Secado del nopal

cenidet
Centro Nacional de Investigación y Desarrollo Tecnológico
Departamento de Ingeniería Mecánica
TESIS DE MAESTRÍA EN CIENCIAS
Estudio del Proceso de Secado de Nopal en una Columna de Charolas
presentada por
Felipe Díaz Ayala
Ing. en Mecánica Automotriz por la Universidad del Sol
como requisito para la obtención del grado de:
Maestría en Ciencias en Ingeniería Mecánica
Director de tesis:
M.C. Efraín Simá Moo
Co-Director de tesis:
Dra. Gabriela del Socorro Álvarez García
Jurado:
Dr. José Jassón Flores Prieto– Presidente
Dr. Jesús Perfecto Xamán Villaseñor – Secretario
Dr. Gustavo Urquiza Beltrán – Vocal
M.C. Efraín Simá Moo – Vocal Suplente
Cuernavaca, Morelos, México. 27 de Febrero de 2009

Dedicatoria
Dedico este trabajo:
A mis padres Gloria y Rodrigo, por el amor que me han brindado en todos los momentos de
mi vida, por su apoyo incondicional, por sus buenos ejemplos y por darme lo más valioso que
es mi formación humana.
A Ma. Fernanda y Rodrigo, por ser mis hermanos, por su sencillez, honestidad, y por hacer
de mi familia un lugar dichoso para compartir.

Agradecimientos
A mis directores: M.C. Efraín Simá Moo y Dra. Gabriela del Socorro Álvarez García, por
su amistad, atención y apoyo en el desarrollo de este trabajo de investigación.
Al Centro Nacional de Investigación y Desarrollo Tecnológico (CENIDET), por la
oportunidad para continuar con mi formación académica.
Al Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (CONACYT) y a la Dirección General de
Educación Superior Tecnológica (DGEST), por el apoyo económico que me brindaron para la
realización de mis estudios de maestría.
Al comité revisor: Dr. José Jassón Flores Prieto, Dr. Jesús Perfecto Xamán Villaseñor y
Dr. Gustavo Urquiza Beltrán por el tiempo invertido en la revisión de esta tesis y por sus
valiosos comentarios.
Al Dr. Rodrigo Díaz Acosta por su apoyo incondicional y sus valiosos consejos en el
desarrollo de esta tesis.
A mis amigos: Ma. Guadalupe Guzmán, Iván Medina, Marcelo Rodríguez, Jaime
Hernández, Moisés Espinoza, Darío Tovar, Iván Juárez y demás compañeros de
generación por su amistad, apoyo y los divertidos momentos que pasamos durante la maestría.
Finalmente, a los profesores y personal administrativo del Centro Nacional de Investigación y
Desarrollo Tecnológico (CENIDET), por sus enseñanzas, apoyo y paciencia durante este
proyecto.

I

Índice General
Pág.
Lista de Figuras IV
Lista de Tablas VIII
Nomenclatura X
Resumen XII
Abstract XIV
Capítulo 1. Introducción 1
1.1. Motivación 2
1.1.1. El Nopal 3
1.1.2. El secado 4
1.2. Revisión bibliográfica 5
1.2.1. Estudios experimentales de secado de capa delgada 5
1.2.2. Estudios teóricos-experimentales de secadores 10
1.2.3. Normas y procedimientos 16
1.2.4. Método de análisis de muestreo 18
1.2.5. Conclusión de la revisión bibliográfica 19
1.3. Objetivo general 20
1.4. Alcance 20
1.5. Descripción de capítulos 20
Capítulo 2. Modelos de secado 22
2.1. Introducción 23
2.2. Procesos de secado 24
2.2.1. Parámetros de secado 25
2.2.2. Período de velocidad de secado constante 30
2.2.3. Período de velocidad de secado decreciente 30
2.3. Modelo teórico de secado 30

Índice General
II

2.3.1. Modelo de secado de capa delgada 31
2.3.2. Modelo teórico de un secador de charolas 35
2.3.2.1. Modelo teórico 38
2.3.2.2. Consideraciones del modelo teórico 39
2.3.2.3. Ecuaciones gobernantes 40
2.4. Propiedades del aire 42
2.5. Conclusiones 43
Capítulo 3. Diseño, construcción e instrumentación de un secador experimental 45
3.1. Introducción 46
3.2. FLUENT 47
3.3. Diseño del secador de charolas 49
3.3.1. Diseño del secador en GAMBIT 50
3.3.2. Simulación del estudio aerodinámico en FLUENT 50
3.3.3. Resultados de la simulación del estudio aerodinámico 51
3.4. Construcción del secador 57
3.5. Instrumentación del secador 62
Capítulo 4. Obtención de la curva de secado del nopal 65
4.1. Pruebas experimentales 66
4.1.1. Determinación del contenido de humedad inicial 66
4.1.2. Experimentos para la obtención de las curvas de secado 66
4.2. Ajuste del modelo de capa delgada 68
4.3. Resultados de las curvas características de secado de rebanadas de nopal 70
4.3.1. Determinación del modelo de secado de capa delgada 74
Capítulo 5. Desarrollo y solución del código numérico 82
5.1. Método de diferencias finitas 83

Índice General
III

5.2. Dominio del estudio de las ecuaciones gobernantes 83
5.3. Discretización de las ecuaciones 84
5.3.1. Ecuaciones de las propiedades del aire 85
5.3.2. Ecuación del contenido de humedad de equilibrio (EMC) 86
5.3.3. Variables de secado 86
5.4. Solución de las ecuaciones algebraicas acopladas 94
5.5. Verificación del código numérico 96
Capítulo 6. Resultados 101
6.1. Resultados teórico-experimentales 102
6.1.1. Validación del código numérico 102
6.2. Resultados teóricos de secado en una columna de charolas 107
6.3. Cámara de secado de charolas propuesta 129
6.3.1. Análisis de densidad de superficie de las charolas 131
6.3.2. Dimensiones de la cámara de secado de charolas 133
Capítulo 7. Conclusiones y recomendaciones 136
7.2. Recomendaciones 139
Referencias 141
Apéndice A. Ecuaciones gobernantes del modelo teórico de secado en una
columna de charolas 153
Apéndice B. Determinación del contenido de humedad inicial 159
Apéndice C. Metodología de la obtención de las curvas de secado 162
Apéndice D. Resultados estadísticos de los once modelos de capa delgada 166

IV

Lista de Figuras
Pág.
2.1. Comportamiento de la humedad en el tiempo 25
2.2. Modelo de secado de capa delgada 32
2.3. Secador de charolas 36
3.1. Diagrama esquemático de las dimensiones del secador propuesto 49
3.2. Mallado de: (a) el secador experimental y (b) las charolas 51
3.3. Campo de velocidad del aire en el interior del secador 52
3.4. Contornos de velocidad del aire en las tres charolas de la cámara de secado 53
3.5. Secador propuesto con diferente configuración de deflectores en la tobera 54
3.6. Campo de velocidad del aire del secador para las diferentes configuraciones de
deflectores en la tobera 55
3.7. Contornos de velocidad del aire en la charola inferior del secador propuesto;
(a) con dos deflectores y (b) con cuatro deflectores 56
3.8. Contornos de velocidad del aire en la charola intermedia del secador
propuesto; (a) con dos deflectores y (b) con cuatro deflectores 56
3.9. Contornos de velocidad del aire en la charola superior del secador propuesto;
(a) con dos deflectores y (b) con cuatro deflectores 57
3.10. Acondicionador de aire; (a) con cinco resistencias en su interior y (b) forrada
de aislante térmico
58
3.11. Tobera con cuatro deflectores en su interior conectada al codo cuadrado de 90° 59
3.12. Camara de secado conectada a la tobera 60
3.13. Charola 61
3.14. Secador de charolas experimental 61
3.15. Diagrama esquemático de la instrumentación del secador experimental 63
4.1. Variación de la relación de humedad con respecto al tiempo 71
4.2. Efecto de la velocidad del aire en la curva de secado de rebanada de nopal a
48°C y velocidades de 2, 1.5 y 1m/s 73

Lista de Figuras

V

4.3. Efecto de la temperatura en la curva de secado de rebanada de nopal a 1.5m/s
y temperaturas de 60, 48, 45 y 36°C 73
4.4. Comparación de las curvas de secado experimental con los modelos de la
literatura a 48°C y 2m/s 75
4.5. Comparación de los valores del coeficiente de determinación (R2
) 78
4.6. Comparación de los valores de la reducción chi-cuadrada (x2
) 78
4.7. Comparación de los valores de la raíz media de los errores cuadrados (RMSE) 79
4.8. Comparación de los valores de la suma de los errores cuadrados de las
desviaciones entre los datos experimentales y los valores de los modelos (SSE) 79
4.9. Comparación de los datos experimentales y los modelos de capa delgada
calculados para el secado de rebanadas de Nopal a 48°C y 1.5m/s 80
5.1. Dominio del mallado de las variables de secado 84
5.2. Diagrama de flujo del algoritmo de solución numérica empleado 95
5.3. Curvas para el estudio de la independencia del tiempo para 900s 97
5.4. Variación de la humedad del aire con respecto al tiempo 98
5.5. Variación de la temperatura del producto con respecto a la altura de las
charolas 99
5.6. Variación de la temperatura del aire con respecto a la altura de las charolas 100
6.1. Comparación de la variación de la humedad del producto con respecto al
tiempo de secado en la primera charola 104
6.2. Comparación de la variación de la temperatura del aire con respecto al tiempo
de secado a la entrada y salida de la primera charola 105
6.3. Comparación de la variación de la humedad relativa del aire con respecto al
tiempo de secado a la entrada y salida de la primera charola 106
6.4. Variación de la humedad del producto en el tiempo, para las diferentes
posiciones de las charolas (No.1, 5, 10, 15, 20 y 25) a una velocidad de aire de
secado constante de 1m/s y un contenido de humedad final del nopal del 2% 109

Lista de Figuras

VI

secado constante de 1.5m/s y un contenido de humedad final del nopal del 2% 110
6.7. Variación de la temperatura del producto en el tiempo, para las diferentes
6.10. Variación de la temperatura del aire en el tiempo, para las diferentes
secado constante de 2m/s y un contenido de humedad final del nopal del 2%. 119
6.13. Variación de la humedad relativa del aire en el tiempo, para las diferentes

