RESUM
L'assecatge convectiu d'aliments presenta encara algunes limitacions que en
dificulten l’aplicació en camps específics. Entre aquestes es troba la baixa velocitat
d'assecatge i la pèrdua de qualitat del producte. Algunes d'aquestes limitacions
poden salvar-se amb la introducció de noves tecnologies usades com a fonts
addicionals d'energia. Entre d’altres, destaquen els ultrasons de potència, que
poden influir en la velocitat d'assecatge sense produir un augment significatiu de la
temperatura del material. Això n’afavoreix l’aplicació a l'assecatge de materials
sensibles a la calor o en processos d'assecatge realitzats a baixes temperatures,
com per exemple la liofilització a pressió atmosfèrica.
Els ultrasons de potència s'han aplicat amb l'objectiu d'influir en la
transferència de matèria en sistemes sòlid-líquid, com la saladura de carn i
formatge, la deshidratació osmòtica de fruites i diversos processos d'extracció. En
canvi, les aplicacions d'ultrasons de potència en sistemes sòlid-gas, com és el cas
de l'assecatge convectiu, són menys freqüents a causa d'algunes limitacions que
dificulten enormement el desenvolupament d'aquesta tecnologia. Entre d’altres,
destaca la diferència d’impedàncies entre els sistemes d'aplicació d'ultrasons i
l'aire, que dificulta la transmissió de les ones, i l'elevada absorció d'energia
acústica de l'aire. Aquestes limitacions poden superar-se a partir d’un disseny
adequat del sistema d'aplicació d'ultrasons.
Hi ha una sèrie d'efectes associats a l'aplicació d'ultrasons de potència que
poden influir en els processos de transferència de matèria que tenen lloc durant
l'assecatge convectiu. D'una banda, la resistència externa a la transferència de
matèria pot ser afectada per les velocitats oscil·lants, els microcorrents i les
variacions de pressió que produeixen els ultrasons en les interfícies sòlid-gas.
D'altra banda, la resistència interna pot disminuir pels cicles de compressió i
descompressió que produeixen els ultrasons en els materials (efecte esponja), i
pels efectes en les interfícies dels espais intercel·lulars i, fins i tot, per la cavitació,
que pot ajudar a eliminar l'aigua més fortament retinguda.
El principal objectiu d'aquest treball ha sigut determinar l'efecte dels
ultrasons de potència en processos d'assecatge convectiu establint la influència de
les principals variables del procés.
Per a la consecució d'aquest objectiu es va pretendre dissenyar un nou
sistema d'aplicació d'ultrasons que aconseguira una transmissió adequada
d'energia ultrasònica al medi. El disseny es va basar en la idea d'aconseguir que
foren les mateixes parets de la cambra d'assecatge les encarregades de radiar
l'energia ultrasònica, és a dir, que la cambra d'assecatge fóra l'element vibrant i
que transmetera l'energia a les partícules que hi havia a l’interior. La construcció
del sistema es va realitzar a partir dels càlculs de disseny realitzats en 2
dimensions per elements finits utilitzant el codi ANSYS. Així, es va desenvolupar
un transductor consistent en un cilindre d'alumini (120 mm de diàmetre extern, 10
mm de gruix i una longitud de 310 mm) vibrant a flexió, excitat per un vibrador
compost per un transductor tipus sandvitx i un amplificador mecànic. Abans del
muntatge a l'assecador, el sistema d’aplicació ultrasònic va ser caracteritzat amb
un pont d’impedàncies i, a més, subministrant-li una potència elèctrica de 90 W
(freqüència 21.8 kHz, voltatge 60 V, intensitat 1.55 A, desfasament 4º i impedància
329 O). També es va estudiar l'estructura del camp acústic generat a l'interior de la
cambra d'assecatge, i es va determinar un valor mitjà de pressió sonora de 154.3
dB quan es va aplicar una potència elèctrica de 75 W. Aquest valor es va
aproximar molt al valor predit a partir de la modelització amb elements finits (156.3
dB).
Per a la instal·lació del sistema d’aplicació d’ultrasons de potència es va
modificar un assecador convectiu tradicional. En l'adaptació, es van aconseguir
tant unes condicions de treball adequades per al sistema d’aplicació d’ultrasons
com mantenir el procés de pesada automàtic que hi havia a l'assecador
tradicional.
