Secado de sólidos

El secado es un proceso de transferencia de masa que consiste en la eliminación de agua u otro solvente por evaporación de un sólido, semisólido o líquido. Este proceso a menudo se usa como un paso final de producción antes de vender o empacar productos. Para ser considerado "seco", el producto final debe ser sólido, en forma de hoja continua (p. ej., papel), piezas largas (p. ej., madera), partículas (p. ej., granos de cereal o copos de maíz) o polvo (p. ej., arena, sal, detergente en polvo, leche en polvo). A menudo están involucrados una fuente de calor y un agente para eliminar el vapor producido por el proceso. En bioproductos como alimentos, granos y productos farmacéuticos como vacunas, el solvente a eliminar es casi invariablemente agua. La desecación puede ser sinónimo de secado o considerarse una forma extrema de secado.

En el caso más común, una corriente de gas, por ejemplo, aire, aplica el calor por convección y se lleva el vapor en forma de humedad. Otras posibilidades son el secado al vacío, donde el calor se suministra por conducción o radiación (o microondas), mientras que el vapor así producido es eliminado por el sistema de vacío. Otra técnica indirecta es el secado en tambor (utilizado, por ejemplo, para fabricar copos de patata), en el que se utiliza una superficie calentada para proporcionar la energía y los aspiradores extraen el vapor fuera de la habitación. Por el contrario, la extracción mecánica del disolvente, por ejemplo, agua, por filtración o centrifugación, no se considera "secado" sino más bien "drenado".

Mecanismo de secado

En algunos productos que tienen un contenido de humedad inicial relativamente alto, se puede observar una reducción lineal inicial del contenido de humedad promedio del producto en función del tiempo durante un tiempo limitado, a menudo conocido como "período de tasa de secado constante". Por lo general, en este período, lo que se elimina es la humedad superficial fuera de las partículas individuales. La tasa de secado durante este período depende principalmente de la tasa de transferencia de calor al material que se está secando. Por lo tanto, se considera que la tasa de secado máxima alcanzable está limitada por la transferencia de calor. Si se continúa con el secado, la pendiente de la curva, la tasa de secado, se vuelve menos pronunciada (período de tasa decreciente) y eventualmente tiende a volverse casi horizontal en tiempos muy largos. El contenido de humedad del producto es entonces constante en el "contenido de humedad de equilibrio", donde es, en la práctica, en equilibrio con el medio deshidratante. En el período de tasa decreciente, la migración de agua desde el interior del producto hacia la superficie se produce principalmente por difusión molecular, es decir, el flujo de agua es proporcional al gradiente de contenido de humedad. Esto significa que el agua se mueve de zonas con mayor contenido de humedad a zonas con valores más bajos, fenómeno explicado por la segunda ley de la termodinámica. Si la eliminación de agua es considerable, los productos suelen contraerse y deformarse, excepto en un proceso de liofilización bien diseñado. La tasa de secado en el período de tasa decreciente está controlada por la tasa de eliminación de humedad o disolvente del interior del sólido que se está secando y se denomina "transferencia de masa limitada". Esto se nota ampliamente en productos higroscópicos como frutas y verduras,

Métodos de secado

Los siguientes son algunos métodos generales de secado:

