Proceso de Secado Spray

Introducción

El secado por atomización (Secado Spray) es el proceso de pulverizar una solución o suspensión en una corriente de aire caliente, la cual deshidrata en forma casi instantánea, obteniéndose partículas de polvo, con muy bajo contenido de agua, que contienen al compuesto en cuestión. El empleo de este proceso dependerá del tipo de producto que se va a deshidratar, de la calidad que se puede alcanzar y del costo que se puede justificar.

Este tipo de proceso presenta grandes ventajas en relación a otro tipo de secados:

• Alto Rendimiento: proceso rápido, pocos segundos.
• La evaporación de agua contenida refrigera la partícula, permitiendo usar altas temperaturas en el aire de secado sin afectar al producto.
• Proceso continuo y controlado.
• Mayor homogeneidad de la producción.
• Superior presentación del producto.
• Instalación controlada por un solo operador.
• Fácil de automatizar.
• Admite trabajo continuo de 24 horas.

Principales productos obtenidos por Secado Spray

El secador spray permite el secado de productos sensibles al calor, por contar con tiempos de residencia muy cortos y a temperaturas de producto relativamente bajas. Los principales productos secados son:

• SUBPRODUCTOS DE MATADERO: Sangre, plasma, hemoglobina, gelatina, extracto de carne.
• HUEVO: Entero, yema y clara de huevo.
• LECHE.
• CAFÉ.
• SABORES Y AROMAS: Naturales y sintéticos.
• LEVADURA: Levaduras, hidrolizado de proteínas.
• ELIMINACIÓN DE EFLUENTES: Aguas de lavado, líquidos con altos DBO y DQO.
• CURTIENTES: Tanino vegatal y sintético, compuestos crómicos.
• CATALIZADORES Y COLORANTES: Pigmentos y anilinas orgánicas e inorgánicas.
• MARINOS: Recuperación de proteínas presentes en el agua de cola del proceso producción de harina pescado.

Descripción del proceso de Secado Spray

El producto líquido se encuentra en el tanque de alimentación (1). A través de un filtro de producto (2), se impulsa por la bomba (3) y, pasando por el conjunto de tuberías y accesorios (4), llega hasta el atomizador (7). El quemador del horno (5) y su cámara (6) proveen la temperatura necesaria para calentar la corriente de aire de secado. Ésta corriente es forzada por el ventilador (13), el cual hace que el aire caliente circule a través del dispersor (8), distribuyéndose uniformemente alrededor del disco del atomizador (7), del cual fluye el líquido pulverizado. Cuando éste último choca con el aire caliente, el secado se produce en forma casi instantánea debido al tamaño de la gota. Como parte de ésta es sólido (producto en determinada concentración) cae en forma de polvo en el interior de la cámara de secado (9), siendo aspirado por el ventilador (13), y llevado por la tubería de interconexión (10) hasta al ciclón (11), en donde se separan el polvo del aire y se obtiene el producto terminado. Este último sale mediante una válvula rotativa (12) para su envasado. El aire separado escapa al exterior por medio de una chimenea (14) llevándose consigo un muy pequeño porcentaje de polvo. En ciertos casos (productos con alto costo comercial o con graves efectos contaminantes para el medio ambiente), la utilización de un sistema lavador de gases (16) permite recuperar el producto y volverlo a utilizar.

Componentes Secador Spray

• 1) Tanque de alimentación.
• 2) Filtro de producto.
• 3) Bomba dosificadora.
• 4) Conjunto de cañerías, válvulas y accesorios.
• 5) Quemador completo.
• 6) Generador de gases calientes.
• 7) Atomizador completo.
• 8) Dispersor de aire caliente.
• 9) Cámara de secado.
• 10) Conductos de interconexión.
• 11) Ciclón de salida de producto.
• 12) Válvula rotativa.
• 13) Ventilador de aspiración.
• 14) Chimenea.
• 15) Tablero de control y comando.
• 16) Lavador de gases efluentes (opcional).

Hornos Quemadores

Un punto importante a destacar, para poder obtener un producto específico, es el tipo de horno a ser utilizado, el cual puede ser “Directo” o “Indirecto”:

• El secador con horno directo utiliza los mismos gases de combustión de combustibles líquidos o gaseosos para calentar el aire de secado. Las proporciones de la mezcla deben ser las adecuadas para alcanzar los caudales y temperatura requeridas por el proceso. En la mayoría de las aplicaciones químicas y alimenticias se pueden utilizar generadores de este tipo, pero debido a que la mezcla entra en contacto con el producto, para ciertos productos alimenticios suele utilizarse la alternativa del calentamiento indirecto.
• El secador con horno indirecto utiliza cualquier fuente térmica para calentar el aire de secado que a través de un intercambiador de calor calienta el mismo. En el secador con horno indirecto solamente entra aire caliente atmosférico y/o previamente filtrado.

