 = Humedad absoluta del aire a la salida del secador en kg de agua / kg aire seco
tG1 = Temperatura de bulbo seco del aire ambiente en ºC
tG2 = Temperatura de bulbo seco del aire a la salida del secador en ºC
tW1 = Temperatura de bulbo húmedo del aire a la salida del secador en ºC
tW2 = Temperatura de bulbo húmedo del aire a la salida del secador en ºC
λW1 = Calor latente en kcal / kg a la temperatura de bulbo húmedo del aire ambiente
λW2 = Calor latente en kcal / kg a la temperatura de bulbo húmedo del aire a la salida del
secador
PW1 = Presión de vapor de agua a la temperatura de bulbo húmedo del aire ambiente en mm
Hg
PW2 = Presión de vapor de agua a la temperatura de bulbo húmedo del aire a la salida del
secador en mm Hg
P1 = Presión de vapor de agua a las condiciones de bulbo húmedo del aire ambiente en mm
Hg
P2 = Presión de vapor de agua a las condiciones de bulbo húmedo del aire a la salida del
secador en mm Hg
PG1 = Presión de vapor de agua a la temperatura de bulbo seco del aire ambiente en mm Hg
PW2 = Presión de vapor de agua a la temperatura de bulbo seco del aire a la salida del secador
en mm Hg
Yr1 = Humedad relativa del aire ambiente en porciento
Yr2 = Humedad relativa del aire a la salida del secador en porciento
G1 = G2 = Cantidad de aire seco en kg/h
W1 = Cantidad de agua en el jugo alimentado en kg
W2 = Contenido de humedad en el polvo en kg
Wev = Cantidad de agua evaporada en kg
VH = Volumen específico en m3 mezcla / kg aire seco
36
GV = Volumen de aire húmedo en m3 mezcla / h
CS = Calor del aire húmedo en kcal / kg aire seco ºC
H = Entalpía en kcal / kg aire seco
Q = Calor necesario para el secado
3.4 Diseño de Experimentos
Uno de los problemas más comunes, para quien hace experimentos, es determinar la
influencia de una o más variables independientes sobre una o más variables dependientes de
interés. En el diseño de cualquier experimento, lo primero que debemos cuestionar y decidir
cuales son las variables independientes y cuales son las dependientes que nos interesa
analizar para encontrar las condiciones optimas de operación, estas pueden ser cualitativas o
cuantitativas. Algunas veces, en un determinado experimento, sabemos que existen variables
independientes que pueden afectar a las variables dependientes, pero que no tenemos manera
de controlar, o no es necesario controlarlas.
Los diseños de experimentos factoriales, de dos niveles, son muy útiles en las
investigaciones preliminares, cuando queremos saber sí determinadas variables
independientes tienen o no influencia sobre las variables dependientes, y no estamos
preocupados todavía en disminuir muy rigurosamente esa posible influencia (Box, Hunter y
Hunter, 1978). El diseño de experimentos puede ser muy simple cuando el número de
variables independientes y dependientes obtenidas son pocas. Si se desea obtener un diseño
de experimentos más completo, deben de aumentarse tanto el número de variables
independientes y dependientes obtenidas.
Por otra parte, sí estuviéramos considerando un número de variables independientes
relativamente grande, es posible que algunas de ellas no tengan influencia sobre las variables
dependientes.
En este caso, como investigación preliminar, se uso en primera instancia un diseño
experimental factorial de 22 para determinar el tipo de vehículo a utilizar; en segunda instancia
37
un diseño experimental factorial de 22 para determinar las revoluciones del disco y por último,
un diseño experimental factorial de 24, en el cual se realizaron 16 experimentos con 4 puntos
centrales, obteniendo un total de 20 experimentos.
El diseño experimental empleado se muestra en las Tablas 3.2. y 3.3.
Tabla 3.2. Diseño Experimental. Matriz de las variables independientes. No. De
Experimento
Temperatura Concentración Vehículo Presión
1 – – – –
2 + – – –
3 – + – –
4 + + – –
5 – – + –
6 + – + –
7 – + + –
8 + + + –
9 – – – +
10 + – – +
11 – + – +
12 + + – +
13 – – + +
14 + – + +
15 – + + +
16 + + + +
17 0 0 0 0
18 0 0 0 0
19 0 0 0 0
20 0 0 0 0
38
Tabla 3.3. Niveles de las variables experimentales usadas en el diseño experimental. Niveles Temperatura (ºC) JF/M Vehículo rpm del atomizador
-1 130 74/26 M DE 10 24000
0 140 63/37 M DE 10
M DE 20
26500
1 150 55/45 M DE 20 29000
JF.- Jugo de fruta
M.- Maltodextrina
M DE.- Maltodextrina de Dextrosa equivalente
39
CAPITULO 4. ANÁLISIS DE RESULTADOS 4.1. Experimentos Preliminares
Se realizaron 8 experimentos preliminares para definir el tipo de vehículo a utilizar, como
se muestra en la Tabla 4.1.