Es van realitzar experiències d'assecatge de diferents productes: carlota,
albercoc, caqui i corfa de llima. Les isotermes de sorció d'aquests productes es
van obtenir de la bibliografia excepte per al cas de la corfa de llima, ja que no se’n
van trobar referències bibliogràfiques. Per aquest motiu, es van determinar
experimentalment les isotermes de sorció a diferents temperatures (20, 30, 40 i
50ºC) de la corfa de llima, utilitzant higròmetres elèctrics.
El model de GAB fou el que millor va descriure les dades de sorció
experimentals de la corfa de llima. D'altra banda, es va identificar la influència de
la temperatura en la isoterma. La calor isostèrica de sorció va ser determinada a
partir de l'equació de Clausius-Clapeyron, mitjançant els mètodes de càlcul
diferencial i integral i també usant l'equació de Riedel. Els valors estimats de la
calor isostèrica amb els diferents mètodes van ser semblants.
L'aplicació d'ultrasons de potència no va produir cap influència en les
cinètiques d'assecatge en llit fluïditzat de cubs de carlota (8.5 mm de costat) i
vuitens d'albercoc realitzades a diferents temperatures (30, 35, 40, 45, 50, 55 i
60ºC) i velocitats de l'aire entre 10 i 14 m/s. Els valors d'energia d'activació
obtinguts per a aquests productes van ser semblants a d’altres que es mostren en
la bibliografia i no es van trobar diferències significatives entre els obtinguts per a
les experiències amb l’aplicació d’ultrasons de potència (US, 75 W, 21.7 kHz) i
sense aquesta aplicació (SUS).
Atesos aquests resultats i a fi d'establir la causa per la qual no es trobaven
diferències amb l'aplicació d'ultrasons es va avaluar la influència de la velocitat de
l'aire en el camp acústic generat a l'interior de la cambra d'assecatge. Així, es va
identificar un descens del nivell mitjà de pressió sonora amb l'augment de la
velocitat de l'aire. A partir de 8 m/s aquest valor es va mantenir constant. Per tant,
l'augment de la velocitat de l'aire va suposar un descens de l'energia acústica
disponible per a les partícules.
D'altra banda, es van realitzar experiències d'assecatge amb diferents
productes (carlota, caqui i corfa de llima) i geometries (cubs, cilindres i discos) a
velocitats de l’aire entre 0.5 i 14 m/s. La velocitat de l'aire va influir en les
cinètiques SUS dels diversos productes fins a una velocitat de l’aire pròxima a 5
m/s. Aquest valor es va establir a partir dels valors de difusivitat efectiva
identificats amb un model difusional sense considerar la resistència externa a la
transferència de matèria (SRE). L'aplicació d'ultrasons de potència (75 W, 21.7
kHz) va augmentar els valors de difusivitat efectiva (De) identificats amb el model
SRE en l'assecatge de carlota i caqui únicament per a les experiències realitzades
a baixes velocitats de l’aire (< 6 m/s). És a dir, a altes velocitats de l’aire i, per tant,
menors nivells d'energia acústica, la influència dels ultrasons en la cinètica
d'assecatge d'aquests productes va ser negligible. No obstant això, en les
experiències d'assecatge de corfa de llima, l'aplicació d'ultrasons de potència va
augmentar de forma significativa (p<0.05) els valors de difusivitat efectiva tant a
baixes com a altes velocitats de l’aire. La major sensibilitat de la corfa de llima als
efectes dels ultrasons possiblement ve determinada per l’estructura que presenta.
Una de les propietats estructurals que pot tenir major importància en els
efectes dels ultrasons és la porositat dels materials. Els productes de major
porositat poden ser més sensibles als cicles de compressió i descompressió
produïts per les ones ultrasòniques, en facilitar el moviment de l'aigua dins dels
grans espais intercel·lulars. En productes de baixa porositat, els espais
intercel·lulars són de menors dimensions i, per tant, presenten una major
resistència al moviment de l'aigua, de manera que es necessiten majors nivells
d'energia acústica perquè aquesta resistència s’hi veja afectada.
La influència de la porositat també pot explicar-se pel fet que, en els
productes més porosos, l'absorció d'energia acústica pel material seria major.
D'aquesta manera, augmentaria l'energia disponible a l'interior del material i es
produirien compressions i descompressions més intenses (efecte esponja) que
afavoririen l'eixida de l'aigua i, per tant, la disminució de la resistència interna. De
la mateixa manera, els efectes dels ultrasons en les interfícies sòlid-gas dels
materials porosos serien més intensos, en presentar una major xarxa interna
d'espais intercel·lulars, la qual cosa també reduiria la resistència interna a la
transferència de matèria. En aquest sentit, es comprova que la corfa de llima, pel
fet de presentar una major porositat que la carlota i el caqui, és més sensible a
l'efecte dels ultrasons.