Bomba dosificadora

Para un correcto funcionamiento del secado spray, la dosificación del producto debe ser uniforme (no pulsante) y constantemente controlada por microprocesador. La correcta variación gradual de la dosificación permite que el equipo tenga un período de trabajo continuo, sin eventuales interrupciones. Generalmente, en la industria alimenticia, la bomba empleada es desplazamiento positivo tipo pistón, por razones sanitarias.

Medios de aspersión

Las cámaras de secado spray cuentan con diferentes medios de aspersión para garantizar el tamaño y homogeneidad de las gotas generadas. Se consideran dos sistemas alternativos para lograr esto ya sea mediante rotor atomizador o con toberas:

• Los secadores spray con rotor atomizador tienen mayor flexibilidad en el caudal de operación, pero presentan gotas de tamaño variable.
• Los secadores spray con toberas son menos flexibles en cuanto al caudal de alimentación, pero presentan gotas más pequeñas y homogéneas.

Ambos sistemas pueden ser utilizados en la mayoría de las aplicaciones y deberá definirse caso por caso cuál es el más adecuado.

Flujo de Aire de Secado

Un parámetro importante en el diseño de las cámaras spray es definición de cómo será el flujo de aire de secado. De acuerdo al tipo de cámara, el producto a secar y demás parámetros, el aire de secado puede circular en cocorriente entrando por la parte superior de la cámara y saliendo por la parte inferior, en contracorriente desde la parte inferior a la superior y mediante flujo mixto, que cuenta con entradas tanto por la parte superior como por la inferior de la cámara spray, saliendo por la parte superior.

Puntos a considerar en el proceso de Secado Spray

Algunos son indispensables para tener una visión más completa sobre el secado por atomización:

• Un alto caudal de aire de secado provoca un rápido desplazamiento del producto de la cámara con aumento de la humedad residual.
• Una baja salida del aire de secado provoca larga permanencia del producto en la cámara, que tiene como resultado un polvo muy seco.
• Una alta velocidad del aire favorece una buena separación en el ciclón.
• Una alta velocidad del disco atomizador resulta en partículas menores del producto.
• Una alta concentración del producto resulta en partículas mayores del mismo.
• Una baja concentración del producto y alta velocidad del disco atomizador resultan partículas del producto muy pequeñas, que dificulta una óptima separación ciclónica.
• De obtenerse partículas muy pequeñas y leves, la extracción del polvo debe de ser realizada con filtros tipo de mangas.
• Aumentar el caudal de la bomba dosificadora, con temperatura de entrada constante del aire de secado, resulta en una disminución de la temperatura de salida.
• La temperatura de entrada es la misma que la temperatura del aire que entra en la cámara de secado, la cual es introducida a través de un dispersor de aire, por medio de un ventilador / exhaustor, que entra en contacto con el producto pulverizado, realizando la vaporización.
• El producto final (sólido) no es sometido a la temperatura de entrada. La temperatura del aire de secado con los vapores del solvente más la materia seca, antes de entrar en el ciclón, se denomina Temperatura de Salida.
• La Temperatura de Salida no es necesariamente la temperatura de la materia seca, que sigue relativamente fría de acuerdo con el tiempo de permanencia en el equipo.

    Por lo tanto, la Temperatura de Salida puede ser considerada como la máxima temperatura que el producto final podría alcanzar con un lento proceso de recuperación. Contrastando con la temperatura de entrada que solamente es controlada a través del quemador, la temperatura de salida tiene varios controles, resultado de los siguiente parámetros:

• Temperatura de entrada.
• Caudal del aire.
• Caudal de la bomba dosificadora.
• Concentración del producto a secar.

La diferencia existente entre la Temperatura de Entrada y la Temperatura de Salida es uno de los puntos más importantes a tener en cuenta en el secado por atomización (spray drying). Aumentando la diferencia de la temperatura, con mayor ingreso del producto en la cámara y manteniendo la temperatura de entrada constante, aumentará la humedad residual del producto.

Variantes del Secado Spray: Secadores Múltiples Etapas

Los secadores spray pueden ser de 1, 2 o 3 etapas, permitiendo obtener productos más granulados y reduciendo el costo energético que involucra el secado.