Lista de Figuras

VII

6.16. Efecto de la temperatura y velocidad del aire, en la humedad relativa del aire
de secado a la primera hora del proceso 123
6.17. Efecto de la temperatura y velocidad del aire de secado en el contenido de
humedad del producto a la primera hora de secado 125
6.18. Efecto de la temperatura y velocidad del aire a la primera hora del proceso de
secado 127
6.19. Variación de la humedad relativa del aire en las 25 charolas impares de la
cámara de secado 130
6.20. Variación de la temperatura del aire en las 25 charolas impares de la cámara
de secado
131
6.21. Configuración de un nivel, el cual se compone de 8 charolas 132
6.22. Vista frontal de la cámara de secado propuesta 134
6.23. Vista isométrica de la cámara de secado propuesta 134
A.1. Volumen de control de la cama estacionaria 153
B.1. Horno de laboratorio 160
C.1. Configuración de la preparación de la muestra 163

VIII

Lista de Tablas
Pág.
2.1. Constantes experimentales del contenido de humedad de equilibrio para el
nopal
29
2.2. Modelos de secado de capa delgada 34
4.1. Temperatura y velocidad del aire utilizadas en el secado de nopal 67
4.2. Datos del cambio de la relación de humedad del nopal para diferentes
temperaturas y velocidades del aire de secado 70
4.3. Tiempo de secado para alcanzar un contenido de humedad en el nopal del 2% 72
4.4. Valores estimados de las constantes empíricas de los 11 modelos de secado de
capa delgada 74
4.5. Valores de los parámetros de la ecuación de la forma tipo Arrhenius de los 11
modelos de secado de capa delgada de rebanadas de Nopal 76
5.1. Parámetros utilizados para verificar el código numérico 96
5.2. Variación de la humedad del aire (H) con respecto al tiempo 97
5.3. Variación de la temperatura del producto (°C) con respecto a la altura 98
5.4. Variación de la temperatura del aire (°C) con respecto a la altura 99
6.1. Parámetros utilizados para la validación del código numérico 102
6.2. Propiedades termo-físicas del nopal 103
6.3. Tiempo del proceso de secado en las charolas para llegar a un contenido de
humedad final del producto del 2% 112
6.4. Efecto de la temperatura (°C) y velocidad (m/s) del aire en la humedad
relativa del aire de secado con respecto al número de charolas 124
6.5. Efecto de la temperatura (°C) y velocidad (m/s) del aire de secado en el
contenido de humedad del producto (M) con respecto al número de charolas 126
6.6. Efecto de la temperatura (°C) y velocidad (m/s) del aire de secado con
respecto al número de charolas 128
B.1. Resultados experimentales del IMC en base seca del nopal de 6 meses de
edad 161

Lista de Tablas
IX

C.1. Condiciones de secado de las 12 curvas experimentales 164
C.2. Datos de la curva de secado experimental MR 1 164
D.1. Resultados estadísticos de los 11 modelos de capa delgada 166

X

Nomenclatura
Latinas
ae, xm Constantes de la ecuación de BET (adimensionales)
a, b, c, n Constantes empíricas de los modelos de capa delgada (adimensionales)
ca Calor especifico del aire (kJ/kg°C)
cp Calor especifico del producto seco (kJ/kg°C)
cv Calor especifico del vapor de agua (kJ/kg°C)
cw Calor especifico del agua líquida (kJ/kg°C)
F Fuerzas de cuerpo externas (N)
g, h, k, k0, k1, L Constantes empíricas de los modelos de capa delgada (h-1
)
H Contenido de humedad del aire (decimal)
ha Entalpía del aire (kJ/kg)
hbh Humedad inicial del producto en base húmeda (decimal, b.h.)
hbs Humedad inicial del producto en base seca (adimensional, b.s.)
Hent Humedad del aire a la entrada del secador (decimal)
hv Calor latente de evaporación (J/kg)
HR Humedad relativa del aire (% o decimal)
M Humedad del producto (decimal)
Me Humedad de equilibrio del producto (decimal)
Mi Humedad inicial del producto (decimal)
Min Humedad del producto a la entrada del secador (decimal)
Mt Humedad del producto en el tiempo (decimal)
MR Relación de humedad del producto (adimensional)
MRcal Relación de humedad calculada (adimensional)
MRexp Relación de humedad experimental (adimensional)
ms Masa del producto seco (g)
mt Masa total del producto (g)
mw Masa de agua del producto (g)

Nomenclatura
XI

N Número de datos
P Presión estática (N/m2
)
Pv Presión de vapor (N/m2
)
Pvs Presión de vapor de saturación (N/m2
)
R2
Coeficiente de determinación
RMSE Raíz media de los errores cuadrados
SSE Suma de los errores cuadrados de las desviaciones entre los datos
experimentales y teóricos calculados
t Tiempo (h)
T Temperatura del aire (°C)
Tabs Temperatura absoluta del aire (K)
Tent Temperatura del aire a la entrada del secador (°C)
v Velocidad del aire (m/s)
x2
Reducción chi-cuadrada
Z Número de constantes de los modelos de capa delgada
Griegas
α0, α1, α2, α3 Constantes de la ecuación de la forma tipo Arrhenius (adimensionales)
θ Temperatura del producto (°C)
θin Temperatura del producto a la entrada del secador (°C)
ε Porosidad o espacios vacios en la charola (adimensional)
τ Tensor de esfuerzos (N/m2
)
ρ Densidad (kg/m3
)
ρa Densidad del aire (kg/m3
)
ρp Densidad del producto (kg/m3
)
w Humedad relativa del aire (decimal)

XII

Resumen
En este trabajo se presenta un estudio teórico-experimental de la transferencia de energía y
masa, de rebanadas de nopal de 4mm de espesor y 6 meses de edad, en una columna de
charolas. El modelo experimental permitió obtener mediante correlaciones de los datos
experimentales o curvas características, el modelo de secado de capa delgada del nopal y sus
constantes empíricas (por ejemplo: a, k y n; entre otras). Para la obtención de las curvas
características de secado del nopal fue necesario diseñar, construir e instrumentar un secador
de charolas experimental con un flujo de aire por convección forzada. El diseño se basó en un
estudio aerodinámico del secador con el software FLUENT, con la finalidad de obtener una
distribución uniforme del aire en el interior de la cámara de secado. Los datos experimentales
se compararon con once modelos de capa delgada reportados en la literatura y se seleccionó el
modelo que mejor representa al proceso, con base en parámetros estadísticos. En el estudio
teórico se obtuvo las ecuaciones generales en una dimensión del modelo de secado en una
columna de charolas, mediante balances de energía y masa. Se acopló el modelo de capa y las
propiedades del aire a las ecuaciones generales. Se desarrolló un código numérico para la
solución de las ecuaciones gobernantes, utilizando el método de diferencias finitas y el
software MATLAB. El código numérico predice el comportamiento de la temperatura y el
contenido de humedad, del aire y del producto durante el proceso de secado en una columna
de charolas.
De acuerdo a los resultados experimentales, se encontró que el modelo de capa delgada de
Midilli fue el que mejor describe la cinética de secado del nopal. Sus constantes empíricas se
calcularon mediante la ecuación de la forma tipo Arrhenius, quedando expresadas en función
de la temperatura, humedad relativa y velocidad del aire de secado. El modelo de secado de
capa delgada se acopló a las ecuaciones del modelo teórico y se realizaron simulaciones del
proceso de secado en una columna de charolas, para temperaturas de 50, 55 y 60°C y
velocidad del aire de secado de 1, 1.5 y 2m/s. Finalmente, con base en los resultados
numéricos se sugieren las dimensiones de una cámara de secado para 500kg de nopal por día.

Resumen
XIII

Las dimensiones de la cámara de secado resultaron: 3.18m de largo, 2.4m de ancho y 1.0m de
altura. La cámara de secado cuenta con 18 niveles con dimensiones de 3.04m de largo por
2.26m de ancho y capacidad aproximada por nivel de 13.9kg.

XIV

Abstract
This work presents a theoretical-experimental study of energy and mass transfer of slices of
Nopal of 4mm thick and 6 months of age, in a tray column. The experimental model allowed
to obtain through correlations of experimental data or characteristic curves, the thin-layer
drying model of Nopal and its empiric constants (for example: a, k and n, among others). For
the obtaining of the drying characteristic curves of Nopal it was necessary to design, build and
instrument an experimental tray dryer with airflow by forced convection. The design was
based on an aerodynamic study of the dryer with the software FLUENT, with the purpose of
obtaining a uniform distribution of air inside the drying chamber. The experimental data were
compared to eleven thin-layer models found in the literature and the model that best represents
the process was selected, based upon statistical parameters. In the theoretical study, the
general equations were obtained in a dimension of the drying model in a tray column, by
means of energy and mass balances. The layer model and the air properties where coupled to
the general equations. A numeric code was developed to solve the ruling equations, using the
method of finite differences and the software MATLAB. The numeric code predicts the
behavior of temperature and moisture, air and product contents during the drying process in a
tray column.
According to the experimental results, it was found that the thin-layer model of Midilli was the
one that best describes the drying kinetics of Nopal. Its empiric constants were calculated by
means of the Arrhenius-type equation of form, being expressed in function of the temperature,
relative moisture and rate of drying air. The thin-layer drying model was coupled to equations
of the theoretical model, and simulations of the drying process in a tray column were carried
out for temperatures of 50, 55 and 60°C and drying air rates of 1, 1.5 and 2m/s. Finally, based
on the numeric results, the dimensions of a drying chamber were suggested for 500 kg of
Nopal a day. The dimensions of the drying chamber were 3.18m long, 2.4m wide and 1.0m
high. The drying chamber has 18 levels with dimensions of 3.04m long by 2.26m wide and a
capacity per level of 13.9kg.

CAPÍTULO 1
INTRODUCCIÓN
En este capítulo se presenta la motivación para realizar el estudio teórico-experimental,
del proceso de secado de rebanadas nopal en una columna de charolas y una revisión
bibliográfica de los trabajos reportados, la cual se dividió en: estudios experimentales
del modelo de capa delgada, estudios teóricos-experimentales de secadores de productos
agrícolas (frutas y verduras), normas y procedimientos aplicables a las ecuaciones de las
propiedades del aire y las prácticas recomendadas de manipulación e higiene de los
alimentos. Finalmente, se presentan las conclusiones de la revisión bibliográfica, el
objetivo general, el alcance que se persigue en este trabajo y se realiza una descripción
de los capítulos que conforman el presente trabajo.

