RESUMEN
El secado convectivo de alimentos presenta todavía algunas limitaciones
que dificultan su aplicación en campos específicos. Entre ellas, se encuentra la
baja velocidad de secado y la pérdida de calidad del producto. Algunas de estas
limitaciones pueden salvarse con la introducción de nuevas tecnologías usadas
como fuentes adicionales de energía. Entre otras, destacan los ultrasonidos de
potencia, que pueden influir en la velocidad de secado sin producir un aumento
significativo de la temperatura del material. Esto favorece su aplicación en el
secado de materiales sensibles al calor o en procesos de secado realizados a
bajas temperaturas, como por ejemplo la liofilización a presión atmosférica.
Los ultrasonidos de potencia se han aplicado con el objetivo de influir en la
transferencia de materia en sistemas sólido-líquido, como el salado de carne y
queso, la deshidratación osmótica de frutas y diversos procesos de extracción. En
cambio, las aplicaciones de ultrasonidos de potencia en sistemas sólido-gas, como
es el caso del secado convectivo, son menos frecuentes debido a ciertas
limitaciones que dificultan enormemente el desarrollo de esta tecnología. Entre
otras, destaca la diferencia de impedancias entre los sistemas de aplicación de
ultrasonidos y el aire, que dificulta la transmisión de las ondas, y la elevada
absorción de energía acústica del aire. Dichas limitaciones pueden superarse a
partir del adecuado diseño del sistema de aplicación de ultrasonidos.
Asociados a la aplicación de ultrasonidos de potencia, hay una serie de
efectos que pueden influir en los procesos de transferencia de materia que tienen
lugar durante el secado convectivo. Por un lado, la resistencia externa a la
transferencia de materia puede verse afectada por las velocidades oscilantes,
microcorrientes y variaciones de presión que producen los ultrasonidos en las
interfases sólido-gas. Por otro lado, la resistencia interna puede disminuir por los
ciclos de compresión y descompresión que producen los ultrasonidos en los
materiales (efecto esponja), por los efectos en las interfases de los espacios
intercelulares, e incluso por la cavitación que puede ayudar a eliminar el agua más
fuertemente retenida.
El principal objetivo de este trabajo ha sido determinar el efecto de los
ultrasonidos de potencia en procesos de secado convectivo estableciendo la
influencia de las principales variables del proceso.
Para la consecución de este objetivo se pretendió diseñar un nuevo sistema
de aplicación de ultrasonidos que consiguiera una adecuada transmisión de
energía ultrasónica al medio. El diseño se basó en la idea de conseguir que las
propias paredes de la cámara de secado fueran las encargadas de radiar la
energía ultrasónica, es decir, que la cámara de secado fuera el elemento vibrante
y que transmitiera la energía a las partículas presentes en su interior. Su
construcción se realizó a partir de los cálculos de diseño realizados en 2
dimensiones por elementos finitos utilizando el código ANSYS. Así, se desarrolló
un sistema de aplicación ultrasónico consistente en un cilindro de aluminio (120
mm de diámetro externo, 10 mm de espesor y una longitud de 310 mm) vibrando a
flexión, excitado por un vibrador compuesto por un transductor tipo sándwich y un
amplificador mecánico. Antes de su montaje en el secadero, el sistema de
aplicación fue caracterizado con un puente de impedancias y, además,
suministrándole una potencia eléctrica de 90 W (frecuencia 21.8 kHz, voltaje 60 V,
intensidad 1.55 A, desfase 4º e impedancia 329 O). También se estudió la
estructura del campo acústico generado en el interior de la cámara de secado,
determinándose un valor medio de presión sonora de 154.3 dB cuando se aplicó
una potencia eléctrica de 75 W. Este valor se aproximó mucho al valor predicho a
partir de la modelización con elementos finitos (156.3 dB).
Para la instalación del sistema de aplicación se modificó un secadero
convectivo tradicional. En la adaptación, se consiguieron tanto unas condiciones
de trabajo adecuadas para el sistema de aplicación de ultrasonidos como
mantener el proceso de pesada automático existente en el secadero.