Tabla 4.1. Datos de los experimentos preliminares.
Experimentos Temperatura (ºC) JF/M Vehículo rpm del atomizador
1 160 74/26 GA 25000
2 150 55/45 GA 26500
3 150 74/26 M 26000
4 150 55/45 M 26500
5 125 74/26 M 24000
6 125 55/45 M 26500
7 125 74/26 GA 24000
8 125 55/45 GA 26000
GA.- Goma Arábiga
M.- Maltodextrina
Con base a los resultados obtenidos, se decidió utilizar como tipo de vehículo la
maltodextrina, ya que proporciono mejores resultados que la goma arábiga, además de ser
más económica.
A continuación, se realizaron otros 8 experimentos con el fin de definir un rango en las
revoluciones del disco, como se muestra en la Tabla 4.2.
40
Tabla 4.2. Datos de los experimentos preliminares.
Experimentos Temperatura (ºC) JF/M Vehículo rpm del atomizador
1 130 74/26 M DE 10 26500
2 130 55/45 M DE 10 24000
3 130 63/37 M DE 10 26500
4 130 74/26 M DE 20 24000
5 130 63/37 M DE 20 27500
6 130 55/45 M DE 20 26000
7 150 74/26 M DE 10 26500
8 150 63/37 M DE 10 27500
Con base a los resultados obtenidos, se observo que en un rango de 24000 a 29000
rpm se obtenían un tamaño de partícula menor, y por consiguiente proporciono tiempos de
solubilidad menores.
4.2 Experimentos
Una vez definido el tipo de vehículo y las revoluciones del atomizador, se prosiguió a
realizar los 20 experimentos con base al diseño previamente descrito, los mejores resultados
se muestran en la Tabla 4.3.
41
Tabla 4.3. Resultados obtenidos de los mejores experimentos.
Descripción Simbología Unidad Experimento
Nº 8
Experimento
Nº 12
Experimento
Nº 16
Experimento
Nº 19
Humedad
absoluta del
aire ambiente
Y1
kg agua / kg
aire seco
0.011916
0.014188
0.013561
0.012936
% de humedad
relativa
%Yr1 % 74.53921 83.06091 72.83344 63.1746
Humedad
absoluta del
aire a la salida
del secador
Y2
kg agua / kg
aire seco
0.020967
0.023601
0.018787
0.020631
% de humedad
relativa del
aire a la salida
del secador
%Yr2
%
16.80674
44.87234
26.15739
27.25983
Cantidad de
aire seco
G1 kg aire seco
/ h
44.41876 54.94173 101.3232 75.85566
Volumen de
aire húmedo
que maneja el
extractor
GV
m3 mezcla /
h
55.69047
65.57051
122.3492
92.14973
Calor
empleado
Q kcal / h 629.7329 555.571 881.4072 761.8154
42
El análisis de lo parámetros estudiados se muestran en las Figuras 4.1 a 4.9
Figura 4.1 Efecto de las variables en la eficiencia.
En la Figura 4.1 se puede observar que la concentración del vehículo y las revoluciones
del atomizador tienen influencia positiva en la eficiencia y la interacción temperatura-tipo de
vehículo tiene influencia negativa sobre la misma.
43
Figura 4.2 Efecto de las variables en la humedad.
En la Figura 4.2 se puede observar que la concentración del vehículo y la temperatura
lineal tienen influencia negativa en la humedad y la temperatura cuadrática así como la
interacción revoluciones del atomizador-concentración del vehículo tienen influencia positiva
sobre la misma.
44
Figura 4.3 Efecto de las variables en el tiempo de solubilidad.
En la Figura 4.3 se puede observar que la concentración del vehículo tiene influencia
negativa sobre el tiempo de solubilidad.
45
Figura 4.4 Valores estimados vs Valores obtenidos de eficiencia.
En la Figura 4.4 se muestran los valores experimentales de la eficiencia siendo en su
mayoría superiores al 65%, que para ser un producto rico en azúcar son altos y con esto
cumpliéndose los objetivos específicos fijados.
46
Figura 4.5 Valores estimados vs Valores obtenidos de humedad.
En la Figura 4.5 se muestran los valores experimentales de la humedad siendo en su
mayoría inferiores a 6%, logrando con esto un producto seco y por lo tanto se cumplen los
objetivos específicos fijados.
47
Figura 4.6 Valores estimados vs Valores obtenidos del tiempo de solubilidad.
En la Figura 4.6 se muestran los valores experimentales del tiempo de solubilidad
siendo en su mayoría menores a 2 minutos, logrando con esto un producto instantáneo de fácil
rehidratación y de este modo cumpliéndose los objetivos específicos fijados.