Capítulo 1 Introducción
2

1.1. MOTIVACIÓN
En las últimas tres décadas, el desarrollo en la ciencia y tecnología en alimentos ha avanzado
significativamente y ha facilitado a la humanidad un mejor desarrollo y crecimiento; pero
debido a la creciente población, la demanda de consumo de alimentos también aumenta (FAO,
2008). México es uno de los países con mayor producción a nivel mundial de frutas y
verduras, las cuales juegan un papel muy importante en la dieta y nutrición de la población
(SAGARPA, 2005). Las frutas y verduras, son indispensables en la alimentación, ya que
proveen al cuerpo humano los nutrientes necesarios para desempeñar sus funciones
apropiadamente (Jayaraman y Das Gupta, 1992). Estas frutas y verduras cuentan con una gran
demanda a nivel mundial. Sin embargo, una parte importante de los alimentos que se cosechan
se pierden antes de ser consumidos o comercializados, debido a que son perecederos (FAO,
2008). Los métodos de conservación tienen el objetivo de alargar la vida de anaquel de
cualquier alimento, al reducir la actividad del agua, disminuye el ambiente para el desarrollo
de microorganismos. Uno de los métodos que se utiliza en la conservación de productos
agrícolas es el secado, debido a su bajo consumo de energía y bajo costo del proceso
(Jayaraman y Das Gupta, 1992; Kiranoudis et al. 1997; Joubert et al. 1998; Krokida et al.
2000; Yaldýz et al. 2001; Vlachos et al. 2002; Krokida et al. 2003; Sacilik et al. 2006; Patil y
Shukla, 2006; George et al. 2007). El secado es un proceso de retiro de humedad debido a la
transferencia simultánea de calor y masa (Kavak et al., 2003). La aplicación de secadores
implica mantener el control del tiempo de secado, humedad relativa dentro de la cámara de
secado, pérdida de peso del producto, velocidad y temperatura del aire de secado. En la
actualidad, existen diferentes tipos de secadores que se utilizan en el proceso de secado, sin
embargo, para el secado de frutas y verduras se recomienda utilizar un secador de cama fija de
charolas, debido a que en el secado de estos productos no se deben apilar más de 6cm, ya que
contienen un alto porcentaje de agua (mayor al 80%), el cual es un ambiente propicio para la
oxidación del producto, la generación de hongos y por lo tanto degeneración de los mismos
(Valentas et al. 1997; Geankoplis, 1998; Foust et al. 2006). Una de las partes principales del
diseño del secador de charolas, es su cámara de secado; algunos de los parámetros principales
que rige la capacidad y el buen funcionamiento del mismo es la distancia entre charolas y el

3

comportamiento de secado del producto (curva de secado). Una de las formas de conocer estos
parámetros es realizando pruebas experimentales para diversas condiciones de operación o
simular el proceso. Por lo tanto, en esta investigación se realizará un estudio teórico-
experimental para conocer el comportamiento de secado y el proceso de secado de nopal en
una columna de charolas. La información que se obtenga (tiempo de secado, velocidad,
temperatura y humedad del aire, dimensiones de la charola y masa del producto en cada
charola), servirá para dimensionar una cámara de secado de charolas para 500kg de producto
por día.
1.1.1. EL NOPAL
El nopal (Opuntia ficus-indica L. Millar) es originario del Continente Americano. Sus
antecedentes datan de la época de las culturas prehispánicas. En México se cuentan con más
de cien especies del género opuntia, de las cuales sólo quince se consumen como materia
prima, seis por sus frutos y tres como vegetales. El nopal verdura tradicionalmente ha sido de
los alimentos con mayor consumo en México. En la actualidad, México es el primer productor
y exportador de nopal verdura o nopalito a los Estados Unidos, Europa y Asia, para consumo
humano (Ruiz et al. 2006). Debido al crecimiento poblacional, la demanda y consumo de
nopal verdura se ha incrementado, lo anterior se refleja en la superficie cultivada, la cual llegó
a 4336 hectáreas en 2005 (SAGARPA, 2007; SDR, 2007). Por otra parte, las tendencias
mundiales de alimentación en los últimos años, indican un interés acentuado de los
consumidores hacia los alimentos nutriceúticos, que además del valor nutritivo aportan
beneficios a las funciones fisiológicas del organismo humano, incluidos la prevención y el
tratamiento de enfermedades (López et al. 2003; Florian y Reinhold, 2005; Ruiz et al. 2006;
SDR, 2007; Díaz et al. 2007). Dentro de esta categoría de alimentos se incluye al nopal y sus
derivados, debido a su alto contenido en calcio, potasio y vitaminas β-caroteno (vitamina A),
vitamina C y vitaminas B1, B2, B3, bajo en calorías y sodio, y sobre todo con un contenido de
fibra de alta calidad (Saenz, 2000; Florian y Reinhold, 2005; SDR, 2007; Díaz et al. 2007). En
la actualidad se le ha dado gran importancia al consumo de fibras naturales para mejorar

4

problemas de salud (digestivos y diabétes) dando como resultado un aumento en la demanda
de productos naturales entre los que se encuentra el nopal. En México, esta verdura se
comercializa fresca en un 85%, existiendo épocas del año en las que se incrementa
significativamente su oferta, ocasionando una saturación del producto en el mercado nacional,
lo cual trae como consecuencia una disminución en los precios y pérdidas económicas para el
productor, ya que frecuentemente no recupera sus costos de producción (SAGARPA, 2007).
Una alternativa a ésta problemática es darle un valor agregado al nopal, como por ejemplo
deshidratarlo, para incrementar las posibilidades de comercialización y alargar su vida de
anaquel. Para deshidratar el nopal, es necesario realizar investigaciones sobre los parámetros
óptimos que influyen en el proceso de secado del nopal, que permita mantener las propiedades
físico-químicas y nutriceúticas de este producto. El nopal deshidratado es un producto con
gran potencia en la industria farmacéutica y naturista, especialmente el nopal en polvo, el cual
ha sido poco explotado y sujeto a investigación (Florian y Reinhold, 2005).
1.1.2. EL SECADO
El objetivo principal del secado o deshidratación es remover agua del producto hasta un nivel
en donde el crecimiento microbiológico y la deterioración del mismo sean minimizadas,
aumentar la vida de anaquel y la calidad de los alimentos, reducir los costos de
almacenamiento y de transporte y darle un valor agregado al producto (Khattab, 1996;
Ekechukwu, 1999). En México existen algunas empresas que se dedican a la deshidratación de
nopal, como son: Deshidratadora Nacional de Alimentos S.A. de C.V., AgroDry S.A. de C.V.,
Grupo Nopalero del Bajío SPR de RL, entre otras. Cabe resaltar que en la mayoría de las
deshidratadoras el proceso de secado es directo al sol con las limitaciones de que el proceso es
muy lento, es propicio al desarrollo de hongos o daño del producto, así como también, el
producto es expuesto a la contaminación por el polvo y animales al ser expuesto al aire libre
(Peggy y Barrie, 1998; Bennamoun et al. 2003). Sin embargo, no se encontraron trabajos
reportados de la optimización del proceso de secado de nopal.

5

1.2. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA
A continuación se presenta la revisión bibliográfica de estudios que se han realizado sobre el
proceso de secado de alimentos como son frutas y verduras. Los estudios reportados se
clasifican en: estudios experimentales de secado de capa delgada, estudios teóricos-
experimentales de secadores, normas y procedimientos aplicables a las ecuaciones de las
propiedades del aire y las prácticas recomendadas de manipulación e higiene de los alimentos.
Finalmente, se presentan las conclusiones de la revisión bibliográfica.
1.2.1. ESTUDIOS EXPERIMENTALES DE SECADO DE CAPA DELGADA
Sawhney et al. (1999) realizaron experimentos para determinar las constantes de secado de
capa delgada de la cebolla y su dependencia con los parámetros del aire de secado, aplicando
la ecuación de Henderson y Pabis. Los experimentos se realizaron en un secador de flujo
continuo, con un rango de temperatura y velocidad del aire de 50 a 80°C y 0.25 a 1m/s,
respectivamente. La influencia de las variables de secado en las constantes del modelo de capa
delgada fue explicada por la ecuación de tipo Arrhenius. Los resultados demostraron que el
modelo describe con buena exactitud el comportamiento de secado en capa delgada de la
cebolla. Las constantes del modelo tienen una mayor influencia por la temperatura del aire de
secado comparada con la velocidad del aire.
Pangavhane et al. (2000) realizaron experimentos de secado de capa delgada controlando las
condiciones del aire de secado, utilizando uvas como producto a secar. Los experimentos se
realizaron con cuatro temperaturas del aire de secado (50, 60, 70 y 80°C), cuatro velocidades
del aire (0.25, 0.5, 0.75 y 1m/s) y tres humedades relativas del aire (13, 18 y 23%). Utilizaron
la ecuación Page y encontraron los valores de las constantes en términos de la temperatura del
aire de secado, humedad relativa y velocidad del aire. Con base en los resultados, se concluyó
que el modelo de Page describe adecuadamente el comportamiento de secado en capa delgada
de las uvas.

