El avance tecnológico en los procesos de deshidratación ha llevado al estudio de técnicas para la obtención de productos de calidad que al mismo tiempo contribuyan con la reducción del consumo energético a través del mejoramiento de la eficiencia de los procesos y equipos. Uno de los procesos donde se persiguen tales intereses es el secado por aire caliente ya que, además de ocupar un importante lugar en la transformación de productos agroalimentarios y en los sistemas de tratamiento poscosecha, es una de las actividades industriales que supone mayor consumo energético. En tal sentido, la tecnología del secado intermitente ha sido empleada con el fin de disminuir el tiempo de calentamiento, preservar la calidad y minimizar el consumo energético en el secado de materiales sensibles al calor y donde la cinética está controlada por mecanismos de transferencia internos.

El término intermitente agrupa aquellas tecnologías de secado que emplean condiciones de operación que varían durante el procesamiento. En el caso del secado por suministro periódico de energía térmica, la intermitencia se incluye mediante periodos consecutivos de calentamiento y reposo. Las ventajas que presenta este tipo de secado intermitente, respecto al secado donde el suministro de energía térmica es continuo, dependen de las condiciones, número y duración de los periodos de reposo. Durante el reposo aumenta la disponibilidad de agua cerca de la superficie del producto, con el consiguiente aumento de la velocidad de secado y la disminución del calentamiento del material, cuando el producto es calentado nuevamente. La aplicación de los periodos de reposo reduce el tiempo de calentamiento necesario para alcanzar un contenido de humedad deseado, disminuyendo así los requerimientos de energía y el tiempo de exposición del producto al efecto de la temperatura.

El objetivo del presente trabajo fue contribuir al estudio y optimización del secado intermitente a partir de su aplicación en mango, con el fin de mejorar la eficiencia energética del proceso mediante el suministro periódico de energía térmica.

El estudio fue desarrollado en una de las variedades más comerciales de mango (Mangifera indica L. var. Tommy Atkins), un producto agrícola de gran importancia económica a nivel mundial. Igualmente, porque los productos procesados a partir de esta fruta tropical, además de ser una alternativa para el aprovechamiento de los excedentes de producción y para la diversificación de la oferta de productos con valor agregado, han mostrado gran aceptabilidad en el mercado por sus propiedades nutricionales y características exóticas.

Para el estudio y optimización del secado intermitente de mango fue necesario el desarrollo previo y validación de un modelo que representara adecuadamente los fenómenos físicos que gobiernan el proceso. También fue necesaria la formulación de una función objetivo que permitiera optimizar tanto la eficiencia energética del proceso como la calidad del producto. 

Con el fin de especificar el modelo del proceso, fueron analizados los fenómenos de transferencia de materia y calor en un sistema con geometría cúbica. La formulación del modelo fue realizada considerando que el material era homogéneo e isótropo; que el efecto de la contracción sobre los procesos de transferencia era despreciable; que las propiedades de transporte (difusividad efectiva y conductividad térmica) eran funciones de los valores locales de humedad y temperatura; y que las resistencias externas a la transferencia de materia y calor no eran despreciables.

Para completar la formulación del modelo del proceso, fueron consideradas ecuaciones para la estimación de las propiedades físicas del producto y del aire. Las ecuaciones para estimar la conductividad térmica, el calor específico y las isotermas de sorción fueron definidas a partir de información experimental debido a la ausencia de información bibliográfica para estas propiedades en la variedad “Tommy Atkins”, y a la limitada información disponible para variedades similares respecto a las condiciones experimentales empleadas en este estudio. 

La conductividad térmica de la pulpa de mango fue determinada a temperaturas entre 20 y 80 ºC y contenidos de humedad entre 1.1 y 9 kg kg-1 (b.s.) mediante el método de la celda. La conductividad térmica de la pulpa de mango presentó una mayor dependencia con el contenido de humedad que con la temperatura, un comportamiento usual en alimentos con alto contenido de agua.

El calor específico de la materia seca del mango fue determinado a temperaturas entre 20 y 70 ºC mediante calorimetría diferencial de barrido (DSC). El calor específico de la materia seca del mango presentó una mayor dependencia con la temperatura entre 20 y 50 ºC.

Las isotermas de sorción de la pulpa de mango fueron determinadas a temperaturas entre 10 y 50 ºC empleando higrómetros eléctricos. El modelo de GAB se consideró como el más adecuado para representar la influencia de la actividad de agua y la temperatura sobre el contenido de humedad de equilibrio de la pulpa de mango 
(VAR = 99.6 %, RMSE = 0.057). Las isotermas y el calor isostérico de sorción de la pulpa de mango mostraron un comportamiento acorde al de los materiales agroalimentarios y similar al reportado para pulpa de mango de otras variedades.

