INDICE
I.ANTECEDENTES21.COMPONENTES DE UN SISTEMA DE
ATOMIZACION32.DESCRIPCION DE UN SECADOR POR ATOMIZACION43.ASPECTOS
TECNOLOGICOS54.CALCULOS EN SECADORES POR ATOMIZACION6EJEMPLO
4.17EJEMPLO 4.28II.NUEVAS TECNOLOGIAS9A)SECADO EN UNA
ETAPA12FACTORES DETERMINANTES EN LA TEMPERATURA DE
SALIDA16Contenido de humedad en el polvo final16Temperatura y
humedad del aire de secado16Contenido en slidos en el
concentrado17Atomizacin17Viscosidad del concentrado17B)SECADO EN
DOS ETAPAS18VENTAJAS20III.APLICACIONES DEL SECADO POR
ATOMIZACION25IV.FUNDAMENTO TEORICO27LECHO FLUIDIZADO
VIBRADO27MARTILLO NEUMATICO28MODO DE
FUNCIONAMIENTO29V.CONCLUSIONES33VI.BIBLIOGRAFIA34
SECADO POR ASPERSION I. ANTECEDENTES
El secado por aspersin, pulverizacin o "spray drying" se utiliza
desde principios del siglo 20. Aunque existen patentes para el
secado de huevos y leche desde 1850 (LaMont, 1865 ; Percy, 1872 ;
Stauf, 1901), la atomizacin industrial de alimentos apareci en 1913
en un proceso desarrollado para leche por Grey y Jensen en 1913. El
primer equipo rotativo lo desarroll el alemn Kraus (1912) pero,
comercialmente se conoci gracias al dans Nyro (1933).El principio
de este sistema es la obtencin de un producto en polvo a partir de
un material lquido concentrado que se pulveriza finamente formando
una niebla que entra en contacto con una corriente de aire
caliente, entre 200 y 300C para alimentos, que acta como medio
calefactor y fluido de transporte.En estos sistemas la
transformacin tiene lugar mediante una nica operacin de una
alimentacin lquida, la misma que puede ser una solucin, suspensin o
emulsin en un producto seco en polvo, por ste mtodo de secado se
puede deshidratar cualquier sustancia que se presente en forma de
pasta y pueda ser bombeada como pasta cermica, frutas y polmeros
entre otros.
1. COMPONENTES DE UN SISTEMA DE ATOMIZACION
Los elementos de un secador de este tipo son:
Unidad de concentracin Atomizador Cmara de secado Sistema de
manejo de aire Sistema de separacin Sistema de transporte y
enfriamiento
La unidad de concentracin es un evaporador que lleve el producto
hasta concentraciones entre 30 y 55 % de slidos.El atomizador puede
usar energa de presin ( toberas de presin) , energa cintica
(toberas de dos fluidos o atomizacin neumtica) o energa centrifuga
( discos rotativos). En cualquier caso se busca crear la mxima
superficie posible para la evaporacin con un tamao de gota lo mas
homogneo posible.
Fig. 1.1 Arreglo de corrientes en un secador por aspersinLa
cmara de secado ms comn es de tipo cilndrico con un cono inferior
que hace un ngulo con la vertical entre 40 y 60 para que pueda ser
retirado all el polvo por gravedad. Esta unidad est aislada
trmicamente para reducir prdidas energticas. Su tamao vara desde
unos metros hasta 30 metros de altura en las unidades ms
grandes.Tpicamente, el aire utilizado en la operacin tiene una
temperatura de entrada entre 100 y 300 C. Para alimentos
termoestables como el caf pueden usarse hasta 250 C mientras que
para materiales delicados como la leche o huevos pueden manejarse
100 C o menos. Las temperaturas de salida del aire oscilan entre 50
C y 100 C (Heldman y Hartel, 1997) . El calentamiento del aire se
hace por mtodos indirectos (vapor, gas o aceite como medios
calefactores) o directo ( Gas o electricidad) y presenta
distribuciones como las que se muestran en la figura anterior.
2. DESCRIPCION DE UN SECADOR POR ATOMIZACION
En la figura 1.2 se muestra un esquema de un atomizador. El
producto lquido se bombea (1) a presin elevada ( 3 a 48 M Pa) hasta
la turbina de pulverizacin (2) en donde por centrifugado o
estrangulamiento se forma la niebla de gotitas con dimetros del
orden de varios micrones. El aire se mueve mediante un ventilador
(4) que lo succiona del ambiente a travs de un filtro (3) y lo
dirige a la zona de calentamiento (5) que opera generalmente con
intercambiadores de calor (menos comunes son los calentadores
directos con gas).El aire caliente entra (6) a la cmara de
atomizacin (7) de forma cilindro-conica.
FIGURA 1.2 Esquema de un secador por atomizacin
El sistema de recuperacin del producto lo conforman un conjunto
de rastrillos, vlvulas rotatorias (8) que lo retiran del fondo de
la tolva de la cmara . Parte del producto sale arrastrado por la
corriente de aire que por ello debe someterse al paso por ciclones
(9 y 12) que retiran los slidos finos por el fondo. Generalmente se
usa ms de un cicln, de diferente dimetro , pues segn sea esta
dimensin tendr capacidad de atrapar partculas de diferentes
dimensiones. Finalmente el aire limpio de producto sale por
ventiladores (10). En la Figura 1.2 el producto de la cmara y
ciclones se transporta mediante un sistema neumtico (11) y se
recoge en el ltimo cicln (12).
3. ASPECTOS TECNOLOGICOS
El secado ocurre tan rpido en la cmara que apenas si hay fase de
velocidad constante, el aire, que circula de manera muy compleja,
cambia rpidamente la temperatura y la humedad en su paso por el
atomizador y las partculas son de tamao heterogneo. Estos son
algunos de los factores que hacen difcil un tratamiento terico.
