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EVALUACIÓN PSICOMÉTRICA DE UN DESHIDRATADOR DE BANDEJA PARA ALIMENTOS
Julio Cesar Luna Ramírez1*, Claudia Jiménez Arenas2, Numar Davian Campos
Correa 3
1Universidad del Quindío, Ingeniería de Alimentos, armenia Quindío. Colombia 2, 3 Universidad de la Amazonia, Florencia Caquetá. Colombia
Resumen
En un sistema de secado por aire caliente, se realizó una evaluación del proceso
de deshidratación de tres frutas: banano (Musa paradisica), piña (Ananas
comosus,) tomate (Solanum lycopersicum). Utilizando como instrumento de
medición un termo-higrómetro digital, el cual hace los reportes de temperatura
humedad relativa y punto de recocido. Complementario a este ejercicio se diseño
un software en Excel el cual convierte los reportes de temperatura y humedad
relativa en valores de presión y de humedad de aire. Con dicha información se
puede estudiar el comportamiento de diferentes productos durante la
deshidratación. El sensor se ubicó en la entrada y la salida de la cámara para
evaluar el comportamiento del secado de las frutas. El software presenta graficas
de: pérdida de peso en función del tiempo, porcentaje de humedad del alimento
en función del tiempo, velocidad de secado en función del tiempo, la relación de la
fracción molar del aire y el efecto de la fracción molar en relación con velocidad
de secado. Con la ayuda de un termo-higrómetro digital y el software diseñado se
puede estudiar el comportamiento del secado de diferentes productos, durante la
deshidratación. Se encontró que el factor fundamental que afecta la velocidad del
secado es la relación molar de agua entre aire y el producto.
Palabras claves. Software, psicrometría, termo-higrómetro, humedad relativa,
evaluación de secado, fracción molar
Abstract:
In a hot air dryer system it was evaluated the dehydration process of three fruits:
banana (Musa paradisica), pineapple (Ananas comosus) tomato (Solanum
lycopersicum). As a measuring instrument it was used a thermo-hygrometer
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digital, which reports relative humidity and the temperature of the annealing point.
As a complement to this exercise it was designed a software in Excel which
converts the temperature and relative humidity data to values of pressure and air
humidity. With this information it is possible to study the behavior of different
products during dehydration. The sensor is placed in the inlet and in the outlet of
the chamber to evaluate the performance of the dried fruits. The software showed
plots of: weight loss versus time, moisture of the food versus time, curing speed
versus time, the ratio of the mole fraction of the air and the effect of the mole
fraction in relation to drying speed. With the help of a digital thermo-hygrometer
and the software designed it can be studied the behavior of the drying of different
products during dehydration. It was found that the major factor affecting the drying
rate is the molar ratio of water between air and product.
Keywords. Software, psychometric, hygrometer, relative humidity, drying
evaluation, mole fraction
I. INTRODUCCIÓN
Deshidratación: es el proceso
por el cual se remueve casi la
totalidad del agua de un producto,
dando como resultado un producto
solido con un contenido de humedad
significativamente bajo (Colina,
2010). Esta técnica de conservación
que reduce la actividad del agua
evitando el deterioro y contaminación
microbiológica (Vega y Lemus, 2006).
No obstante, para obtener alimentos
deshidratados de buena calidad es
imprescindible estudiar en detalle los
fenómenos de transferencia de
materia y energía involucrada, así
como los cambios producidos a nivel
estructural.
El esquema básico de
deshidratación en capa delgada se
muestra en la figura 1, a cada
intervalo de tiempo, el aire pasa a
través de la capa delgada, el
alimento va disminuyendo su
contenido de humedad y aumenta
simultáneamente la temperatura,
mientras que el aire aumenta su
razón de humedad debido a la
remoción de la humedad y este
disminuye su temperatura
(Domínguez 1983, tomado de
Maecha, 2011).
La temperatura de secado es una
variable a tener en cuenta en los
estudios de la cinética, porque a
temperaturas elevadas, se acelera el
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proceso, y se puede ver afectada de
manera drástica la calidad del
producto. La cinética del proceso de
secado por aire caliente depende
también de la geometría, el espesor y
las propiedades del aire de secado,
velocidad, temperatura, humedad
relativa (García et al, 2013), estas
variables del aire se pueden medir
por psicrometría.
Psicrometría: parte de la ciencia
que está en cierta forma íntimamente
ligada a las propiedades
termodinámicas la mezcla del aire
seco y vapor de agua o las
propiedades del aire húmedo
(Bermúdez y Maíz, 2004).
Humedad relativa (HRE): es la
relación entre la presión de vapor de
agua en un momento dado (Pv) con
respecto a la presión de vapor de
agua cuando el aire está saturado de
humedad (Pvsa), a la misma
temperatura. La cantidad de vapor
de agua que el aire puede absorber,
depende en gran medida, de su
temperatura. (Bermúdez y Maiz,
2004).