6

Lee y Kang (2001) realizaron experimentos de secado de capa delgada con rebanadas de raíces
de Achicoria de 3, 5 y 7mm de espesor, temperatura del aire de secado de 50, 60, 70 y 80°C y
una velocidad de aire de 0.4m/s. Utilizaron los modelos de secado de capa delgada de Page y
Newton. Se encontró que el modelo de capa delgada Exponencial simple es el que mejor
representa el comportamiento de secado del producto. Las constantes de dicho modelo se
establecieron en función del espesor de las rebanadas del producto, temperatura y velocidad
del aire de secado.
Hossain y Bala (2002) realizaron experimentos de secado en capa delgada para el chile verde.
Se utilizaron dos tipos de flujo de aire: flujo a través del producto y flujo por encima y debajo
del producto. Los experimentos se realizaron para las condiciones de secado en el rango de:
contenido de humedad inicial del producto de 87.5 a 88.8%, temperatura del aire de 10 a 65°C,
humedad relativa del 10 al 60% y velocidad del aire de 0.1 a 1m/s. El contenido de humedad
final para almacenaje fue en el rango de 3.84 a 4.76%. Utilizaron las ecuaciones de Newton y
Page. Los resultados demostraron que la ecuación de Page fue la que mejor representa el
comportamiento de secado del chile verde. Así como también los parámetros de la ecuación de
Page quedaron en función a la temperatura del aire, humedad relativa y velocidad del aire. El
tiempo de secado de los dos tipos de flujo de aire: flujo a través del producto y flujo por
encima y debajo del producto fueron de aproximadamente 6 y 18 horas, respectivamente.
Estos resultados demostraron que el flujo a través del producto es mejor, debido al corto
tiempo de secado.
Midilli et al. (2002) presentaron un nuevo modelo empírico para el proceso de secado en capa
delgada, aplicado a hongos, polen y pistaches con y sin cascara. Los experimentos se
realizaron para tres condiciones: en el interior de un laboratorio, directo al sol y en un secador
solar de aire forzado. El modelo se verificó con datos experimentales, así como también con
otros modelos de secado de capa delgada disponibles en la literatura. Con base en las
comparaciones presentadas entre el modelo actual y los modelos anteriores de la literatura, así
como los datos experimentales elegidos; se concluyó que el modelo propuesto es útil para los

7

productos seleccionados. Sin embargo, se necesitan realizar más comparaciones antes de
confirmar su validez para su aplicación general.
Kashaninejad y Tabil (2004) determinaron experimentalmente la curva de secado de capa
delgada de la verdolaga, para cuatro temperaturas del aire de secado de 35, 70, 95 y 120°C,
una velocidad constante del aire de 1.1m/s y humedad relativa por debajo del 5%. Compararon
cinco modelos de secado de capa delgada (Henderson y Pabis, Exponencial, Page, Dos
Términos Exponencial y Thompson). Encontraron que el modelo de Page es el que mejor
describe el comportamiento de secado de la verdolaga. La temperatura del aire es el factor más
importante en el secado de la verdolaga. A mayor temperatura el tiempo de secado se reduce.
El tiempo más corto fue a 88min a 120°C y el más largo fue de 1371min a 35°C. Sin embargo,
al incrementar demasiado la temperatura disminuyó la calidad del producto.
Lahsasni et al. (2004) realizaron experimentos de secado solar de capa delgada para la tuna.
Los experimentos se realizaron en un secador solar. Para secar la tuna fue necesario cortarla
en rebanadas. El producto tenía una humedad inicial en el rango de 86.4 a 89.4%. Se utilizaron
temperaturas de 50ºC y 60ºC del aire de secado, para una velocidad del aire de 0.56 a 1.7m/s.
El contenido de humedad final fue en el rango de 15.16 a 28.31%. Los resultados
experimentales se compararon con trece modelos diferentes de secado de capa delgada, en
función a sus coeficientes de correlación, demostrando que la ecuación de Dos Términos fue
el modelo que mejor describe la curva de secado de capa delgada de la tuna.
Ochoa-Martínez et al. (2004) realizaron experimentos de capa delgada para la predicción del
contenido de humedad del chile jalapeño. El producto se deshidrató en un secador de charolas
a cinco diferentes temperaturas 50, 60, 70, 80 y 95°C, velocidad del aire de 2.5m/s y rebanas
de chile de 2 y 3mm de espesor. Aplicaron el modelo Logarítmico de secado de capa delgada.
Los parámetros de la ecuación logarítmica fueron calculados por medio de la ecuación tipo
Arrhenius y quedaron en función de la temperatura del aire de secado. Los resultados
mostraron que la temperatura de secado no es una variable significativa aunque sí afecta el
tiempo de secado.

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Soysal (2005) realizó experimentos de secado de capa delgada de las hojas de menta, con el
objetivo de obtener la ecuación de capa delgada y determinar el efecto de secado con
microondas y secado a la sombra, en la calidad del producto en términos del color. Los
experimentos se realizaron en un horno domestico de microondas con una potencia máxima de
salida de 900W a 2450MHz y hojas de menta con un contenido inicial de humedad de 88.5%
(±0.1%). Los resultados experimentales se compararon con once modelos de secado de capa
delgada encontrados en la literatura, demostrando que el modelo Midilli, fue el que mejor
describe la cinética de secado de las hojas de menta. Se determinó que tanto el secado a la
sombra como el de microondas, causaron los mismos efectos no deseados en el color de las
hojas de menta. Aunque el secado de microondas disminuye el brillo y el color verde de las
hojas de menta, la calidad final es mejor comparada con la del secado a la sombra.
Sharifi et al. (2006) investigaron experimentalmente el comportamiento de secado de capa
delgada de rebanadas de naranja. Los experimentos se realizaron en un secador convectivo,
con temperaturas del aire de secado a la entrada de la cama de 30, 40, 50, 60 y 70°C y una
velocidad del aire de secado de 0.5m/s. Compararon seis diferentes modelos de secado de capa
delgada. Según los resultados, el modelo de Aproximación de Difusión es el que describe de
manera satisfactoria la curva de secado de la naranja en capa delgada.
Waewsak et al. (2006) investigaron cual de los modelos de secado de capa delgada, reportados
en la literatura, representa el comportamiento del secado de: chile rojo, hojas de lima y hierba
limón, con un contenido de humedad inicial de 71.42, 62.26 y 75.6% respectivamente. Los
experimentos se realizaron en un secador convencional para velocidad del aire de secado de
1.34m/s y temperaturas del aire de secado para el chile rojo de 80°C, para la hierba limón
70°C y para las hojas de lima 60°C. El contenido de humedad final fue de 11.5% para el chile
rojo, 10.71% para la hierba limón y las hojas de lima. Compararon trece modelos de secado de
capa delgada, según sus coeficientes de correlación, para estimar las curvas de secado de estos
productos. Los resultados demostraron que entre todos los modelos encontrados, el modelo
Midilli es el que mejor describe el comportamiento de secado del chile rojo y las hojas de
lima, así como el modelo Wangh y Singh fue el más conveniente para la hierba limón.

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Ethmane Kane et al. (2008) realizaron experimentos de secado en capa delgada para
determinar la curva de secado de hojas de epazote mexicano (Chenopodium ambrosioides).
Los experimentos se realizaron en un secador solar de convección forzada para las siguientes
condiciones de secado: temperaturas del aire de secado de 45 a 60°C, flujo másico del aire
entre 0.0277 a 0.0556m3
/s, humedad relativa del aire de 29 a 53% y una radiación solar de 150
a 920W/m2
. El contenido de humedad inicial del producto estuvo en el rango del 80 al 81.5%
y fue reducido hasta un contenido de humedad final entre 9.7 y 15.4%. Los datos
experimentales fueron comparados con catorce modelos de secado de capa delgada.
Encontraron que el modelo Wang y Singh es el que mejor describe la curva de secado solar de
las hojas de epazote.
Roberts et al. (2008) determinaron experimentalmente la curva de secado de tres tipos de
semillas de uva. Los experimentos se realizaron con una velocidad constante de 1.5m/s,
temperaturas del aire de secado de 40, 50 y 60°C y un contenido de humedad inicial de las
semillas de uva de 24.4 a 27.9%. Utilizaron tres modelos de secado de capa delgada (Page,
Henderson y Pabis y Lewis) para predecir las curvas de secado. El modelo de Lewis fue el que
mejor predice la curva de secado de los tres tipos de semillas de uva. Sus constantes quedaron
en función de la temperatura y velocidad del aire de secado mediante la ecuación de tipo
Arrhenius.
Yadollahinia et al. (2008) diseñaron y construyeron un secador experimental que controla con
precisión las condiciones de secado, las cuales son muy importantes para determinar el
comportamiento de secado de capa delgada del arroz. Los experimentos se llevaron a cabo con
un rango de temperatura del aire de secado de 30 a 70°C, velocidad del aire de 0.25 a 1m/s y
una humedad inicial del producto del 20%. Compararon ocho modelos de secado de capa
delgada encontrados en la literatura con la finalidad de obtener el modelo que mejor represente
el comportamiento de secado del arroz. El modelo que mejor predice el comportamiento de
secado de capa delgada es el de Dos Términos. Los resultados experimentales demuestran que
la temperatura y velocidad del aire tienen una fuerte dependencia en el proceso de secado.
Siendo la temperatura la de mayor importancia.

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1.2.2. ESTUDIOS TEÓRICOS-EXPERIMENTALES DE SECADORES
Bakker-Arkema et al. (1974) realizaron un estudio detallado de las ecuaciones que gobiernan
el proceso de secado y desarrollaron un modelo matemático de secado de granos en cama fija.
En este trabajo se presentan las ecuaciones que gobiernan el proceso de secado para diferentes
direcciones del flujo de aire de secado, obtenidas mediante balances de energía y masa al aire
de secado y granos.
Sokhansanj (1987) desarrollo un modelo matemático del proceso de secado de granos en cama
fija. El modelo involucra los balances de energía y masa. Los balances son diseñados en una
dimensión. Realizó pruebas experimentales de secado de cebada con un contenido de
humedad inicial de 25 a 66%, temperaturas del aire de secado de 40 a 175°C y velocidad del
aire de 0.6m/s. Los resultados numéricos se compararon con datos experimentales,
concluyendo que el modelo desarrollado predice con exactitud la historia de la temperatura y
contenido de humedad del aire de secado y del producto.
Khattab (1996) desarrolló un método analítico para optimizar el funcionamiento de los
secadores de charolas en tandas. Para realizar este método, estableció un modelo matemático
del proceso de secado apartir de balances de energía y masa. En la parte experimental propuso
un método para obtener las constantes de secado con base en la ecuacion de secado de capa
delgada. Los experimentos fueron realizados utilizando como producto a secar uvas, para un
flujo másico de aire de secado entre 0.125 y 0.375kg/s, temperaturas del aire de secado entre
25 y 60°C. La optimización realizada proporcionó para cada caudal, el número más
conveniente de charolas (es decir, dimensiones del secador) y la carga correspondiente que
asegura la utilización eficiente del aire de secado y la buena calidad del producto seco.
Hachemi et al. (1998) realizaron un estudio teórico y experimental de un secador de charolas
solar. El estudio numérico se basó en balances de masa y energía. Los experimentos se
realizaron con trozos de lana. Los resultados obtenidos demostraron que uno de los factores
más importantes que afectan el proceso de secado, es el flujo másico del aire; a mayor flujo
másico disminuye el tiempo de secado del producto.