Cuando el aire y el producto circulan en el mismo sentido (
paralelo) hay una prdida importante de la eficacia del secado por
la disminucin de los gradientes de humedad y temperatura en el
sentido de flujo. Sin embargo esta prdida se compensa con la mejor
calidad del producto pues cuando el aire est ms caliente y seco el
producto est protegido por la intensa evaporacin que hace que en su
superficie se tenga la temperatura de bulbo humeo. A la salida del
atomizador se llega generalmente a que la diferencia de temperatura
entre el producto y el aire est entre 10 y 20 C. Las dimensiones de
la cmara dependen del tiempo de residencia deseado para el producto
y el sistema de pulverizacin elegido. All, para sistemas de
estrangulamiento se tienen dimensiones estilizadas y tiempo de
residencias cortos ( 4 a 6 segundos), mientras que cuando se usan
turbinas centrifugas se tienen alturas de cmara iguales o
inferiores a su dimetro con tiempos de permanencia altos (25 a 30
segundos). Las cmaras tienen una gran variedad de diseos en los que
el aire y el producto pueden ir en paralelo o en contracorriente.
Para los alimentos se usan los sistemas en paralelo pues all se
producen los menores riesgos de deterioro trmico.
4. CALCULOS EN SECADORES POR ATOMIZACION
Para condiciones estacionarias alrededor de las gotas y bajos Re
se cumple: Modelo de la gota pura (dimetro final cero o total
evaporacin) (Heldman y Singh, 1981)
Modelo de dimetro final finito ( Heldman y Singh, 1981)
EJEMPLO 4.1 Determine el tiempo de secado considerando los
modelos de gota pura y de gota de dimetro final al secar un
alimento de densidad inicial 1030 kg/m3 con aire a 120 C y 0,025 kg
de agua / kg de aire seco. El dimetro de la gota es de 25 m y el
final de 10 m. Asumir condiciones estacionarias para las gotas.
SOLUCION:La conductividad trmica del aire
Las caractersticas del aire se obtienen de la carta
psicomtrica:
Punto de roco 28,6 C
Se deber escoger uno de los dos calores latentes. Si se supone
que el rango de secado corresponde al periodo de velocidad
constante, all la temperatura superficial de la gota (donde ocurre
la evaporacin) ser aproximadamente la de bulbo hmedo del aire. Por
ello se escoge el segundo valor .
Este valor lo produce el modelo de la gota pura. Para aplicar el
modelo de dimetro final finito se requiere conocer la densidad
final de la gota.
El periodo de velocidad constante de secado se alcanza cuando la
gota llega a mantener un dimetro constante; en tal momento el
material llega a su humedad crtica.
Para el dimetro de la gota en la humedad critica la humedad de
equilibrio y la diferencia de temperatura media entre la partcula y
el aire durante el periodo de secado.
EJEMPLO 4.2Estimar el tiempo de secado para el periodo de
velocidad de secado decreciente en el caso del problema anterior si
la humedad final de equilibrio es 0,05 kg de agua/kg de slidos. Los
slidos iniciales presentes en la gota son del 7 % y la perdida de
agua en el periodo de secado a velocidad constante fue 7,658 E-12
kg por gota.
SOLUCION:
Humedad final de periodo de velocidad constante
Dimetro de la gota con humedad critica:
Diferencia media de temperatura:
Debe observarse que esta es una aproximacin que supone que el
producto se calienta en la fase de velocidad decreciente hasta un
valor cercano a la temperatura del aire de entrada. Realmente esto
nunca sucede pues el aire se enfriar a medida que procede el secado
y la temperatura superficial de la gota en este perodo ir desde 43
C hasta un valor cercano a la temperatura del aire fro).
El tiempo de secado ser entonces
II. NUEVAS TECNOLOGIASUn secador por atomizacin de la actualidad
consta de los siguientes componentes principales : Cmara de secado
(1) Sistema de aire caliente y de distribucin de aire (2) Sistema
de alimentacin (3) Dispositivo de atomizacin (4) Sistema de
separacin de polvo (5) El transporte neumtico y sistema de
refrigeracin (6) Lecho fluido de post-secado / enfriamiento (7)
Instrumentacin y automatizacin (8)
Fig1.3. Planta de secado por aspersin
En un secador por atomizacin actual, el secado se realiza en dos
etapas a diferencia de los primeros que se realizaba en una sola
etapa
Funcionamiento de un secador por Atomizacin La alimentacin es
bombeada desde el tanque de alimentacin de producto para el
dispositivo de atomizacin, situado en el dispersor de aire en la
parte superior de la cmara de secado. El aire de secado se extrae
de la atmsfera a travs de un filtro de un ventilador de suministro
y se pasa a travs del calentador de aire al dispersor de aire. Las
gotitas atomizadas se renen con el aire caliente y la evaporacin se
lleva a cabo, mientras que el enfriamiento del aire ocurre
simultneamente. Despus de la pulverizacin se seca en la cmara de
secado, la mayora del producto seco cae a la parte inferior de la
cmara y entra en un sistema de transporte y refrigeracin neumtica
.