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Así como la cantidad de agua en
el aire afecta el secado, también lo
puede hacer la cantidad de agua que
está disponible en un alimento o no,
para sus interacciones, valor
denominado actividad de agua (aw).
Casp y Abril (2003) definen la
actividad de agua como la presión al
vapor del sistema en relación la
presión de vapor de agua pura a la
misma temperatura
El proceso de secado esta
normalmente dividido en tres fases:
precalentamiento, secado constante
y una o más fases de secado
decreciente. En la fase de velocidad
constante el agua se elimina con un
flujo másico constante, donde la
evaporación se efectúa en la
superficie a temperatura constante
siendo la temperatura del bulbo
húmedo del aire. Durante este
periodo el flujo de calor
intercambiado entre el aire y el
producto es enteramente la de
evaporación del agua, el principal
mecanismo de transporte es por el
flujo capilar del agua líquida pero no
afectan la velocidad de secado la
cual entonces depende
fundamentalmente de la temperatura
y la velocidad del aire (Casp y Abril
2003), como se muestra en la figura
2.
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Para evaluar el proceso de
deshidratación se requiere: evaluar la
pérdida de humedad del producto en
función del tiempo, esto se puede
observar por la pérdida de peso que
ha perdido la materia prima, o el
porcentaje de pérdida de peso en
función del tiempo, denominado
velocidad de secado. En la medida
que el producto se va deshidratando
la velocidad de secado va cambiando
por lo que requiere tener en cuenta la
variación de velocidad de secado en
función de tiempo; el cambio de la
velocidad de secado con respecto al
porcentaje de humedad del producto,
la variación de la velocidad con
respecto a la relación molar del agua
en el aire y en el alimento.
Según este precepto el producto
se debe estar pesando
permanentemente y en algunos
casos esto se hace fuera de la
cámara lo que generaría un error en
las medidas. En este trabajo se
propuso evaluar la cantidad de agua
removida por el aire en cada
momento. Teniendo en cuenta lo
explicado ya con la figura 1. Para lo
que, se instalaron dos sensores los
cuales miden la temperatura,
humedad y punto de roció del aire y
se procedió al diseñó y evaluación de
un software en ambiente de Excel
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para registrar los datos de los
sensores y los representa de una
forma gráfica. Este software diseñado
realiza los cálculos necesarios para
convertir las variables psicométricas
reportadas por los sensores en las
variables requeridas para la
evaluación del secado como: peso o
pérdida de peso, velocidad de
secado, fracción molar de agua o aw,
y como estas varían durante el
secado.
Con la implementación de los
termo-higrómetros digitales se evaluó
un secador de bandeja con tres
frutas: banano, piña y tomate para las
condiciones de Florencia Caquetá
(altitud 242 msnm; presión
atmosférica de 14.1 psi.).
II. MATERIALES Y MÉTODOS
Materiales
Los frutos de piña, tomate y
banano se adquirieron en el mercado
local de Florencia (Caquetá,
Colombia). Se utilizó una cámara de
deshidratación diseñada y construida
en el taller de Mecánica fina de la
Universidad de la Amazonía,
adecuada con sensores termo-
higrométricos E.B.C. 94150 con
USER`S GUIDE, Memoria para
32.000 lecturas (16,000 temperatura
y 16.000 de humedad), indicación del
punto de rocío, indicación de estado,
interfaz USB, Alarma seleccionable
por el usuario, software de análisis
(Data logger versión 2.2). higrómetro
para determinación de actividad de
agua (Referencia Pawkit wáter
activity meter); termómetros
calibrados, balanza analítica y
utensilios.
Calibración de los sensores:
Se utilizaron dos termómetros de
vidrio, calibrados inicialmente por
inmersión en solución de agua con
hielo, para determinar el valor cero
(0) del instrumento. El valor del punto
de ebullición del agua se determinó
en un baño de Glicerina. Se revisaron
las divisiones de 0° y 98 °C,
respectivamente. Una vez calibrados
los termómetros se efectuó la
calibración de los sensores (E.B.C.
94150 USER`S GUIDE). El
comportamiento de los sensores y
termómetros fue evaluado para
determinar la variación y el
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porcentaje de error, haciendo
corridas a diferentes temperaturas,
evaluando las temperaturas de bulbo
húmedo y bulbo seco. Se hizo el
análisis estadístico utilizando la
técnica de carta de control con
tendencias.