Els models difusionals en què no es va considerar la resistència externa a la
transferència de matèria (SRE) no van ajustar de forma adequada les experiències
d'assecatge realitzades a velocitats de l’aire baixes. És per això que es van
plantejar altres models difusionals, en funció de la geometria de les partícules, i
considerant la resistència externa a la transferència de matèria (model RE).
Aquests models es van resoldre mitjançant un mètode implícit de diferències
finites utilitzant el llenguatge de programació disponible en Matlab. Els models RE
van proporcionar percentatges de variància explicada superiors al 99 % i errors
mitjans relatius inferiors al 10 % en tots els casos.
Els valors de difusivitat efectiva (De) i el coeficient de transferència de
matèria (k) identificats amb el model RE en l'assecatge de caqui van ser
significativament (p<0.05) més elevats en les experiències US (75 W, 21.7 kHz)
realitzades a velocitats de l’aire inferiors a 6 m/s que en les experiències SUS a la
mateixa velocitat. Per tant, quan es van utilitzar velocitats de l’aire baixes,
l'aplicació d'ultrasons de potència va influir de forma significativa tant en la
resistència interna a la transferència de matèria com en l’externa.
La influència de la temperatura de l'aire en l'assecatge acústic va ser
avaluada a partir d'experiències SUS i US (75 W, 21.7 kHz) d'assecatge de cubs
de carlota (8.5 mm de costat) realitzades a 30, 40, 50, 60 i 70ºC i 1 m/s. L'aplicació
d'ultrasons de potència va augmentar de forma significativa (p<0.05) els valors de
De i k per a les experiències realitzades a temperatures inferiors a 60ºC. A mesura
que la temperatura va augmentar, la influència dels ultrasons va disminuir, fins a
desaparèixer en les experiències de 70ºC. Els valors de difusivitat efectiva
identificats en les experiències US no es van ajustar bé a l'equació d'Arrhenius. Els
valors de difusivitat efectiva identificats a altes temperatures (60-70ºC) no van
seguir la relació lineal mostrada pels valors obtinguts a baixes temperatures (30,
40 i 50ºC).
Un altre dels paràmetres avaluats va ser la densitat de càrrega màssica. Per
aquest motiu, es van realitzar experiències SUS i US (75 W, 21.7 kHz) d'assecatge
de cubs de carlota (8.5 mm de costat) a 11 nivells diferents de densitats de
càrrega: 12, 24, 36, 42, 48, 60, 72, 84, 96, 108 i 120 kg/m3 (1 m/s i 40ºC). La
densitat de càrrega va influir de forma significativa (p<0.05) en la cinètica del
procés. Així, la velocitat d'assecatge va disminuir a mesura que va augmentar la
càrrega de partícules a la cambra d'assecatge. A partir de les modelitzacions
realitzades amb el model RE, es va poder observar que la densitat de càrrega no
va influir en la De, però sí en el coeficient de transferència de matèria (k).
L’increment de partícules a les safates de la cambra d'assecatge va dificultar el
flux d'aire al voltant de les partícules, va incrementar la resistència externa i, per
tant, va fer disminuir k.
L'aplicació d'ultrasons de potència va augmentar de forma significativa
(p<0.05) tant k com De en tot el rang de densitats de càrrega avaluat, encara que
les diferències van deixar de ser estadísticament significatives (p<0.05) a densitats
de càrrega superiors a 90 kg/m3. Aquest fet pot ser conseqüència de la disminució
de la quantitat d'energia ultrasònica que arriba a cada partícula per l'augment de la
massa present a la cambra d'assecatge.