Las partculas con un dimetro pequeo, se quedan en el aire, por
lo que es necesario pasar el aire a travs de ciclones para
separarlas. Las partculas con un dimetro pequeo dejan el cicln en
la parte inferior a travs de un dispositivo de bloqueo y entran en
el sistema neumtico, tambin. El aire pasa desde el cicln a la
atmsfera va el ventilador de escape. Las dos fracciones de polvo se
recogen en el sistema neumtico para el transporte y la refrigeracin
y se pasan a travs de un cicln para la separacin, despus de lo cual
se embolsan . La instrumentacin comprende la indicacin de la
temperatura del aire de entrada y de salida, as como el control
automtico de la temperatura de entrada mediante la alteracin de la
presin del vapor, la cantidad de aceite o de gas al calentador de
aire, y el control automtico de la temperatura de salida alterando
la cantidad de alimentacin bombeado al dispositivo de atomizacin.
El secado por aspersin incluye cuatro fases crticas:1.
Atomizacin.2. Mezcla de gotitas-aire.3. Evaporacin4. Recuperacin
del producto secadoLa atomizacin es el paso crtico inicial y se
logra a travs de una boquilla de aspersin a presin, disco
rotatorio, o boquilla neumtica. El atomizador regula el tamao de la
gotita, la distribucin del tamao, la trayectoria y la velocidad,
que a su vez determinan el carcter final de la partcula seca. El
contacto entre el aire que seca y las gotitas del roco se lleva a
cabo en co-corriente, contracorriente o combinado como sistemas
mixto de flujo. En la recuperacin del producto se utilizan
ampliamente los ciclones ya que son muy eficientes, requieren poco
mantenimiento y se limpian con facilidad. Un cicln es una cmara
cnica en la que una mezcla de aire y producto entra tangencialmente
a alta velocidad, haciendo que la mezcla gire. El producto ms
pesado es arrojado a los lados del cono y sale por el fondo. El
aire ms ligero se mueve hacia el centro y sale por la parte
superior.TECNOLOGA DE LA LECHE EN POLVO
Se ha comprobado que el secado por atomizacin es el proceso ms
adecuado para eliminar de los productos lcteos, la ltima parte de
agua, debido a que el secado por atomizacin puede convertir el
concentrado de leche en un polvo que conserva las valiosas
propiedades de la leche.El principio de todos los secadores por
atomizacin es transformar el concentrado en muchas y diminutas
gotas que son expuestas a una rpida corriente de aire caliente.
Debido al gran tamao de la superficie de las gotas (1 l de
concentrado ser atomizado en 1,5 x 1010 partculas de 50 con una
superficie total de 120 m2), el agua es evaporada casi
instantneamente, transformando las gotas en partculas de polvo.
A) SECADO EN UNA ETAPA
El secado en una etapa se define como el proceso de secado por
atomizacin durante el cual el producto es secado hasta la humedad
final dentro de la cmara de secado. Sin embargo, los principios
fundamentales de la formacin de gotas y la evaporacin de la humedad
inicial son los mismos en ste y los procesos siguientes, y por este
motivo son descritos a continuacin.La velocidad inicial de las
gotas en el atomizador es de alrededor de 150 m/seg. La mayor parte
del secado tiene lugar mientras las gotas son desaceleradas debido
a la friccin entre ellas y el aire. Aquellas gotas con un dimetro
de 100 micras tienen un recorrido de desaceleracin de menos de un
metro, y las de 10 micras de dimetro, de slo unos pocos centmetros.
La reduccin mayor de la temperatura del aire de secado tiene lugar
durante este perodo. Por tanto, una enorme transferencia de masa y
calor tiene lugar en las partculas en un perodo de tiempo muy
corto. La calidad del producto puede ser alterada seriamente si los
factores que promueven la degradacin no son conocidos o se han
descuidado.
Durante la eliminacin de agua de las gotas, se produce una
considerable reduccin en el peso, volumen y dimetro de la partcula.
Bajo condiciones ideales de secado el peso disminuir alrededor del
50%, el volumen descender a un 40% y el dimetro a un75%
aproximadamente de la gota creada por el atomizador. Sin embargo,
no se ha desarrollado todava una tcnica ideal de creacin y secado
de las gotas. Siempre existir alguna penetracin de aire en el
concentrado durante el bombeo desde el evaporador, y especialmente
cuando la leche es conducida al interior del tanque de alimentacin,
debido al salpicado. Pero tambin durante la atomizacin, una
cantidad Fig 1.4 Rueda con canales curvos para polvo de alta
densidad Fig 1.5 Rueda barrida por vapor
Fig 1.6 capacidad de formar espuma de leche descremada
concentrada Fig 1.7 Desarrollo de la temperatura
de aire es incorporada en la alimentacin en el atomizador
centrfugo donde la rueda, adems de atomizar el concentrado, est
actuando como un ventilador que aspira aire y lo arroja dentro del
concentrado. Ruedas especialmente diseadas contrarrestarn, sin
embargo, la incorporacin de aire al concentrado. En la rueda de
labe curvado (la as llamada rueda de alta densidad global), ver
Fig. 1.4, el aire es parcialmente separado del concentrado
nuevamente, debido a la fuerza centrfuga, mientras que en la rueda
con barrido de vapor, ver Fig. 1.5, el problema es parcialmente
solucionado reemplazando la interfase lquido/aire por una interfase
lquido/vapor. Antes se crea generalmente que las toberas durante la
atomizacin incorporaban poco o ningn aire al concentrado. Sin
embargo, se ha descubierto que existe una cierta penetracin de aire
durante la primera etapa de atomizacin, tanto fuera como dentro del
cono de atomizacin, debido a la friccin del aire, previo a la
formacin de las gotas. Cuanto mayor capacidad tiene la tobera
(kg/h), ms cantidad de aire incorpora al concentrado.La capacidad
de un concentrado para incorporar aire, o formar una espuma
estable, depende de la composicin, la temperatura y el contenido en
slidos. Se ha descubierto que los concentrados con bajo contenido
en slidos tienen una alta capacidad de formar espuma, la cual
aumenta con la temperatura. Los concentrados con un alto contenido
en slidos tienen considerablemente menos espuma, la cual puede ser
reducida an ms aumentando la temperatura, ver Fig. 1.6.