Evaluación de la actividad de
agua (aw) reportada por el
software: el software utiliza
información de la tabla de
composición de alimentos
colombiano y determina el numero
moles para cada componentes y
calcula la fracción de agua en el
alimento que aproximadamente es
igual a el aw. Para evaluar se hizo
una comparación de los resultados
calculados por el software para la aw
para siete (7) frutas diferentes frente
a los reportados obtenidos con el
higrómetro.
Procedimiento de Deshidratación
Para determinar la humedad de
cada fruto se hace secado en estufa
a 105 ºC hasta peso constante según
la norma AOAC 7003. La materia
prima se compró en el mercado local,
clasificación por estado de madurez
entre 80 a 90%, limpieza y
desinfección 50 ppm de hipoclorito de
sodio, pelado mecánico (cuchillo),
troceado (tamaño promedio 1 cm
espesor), determinación de peso
inicial, ubicación sobre la bandeja de
secado, programación del sensor
para recolección de datos, ubicación
de la bandeja de secado con el
producto en el deshidratador,
graduación de termostato a 60 ˚C.
Tiempo promedio de deshidratación 2
horas. Pesaje del producto. Descarga
de los datos obtenidos. Con el
reporte se actualiza la información en
el software; de manera automática se
realizan los cálculos para determinar:
W (kg/kg de aire seco), Agua retirada
del producto, velocidad de secado,
Peso de producto y % humedad de
producto, se comparan los cambios
de la velocidad de secado frente al %
de humedad y construye las gráficas
respectivas. Se hicieron dos tipos de
ensayo:
En el primer ensayo se comparó el
secado colocando los trozos de
tomate sobre dos superficies una
bandeja y una malla.
En el segundo ensayo, se realizó
una deshidratación a tres materias
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primas diferentes: tomate, piña y
banano.
III. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Calibración del sensor: los
resultados se compararon del sensor
frente a los termómetros calibrados.
Según los resultados obtenidos el
porcentaje (%) de error promedio es
de 1,2% para Tº y 0,7% para HRE.
Figura 3.
Evaluación de (aw) reportada por
el software: se realizó mediante la
comparación de los resultados
calculados por el software para la aw
de siete (7) frutas diferentes frente a
los reportados por el higrómetro. El
análisis estadístico de los resultados
mostró que el error promedio es de -
0,01%, lo cual no es significativo, y
la desviación estándar promedio de
0,0045 con un error típico estándar
promedio de 0,45% lo que indica que
estos resultados tienen muy poca
variabilidad, ver tabla 1.
Tomate Piña Mango Banano Fresa Maracuyá guayaba
Promedio aw 0,9900 0,9853 0,9780 0,9653 0,9900 0,9833 0,9820
Desviación 0,0037 0,0050 0,0040 0,0050 0,0037 0,0060 0,0040
Valor reportado
software 0.9927 0,9841 0,9769 0,9649 0,9896 0,9837 0,9825
Error -0,27% 0,13% 0,11% 0,04% -0,04% -0,04% 0,05%
Tabla 1 evaluación de los resultados de actividad de agua.
Figura 3.calibracion del sensor a. humedad relativa b. temperatura
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Ensayos de deshidratación: los
sensores registraron la información
en un archivo plano, presentando el
número, fecha, hora, temperatura,
humedad relativa y punto de roció.
Con los datos reportados por cada
sensor se actualizó el sistema y el
software construyeron gráficas que
se muestran en la Figura 4.
Al finalizar cada ensayo se pesó el
producto y se compara la perdida de
agua, para los datos reportados por
el software y los reportados por el
sensor. Para los ensayos realizados
el porcentaje de error en promedio es
de 1,47%.
En la Figura 4a, se observó el
ensayo que se realizó colocando el
producto sobre la malla, ya que este
debido a una reducción mayor de
peso, de igual forma se observa que
durante el secado la velocidad es
mayor y presenta mayor HRE del aire
a la salida, reteniendo mayor
proporción de agua por kilogramo de
aire, figura 4b y 4d; esto se debe a
que al colocar el producto sobre la
malla, el aire tiene contacto directo
sobre las dos caras, a diferencia
cuando se coloca sobre bandeja,
donde el aire solo tiene contacto
directo sobre una superficie. Y el
efecto de la Tº se ve mitigado por la
interacción entre el aire y el producto
ya que al comparar el ensayo 2 sobre
bandeja y el ensayo sobre malla
presentan temperaturas similares,
pero el ensayo sobre malla tiene
mayor reducción de peso y mayor
velocidad de secado.
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Figura 4. Reporte del software diseñado para evaluación de tomate sobre malla y sobre bandeja: a. variación de peso en función del tiempo. b. Variación de la velocidad de secado en función del tiempo. c. Variación de la temperatura en función del tiempo. d. Variación de la humedad en función del tiempo.
El ensayo que presenta mayor
reducción del peso fue el tomate
sobre malla, ya que este permite más
fácil el flujo del aire sobre el producto.