11

Herman et al. (2001) propusieron un modelo matemático de secado en cama fija, para obtener
la simulación del proceso de secado de la zanahoria. El estudio numérico consistió en balances
de energía y masa, así como la consideración de la reducción del área de la cama. Los
resultados de la simulación se compararon con datos experimentales. Los experimentos se
realizaron con rebanadas de zanahoria de 1 y 0.1cm de espesor, temperaturas de aire de secado
en el rango de 50 a 60°C, flujo másico del aire de secado de 1000kg/h y un espesor de cama de
10cm. Los resultados demuestran que el modelo matemático propuesto es capaz de predecir el
comportamiento de secado de diferentes geometrías del producto (rodajas, cubos y
rectángulos). Los modelos matemáticos de secado de cama fija pueden ser aplicados en otros
procesos de secado, por ejemplo, un secador de charolas.
Sitompul et al. (2001) desarrollaron un modelo matemático para realizar la simulación del
secado de granos en una cama profunda. El modelo se basó en balances de energía y masa,
considerando que la combinación de varias capas delgadas forman una capa gruesa y que las
condiciones de salida de una capa son las iníciales de la capa superior. Los resultados
numéricos se compararon con datos experimentales obtenidos de la literatura. Los resultados
de la simulación mostraron que el modelo desarrollado representa con exactitud el proceso de
secado de granos en una cama profunda.
Youcef-Ali et al. (2001) realizaron un estudio numérico y experimental de un secador de
charolas. El estudio numérico se basó en balances de masa y energía. Los experimentos se
realizaron con rebanadas de papa con un espesor de 3 mm; considerando su efecto de
encogimiento. Los resultados obtenidos numéricamente son muy cercanos a los
experimentales. Así como también, el factor más significante en el proceso de secado que
influye en el deterioro del producto es la temperatura del aire.
Alsina et al. (2002) optimizaron el diseño de un secador convectivo de charolas con el objeto
de mejorar la eficiencia energética y mejorar la calidad del producto. Se utilizó el modelo
matemático basado en balances de energía y masa, propuesto por Sokhansanj. Los resultados
numéricos se compararon con datos experimentales, obtenidos en el rango de temperatura del

12

aire de secado de 50 a 70°C, velocidad del aire de secado de 0.2 a 2.2m/s y rebanadas de
plátano con un espesor de 0.5 a 2cm. El modelo propuesto representa correctamente el
comportamiento experimental de secado, en la predicción de la humedad y temperatura del
aire de secado y del producto.
Srivastava y John (2002) propusieron un nuevo modelo matemático de secado de granos en
cama profunda. El estudio numérico se basó en balances de masa y energía. Se utilizaron
granos de maíz como producto a secar y se consideró su efecto de encogimiento. La ecuación
de capa delgada y propiedades fueron tomadas de la literatura. Los resultados demostraron que
el efecto de encogimiento de los granos de maíz no es significativo.
Vlachos et al. (2002) diseñaron, construyeron y evaluaron un secador de charolas de bajo
costo; equipado con un colector solar de aire, una cámara de secado con tres charolas en su
interior y una chimenea solar. El diseño se basó en balances de masa y energía y en datos de
radiación promedios cada hora de la superficie inclinada del colector. Los parámetros que se
emplearon para el estudio del secador son: la radiación solar en el plano horizontal,
temperatura y humedad ambiente, velocidad del aire, temperatura y humedad relativa dentro
del secador y la pérdida de peso del producto. Los experimentos se realizaron con una esponja
de carpintería hecha de poliuretano; el uso de esta esponja facilitó la evaluación del
funcionamiento del secador ya que durante el proceso de secado produce una humedad
uniforme en el material. Los experimentos se dividieron en tres categorías: con ningún
material dentro del compartimento de secado (charolas vacías), con un sólo pedazo grande de
esponja cubriendo toda el área superficial de cada una de las charolas y con dieciocho pedazos
pequeños de esponja de 150 por 215mm colocados al lado uno del otro cubriendo toda el área
de cada una las charolas, con una humedad inicial para las tres categorías del 83.33%. Se
utilizó un flujo de aire constante en todas las pruebas de 200m3
/h. El secador se probó durante
la noche y bajo condiciones atmosféricas adversas (asoleado, nublado o lluvioso). Para todas
las condiciones probadas, se alcanzó un índice razonable de secado así como resultados muy
prometedores con respecto a la eficiencia del secador, la cual puede ser mejorada ajustando el

13

flujo y temperatura del aire que se incorpora a la cámara de secado. El tiempo de secado de la
esponja en las charolas fue de 4, 6 y 7 horas respectivamente.
Bennamoun et al. (2003) presentaron un estudio numérico-experimental de la eficiencia, de un
secador solar de charolas en tandas, de bajo costo, para productos agrícolas. El estudio
numérico se basó en balances de masa y energía, que llevan a un conjunto de ecuaciones
diferenciales, completado con un modelo empírico, que representa la cinética de secado. Los
experimentos se realizaron con rebanadas cilíndricas de cebolla; considerando el efecto de
encogimiento del producto. Se realizaron pruebas de secado para 250kg de producto, con un
contenido de humedad inicial de 87.6%. Un secador con 10 charolas con carga de 25kg cada
una de ellas. El contenido de humedad final de la cebolla fue del 12% en un tiempo de secado
de 15 horas. Los resultados obtenidos mostraron que la superficie del colector, la temperatura
del aire de secado y las características del producto son esencialmente los factores que afectan
en el secado solar del producto.
Kalbasi (2003) propuso un modelo de secado para cebolla que considera las distribuciones de
la humedad y de la temperatura en la muestra. Los experimentos se realizaron con rebanadas
de 3 mm de espesor, en un secador atmosférico de charolas, para investigar la influencia de la
temperatura del aire y del tiempo de secado en parámetros tales como contenido de humedad
de la muestra y velocidad de secado. El modelo matemático propuesto, puede ser aplicado
para determinar el contenido de humedad y distribución de temperatura en cada punto del
espesor de la muestra para cada instante de tiempo; así como también para predecir el límite
del proceso de secado de la cebolla.
García y Herman (2004) desarrollaron simulaciones matemáticas del secado convectivo en
tandas de la yuca y zanahoria, empleando la ecuación de Ross la cual predice el contenido de
humedad de equilibrio (EMC) de los productos. El estudio numérico se basó en balances de
energía y masa. El modelo matemático se validó con datos experimentales. Los experimentos
se realizaron con rebanadas de yuca y zanahoria con un espesor de 0.1 y 1cm, un espesor de
cama promedio de 10cm, condiciones del aire de entrada de 2.15m/s de velocidad y

14

temperaturas de 50, 55, 60 y 65°C. No se encontraron diferencias entre los procesos de secado
de estos dos alimentos en los resultados de la simulación con predicción del EMC y los
experimentales.
Karim y Hawlader (2005) realizaron un estudio numérico-experimental de secado en una
columna de charolas. El estudio numérico se basó en balances de energía y masa. El modelo
toma en cuenta la reducción de área de la charola. Los resultados numéricos se compararon
con datos experimentales, los cuales validan el modelo desarrollado. Los experimentos se
realizaron con rebanadas de plátano de 4mm de espesor, un contenido de humedad inicial del
80%, velocidades del aire de secado de 0.3 a 0.7m/s y temperaturas del aire de secado de 40 a
60°C. El contenido de humedad final fue en el rango de 18 a 24%. El modelo es capaz de
predecir la distribución de temperatura y humedad del producto, así como también la
distribución de la temperatura y humedad del aire de secado a lo largo del proceso de secado.
Ndoye y Sarr (2006) investigaron el efecto de pre-deshumidificación del aire de secado antes
de ser calentado y suministrado a un secador de charolas. Para esta investigación se realizó un
trabajo numérico-experimental. El estudio numérico se basó en balances de energía y masa.
Los experimentos se realizaron con muestras de vainilla, con una humedad inicial del 85.3%,
temperatura del aire de secado en el rango de 35 a 65°C y un flujo másico del aire de entrada
de 0.01 a 1.3kg/s. Los resultados demostraron que el proceso de pre-deshumidificación del
aire de secado reduce el tiempo de secado, por lo tanto se reduce considerablemente el
consumo de energía y aumenta el rendimiento del secador de charolas.
Forson et al. (2007) presentaron un modelo matemático y un estudio experimental del secado
de productos agrícolas. El modelo matemático se basó en balances de energía y masa. El
modelo matemático fue desarrollado en paralelo con un trabajo experimental. Los
experimentos se realizaron con rebanadas de yuca con un contenido de humedad inicial del
65%, en un secador solar de convección natural de charolas para las condiciones de
temperatura del aire de secado de 23.2 a 24.7°C y velocidad del aire de secado de 0.01m/s.
Los resultados experimentales fueron utilizados para validar el modelo matemático. Y estos

15

mostraron que el modelo desarrollado predice el proceso de secado con gran exactitud y puede
ser utilizado como herramienta para el diseño de secadores.
Medina-Torres et al. (2007) estudiaron el secado osmótico-convectivo de nopal. Los
experimentos del secado osmótico se realizaron con una solución de glucosa de 40 y 60°Brix,
para temperaturas de 25 y 45°C. En los experimentos de secado convectivo se utilizó un
secador de charolas Apex modelo PT SSE70, velocidad del aire de secado de 3 y 5m/s,
temperatura del aire de secado de 45 y 65°C y humedad inicial del nopal de 94.1%. Se realizó
una combinación de los procesos de secado osmótico y convectivo. En el secado osmótico, la
cinética de la perdida de humedad depende de la concentración de glucosa; a mayor
concentración, la perdida de humedad es mayor para un mismo tiempo de inmersión. La
dependencia respecto a la temperatura es: a mayor temperatura mayor pérdida de humedad.
En el secado por convección predomina el periodo de velocidad decreciente. Esto significa
que el flujo de agua depende de las variables internas (temperatura y espesor del nopal) y no
de las externas; la dependencia respecto a la temperatura es muy similar a la de secado
osmótico. En el secado combinado, primero se reduce la mayor cantidad de humedad a baja
temperatura en secado osmótico y posteriormente se elimina la humedad restante mediante
secado convectivo; alterando lo menos posible la muestra. Los resultados muestran que para
una temperatura de 45°C y flujos de aire de 3 y 5m/s, el proceso de secado requiere de un
mayor tiempo de secado; en cambio para una temperatura de 65°C y los mismos flujos de aire
el tiempo de secado disminuye considerablemente. El menor tiempo del proceso de secado
para obtener un contenido de humedad final del nopal de 2% fue para las condiciones de
secado de: 60°Brix, temperatura de 65°C y velocidades de aire de 3 y 5m/s, el cual fue
aproximadamente de 16 y 14 horas, respectivamente.
Prado y Sartoni (2008) realizaron un estudio teórico-experimental de secado en cama fija de
productos agrícolas con revestimiento de mucilago, como las semillas de papaya. El estudio
teórico se basó en balances de energía y masa, tomando en cuenta la reducción de área de la
cama y la variación de las propiedades (densidad, porosidad y área específica) del producto.
Los experimentos se realizaron en un secador experimental convectivo. Se utilizaron semillas