Generalmente la capacidad para formar espuma es menor en el
concentrado de leche entera que en el concentrado de leche
descremada. La cantidad de aire en las gotas (presente en forma de
pequeas burbujas de aire) es, por lo tanto, uno de los factores
decisivos para hallar cunto ms continuar la reduccin del tamao
durante el secado. Otro factor an ms importante es el de las
condiciones de secado, o sea, la temperatura del aire circundante.
Como se mencion, mucho calor debe ser transferido del aire de
secado a las gotas, y mucho vapor de agua realizar el camino
contrario.Existe, por lo tanto, un gradiente de temperatura y
concentracin en la partcula, y el proceso total se vuelve muy
complejo y no totalmente comprensible. Las gotas de agua pura
(actividad del agua 100%) se evaporarn al ser expuestas a una ms
alta temperatura, manteniendo la temperatura de bulbo hmedo ("wet
bulb"), hasta que se evaporen completamente, mientras los productos
conteniendo slidos completamente secados (o sea, con una actividad
de agua aproximndose a cero), son calentados hasta la temperatura
del aire circundante al final del proceso, la cual, en un secador
por atomizacin significa la temperatura del aire de salida. Ver
Fig. 1.7No es slo desde el centro hacia la superficie que existe un
gradiente de concentracin, sino tambin desde un punto de la
superficie hacia otro, dando como resultado diferentes
concentraciones de agua y por lo tanto diferentes temperaturas
entre diferentes zonas de la superficie. La intensidad del
gradiente global es mayor, cuanto mayor sea el dimetro de partcula,
debido a la menor relacin superficie/masa. Por lo tanto, las
pequeas partculas se secan ms uniformemente.Durante el secado, el
contenido en slidos naturalmente aumenta, debido a la eliminacin de
agua y lo mismo ocurre con la viscosidad y la tensin superficial.
Esto significa que el coeficiente de difusin, o sea la relacin de
difusin de agua-vapor/tiempo y superficie, Fig.1.8 Partcula tpica
del secado de una etapa Fig. 1.9 Partcula atomizada . Secado de una
etapa
Fig 1.10 Partcula sobrecalentada . Secado de una etapase vuelve
menor y tiene lugar un sobrecalentamiento debido a la menor
velocidad de evaporacin.En casos extremos, el llamado "case
hardening" (endurecimiento), que es la formacin de una cscara dura
sobre la superficie, a travs de la cual el vapor/agua restante o el
aire adjunto se difunden, provocar que esa difusin se realice muy
lentamente. El "case hardening" ocurre normalmente con un contenido
residual de humedad de 10-30% en la partcula, en cuya etapa las
protenas, especialmente la casena, son muy sensibles al calor y muy
fcilmente desnaturalizables, dando como resultado un polvo de baja
solubilidad.Ms an, la lactosa amorfa se endurecer y ser casi
impenetrable para el vapor de agua, y la temperatura de la partcula
aumentar a medida que la velocidad de evaporacin, o sea el
coeficiente de difusin, se aproxime a cero.Al haber ms vapor de
agua y burbujas de aire en la partcula, sta se sobrecalienta si la
temperatura del aire circundante es lo suficientemente alta,
provocando una expansin del vapor y el aire. La presin aumentar y
la partcula se convertir en una pelota completamente redonda con
una superficie lisa. Ver Fig. 1.8. La partcula tendr una gran
cantidad de vacuolas en su interior. Ver Fig. 1.9 Si la temperatura
del aire circundante es lo suficientemente alta, la partcula puede
incluso explotar, y aunque no ocurre, tendr igualmente una muy
pequea cscara de aproximadamente 1 micra, y no sobrevivir al
tratamiento mecnico en el sistema de transporte y en los ciclones,
y abandonar el secador con el aire de salida. Ver Fig. 1.10Si hay
solamente una pequea cantidad de burbujas de aire en la partcula,
la expansin no ser demasiado grande, a pesar del
sobrecalentamiento. El sobrecalentamiento, como resultado de la
formacin de una cscara, sin embargo, ir en detrimento de la casena,
dando como resultado una mala solubilidad.Si la temperatura
circundante, o sea, la temperatura de salida es mantenida baja
durante el secado, la temperatura de la partcula ser igualmente
baja.FACTORES DETERMINANTES EN LA TEMPERATURA DE SALIDALa
temperatura de salida es determinada por muchos factores entre los
cuales los ms importantes son: Contenido de humedad en el polvo
final Temperatura y humedad del aire de secado Contenido en slidos
en el concentrado Atomizacin Viscosidad del concentradoContenido de
humedad en el polvo finalEl primero y ms importante es el contenido
de humedad en el polvo final. A menor contenido de humedad
residual, ms baja humedad relativa en el aire de salida y eso
significa mayor temperatura de salida y con ello, mayor temperatura
de la partcula.Temperatura y humedad del aire de secadoComo el
contenido de humedad est en relacin directa con la humedad relativa
del aire de salida, un aumento de temperatura en el aire de entrada
necesitar un pequeo aumento del aire de salida, debido al alto
contenido de humedad en el aire, resultante del aumento de
evaporacin. Tambin el contenido inicial de humedad en el aire de
secado es importante, y si este contenido es alto se debe aumentar
la temperatura de salida para compensar la humedad
adicional.Contenido en slidos en el concentradoUn aumento en el
contenido en slidos requerir un aumento en la temperatura de
salida, debido a que la evaporacin se vuelve ms lenta (menor
coeficiente promedio de difusin) y es necesaria una mayor
diferencia de temperatura (fuerza motriz), entre la partcula y el
aire circundante.AtomizacinCualquier esfuerzo con el fin de mejorar
la atomizacin y crear una nube atomizadora ms fina dar como
resultado una temperatura de salida ms baja, porque la relacin
superficie especfica/masa de las partculas se vuelve mayor. La
evaporacin ser, por lo tanto, ms fcil y se requerir una fuerza
motriz menor.Viscosidad del concentradoLa atomizacin est
influenciada por la viscosidad. La viscosidad aumenta con un