Se realizaron experiencias de secado de diferentes productos: zanahoria,
albaricoque, caqui y corteza de limón. Las isotermas de sorción de estos
productos se obtuvieron de la bibliografía excepto para el caso de la corteza de
limón del que no se encontraron referencias bibliográficas. En este caso, se
determinaron experimentalmente las isotermas de sorción a diferentes
temperaturas (20, 30, 40 y 50 ºC), utilizando higrómetros eléctricos.
El modelo de GAB fue el que mejor describió los datos de sorción
experimentales de corteza de limón. Por otra parte, se identificó la influencia de la
temperatura en la isoterma. El calor isostérico de sorción fue determinado a partir
de la ecuación de Clausius-Clapeyron, mediante métodos de cálculo diferencial e
integral y también usando la ecuación de Riedel. Las estimaciones del calor
isostérico con los diferentes métodos fueron similares.
La aplicación de ultrasonidos de potencia no produjo ninguna influencia en
las cinéticas de secado en lecho fluidizado de cubos de zanahoria (8.5 mm de
lado) y octavos de albaricoque realizadas a diferentes temperaturas (30, 35, 40,
45, 50, 55 y 60 ºC) y velocidades de aire comprendidas entre 10 y 14 m/s. Los
valores de energía de activación obtenidos para estos productos fueron similares a
otros mostrados por la bibliografía y no se encontraron diferencias significativas
entre los obtenidos para las experiencias con (US, 75 W, 21.7 kHz) y sin
aplicación de ultrasonidos de potencia (SUS).
A la vista de estos resultados y con el fin de establecer la causa por la que
no se encontraron diferencias con la aplicación de ultrasonidos, se evaluó la
influencia de la velocidad del aire en el campo acústico generado en el interior de
la cámara de secado. Así, se identificó un descenso del nivel medio de presión
sonora con el aumento de la velocidad del aire. A partir de 8 m/s este valor
permaneció constante. Por lo tanto, el aumento de la velocidad del aire supuso un
descenso de la energía acústica disponible para las partículas.
Por otro lado, se realizaron experiencias de secado con diferentes productos
(zanahoria, caqui y corteza de limón) y geometrías (cubos, cilindros y discos) a
velocidades de aire comprendidas entre 0.5 y 14 m/s. La velocidad del aire influyó
en las cinéticas SUS de los distintos productos hasta una velocidad de aire
próxima a 5 m/s. Dicho umbral se estableció partir de los valores de difusividad
efectiva identificados con un modelo difusional sin considerar la resistencia
externa a la transferencia de materia (SRE). La aplicación de ultrasonidos de
potencia (75 W, 21.7 kHz) aumentó los valores de difusividad efectiva (De)
identificados con el modelo SRE en el secado de zanahoria y caqui únicamente
para las experiencias realizadas a bajas velocidades de aire (< 6 m/s). Es decir, a
altas velocidades de aire, y por tanto menores niveles de energía acústica, la
influencia de los ultrasonidos en la cinética de secado de estos productos fue
despreciable. Sin embargo, en las experiencias de secado de corteza de limón, la
aplicación de ultrasonidos de potencia aumentó de forma significativa (p<0.05) los
valores de difusividad efectiva tanto a bajas como altas velocidades de aire. La
mayor sensibilidad de la corteza de limón a los efectos de los ultrasonidos
posiblemente esté determinada por su estructura.
Una de las propiedades estructurales que puede tener mayor importancia en
los efectos de los ultrasonidos es la porosidad de los materiales. Los productos de
mayor porosidad pueden ser más sensibles a los ciclos de compresión y
descompresión producidos por las ondas ultrasónicas, facilitando el movimiento
del agua por sus grandes espacios intercelulares. En productos de baja porosidad,
los espacios intercelulares son de menor tamaño y, por tanto, presentan una
mayor resistencia al movimiento del agua, necesitando mayores niveles de
energía acústica para afectar a dicha resistencia.
La influencia de la porosidad también puede explicarse por el hecho de que,
en los productos más porosos, la absorción de energía acústica por el material
sería mayor. De esta manera, aumentaría la energía disponible en el interior del
material produciendo compresiones y descompresiones más intensas (efecto
esponja) que favorecerían la salida del agua y por tanto, la disminución de la
resistencia interna. De igual manera, los efectos de los ultrasonidos en las
interfases sólido-gas de los materiales porosos serían más intensos al presentar
una mayor red interna de espacios intercelulares, lo que también reduciría la
resistencia interna a la transferencia de materia. En este sentido, se comprueba
que la corteza de limón al presentar una mayor porosidad que la zanahoria y el
caqui es más sensible al efecto de los ultrasonidos.