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de papaya con un contenido inicial de humedad del 80 a 83%, temperaturas del aire de secado
de 30 a 50°C, velocidad del aire de 0.5 a 1.5m/s y un espesor de cama de 1 a 5cm. Los autores
concluyen que las propiedades deben ser aplicadas al modelo con el fin de obtener resultados
más realistas. Los resultados teóricos se compararon con los datos experimentales de
humedades y temperaturas del producto y aire de secado, obteniendo una buena predicción del
modelo matemático.
1.2.3. NORMAS Y PROCEDIMIENTOS
ASEA D271.2 DEC99. Carta Psicométrica. Proporciona los gráficos y las ecuaciones de las
propiedades del aire, en el Sistema Internacional y el Sistema Inglés. Las ecuaciones son
validas para temperatura de bulbo seco dentro del rango de -35 a 600°F en el Sistema Ingles y
de -10 a 120°C para el Sistema Internacional.
CAC/RCP 1-1969. Código Internacional de Prácticas Recomendado – Principios Generales
de Higiene de los Alimentos. Es el código internacional de prácticas del cuidado de la higiene
de los alimentos durante su manipulación, producción, almacenamiento y transporte. Estos
principios generales establecen una base sólida para asegurar la higiene de los alimentos y
deberán aplicarse junto con cada código específico de prácticas de higiene aplicable a cada
alimento en particular.
CAC/RCP 5-1971. Código Internacional de Prácticas de Higiene para las Frutas y
Hortalizas Deshidratadas incluidos los Hongos Comestibles. Este código de prácticas se
aplica a las frutas y hortalizas que han sido deshidratadas artificialmente (incluidas las secadas
por liofilización), bien sea a partir de productos frescos o bien en combinación con el secado
con el sol, y comprende los productos a los que suele aludirse con la expresión "alimentos
deshidratados". Las frutas o las hortalizas pueden presentarse en forma de rodajas, cubitos,
dados, granuladas o en cualquier otro tipo de división, o dejarse enteras antes de su
deshidratación. Las frutas reguladas por las disposiciones de este Código comprenden, pero

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sin que se limiten solamente a éstas, las manzanas, bananos, arándanos, cerezas y arándanos
americanos.
CAC/RCP 44-1995. Código Internacional Recomendado de Prácticas para el Envasado y
Transporte de Frutas y Hortalizas Frescas. El cual recomienda formas de envasado y
transporte de frutas y hortalizas frescas adecuadas para mantener la calidad del producto
durante su transporte y comercialización.
CAC/RCP 53-2003. Código de Prácticas de Higiene para las Frutas y Hortalizas Frescas.
Este Código aborda las buenas prácticas agrícolas y las buenas prácticas de fabricación que
ayudarán a controlar los peligros microbianos, químicos y físicos asociados con las etapas de
la producción de frutas y hortalizas, desde la producción primaria hasta el envasado, con el fin
de conseguir un producto inocuo y sano para el consumo humano.
CODEX STAN 185-1993. Norma del Codex para el Nopal. Se aplica a las variedades
comerciales de nopales obtenidos de Opuntia ficus indica, O. tomentosa, O. Hyptiacantha, O.
robusta, O. inermis, O. ondulata, de la familia Cactaceae, que habrán de suministrarse frescos
al consumidor, después de su acondicionamiento y envasado. Se excluyen los nopales
destinados a la elaboración industrial. En esta norma se dan las disposiciones relativas a la
calidad y a la clasificación por calibres de acuerdo al peso y longitud del nopal, presentación
del producto, marcado, etiquetado, envasado, contaminantes e higiene.
CODEX STAN 192-1995. Norma General del Codex para los Aditivos Alimentarios. Esta
norma contiene las condiciones y lista de aditivos que se pueden utilizar en los alimentos de
acuerdo a las normas del Codex Alimentarius Commission, la Norma General para los
Aditivos Alimentarios (NGAA) y el Comité del Codex sobre Aditivos Alimentarios (CCFA) y
asegurar que la ingestión no dañe la salud del consumidor.
NOM-093-SSA1-1994. Norma Oficial Mexicana, Bienes y Servicios. Practicas de Higiene y
Sanidad en la Preparación de Alimentos que se Ofrecen en Establecimientos. Describe las

18

prácticas de higiene y sanidad en la preparación de alimentos que se ofrecen es
establecimientos fijos. En ella se establecen las disposiciones sanitarias que se deben cumplir
en la preparación de alimentos, personal y establecimiento con la finalidad de proporcionar
alimentos inocuos al consumidor.
NMX-F-066-S-1978. Norma Oficial Mexicana para la Determinación de Cenizas en
Alimentos. Esta norma es aplicable a todas las muestras de alimentos sólidas.
NMX-F-083-1986. Norma Oficial Mexicana. Alimentos. Determinación de Humedad en
Productos Alimenticios. Esta norma es aplicable para determinar el contenido de humedad de
los alimentos.
NMX-FF-068-SCFI-2006. Norma Oficial Mexicana. Hortaliza Fresca- Nopal Verdura
(Opuntia spp.). Esta norma mexicana establece condiciones y características de calidad que
debe cumplir el nopal verdura de los géneros Opuntia spp. y Nopalea spp. destinados para el
consumo humano que se comercializa en el territorio nacional. Esta norma mexicana es
parcialmente equivalente al CODEX STAN 185-1993.
1.2.4. MÉTODO DE ANÁLISIS DE MUESTREO
AOAC, 1999. Determinación del Contenido de Humedad Inicial. De acuerdo con el
método de pérdida de humedad por secado en horno para alimentos No. 934.01.

19

1.2.5. CONCLUSIÓN DE LA REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA
De la revisión bibliográfica sobre el secado de alimentos se concluye que:
1. Las propiedades finales del producto seco, dependen de las condiciones iníciales y del
proceso de secado del mismo.
2. Se encontró que el modelo de capa delgada es el recomendado para el secado de frutas
y verduras, ya que no se pueden apilar por más de 6cm, debido a su alto contenido de
humedad, el cual es un ambiente propicio para su oxidación y generación de hongos.
3. El secado de frutas y verduras depende de las propiedades térmicas y físicas de cada
uno de ellos, debido a esto existen diferentes modelos de capa delgada.
4. El tiempo de secado de frutas y verduras, está en función de tres parámetros externos
principalmente, los cuales son: la velocidad, temperatura y humedad del aire de secado.
5. Los modelos matemáticos de secado en cama profunda o fija pueden ser aplicados en
la simulación y diseño de secadores de charolas. Dichos modelos se basan en balances
de energía y masa. Las ecuaciones resultantes se pueden resolver para predecir el
comportamiento de secado de un producto en particular, pueden utilizarse para
determinar el diseño y construcción de un secador, aumentar la eficiencia de secado, y
reducir los costos del proceso.
6. El proceso de secado, alarga la vida de anaquel y le da un valor agregado a los
productos, sin embargo, el estudio de los procesos de secado siguen siendo escasos
debido a la falta de procedimientos eficientes. Conocer y entender el proceso de secado
convectivo de nopal en capa delgada, ayudará a optimizar y hacer eficiente dicho
proceso, y por consiguiente, obtener un producto final con mejor calidad, que cumpla
con las normas y estándares establecidos por el mercado nacional y mundial.
7. En esta revisión bibliográfica no se encontró información relacionada con el proceso de
secado del nopal. Sin embargo, los modelos matemáticos de capa delgada encontrados,
se pueden tomar como base para la obtención de la curva de secado del nopal.

20

1.3. OBJETIVO GENERAL
Realizar un estudio teórico-experimental del proceso de secado de nopal en una columna de
charolas, para obtener: su curva de secado, un código numérico que simule el proceso de
secado en 1-D y las dimensiones de una cámara de secado de charolas con una capacidad de
500kg de producto por día.
1.4. ALCANCE
• Determinar la curva de secado del nopal, en rebanadas de 4 mm de espesor, de 6 meses
de edad.
• Contar con un código numérico en 1-D que simule el proceso de secado del nopal en
una columna de charolas.
• Encontrar las dimensiones de una cámara de secado de charolas para 500kg de
producto por día.
1.5. DESCRIPCIÓN DE LOS CAPÍTULOS
En el Capítulo 2 se describe: el proceso de secado, los modelos de capa delgada y los modelos
teóricos de secadores de charolas. Se presentan las diferentes etapas que contiene el proceso
de secado y los parámetros que se toman en cuenta. A continuación, se presentan los modelos
experimentales de secado de capa delgada. Finalmente, se presentan las consideraciones del
modelo teórico del proceso de secado de nopal en una columna de charolas y las ecuaciones
que gobiernan dicho proceso, obtenidas a partir de balances de masa y energía en 1-D.

21

En el Capítulo 3 se presenta el diseño, construcción e instrumentación del secador
experimental, el cual se llevó a cabo realizando un análisis aerodinámico en el interior del
secador, utilizando dinámica de fluidos computacional (FLUENT).
En el Capítulo 4 se describe la solución del modelo teórico-experimental para la obtención del
modelo de secado de capa delgada del nopal (curva de secado característica del nopal).
También, se presentan los resultados de las curvas experimentales características del proceso
de secado de rebanadas de Nopal, se evalúan los modelos encontrados en la literatura y
comparan con los datos experimentales. Finalmente, se selecciona el modelo que mejor
describe la cinética de secado de rebanas de Nopal de 4mm de espesor.
En el Capítulo 5 se describe la solución numérica de las ecuaciones gobernantes del modelo
teórico-experimental junto con sus condiciones iníciales y condiciones de frontera, acopladas
con las ecuaciones de las propiedades del aire. Se discretizaron utilizando la técnica de
diferencias finitas y finalmente se verifica el código numérico.
En el Capítulo 6 se presentan los resultados experimentales y teóricos de secado de nopal
rebanado en una columna de charolas y las dimensiones propuestas de una cámara de secado
de charolas.
Finalmente, en el Capítulo 7 se presentan las conclusiones del presente trabajo y las
recomendaciones para trabajos futuros.