contenido mayor de protenas, de lactosa cristalizada y de slidos
totales. Calentando el concentrado (vigilando el espesamiento por
envejecimiento) y aumentando la velocidad del atomizador o la
presin de tobera puede remediar el problema.La tecnologa de secado
tratada hasta aqu ha sido relacionada con una planta con transporte
neumtico y sistema de enfriamiento, donde el polvo al abandonar la
base de la cmara es secado hasta alcanzar el contenido de humedad
deseado. El polvo en esta etapa est caliente y consiste en
partculas dbilmente unidas, en grandes aglomerados sueltos, debido
a que la primera aglomeracin tiene lugar en la nube de atomizacin,
donde las partculas de dimetro diferente tendrn diferentes
velocidades y por lo tanto chocarn. Sin embargo, cuando son
conducidas a travs del sistema de transporte neumtico donde los
aglomerados estn expuestos a fuerzas mecnicas, el polvo se
convertir en partculas individuales. Este tipo de polvo, tiene las
siguientes caractersticas: Consiste en partculas individuales Alta
densidad especfica Pulverulento si es de leche descremada
No-instantneoB) SECADO EN DOS ETAPAS Como se ha visto
anteriormente, la temperatura de la partcula dependa de la
temperatura del aire circundante (la temperatura de salida). Como
la ltima agua en el producto es la ms difcil de eliminar por el
secado convencional, la temperatura de salida tiene que ser lo
suficientemente alta para asegurar una fuerza motriz (t o
diferencia de temperatura entre la partcula y aire), capaz de
eliminar la citada humedad. Esto puede ir muy a menudo en
detrimento de las partculas, como ya ha sido comentado
anteriormente.No sorprende, por lo tanto, que haya sido
desarrollada una tecnologa de secado completamente diferente,
especialmente para evaporar el ltimo 2-10% de humedad de las
partculas ya formadas en esta etapa.Como la evaporacin ir muy lenta
con esta humedad, debido a que el coeficiente de difusin es bajo,
el equipo de secado o post-secado debe ser diseado de forma que el
polvo tenga un largo tiempo de residencia. Puede realizarse en un
sistema de transporte neumtico utilizando aire caliente que
incrementa la fuerza motriz. Sin embargo, como es necesaria una
velocidad de aprox. 20 m/seg. en el conducto, se precisa una
considerable longitud del mismo para ser eficiente. Otro sistema es
el denominado "Hot Chamber" (cmara caliente) con una entrada
tangencial para prolongar el tiempo de retencin. Terminado el
secado, el polvo es separado en un cicln y llevado a otro
Fig 1.11 Vibro-fluidizador
Fig 1.11a BUBBLE PLATESistema neumtico de transporte con aire
fro o deshumectado para el enfriamiento. El polvo es separado en un
cicln y est listo para ser ensacado. Otro sistema para el
post-secado es el VIBRO-FLUIDIZER, un lecho fluidizado, que
consiste de un gran conducto horizontal, dividido en dos secciones:
una superior y una inferior, por medio de una placa perforada,
soldada a la pared del conducto. Ver Fig. 1.11. Para el secado, o
bien el enfriamiento, se introduce aire caliente o fro en la parte
inferior del Vibro-Fluidizador. El aire se distribuye uniformemente
sobre toda la superficie de la placa especial perforada la BUBBLE
PLATE, que tiene las siguientes ventajas: El aire se dirige hacia
abajo a la superficie de la placa, por lo que se mantienen las
partculas en movimiento en la placa, la que tiene pocos, pero
grandes orificios para permitir perodos ms largos entre limpiezas.
Adems, la placa ha demostrado un efecto de vaciado muy bueno. Ver
Fig. 1.11a. El mtodo de construccin previene ranuras. Por eso la
placa BUBBLE PLATE resulta sanitaria y as aceptada por USDA. Las
perforaciones y la cantidad de aire se determinan por la velocidad
de aire necesaria para la fluidificacin del polvo. La velocidad de
aire se determina por la naturaleza del polvo, por ejemplo por el
contenido de humedad y la termo plasticidad.La temperatura es
determinada segn la capacidad de evaporacin que se desea lograr. El
tamao de los orificios de la placa perforada es elegido a fin de
que la velocidad del aire sea lo suficientemente alta para
fluidificar el polvo sobre la placa. La velocidad del aire no deber
ser tan alta que el polvo aglomerado sea destruido por una
atricin.Al otro lado, nunca puede evitarse (y en algunos casos
incluso se desea), que algunas partculas, especialmente las ms
pequeas, salgan del Vibro-Fluidizador con el aire. Por eso, el aire
pasa a travs de un cicln o un filtro de mangas, donde las partculas
son separadas y devueltas al proceso.Aplicando este nuevo equipo
ser posible evaporar el ltimo contenido de humedad en el polvo de
un modo suave. Esto significa que se puede operar el secador en una
forma diferente de aquella descrita anteriormente, donde el polvo
sala de la cmara con el contenido final de humedad.VENTAJAS Mayor
capacidad/kg de aire de secado Mejor economa Mejor calidad del
producto, como : buena solubilidad, alta densidad, bajo contenido
de grasa libre, bajo contenido de aire ocluido Menor emisin de
polvo
Fig 1.12 Secador con Vibro-Fluidizador para secado en dos
etapas
Fig 1.13 Partcula tpica del secado de dos etapasSecado en dos
etapas con Vibro-Fluidizador ("Plug-Flow")En el Vibro-Fluidizador
todo el lecho vibra. Las perforaciones de la placa facilitan la
direccin del aire de secado con el flujo de polvo. Para evitar que
la placa perforada vibre con su propia frecuencia, es necesario un
soporte. Ver Fig. 1.12.En el secador se reduce la temperatura de
salida dando lugar a un aumento del contenido de humedad y una
reduccin de la temperatura de la partcula. El polvo hmedo
procedente de la cmara de secado entra en el Vibro-Fluidizador por
gravedad.Hay sin embargo, un lmite a lo que es operativamente
posible llegar con el contenido de humedad aumentado, ya que el
polvo se volver pegajoso a pesar de la baja temperatura, formando
grumos dando lugar a depsitos en la cmara.Normalmente puede
lograrse una reduccin de 10-15C en la temperatura de salida.