L'últim dels paràmetres avaluats per a determinar quina influència tenen en
l'assecatge convectiu assistit per ultrasons va ser el nivell de potència acústica
aplicat. Es van realitzar experiències d'assecatge de cubs de carlota (8.5 mm de
costat) i làmines de corfa de llima (7 mm de gruix) a 40ºC i 1 m/s variant el nivell
de potència ultrasònica aplicat: 0, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80 i 90 W. A partir
d'aquestes cinètiques es va trobar una influència significativa (p<0.05) del nivell de
potència aplicat en l'assecatge d'aquests productes. Així, en el cas de la corfa de
llima es va establir una relació lineal entre De i k i la potència ultrasònica aplicada,
vàlida per a tot el rang avaluat. No obstant això, en el cas de la carlota, els efectes
dels ultrasons no van aparèixer fins que la potència va superar un valor comprès
entre 20 i 30 W. A partir d'aquest valor, es va identificar també una relació lineal
entre De o k i la potència aplicada. En aquest cas, el pendent de les dues rectes va
ser prop de deu vegades menor que per a la corfa de llima. És a dir, els efectes
dels ultrasons van ser més intensos en la corfa de llima (porositat 0.4) que en un
producte de menor porositat com és la carlota (porositat 0.04). Per tant, de nou es
va posar de manifest la importància de la matèria primera en la influència dels
ultrasons en l'assecatge convectiu.
El model empíric de Weibull es va utilitzar com a complement dels models
difusionals SRE i RE per a la modelizació dels diferents tipus d'experiències
d'assecatge realitzades en aquest treball. El model de Weibull va descriure de
forma adequada les cinètiques d'assecatge dels diferents productes, i va
proporcionar percentatges de variància explicada semblants als del model RE i
molt superiors als del model SRE. A més, a partir de l'anàlisi dels seus paràmetres
(a i ß) es va obtenir una informació semblant a la que van proporcionar els models
difusius per a avaluar la influència dels ultrasons de potència en l'assecatge
convectiu.
Pensant en un possible ús dels ultrasons de potència en la liofilització a
pressió atmosfèrica es va abordar aquesta tècnica d'assecatge. La liofilització a
pressió atmosfèrica presenta una baixa velocitat d'assecatge perquè s’utilitzen
temperatures per sota del punt de congelació dels aliments. L'aplicació d'ultrasons
en aquestes condicions podria resultar molt interessant, perquè faria augmentar la
velocitat d'assecatge sense incrementar de forma significativa la temperatura del
material. Per tant, aquests aspectes justificarien l'estudi de l'aplicació de la
tecnologia ultrasònica en aquest procés. Com a pas previ, es va considerar oportú
avaluar la influència de la liofilització a pressió atmosfèrica en els paràmetres de
qualitat d'un producte de valor afegit elevat, com és l'abadejo. Així, es van realitzar
experiències d'assecatge en llit mòbil d'abadejo granulat i tallat en cubs (5 mm) a
diferents temperatures (-10, -5, 0, 15 i 30ºC) utilitzant un assecador proveït de
bomba de calor. També es van realitzar experiències combinant temperatures, és
a dir, utilitzant temperatures per sota del punt de congelació (-5 i -10ºC) quan la
humitat és elevada, i, a partir de continguts d'humitat inferiors a 0.4 kg w/kg
producte, una temperatura elevada (30ºC). Les cinètiques d'assecatge dels cubs
d'abadejo es van modelizar amb un model difusional SRE i amb el model de
Weibull. A partir dels valors de difusivitat efectiva identificats es van estimar valors
d'energia d'activació, molt diferents per a les experiències realitzades a baixes
temperatures (-10 i -5ºC, 71.1 kJ/mol) i per a les realitzades a temperatures
elevades (15 i 30ºC, 30.7 kJ/mol). Les mostres assecades a temperatures per sota
del punt de congelació van presentar uns millors índexs de qualitat, caracteritzats
per una major lluminositat, un menor encongiment, una menor densitat aparent i
una capacitat de rehidratació major que les mostres assecades amb aire calent
(15 i 30ºC), mentre que les assecades a 0ºC van presentar uns paràmetres de
qualitat intermedis. La combinació de temperatures va incrementar de forma
apreciable la velocitat d'assecatge respecte a les experiències de liofilització i no
va influir de forma significativa en la qualitat del producte.
L'aplicació d'ultrasons de potència incrementaria la velocitat dels processos
de transferència de matèria en condicions de liofilització a pressió atmosfèrica
sense produir un augment significatiu de la temperatura del producte, i per tant,
sense afectar-ne la qualitat. A partir dels resultats obtinguts en aquest treball,
caldria esperar un increment de la difusividad efectiva del 55 % per l'aplicació
d'ultrasons de potència. Aquest increment repercutiria en una reducció de 45000 s
(12.5 hores) en el temps necessari per a aconseguir un contingut d'humitat de 0.15
kg w/kg producte en les experiències realitzades a -10ºC.