• Aplicación de aire caliente (secado convectivo o directo). El calentamiento del aire aumenta la fuerza de secado para la transferencia de calor y acelera el secado. También reduce la humedad relativa del aire, aumentando aún más la fuerza motriz para el secado. En el período de velocidad decreciente, a medida que disminuye el contenido de humedad, los sólidos se calientan y las temperaturas más altas aceleran la difusión del agua desde el interior del sólido hacia la superficie. Sin embargo, las consideraciones de calidad del producto limitan el aumento aplicable de la temperatura del aire. El aire excesivamente caliente puede deshidratar casi por completo la superficie sólida, de modo que sus poros se encojan y casi se cierren, lo que lleva a la formación de costras o "endurecimiento de la superficie", lo que generalmente no es deseable. Por ejemplo, en el secado de madera (madera), el aire se calienta (lo que acelera el secado) aunque también se le agrega algo de vapor (lo que dificulta en cierta medida la velocidad de secado) para evitar una deshidratación excesiva de la superficie y la deformación del producto debido a los altos gradientes de humedad a lo largo del espesor de la madera. El secado por aspersión pertenece a esta categoría.
• Secado indirecto o por contacto (calentamiento a través de una pared caliente), como secado en tambor, secado al vacío. Una vez más, las temperaturas de pared más altas acelerarán el secado, pero esto está limitado por la degradación del producto o el endurecimiento superficial. El secado en tambor pertenece a esta categoría.
• El secado dieléctrico (radiofrecuencia o microondas absorbidas en el interior del material) es objeto de intensas investigaciones en la actualidad. Se puede utilizar para ayudar al secado al aire o al vacío. Los investigadores han descubierto que el secado del acabado por microondas acelera la tasa de secado, que de otro modo sería muy baja, al final de los métodos de secado clásicos.
• La liofilización o liofilización es un método de secado en el que el disolvente se congela antes del secado y luego se sublima, es decir, pasa a la fase gaseosa directamente desde la fase sólida, por debajo del punto de fusión del disolvente. Se aplica cada vez más a los alimentos secos, más allá de sus ya clásicas aplicaciones farmacéuticas o médicas. Mantiene las propiedades biológicas de las proteínas, y retiene vitaminas y compuestos bioactivos. La presión se puede reducir con una bomba de alto vacío (aunque es posible la liofilización a presión atmosférica en aire seco). Si se utiliza una bomba de vacío, el vapor producido por la sublimación se elimina del sistema convirtiéndolo en hielo en un condensador, que funciona a muy bajas temperaturas, fuera de la cámara de liofilización.
• El secado supercrítico (secado con vapor sobrecalentado) implica el secado con vapor de productos que contienen agua. Este proceso es factible porque el agua del producto se hierve y se une al medio de secado, aumentando su flujo. Suele emplearse en circuito cerrado y permite recuperar una parte del calor latente por recompresión, característica que no es posible con el secado por aire convencional, por ejemplo. El proceso tiene potencial para su uso en alimentos si se lleva a cabo a presión reducida, para bajar el punto de ebullición.
• El secado por aire natural tiene lugar cuando los materiales se secan con aire forzado sin calentar, aprovechando su potencial de secado natural. El proceso es lento y depende del clima, por lo que se debe idear una estrategia sabia "ventilador apagado-ventilador encendido" considerando las siguientes condiciones: temperatura del aire, humedad relativa y contenido de humedad y temperatura del material que se está secando. Los granos se secan cada vez más con esta técnica, y el tiempo total (incluidos los períodos de encendido y apagado) puede durar de una semana a varios meses, si se puede tolerar un descanso invernal en áreas frías.

Aplicaciones de secado

Alimento

Los alimentos se secan para inhibir el desarrollo microbiano y el deterioro de la calidad. Sin embargo, el grado de secado depende del uso final del producto. Los cereales y las semillas oleaginosas se secan después de la cosecha hasta el contenido de humedad que permite la estabilidad microbiana durante el almacenamiento. Las verduras se escaldan antes del secado para evitar que se oscurezcan rápidamente, y el secado no solo se lleva a cabo para inhibir el crecimiento microbiano, sino también para evitar que se doren durante el almacenamiento. En el caso de los frutos secos, la reducción de la humedad actúa en combinación con su contenido de ácido y azúcar para brindar protección contra el crecimiento microbiano. Los productos como la leche en polvo deben secarse hasta un contenido de humedad muy bajo para garantizar la fluidez y evitar el apelmazamiento. Esta humedad es menor que la requerida para asegurar la inhibición del desarrollo microbiano.

Productos no alimentarios

Entre los productos no alimentarios, algunos de los que requieren un secado considerable son la madera (como parte del procesamiento de la madera), el papel, el lino y el detergente en polvo. Los dos primeros, debido a su origen orgánico, pueden desarrollar moho si no se secan lo suficiente. Otro beneficio del secado es la reducción de volumen y peso.

Lodos y materias fecales de procesos de saneamiento

En el área de saneamiento, el secado de lodos de depuradora de plantas de tratamiento de aguas residuales, lodos fecales o heces recolectadas en inodoros secos con desviador de orina (UDDT) es un método común para lograr la eliminación de patógenos, ya que los patógenos solo pueden tolerar un cierto nivel de sequedad. Además, se requiere el secado como un paso del proceso si los materiales a base de excrementos están destinados a ser incinerados.