Resulta en un secado mucho ms suave, especialmente en la etapa
crtica de secado (30% a 10% de humedad); la contraccin contina, ver
Fig. 1.13, y no es interrumpida por ningn "case hardening",
obteniendo as condiciones cercanas a las del ejemplo ptimo de
secado. La temperatura ms baja de las gotas se obtiene en parte
debido a la baja temperatura circundante, pero tambin al alto
contenido de humedad en las partculas, cuya temperatura es cercana
a la de bulbo hmedo. Esto tiene naturalmente una influencia
positiva en las propiedades de solubilidad del polvo final.La
reduccin en la temperatura de salida implica un correspondiente
mayor rendimiento en la cmara de secado debido a la mayor
diferencia en temperatura (t). Muy a menudo se aumentan la
temperatura de secado y el contenido en slidos en la alimentacin
aumentando as an ms la eficiencia del secador. Sin embargo, esto
significa al mismo tiempo un aumento necesario de la temperatura de
salida, pero el mayor contenido de humedad y la menor temperatura
de la partcula protegen las partculas evitando as el
sobrecalentamiento y el "case hardening".Como experimento, la
temperatura de secado puede alcanzar 250C o incluso 275C al secar
leche descremada, en cuyo caso la eficiencia de secado alcanza
0,75.Cuando la fraccin de la cmara llega a la base de la cmara
tiene un mayor contenido de humedad y una menor temperatura que lo
que se obtiene con el secado convencional anteriormente descrito.
Desde la base de la cmara, el polvo debera caer directamente a la
seccin de secado del Vibro-Fluidizador y ser fluidificado
inmediatamente.Cualquier retencin o transporte dar lugar a que las
partculas templadas, hmedas y termoplsticas se adhieran entre ellas
y se formen grumos que luego son difciles de
Fig 1.14 Sistema de transporte a presin desde el
Vibro-Fluidizador hasta el sistema de silos
disolver. Esto tiene una influencia negativa directamente sobre
la eficiencia del secado en el Vibro-Fluidizador y parte del polvo
saldr del equipo con un contenido de humedad demasiado alto, en
detrimento de la calidad de conservabilidad del polvo. Solamente la
fraccin procedente de la cmara entra en el Vibro-Fluidizador por
gravedad.La fraccin del cicln principal y la del cicln del
Vibro-Fluidizador (o filtro de mangas lavado por CIP) an tienen que
ser recogidas y conducidas al Vibro-Fluidizador.Como las fracciones
de los finos se componen de partculas de un dimetro medio menor que
las partculas de la fraccin de cmara, mantendrn un menor contenido
de humedad y por lo tanto, no precisarn el mismo proceso de
post-secado. Muy a menudo las partculas estn lo suficientemente
secas, pero, a pesar de ello son conducidas hasta el ltimo tercio
de la seccin de secado del Vibro-Fluidizador, para asegurar que
sean secadas hasta quedar con el contenido de humedad deseado.Al
recoger las fracciones de los ciclones, el punto de recoleccin no
siempre puede quedar exactamente encima del Vibro-Fluidizador, de
forma que el polvo pueda ser alimentado directamente por gravedad
al Vibro-Fluidizador. Por lo tanto se instala un sistema de
transporte a presin para manejar el polvo. Este sistema es muy
flexible dependiendo a donde el polvo es transportado, ya que la
lnea es un conducto lcteo normal, de 3 o 4 pulgadas. El sistema
consiste en un soplador de aire de bajo volumen/alta presin, una
vlvula de paso directo, que permite el paso de aire recogiendo el
polvo, y una lnea de transporte, ver Fig. 1.14. La cantidad de aire
es pequea en relacin al polvo a ser conducido (slo 1/5).
Durante produccin una pequea parte del polvo queda suspendida en
el aire de nuevo en el Vibro-Fluidizador y abandona ste con el
aire, siendo recogido en el cicln y devuelto al Vibro-Fluidizador.
Durante el paro de la planta, llevar algn tiempo, por lo tanto, en
parar esta recirculacin si no se toman medidas especiales.El
problema se soluciona, por ejemplo, mediante una vlvula de desvo
del tubo de transporte a otro tubo llevando el polvo al final del
sistema del Vibro-Fluidizador siendo entonces vaciado en pocos
minutos.El polvo es finalmente tamizado y envasado. Como puede
contener algn aglomerado, se recomienda utilizar un sistema de
transporte a presin hacia un silo, a fin de obtener la mxima
densidad.