CAPÍTULO 2
MODELOS DE SECADO
En este capítulo se describe el proceso de secado, los modelos teórico-experimentales de
secado de capa delgada y los modelos de diseño de secadores de charolas que se aplican
al proceso de secado convectivo de rebanadas de nopal. Con base en la literatura, se
describen los parámetros y períodos de secado que influyen en dicho proceso; así como,
los modelos experimentales de secado de capa delgada, las consideraciones del modelo
teórico del proceso de secado de nopal en una columna de charolas y las ecuaciones que
gobiernan dicho proceso, obtenidas a partir de balances de masa y energía. Finalmente,
se muestran las formulas obtenidas de la carta psicométrica del aire ASAE Standars
D271.2 DEC9, 2000 y sus correspondientes conclusiones.

Capítulo 2 Modelos de Secado
23

2.1. INTRODUCCIÓN
El secado es el proceso más antiguo del mundo utilizado para la preservación de alimentos,
siendo uno de los métodos más comunes vigentes de mayor importancia en todos los sectores
para la producción de productos agrícolas (Peggy y Barrie, 1998; Ekechukwu, 1999; Midilli et
al. 2002). Durante el secado dos procesos tienen lugar simultáneamente, la transferencia de
calor al producto a partir del aire caliente o una fuente de energía y la transferencia de masa de
humedad desde el interior del producto a su superficie y desde la superficie hacia el aire
circundante. La esencia básica de secado es reducir el contenido de humedad del producto a un
nivel que impida el deterioro dentro de un cierto período de tiempo, normalmente considerado
como el período de almacenamiento seguro (Ekechukwu, 1999; Perry y Green, 1999).
El proceso de secado de frutas y verduras involucra varios parámetros tales como: las
propiedades mecánicas, físicas y termo-físicas del producto a secar, así como las condiciones
de secado como es la velocidad, temperatura y humedad del aire de secado; el contenido de
humedad inicial, final y de equilibrio del producto a secar; el grado de madurez; su forma y
tamaño, entre otras.
Varios tipos de secadores y métodos de secado, se utilizan comercialmente para eliminar el
contenido de humedad de una amplia variedad de alimentos incluyendo frutas y verduras. Si
bien existen diferentes tipos de secadores, la selección de ellos es específica para cada
producto a secar en particular, ya que depende de la forma, propiedades y características de
cada producto, así como también de sus rangos de operación (Jayaraman y Das Gupta, 1992).
Sin embargo, en la producción industrial de secado de productos agrícolas de frutas y
vegetales, los secadores de charolas por convección forzada proporcionan un mejor control de
aire de secado (Pangavhane et al. 2000).
Generalmente, los modelos de secado de capa delgada son los más apropiados para el análisis
y diseño de procesos de secado, debido a que es un método experimental que puede describir
adecuadamente la cinética de secado, debido a que la transferencia de masa y energía se

24

minimiza o elimina. Esto se lleva acabo realizando experimentos utilizando una capa delgada
del producto a secar (Midilli et al. 2002).
2.2. PROCESOS DE SECADO
La gran variedad de alimentos deshidratados que hoy en día están disponibles en el mercado
como botanas, frutas secas, sopas, suplementos naturistas, etc., han despertado el interés sobre
las especificaciones de calidad y ahorro de energía, enfatizando la necesidad del
entendimiento de los procesos de secado (Krokida et al. 2003).
Cuando un sólido húmedo se somete a un proceso de secado, se presentan dos subprocesos
simultáneamente:
1. Transferencia de masa en forma de la humedad interna, del sólido hacia la superficie
de éste y su subsecuente evaporación.
2. Transferencia de energía en forma de calor, del ambiente que lo rodea al sólido para
evaporar la humedad de su superficie. Este segundo subproceso depende de
condiciones externas como son la temperatura, humedad del aire, flujo de aire y tipo de
secador que se emplea.
El comportamiento de los sólidos en el proceso de secado, se mide como la pérdida de
humedad como una función del tiempo. En el proceso de secado se presentan dos períodos: el
de velocidad de secado constante y el de velocidad de secado decreciente. En la Figura 2.1 se
muestran los dos períodos de secado: el primer período de velocidad de secado constante,
inicia cuando el producto se empieza a secar y finaliza en el momento que el producto alcanza
la humedad crítica; en ese mismo instante empieza el otro período, el de velocidad
decreciente, el cual finaliza cuando el producto alcanza la humedad de equilibrio; es aquí
donde el proceso de secado termina.

25

Figura 2.1. Comportamiento de la humedad en el tiempo.
El contenido final de humedad, determina el tiempo de secado y las condiciones requeridas
para el proceso de secado. En las siguientes secciones se explicará en qué consisten los
parámetros de secado como son la humedad crítica, humedad de equilibrio y los períodos de
secado.
2.2.1. PARÁMETROS DE SECADO
Durante del proceso de secado varios parámetros influyen en el tiempo de secado, como son:
la humedad relativa del aire, la temperatura del aire, la velocidad del aire, el contenido de
humedad inicial, final y de equilibrio del producto.
Humedad relativa del aire
La humedad relativa del aire se define como la razón de la presión de vapor de agua presente
en ese momento, con respecto a la presión de saturación de vapor de agua a la misma

26

temperatura. Generalmente, se expresa en porcentaje (%), a medida que se incrementa la
temperatura del aire aumenta su capacidad de absorción de humedad y viceversa.
Cuando el aire contiene su máxima capacidad, se dice que se trata de un aire completamente
saturado y por lo tanto incapaz de absorber más humedad, por el contrario, un aire no saturado
tiene la posibilidad de absorber una cantidad determinada de humedad hasta lograr su
saturación.
Temperatura del aire
La temperatura del aire desempeña un papel importante en los procesos de secado. En forma
general, conforme se incrementa su valor se acelera la eliminación de humedad dentro de los
límites posibles. En la práctica de secado, la elección de la temperatura se lleva a cabo
tomando en consideración el producto que se vaya a someter al proceso.
Existen diversos niveles de temperaturas que se mantienen durante el proceso de secado:
• Temperatura de bulbo seco: es aquella del ambiente, se mide con instrumentación
ordinaria como por ejemplo un termómetro de mercurio.
• Temperatura de bulbo humedo: es la temperatura de equilibrio que se alcaza cuando la
mezcla de aire seco y vapor de agua pasa por un proceso de enfriamiento adiabático
hasta llegar a la saturacion.
Velocidad del aire
La velocidad del aire de secado tiene como funciones principales, en primer lugar, transmitir
le energía requerida para calentar el agua contenida en el material facilitando su evaporación,
y en segundo lugar, transportar la humedad saliente del material hacia el exterior del secador.

27

Durante las primeras etapas del secado, la velocidad del aire desempeña un papel muy
importante, sobre todo cuando el material contiene un alto contenido de humedad. A mayor
velocidad, mayor será la tasa de evaporación y menor el tiempo de secado y viceversa, si la
velocidad del aire disminuye la tasa de evaporación disminuye y el tiempo de secado aumenta.
Por tal razón, para asegurar un secado rápido y uniforme es indispensable tener una buena
circulación del aire constante y regular.
En la práctica, la economía del proceso determina la velocidad del aire. Se utiliza velocidades
mayores a 3m/s solo en casos excepcionales (productos con alto contenido de humedad), pero
en general, la velocidad se considera entre 0.2 y 3m/s. En algunos casos, es recomendable
utilizar velocidades de secado altas al inicio del proceso de secado, pero a medida que
disminuye la humedad se sugiere disminuir la velocidad. Lo anterior es posible si se cuenta
con extractores de velocidad variable.
Contenido de humedad inicial
El contenido de humedad inicial del producto, es la humedad que tiene el producto al
cosecharse y depende del tiempo de cosecha. El contenido de humedad inicial también influye
en la tasa de secado. Cuanto más elevado sea el contenido de humedad del producto, mayor
será la cantidad de agua evaporada por unidad de energía.
La cantidad de humedad inicial de algún producto puede ser expresada en base húmeda, es
decir, la cantidad de agua que tiene el producto en total sobre su peso de materia seca más
agua; o en base seca, que es la cantidad de agua que tiene el producto en relación solamente a
la cantidad de materia seca; pueden ser expresadas como un porcentaje o decimal. Ambas
expresiones pueden representarse de la siguiente forma:
2.1

28

2.2
donde hbh es la humedad en base húmeda, hbs es la humedad en base seca, mw es la masa de
agua, ms es la masa de producto seco y mt es la masa total del producto.
Contenido de humedad final
El contenido de humedad final del producto, es la humedad que tiene el producto después de
secarlo. La humedad final depende del tiempo que se desea almacenar el producto, así como la
calidad que se desea obtener en el mismo. Si el producto no tiene la humedad final mínima
que se requiere para almacenarlo, se presenta un ambiente favorable para la proliferación de
microorganismos.
Contenido de humedad de equilibrio
La humedad de equilibrio, se define como el contenido de humedad que alcanza un producto
después de haber sido expuesto en un ambiente de humedad relativa y temperatura constante,
por un largo período de tiempo; depende de las condiciones de humedad y temperatura
ambiente, además de la variedad, madurez y especie del producto.
Varias ecuaciones empíricas han sido desarrolladas para expresar el contenido de humedad de
equilibrio como una función de la humedad relativa y de la temperatura. Una de las ecuaciones
es la de BET, desarrollado por Brunauer et al. en 1938 y aplicado por Lahsasni et al. en 2003
al nopal, después de realizar un estudio teórico-experimental de los isotermas de absorción y
desabsorción de agua en dicho producto. Los experimentos se realizaron a temperaturas de 30,
40 y 50°C, en un rango de 0. 5 a 90% de humedad relativa del ambiente. Se utilizaron seis

29

diferentes sales (KOH, MgCl2, K2CO3, NaNO3, KCl y BaCl2) pare crear el rango de humedad
relativa del ambiente y mantenerlo constante. La ecuación empírica BET es la siguiente:
1 1
1
2.3
donde HR es la humedad relativa del ambiente, xm y ae son constantes conocidas que dependen
del tipo de producto. En la Tabla 2.1 se presentan los valores que se obtuvieron para las
constantes xm y ae de la ecuación 2.3 para el nopal.
Tabla 2.1. Constantes experimentales del contenido de humedad de equilibrio para el nopal.
Constante
Temperatura (°C)
30 40 50
xm
ae
6.7884
12.7541
6.4625
10.0539
6.3341
4.3426
Por otra parte, es importante recalcar que la humedad de equilibrio del nopal es necesaria en el
estudio de secado del mismo, debido a que determina el contenido de humedad mínimo al que
puede estar el nopal seco bajo ciertas condiciones de secado.
Contenido de humedad crítica
El contenido de humedad crítica, es la que tiene el producto cuando la resistencia interna al
transporte de humedad es igual a la resistencia externa a la remoción de vapor de agua de la
superficie del producto; depende de las condiciones de secado y de las características del
producto tales como el tamaño y la forma. En otras palabras, es la humedad que tiene el
producto cuando termina el período de velocidad de secado constante y empieza el período de
velocidad decreciente.