De igual forma en la medida que se
aumenta la temperatura en la cámara
incrementa la velocidad de secado.
Al comparar los ensayos sobre
tres frutos diferentes se puede
observar que lo ensayos piña y
banano presentan la etapa I
precalentamiento (zona donde la
velocidad de secado es muy lenta)
mientras que el tomate no es muy
visible, ya que el ensayo de tomate
se inicia a temperatura 50 ºC y ha
sobrepasado la temperatura de bulbo
húmedo, para el banano y la piña se
inicia a baja temperatura y requiere
calentar el producto para iniciar la
deshidratación. Figura 5a y 5f,
a variacion del peso b variacion de la velocidad de secado
c. temperatura durante el secado d humedad del aire a la salida de camara
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después de esta etapa el secado se
realiza de manera decreciente
estable (etapa II etapa de secado a
velocidad constante) esto es debido
más al efecto del flujo de difusión del
agua del alimento al aire.
Como se puede observar el la
figura 5b, la reducción del % de
humedad se ve afecta por la relación
entre los sólidos y el agua de
alimento ya en la medida que retira el
agua en productos de alto contenidos
de sólidos presenta un efecto más
significativo como lo es el caso del
banano. Pero los alimentos con
mayor contenido de humedad la
velocidad de secado son mayores
porque en esta etapa se ve más
afectada más por el proceso de
difusión de agua. Figura 5c y 5d.
Como se muestra en la figura 5d,
la variación de la velocidad secado
con respecto al contenido de
humedad de agua en alimentos, cada
producto está ubicado en una franjas
diferente esto debido a dos factores
que afectan significativamente la
velocidad de secado: la temperatura
y humedad, explicados
anteriormente.
La primera franja para el banano
muestra que el producto tiene
una velocidad de secado baja,
esto es debido a que presenta
mayor materia seca que los otros
dos productos.
La segunda franja para la piña
muestra que el producto tiene
una mayor velocidad de secado
con respecto al banano.
La tercera franja representa el
tomate, presenta una curva más
larga debido a que este tiene
mayor variación con respecto al
contenido de humedad, su
velocidad es más alta debido a
su bajo contenido de sólidos con
respecto a los ensayos de otros
productos.
Según la figura 5e, en la medida
que se incrementa la relación molar
de agua, fracción molar de agua del
aire con respecto a la fracción molar
de agua en el alimento (aw) la
velocidad de remoción del agua se va
incrementando. También se puede
observar que entre mayor cantidad
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de agua inicial tenga un alimento,
este tiene mayores velocidades de
deshidratación.
De acuerdo con lo anterior el
factor fundamental que afecta la
velocidad del secado es la relación
molar de agua entre aire y el
producto la cual puede verse
afectada por la tempera y la
velocidad del aire. Al incrementar la
temperatura la humedad relativa del
aire al ingreso de la cámara es menor
y este tiene mayor capacidad de
remover agua, de igual forma al
remover más rápidamente el aire
este mantiene una relación de
humedad alta.
a Variación del peso b variación del porcentaje de peso
c Variación de la velocidad con respecto a tiempo d Variación de la velocidad con respecto a la humedad
e Variación de la velocidad con relación molar de agua (aire producto) f Variación de la temperatura durante el secado
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Figura 5. Reporte del software diseñado para evaluación del secado de tomate piña y banano sobre malla: a. variación de peso en función del tiempo. b. Variación del porcentaje humedad en función del tiempo. c. Variación de la velocidad de secado en función del tiempo. d. Variación de la velocidad de secado en función del la humedad e. Variación de la velocidad de secado en función de la relación molar de agua (aire – producto) f. Variación de la temperatura de la cámara en función del tiempo.
IV. Conclusiones
Se pudo demostrar que con la
ayuda de un termo-higrómetro digital
y el software diseñado se puede
estudiar el comportamiento del
secado diferentes productos, durante
la deshidratación, conociendo las
variables fundamentales del proceso
como: reducción de peso,
temperatura, velocidad de secado,
variación de % de humedad, relación
de humedad.
Se puede afirmar que el factor
fundamental que afecta la velocidad
del secado es la relación molar de
agua entre aire y el producto la cual
puede verse afectada por la
temperatura y la velocidad del aire. Al
incrementar la temperatura la
humedad relativa del aire al ingreso
de la cámara es menor y este tiene
mayor capacidad de remover agua,
de igual forma al remover más
rápidamente el aire este mantiene
una relación humedad alta.
V. BIBLIOGRAFÍA
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![Deshidratador Clatronic DR 2751[1]](https://img.dokumen.tips/doc/110x75/55cf8665550346484b973f7d/deshidratador-clatronic-dr-27511.jpg)