El modelo del proceso fue ajustado con cinéticas de experiencias de secado continuo e intermitente a temperaturas de calentamiento entre 45 y 65 ºC, y una velocidad de aire de 4 m s-1, con el propósito de identificar la difusividad efectiva, la cual fue definida como una función exponencial de tres parámetros en términos de la humedad y la temperatura. El ajuste se realizó minimizando la diferencia entre los datos experimentales y estimados para el contenido de humedad promedio y para la temperatura en el centro de las muestras, y considerando de forma simultánea la información experimental de procesos a diferentes condiciones. El modelo fue posteriormente validado a diferentes condiciones de operación mediante experiencias de secado intermitente, diferentes a las empleadas en el ajuste de los parámetros, a temperaturas de calentamiento entre 45 y 70 ºC, velocidades de aire de 2, 3 y 4 m s-1 y un ciclo de intermitencia.

Tras haber considerado que los parámetros de la difusividad efectiva dependían únicamente de las características del material, estos fueron identificados mediante el ajuste del modelo del proceso a las cinéticas de secado. De este modo, el procedimiento de identificación planteado supuso que los parámetros del modelo de la difusividad efectiva fueran independientes de las condiciones experimentales de las experiencias empleadas en el ajuste. A contenidos de humedad entre 9 y 0.03 kg kg-1 (b.s.), el valor de la difusividad efectiva del mango varía entre 6.14×10-11 y 1.86×10-10 m2 s-1 a 10 ºC, y entre 1.35×10-9 y 3.37×10-9 m2 s-1 a 70 ºC, respectivamente. Los valores de la difusividad efectiva, identificada mediante el modelo considerado, estuvieron dentro del rango de valores esperados para el secado de materiales alimentarios y son similares a los obtenidos por otros autores en la modelización de cinéticas de secado de láminas de mango de diferentes variedades. En el modelo de la difusividad efectiva, la energía de activación fue el término que incluyó la dependencia del contenido de humedad. Los valores de energía de activación abarcaron un rango entre 39 y 41.6 kJ mol-1 a contenidos de humedad entre 9 y 0.03 kg kg-1 (b.s.), respectivamente, presentando mayor variación con la humedad por debajo de 1 kg kg-1 (b.s.). 

El modelo del proceso correlacionó satisfactoriamente los valores estimados y los datos experimentales para la humedad 
(VAR > 99.7 %, RMSE < 0.453) y la temperatura (VAR > 91.1 %, RMSE < 5.87) tanto para los conjuntos de datos empleados en la identificación paramétrica como para aquellos usados en la validación del modelo.

El problema de optimización del proceso de secado intermitente fue definido como la búsqueda de los tiempos de duración de cada periodo de calentamiento y reposo, que minimizaran una función objetivo definida a partir de la ganancia entálpica del producto. El problema de optimización fue resuelto, utilizando el modelo del proceso previamente ajustado y validado, en procesos de secado intermitente de uno a tres ciclos, a temperaturas de calentamiento de 50, 60 y 70 ºC, y velocidades de 2, 3 y 4 m s-1.

En el desarrollo de los algoritmos para el ajuste del modelo del proceso a los datos experimentales y la resolución de los problemas de optimización fue empleada la herramienta Matlab® R2007b, la cual fue utilizada junto con COMSOL Multiphysics® 3.4 para resolver las ecuaciones en derivadas parciales que definen el modelo del proceso mediante el método de elementos finitos.

Según los resultados optimizados, la aplicación y optimización del secado intermitente de mango permitió una disminución, respecto al proceso de secado continuo, entre el 13.4 % y el 20.1 % para la ganancia entálpica media, y entre el 2.8 % y el 8.6 % para el tiempo de calentamiento, de acuerdo a las temperaturas de calentamiento y el número de ciclos considerados. El efecto del secado intermitente hace que la ganancia entálpica y el tiempo de calentamiento sean equivalentes a procesos de secado continuo desarrollados a menores temperaturas o velocidades. 

La aplicación y optimización del secado intermitente de mango, además de aumentar la eficiencia energética del proceso, podría mejorar la calidad del producto mediante la disminución de la ganancia entálpica, la temperatura superficial y el tiempo de exposición del producto al tratamiento térmico. Igualmente, podría ser conveniente para reducir problemas de calidad relacionados con cambios en la superficie del producto, ya que el secado intermitente reduce la temperatura superficial así como el tiempo de calentamiento necesario para alcanzar un contenido de humedad final deseado.