Los modelos difusionales en los que no se consideró la resistencia externa a
la transferencia de materia (SRE) no ajustaron de forma adecuada las
experiencias de secado realizadas a bajas velocidades de aire. Es por esto que se
plantearon otros modelos difusionales, en función de la geometría de las
partículas, considerando la resistencia externa a la transferencia de materia
(modelo RE). Estos modelos fueron resueltos mediante un método implícito de
diferencias finitas utilizando el lenguaje de programación disponible en Matlab. Los
modelos RE proporcionaron porcentajes de varianza explicada superiores al 99 %
y errores medios relativos inferiores al 10 % en todos los casos.
Los valores de difusividad efectiva (De) y el coeficiente de transferencia de
materia (k) identificados con el modelo RE en el secado de caqui fueron
significativamente (p<0.05) más elevados en las experiencias US (75 W, 21.7 kHz)
realizadas a velocidades de aire inferiores a 6 m/s que en las experiencias SUS a
la misma velocidad. Por lo tanto, cuando se utilizaron velocidades de aire bajas, la
aplicación de ultrasonidos de potencia influyó de forma significativa tanto en la
resistencia interna como externa a la transferencia de materia.
La influencia de la temperatura del aire en el secado acústico fue evaluada a
partir de experiencias SUS y US (75 W, 21.7 kHz) de secado de cubos de
zanahoria (8.5 mm de lado) realizadas a 30, 40, 50, 60 y 70 ºC y 1 m/s. La
aplicación de ultrasonidos de potencia aumentó de forma significativa (p<0.05) los
valores de De y k para las experiencias realizadas a temperaturas inferiores a 60
ºC. A medida que la temperatura aumentó la influencia de los ultrasonidos fue
disminuyendo y desapareció en las experiencias de 70 ºC. Los valores de
difusividad efectiva identificados en las experiencias US no se ajustaron bien a la
ecuación de Arrhenius. Los valores de difusividad efectiva identificados a altas
temperaturas (60-70 ºC) no siguieron la relación lineal mostrada por los valores
obtenidos a bajas temperaturas (30, 40 y 50 ºC).
Otro de los parámetros cuya influencia en el secado acústico se evaluó fue
la densidad de carga másica. Con tal objetivo, se realizaron experiencias SUS y
US (75 W, 21.7 kHz) de secado de cubos de zanahoria (8.5 mm de lado) a 11
niveles diferentes de densidades de carga: 12, 24, 36, 42, 48, 60, 72, 84, 96, 108 y
120 kg/m3 (1 m/s y 40 ºC). La densidad de carga influyó de forma significativa
(p<0.05) en la cinética del proceso. Así, la velocidad de secado disminuyó a
medida que aumentó la carga de partículas presente en la cámara de secado. A
partir de las modelizaciones realizadas con el modelo RE, se pudo identificar que
la densidad de carga no influyó en la De, pero sí en el coeficiente de transferencia
de materia (k). El incremento de partículas en las bandejas de la cámara de
secado pudo dificultar el flujo de aire alrededor de las partículas, incrementando la
resistencia externa y, por tanto, disminuyendo k.
La aplicación de ultrasonidos de potencia aumentó de forma significativa
(p<0.05) tanto k como De en todo el rango de densidades de carga evaluado,
aunque las diferencias dejaron de ser estadísticamente significativas (p<0.05) a
densidades de carga superiores a 90 kg/m3. Este hecho puede ser consecuencia
de la disminución de la cantidad de energía ultrasónica que le llega a cada
partícula por el aumento de la masa presente en la cámara de secado.