• En las cámaras de 1 etapa, el producto líquido sufre un solo proceso que lo lleva hasta la humedad final deseada, luego del cual se separa el producto sólido final de la corriente de aire que lo transporta. Estas cámaras dan un producto de baja granulometría, similar a un polvo fino y con una capacidad de rehidratación media por ser partículas discretas y compactas. La inversión inicial requerida para este tipo de cámaras es la menor en relación a otras alternativas.

• En un secador spray de 2 etapas, el producto que sale de la cámara es enviado a un lecho fluido vibrado externo. La humedad del producto a la salida de la cámara de secado no es la final, sino que sale con un contenido de agua un poco mayor al requerido y sufre un secado final en el lecho fluido externo. Las características constructivas de la cámara en sí son similares a las de una etapa, pero cambian las condiciones de operación (humedad final del producto, temperaturas de aire y demás parámetros).

• El secador spray de 3 etapas presenta una cámara con un diseño diferente a la de 1 o 2 etapas. Este tipo de secador cuenta con un lecho fluido estático interno en la base de la cámara y un lecho fluido vibrado externo. El producto sufre entonces tres procesos de secado. En el proceso principal, que ocurre en el seno de la cámara spray, el producto se seca hasta 12-15 % de humedad. Luego es llevado hasta 5-6 % en el lecho fluido estático dentro de la cámara, que es alimentado por una corriente de aire caliente independiente de la cámara que permite regular la temperatura del aire en contacto con el producto casi seco y es muy apropiado para productos termosensibles. En esta etapa es donde se produce principalmente la aglomeración del producto que favorece la rehidratación. Esto es deseado en productos como la leche en polvo y el café instantáneo.
• En el lecho fluido externo se seca el producto hasta la humedad final deseada, generalmente con una corriente de aire caliente y otra de aire frío final que deja al producto con una temperatura apropiada para ser embolsado en su envase final.

Optimización del proceso de Secado Spray

1. Acondicionamiento y control del aire de secado

Tanto el calentamiento como la deshumidificación del aire tienen influencia en el tamaño y rendimiento de los equipos.

La humedad relativa del aire de entrada deberá ser lo más baja posible para aumentar la capacidad de secado del aire, sin riesgo de condensación en los conductos de salida de los equipos. Para esto es necesario extraer la humedad del aire, que trae del exterior, y bajarla hasta el nivel adecuado para cada proceso, previo filtrado según corresponda.

En lugares en donde existe una variación estacional en la humedad relativa del aire de entrada, la falta de un control eficiente del proceso obliga a que los secadores operen  con un margen de seguridad para garantizar un secado adecuado. Esto conlleva a un alto consumo de energía y un costo excesivo del proceso secado.

Para optimizar el proceso de secado, se recomienda la implementación de controles basados ​​en la medición de humedad relativa en línea. Los sensores de humedad elegidos deben ser sumamente confiables, soportar altas temperaturas y tolerar algo de polvo (el aire de salida es filtrado). La precisión y facilidad de limpieza también son criterios de selección importantes a la hora de adquirir un instrumento de medición.

AKRIBIS propone el uso de los transmisores de Humedad Relativa y Temperatura Vaisala HUMICAP® Serie HMT330: uno en la entrada y el otro en la salida del aire. Los datos de humedad relativa del aire de entrada se utilizan para dirigir el proceso; los datos de humedad relativa del aire de salida se correlacionan con el contenido de humedad del polvo, por lo que pueden utilizarse como un indicador de la calidad del producto final.

Asimismo, la temperatura del aire de secado definirán, en gran medida, el tipo y tamaño del polvo a obtener, ya que a mayor temperatura de entrada se pueden disminuir los caudales de operación. Sin embargo, es importante conocer cada producto y proceso en particular, ya que la calidad del producto puede deteriorarse si el mismo entra en contacto con aire demasiado caliente, o incluso se puede generar su descomposición por alta temperatura.

2. Reinyección de polvos finos

Una de las carácterísticas más buscadas de los productos en polvo es su capacidad de rehidratarse fácilmente. La reinyección de finos para la aglomeración permite obtener un producto de alta dispersabilidad. Esto se consigue recirculando a la cámara spray una porción del polvo generado. Al entrar en contacto este polvo con las gotas que salen del rotor o de las toberas se produce una aglomeración parcial de las partículas que generan espacios huecos en su interior al evaporarse el agua. Estos espacios permiten el ingreso de agua y el contacto con una superficie muy amplia de producto dentro de la partícula aglomerada facilitando la hidratación. En el lecho fluido interno se completa esta aglomeración por el contacto íntimo entre partículas semi secas.

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AKRIBIS Ingeniería

Ing. Cristian Adrián Llabrés Cacace