Figura. 1.15 Cono de un secador y el Vibro-Fluidizador
conectado
SISTEMAS DE SECADO Secador con sistemas de transporte
neumticoSecador con Vibro FluidizadorSecador operado a alta
temperatura con VibroFluidizador
SECADOR
Temperatura de entrada C200200230
Aire de secadoKg/h31.50031.50031.500
Leche descrem. 8.5 % solidosKg/h12.95019.800
Concentrado con 48 % solidosKg/h
2.2902.8603.510
Evaporacin en camaraKg/h1.1501.4001.720
Polvo de la cmara
-6 % humedadKg/h1.4601.790
-3.5 % humedadKg/h1.140--
Consumo de fuel-oilKg/h175175205
Consumo de energaKg/h120125130
Consumo de energa del secado totalMcal1.8181.8232.120
Energia por kg de polvo en cmara Kcal1.5951.2501.184
VIBRO-FLUIDIZADOR
Aire de secado:Kg/h3.4304.290
Temperatura de entradaC100100
Evaporacin en VFkg/g4045
Polvo del VF, 3,5 % hurmedadC1.4201.745
Consumo de vaporkg/h135167
Consumo de energa kw2022
Consumo de energa total en VFMcal95115
SECADO TOTAL
Consumo de energa totalMcal1.81819182.235
Energa por kg polvo finalKcal1.5951.3501.280
Relacin de energa:%1008580
Eficiencia del secador0.540.620.66
III. APLICACIONES DEL SECADO POR ATOMIZACION Se listan una serie
de productos cuyo procesamiento incluye propiamente el secado por
aspersin o modificaciones tales como: enfriamiento spray, reaccin
spray o absorcin spray y sus condiciones de operacin ms
sobresalientes.ProductoSlidos en el alimento (%)Temperatura
alimento CHumedad Final (%)Temperatura C
EntradaSalida
Resina acrlica40-4810-250.5-1.0250-30090-95
Oxido de Aluminio45-6510-200.25-2.0300-50095-100
Antibiticos10-300-101.0-2.0140-19090-110
Bentonita18-2015-201.5-2.0400-550125-130
Plasma sanguneo25-275-106.0-7.0220-27575-80
Catalizador (Ni, Zn)10-4510-501.0-2.5400-700120-150
Caf instantneo35-5520-303.0-4.5220-30085-100
Detergentes60-7060-656.0-10.0300-35085-110
Enzimas30-4010-204.0-5.0140-18075-100
Flavorizantes30-5010-203.0-5.0150-18075-95
Funguicidas35-5510-151.0-2.0250-30080-100
Herbicidas45-5010-152.0-4.0140-25075-110
xido de hierro50-5515-200.5-0.3300-450100-140
Maltodextrina50-7050-854.5-5.0200-30095-100
Nata de leche47-5260-703.5-4.0175-24075-95
Protena vegetal hidrolizada20-5015-602.0-3.0180-25090-110
Silica gel 12-2010-406.0-8.0400-750120-140
Vitaminas A, B2, E15-5025-603.0-5.0150-25090-105
Sorbitol65-7050-600.3-0.6120-18085-95
Figura 1.16Producto obtenidos por secado por aspersin Fuente:
Spray Drying Handbook (Maters, 1991)
AplicacionesProductos Alimenticios Extractos de caf, malta y t
Leche entera y descremada en polvo Suero de quesera y mantequera en
polvo Caseinatos Derivados de Maz Maltodextrinas Azcar y alcohol
Secado de vinaza alcohlica Levaduras Gelatina Huevo entero, yema o
clara en polvo Sabores y esencias encapsuladas Jugos de fruta en
polvoProductos Qumicos Efluentes industriales Urea Sales Colorantes
Jabones y detergentes Herbicidas e insecticidas Fertilizantes
Taninos
Productos Farmacuticos Antibiticos Aminocidos Vitaminas Sangre
entera y plasma concentrados
IV. FUNDAMENTO TEORICO
LECHO FLUIDIZADO VIBRADO
Fig. 1.17 Lecho fluidizado vibrado Uno de los equipos ms
comnmente usados para secar polvos son los lechos fluidizados
vibrados, tambin denominados "vibro-fluidizadores". Este tipo de
equipos pueden ser utilizados como nico medio de secado en muchos
procesos, aunque normalmente se utilizan como terminadores a la
salida de una cmara de secado spray ( secado por atomizacin).Un
lecho fluidizado vibrado tiene un cuerpo cilndrico horizontal
cerrado, donde entra en un extremo el producto a secar, saliendo
por el extremo opuesto. Dentro de este cilindro se encuentra una
chapa perforada horizontal adonde es descargado el producto. Por
las perforaciones de esta chapa circula el aire de secado en
sentido vertical y hacia arriba, atravesando el producto y
mantenindolo en suspensin mientras avanza hacia la descarga. El
espesor de la capa formada vara de acuerdo con cada producto pero
no debera superar los 15 cm, ya que espesores superiores son
difciles de mantener en suspensin, la prdida de carga en el aire de
secado es muy alta y cuesta homogeneizar el producto en el
lecho.Los vibro-fluidizadores pueden tener varias secciones, y es
comn que cuenten con dos secciones de secado por aire a diferentes
temperaturas y otra de enfriamiento, en la que el producto alcanza
una temperatura adecuada para almacenaje o envasado.Para aumentar
la transferencia trmica y homogeneizacin del producto a la vez
favorecer su avance dentro del equipo se utilizan moto-vibradores
excntricos. A su vez, el equipo es montado sobre resortes
amortiguadores. Al funcionar, el movimiento de los moto-vibradores
sobre el equipo se traduce un una vibracin de alta frecuencia que
remueve el producto en su interior. Esto, combinado con el efecto
del aire de secado a travs de las placas perforadas colabora a
mantener el producto en suspensin y homogeneizarlo
adecuadamente.MARTILLO NEUMATICO Figura 1.18 El uso de martillos
neumticos proporciona a los operadores de la planta la tranquilidad
de que su producto fluir como lo planificado sin un flujo de
producto repentino en exceso.El martillo neumtico est diseado para
su montaje en cmaras de secado por aspersin, ciclones, ductos, y
cualquier otro equipo de acero inoxidable de calibre delgado.El
martillo es ideal, donde se requiere asistencia mecnica en forma de
una corta duracin de la vibracin para liberar superficie de
deposicin del producto. La vibracin necesaria se transfiere a la
superficie metlica de calibre delgado a travs de una placa de
tefln, que se ve afectado por una bola de alta velocidad
"Delrin".El martillo neumtico est diseado para el funcionamiento de
toda la vida, habiendo sido probado para funcionar continuamente
durante perodos de ms de 1 milln de impactos sin mantenimiento.