Las propiedades del polvo instantáneo (penetración, humidificacion, dispersibilidad, y
solubilidad), tamaño y distribución de partícula. Estas propiedades son influenciadas por la
naturaleza del fluido (el contenido de sólidos, la viscosidad y la temperatura), el tipo de
secador por aspersión, velocidad y presión de operación y temperatura de entrada y salida del
aire (Hall & Iglesias, 1997; King, Kieckbusch, & Greenwald,1984; Nath & Satpathy, 1998).
48
Figura 4.7 Influencia de la temperatura y revoluciones del atomizador en la eficiencia.
En la Figura 4.7 se representa la influencia de las rpm del disco atomizador y la
temperatura sobre la eficiencia, donde claramente se aprecia que se obtiene mayor eficiencia
en un rango de temperatura de 134 ºC a 144 ºC con 29000 rpm del disco atomizador,
observando un decremento de la eficiencia al disminuir las rpm del disco atomizador.
49
Figura 4.8 Influencia de la temperatura y del tipo de vehículo en la humedad.
En la Figura 4.8 se representa la influencia del tipo de vehículo y la temperatura en el
contenido de humedad final, donde claramente se aprecia que se obtiene menor contenido de
humedad en un rango de temperatura de 141 ºC a 146 ºC utilizando Maltodextrina DE 20 como
vehículo, observando un incremento en el contenido de humedad del polvo disminuyendo la
temperatura pero aún mayor utilizando Maltodextrina DE 10 como vehículo.
50
Figura 4.9 Influencia de la temperatura y del tipo de vehículo en el tiempo de solubilidad.
En la Figura 4.9 se representa la influencia del tipo de vehículo y la temperatura sobre
el tiempo de solubilidad, donde claramente se aprecia que se obtiene menor tiempo de
solubilidad en un rango de temperatura de 137 ºC a 145 ºC sin importar el tipo de vehículo
utilizado, observando un incremento en el tiempo de solubilidad al aumentar o disminuir la
temperatura.
51
OBSERVACIONES Y CONCLUSIONES
1) El polvo obtenido resulto de fácil rehidratación, para aumentar su vida de anaquel, se
requiere de un envasado adecuado para evitar el endurecimiento y absorción de
humedad del medio ambiente.
2) El rendimiento del producto fue mayor al 65 % y se podría incrementar tal vez
modificando alguno o algunos de los parámetros de operación, pero se requiere
realizar un mayor número de experimentos.
3) Los mejores resultados obtenidos fueron en las condiciones de operación de los
experimentos 8, 12, 16 y 19.
4) Los tiempos de solubilidad en su mayoría fueron menores a 2 minutos por lo tanto se
puede considerar al producto como un polvo instantáneo.
5) La concentración del vehículo y las revoluciones del atomizador tienen influencia
positiva en la eficiencia y la interacción temperatura-tipo de vehículo tiene influencia
negativa sobre la misma.
6) La concentración del vehículo y la temperatura lineal tienen influencia negativa en la
humedad final del material seco y la temperatura cuadrática así como la interacción
revoluciones del atomizador-concentración del vehículo tienen influencia positiva sobre
la misma.
7) La concentración del vehículo tiene influencia negativa sobre el tiempo de solubilidad.
8) Los valores experimentales de la humedad siendo en su mayoría inferiores a 6%,
logrando con esto un producto seco y por lo tanto se cumplen los objetivos específicos
fijados.
52
9) Los valores experimentales del tiempo de solubilidad siendo en su mayoría menores a
2 minutos, logrando con esto un producto instantáneo de fácil rehidratación y de este
modo cumpliéndose los objetivos específicos fijados.
10) Las rpm del disco atomizador y la temperatura influyen sobre la eficiencia, donde se
observo que se obtiene mayor eficiencia en un rango de temperatura de 134 ºC a 144
ºC con 29000 rpm del disco atomizador, observando un decremento de la eficiencia al
disminuir las rpm del disco atomizador.
11) El tipo de vehículo y la temperatura influyen en el contenido de humedad final, donde
se observo que se obtiene menor contenido de humedad en un rango de temperatura
de 141 ºC a 146 ºC utilizando Maltodextrina DE 20 como vehículo, observando un
incremento en el contenido de humedad del polvo disminuyendo la temperatura pero
aún mayor utilizando Maltodextrina DE 10 como vehículo.
12) El del tipo de vehículo y la temperatura son determinantes en el tiempo de solubilidad,
donde se observo que se obtiene menor tiempo de solubilidad en un rango de
temperatura de 137 ºC a 145 ºC sin importar el tipo de vehículo utilizado, observando
un incremento en el tiempo de solubilidad al aumentar o disminuir la temperatura.
53
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