30

2.2.2. PERÍODO DE VELOCIDAD DE SECADO CONSTANTE
El período de velocidad de secado constante, para productos biológicos con alto contenido de
humedad, depende de tres parámetros externos: la velocidad del aire, la temperatura del aire y
la humedad del aire. El período de velocidad de secado constante, se presenta en productos
donde la resistencia interna al transporte de humedad es mucho menor que la resistencia
externa a la remoción del vapor de agua de la superficie del producto. Este período de secado
deja de ser de velocidad constante y pasa a ser de velocidad decreciente cuando el contenido
de humedad del producto es el contenido de humedad crítico.
2.2.3. PERÍODO DE VELOCIDAD DE SECADO DECRECIENTE
Durante el período de velocidad de secado decreciente, la superficie del producto a secar no
está cubierta con una capa delgada de agua (como sucede durante el período de velocidad
constante) debido a que la resistencia interna al transporte de humedad ha llegado a ser mucho
mayor que la resistencia externa. Como el contenido de humedad del producto ha descendido
del punto crítico, el potencial de secado del proceso decrece con la velocidad de secado. Esta
parte del proceso de secado finaliza cuando la humedad de equilibrio del producto llega a ser
el óptimo para el almacenamiento del producto en cuestión.
2.3. MODELO TEÓRICO DE SECADO
Existen diversos modelos teóricos de secado como son: el modelo de secado a baja
temperatura, el modelo de secado logarítmico y el modelo de secado de capa delgada, entre
otros. En el presente trabajo solo se mencionará el modelo de secado de capa delgada, debido
a que es el modelo más estudiado y usado (Sokhansanj y Cenkowski, 1989; Síma, 1999; Wang
et al., 2004).

31

2.3.1. MODELO DE SECADO DE CAPA DELGADA
La cinética de secado del alimento es un fenómeno complejo y requiere representaciones
simples para predecir el comportamiento de secado, y optimizar los parámetros de secado. Los
modelos matemáticos de capa delgada describen los fenómenos de secado en una manera
unificada (Krokida et al., 2003).
Los modelos de capa delgada contribuyen a la comprensión de las características de secado de
los materiales agrícolas. Estos modelos están divididos en tres categorías: teórico, semi-teórico
y empíricos. Los modelos teóricos se refieren a la solución de la ecuación de difusión o a las
ecuaciones simultáneas de transferencia de masa y energía. Los modelos semi-teóricos son
generalmente obtenidos por la simplificación general de las series de solución de la segunda
ley de Fick (Panchariya et al., 2002). Los modelos empíricos se obtienen de una relación
directa entre el contenido de humedad y el tiempo de secado; se aplican fácilmente a la
simulación del proceso de secado porque dependen de los datos experimentales (Afzal y Abe,
2000).
Entre estos modelos, los acercamientos teóricos consideran solamente la resistencia interna a
la transferencia de la humedad, mientras que las aproximaciones semi-teóricas y empíricas
consideran solamente la resistencia externa a la transferencia de la humedad entre el producto
y el aire (Parti, 1993).
El secado de capa delgada, es el proceso de remoción de agua de un medio poroso por
evaporación, en la que un flujo de aire de secado pasa a través de una capa delgada de
producto hasta que el contenido de humedad de equilibrio se alcanza (Omid et al. 2006;
Yadollahinia et al. 2008). La remoción de la humedad de productos agrícolas depende de la
temperatura, velocidad y humedad relativa del aire de secado, contenido de humedad inicial,
variedad y madurez del producto a secar. Por lo tanto, diversos parámetros están implicados en
la eliminación de la humedad del producto. La situación es más sencilla cuando la resistencia
de secado (proceso isotérmico) sólo se encuentra en la superficie del producto, para lo cual la

32

pérdida de humedad con el tiempo sigue aproximadamente una ley exponencial (Yadollahinia
et al. 2008).
En la Figura 2.2 se muestra el modelo de secado de capa delgada, el cual representa como un
volumen de control, donde se consideran los cambios de humedad que ocurren en el producto,
así como los cambios de humedad y temperatura que ocurren en el aire. El aire que pasa a
través del producto presenta cambios en la temperatura y humedad relativa al salir de la capa
delgada del producto.
Figura 2.2. Modelo de secado de capa delgada.
La cinética de secado de todas las frutas y verduras no se puede describir por el mismo modelo
de secado debido a la diferencia en contenido de agua y fenómenos típicos del transporte
durante el secado.
Los modelos de secado de capa delgada han ganado amplia aceptación para el diseño de
secadores y simulación del proceso de secado. Muchas investigaciones han utilizado el
modelo exponencial de secado, que describe el comportamiento de secado de los productos
agrícolas. La solución de la ecuación de Fick basándose en las consideraciones de resistencia
Capa delgada de Producto
Salida de aire
Temperatura, T‐ΔT (°C)
Entrada de aire
Temperatura, T (°C)
Producto antes del secado
Contenido de Humedad, M (%
o decimal)
Producto después del secado
Contenido de Humedad, M‐ΔM (%
o decimal)

33

interna de migración de humedad hacia la superficie y encogimiento del producto
insignificante, migración de humedad de la superficie del producto al aire en forma de vapor o
agua, coeficiente de difusión y temperatura constante; la ecuación se simplifica para conseguir
el modelo exponencial de Newton (Sawhney et al. 1999; Kashaninejad y Tabil, 2004; Omid
et al. 2006; Yadollahinia et al. 2008). Cuando solo un término es usado como modelo de
secado, el proceso puede ser explicado por la ley de enfriamiento de Newton con
consideraciones de que la relación de humedad es proporcional a la diferencia entre la
humedad actual y el contenido de humedad de equilibrio:
2.4
Considerando una condición de frontera de para 0, entonces la solución de la
ecuación 2.4 es:
2.5
donde MR es la relación de la humedad del producto, Mt es el contenido de humedad al tiempo
t, Me es el contenido de humedad de equilibrio, Mi es el contenido de humedad inicial, t es el
tiempo y k es la constante empírica de secado.
La ecuación 2.5 es conocida como el modelo de Lewis, Newton o ecuación exponencial
simple y se utiliza frecuentemente para el secado en capa delgada de productos agrícolas como
el maíz, chile verde, etc.
El modelo de Henderson y Pabis también es una solución de la serie general de la segunda ley
de Fick. El cual ha sido utilizado con éxito para predecir el tiempo de secado de productos
agrícolas (Ghazanfari et al. 2006).

34

2.6
donde, a y k son constantes empíricas de secado.
En la Tabla 2.2 se muestra un resumen de los modelos de secado de capa delgada utilizados
para describir la cinética de secado, de los productos agrícolas entre ellos las frutas y verduras.
Tabla 2.2. Modelos de secado de capa delgada.
No. Modelo Nombre del Modelo Ecuación del Modelo Año
1 Newton 1921
2 Page 1949
3 Henderson y Pabis 1961
4 Page1
Modificado 1973
5 Dos Términos 1974
6 Dos Términos Exponencial 1 1980
7 Page2
Modificado 1991
8 Page3
Modificado 1991
9 Aproximación de Difusión 1 1998
10 Herderson y Pabis Modificado 1999
11 Midilli 2002
donde, a, b, c, g, h, k, k0, k1, L, n son constantes empíricas de secado.
De acuerdo a la revisión bibliográfica, se encontró que los parámetros más importantes en el
proceso de secado de capa delgada son la temperatura, velocidad y humedad relativa del aire
de secado. Por lo tanto, estos parámetros deben ser incluidos en los modelos de capa delgada.
El efecto de los parámetros de secado se refleja en las constantes empíricas de secado, a, b, c,

35

k, k0, k1, n, g y h, L, puede ser incorporado en las constantes de la ecuación de la forma tipo
Arrhenius (Sawhney et al. 1999; Pangavhane et al. 2000):
, , , , , , , , , 2.7
donde α0, α1, α2 y α3 son constantes, v es la velocidad del aire de secado, HR es la humedad
relativa del aire de secado y Tabs es la temperatura absoluta del aire de secado. Estas constantes
tendrán que ser determinados por medio de experimentos en un prototipo de secador de
charolas de laboratorio.
2.3.2. MODELO TEÓRICO DE UN SECADOR DE CHAROLAS
Los procesos de secado desempeñan un papel importante dentro la preservación de productos
agrícolas, el cual se realiza en secadores. La aplicación de secadores implica mantener el
control del tiempo de secado, la humedad relativa dentro de la cámara de secado, la pérdida de
peso del producto, la velocidad y la temperatura del aire de secado.
Existen diferentes tipos de secadores que se utilizan en el proceso de secado: a) secador de
flujo continuo, b) secador de flujo contracorriente, c) secador de flujo concurrente y d) secador
de cama fija. Para el secado de frutas y verduras se recomienda utilizar un secador de cama
fija de charolas (FAO, 1991), debido a que en el secado de estos productos no se deben apilar
más de 6cm., ya que contienen un alto porcentaje de agua (mayor al 80%), el cual es un
ambiente propicio para la oxidación del producto, la generación de hongos y por lo tanto
degeneración de los mismos.
Un secador de charolas consta de una cámara de secado equipada con charolas perforadas en
su interior; en las cuales se coloca el producto a secar, un extractor, un calentador de aire y

36

deflectores lo cuales distribuyen uniformemente el aire en el interior de la cámara y a través de
las charolas (Brennan, 2006).
Una de las partes principales del diseño del secador de charolas, es su cámara de secado;
algunos de los parámetros principales que rigen la capacidad y el buen funcionamiento del
mismo es: la distancia entre charolas y el comportamiento de secado del producto (curva de
secado). Para conocer estos parámetros es necesario realizar pruebas experimentales para
diversas condiciones de operación.
Un secador de charolas, como se muestra en la Figura 2.3, se trata de un gabinete aislado
provisto de charolas perforadas. Estos secadores permiten el procesamiento de diferentes
productos, con un buen control de las condiciones de secado. El material que se seca se coloca
en capas delgadas (0.4 a 6cm de espesor) sobre charolas que se cargan dentro del gabinete del
secador. El aire se calienta y se hace circular entre las charolas y a través del material
mediante el uso de un extractor de aire.
Figura 2.3. Secador de charolas.
Altura entre Charolas

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