Fig.1.19 Estructura de un martillo neumtico de la marca NIRO
MODO DE FUNCIONAMIENTO
Aire comprimido impulsa la pelota a la placa de impacto, que se
mantiene en posicin por un resorte. La fuerza del impacto se
transfiere a la superficie que requiere la vibracin para desalojar
los depsitos. La frecuencia de impacto se ajusta la frecuencia del
pulso de aire comprimido. Esto se lleva a cabo elctricamente
utilizando una vlvula de solenoide. La fuerza del impacto es
controlada por la presin del aire comprimido suministrado al
martillo, adaptado por la vlvula de regulacin de presin. Fig. 1.20
Modo de funcionamiento de un Martillo Neumtico
V. CONCLUSIONES
El proceso de secado por atomizacin es utilizado ampliamente en
diferentes sectores industriales para obtener materiales granulados
con unas propiedades determinadas, a partir del secado de
suspensiones. Cada aplicacin posterior del polvo atomizado requiere
de una morfologa y una microestructura adecuadas para cada uso.
Todos los estudios llevados a cabo han tenido por objetivo
identificar qu condiciones del proceso dan lugar a grnulos esfricos
o irregulares, huecos y con elevada porosidad o densos, y con
buenas prestaciones mecnicas. Inicialmente se realizaron estudios
en secaderos por atomizacin a escala, en los que se pudo comprobar
la influencia de las condiciones del proceso en las propiedades
medias del polvo atomizado. A partir de estos trabajos se pudo
inferir que las propiedades ms importantes a tener en cuenta eran
la temperatura del aire de secado, el tamao inicial de las gotas,
el contenido en slidos de la suspensin y el tamao de partcula y
estado de aglomeracin del material slido. Los resultados ms
recientes establecen que se puede determinar la compacidad de los
grnulos a partir de la cintica de secado, el tamao final del grnulo
y la fraccin de empaquetamiento de los slidos contenidos en la
suspensin. Con ello se puede identificar que variables interesa
modificar con el fin de obtener el material granulado ptimo para
una aplicacin concreta. El secado es un proceso de conservacin que
permite eliminar una gran cantidad de agua del alimento impidiendo
cualquier actividad microbiana o enzimtica que deteriore el
producto. El proceso de secado surge debido a la necesidad de poder
consumir alimentos que en cierta poca del ao no se cosechan o
producen y que por su composicin qumica son susceptibles a
descomponerse. En la actualidad los mtodos de secado desarrollados
tienen gran auge tanto en la industria qumica y de transformacin
como en la de alimentos.
El secado en 2 etapas combinan el secado por aspersin y el
secado en lecho fluidizado. La ventaja aqu es que no toda la
humedad es extrada en el paso de secado por aspersin. Esto permite
utilizar una temperatura de salida ms baja.
En el interior del vibro fluidizador se produce una seleccin de
tamao de partcula de la leche en polvo y se completa el proceso de
secado . eliminar el exceso de humedad y reducir los costos del
secado Comenzamos con una leche con 90 % de agua y al finalizar las
dos etapas (secado por atomizacin , vibro fluidizador) , qued tan
solo con un 3 % de humedad .
La funcin principal de la atomizacin es crear la mxima
superficie, es decir cuando ms pequeas son las gotitas , mayor es
la superficie y ms fcil se produce la evaporacin y la obtencin de
una produccin de partculas con forma y tamao deseadas.
Como se puede apreciar el secado en 2 etapas (secado por
aspersin conectado a un secador por lecho fluido es ms eficiente y
se obtiene un producto con menor contenido de humedad. Aplicando
este nuevo equipo (secador por lecho fluidizado), ser posible
evaporar el ltimo contenido de humedad en el polvo de un modo
suave. Esto significa que se puede operar el secador en una forma
diferente de aquella descrita anteriormente, donde el polvo sala de
la cmara con el contenido final de humedad.
VI. BIBLIOGRAFIA
Libros consultados ALBERT IBARZ OPERACIONES UNITARIAS EN LA
INGENIERIA DE ALIMENTOS . Editorial Mundi-Prensa Madrid 2005 SHRI
K. , STEVEN J. MULVANEY INGENIEIRA DE ALIMENTOS Operaciones
unitarias y Practicas de Laboratorio.1era edicin , Editorial Limusa
.CARLOS EDUARDO ORREGO ALZATE PROCESAMIENTO DE ALIMENTOS.1er
Edicin, Impreso en centro de publicaciones de la Universidad
Nacional de Colombia , Marzo del 2003 A.CASP y J. ABRIL, PROCESO DE
CONSERVACION DE ALIMENTOS 2da Edicin , Editorial Mundi-Prensa,
Madrid 2003Pginas web consultadas