El último de los parámetros evaluado para determinar su influencia en el
secado convectivo asistido por ultrasonidos fue el nivel de potencia ultrasónica
aplicada. Se realizaron experiencias de secado de cubos de zanahoria (8.5 mm de
lado) y láminas de corteza de limón (7 mm de espesor) a 40 ºC y 1 m/s variando el
nivel de potencia aplicado: 0, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80 y 90 W. A partir de
estas cinéticas se encontró una influencia significativa (p<0.05) del nivel de
potencia aplicado en el secado de estos productos. Así, en el caso de la corteza
de limón se estableció una relación lineal entre De o k y la potencia aplicada, válida
para todo el rango evaluado. Sin embargo, en el caso de la zanahoria, los efectos
de los ultrasonidos no aparecieron hasta que la potencia superó un umbral
comprendido entre 20 y 30 W. A partir de este umbral, se identificó también una
relación lineal entre De ó k y la potencia aplicada. En este caso la pendiente de
estas rectas fue del orden de diez veces menor que para la corteza de limón. Es
decir, los efectos de los ultrasonidos fueron más intensos en la corteza de limón
(porosidad 0.4) que en un producto de menor porosidad como es la zanahoria
(0.04). Por lo tanto, de nuevo se puso de manifiesto la importancia de la materia
prima en la influencia de los ultrasonidos en el secado convectivo.
El modelo empírico de Weibull se utilizó como complemento a los modelos
difusionales SRE y RE para la modelización de los diferentes tipos de experiencias
de secado realizadas en este trabajo. El modelo de Weibull describió de forma
adecuada las cinéticas de secado de los diferentes productos, proporcionando
porcentajes de varianza explicada similares a los del modelo RE y muy superiores
a los del modelo SRE. Además, a partir del análisis de sus parámetros (a y ß) se
obtuvo una información similar a la que proporcionaron los modelos difusivos para
evaluar la influencia de los ultrasonidos de potencia en el secado convectivo.
En vistas a un posible uso de los ultrasonidos de potencia en la liofilización a
presión atmosférica se abordó esta técnica de secado. La liofilización a presión
atmosférica presenta una baja velocidad de secado al utilizar temperaturas por
debajo del punto de congelación de los alimentos. La aplicación de ultrasonidos en
estas condiciones podría resultar muy interesante, pues aumentaría la velocidad
de secado sin incrementar de forma significativa la temperatura del material. Por lo
tanto, estos aspectos justificarían el estudio de la aplicación de la tecnología
ultrasónica en este proceso. Como paso previo, se consideró oportuno evaluar la
influencia de la liofilización a presión atmosférica en los parámetros de calidad de
un producto de elevado valor añadido como es el bacalao. Así se realizaron
experiencias de secado en lecho móvil de bacalao granulado y cortado en cubos
(5 mm) a diferentes temperaturas (-10, -5, 0, 15 y 30 ºC) utilizando un secadero
provisto de bomba de calor. También se realizaron experiencias combinando
temperaturas, es decir, utilizando temperaturas por debajo del punto de
congelación (-5 y -10 ºC) cuando la humedad es elevada y, a partir de contenidos
de humedad inferiores a 0.4 kg w/kg producto, una temperatura elevada (30 ºC).
Las cinéticas de secado de los cubos de bacalao se modelizaron con un modelo
difusional SRE y con el modelo de Weibull. A partir de los valores de difusividad
efectiva identificados se estimaron valores de energía de activación, muy
diferentes para las experiencias realizadas a bajas (-10 y -5 ºC, 71.1 kJ/mol) y las
realizadas a altas temperaturas (15 y 30 ºC, 30.7 kJ/mol). Las muestras secadas a
temperaturas por debajo del punto de congelación presentaron mejores índices de
calidad caracterizados por una mayor luminosidad, menor encogimiento, menor
densidad aparente y mayor capacidad de rehidratación que las muestras secadas
con aire caliente (15 y 30 ºC). Mientras, las secadas a 0 ºC presentaron unos
parámetros de calidad intermedios. La combinación de temperaturas incrementó
de forma apreciable la velocidad de secado respecto a las experiencias de
liofilización y no influyó de forma apreciable en la calidad del producto.
La aplicación de ultrasonidos de potencia podría incrementar la velocidad de
los procesos de transferencia de materia en condiciones de liofilización a presión
atmosférica sin producir un aumento significativo de la temperatura del producto, y
por tanto, sin afectar a su calidad. A partir de los resultados obtenidos en este
trabajo, se podría esperar un incremento de la difusividad efectiva del 55 % por la
aplicación de ultrasonidos de potencia. Este incremento supondría una reducción
de 45000 s (12.5 horas) en el tiempo necesario para alcanzar un contenido de
humedad de 0.15 kg w/kg producto en las experiencias realizadas a -10 ºC.