seminario internacional spa 2012 - col

Memorias

Seminario Internacional

Secado de Productos Agrícolas SPA 2012

Memorias

Seminario Internacional

Secado de Productos Agrícolas SPA 2012

Bogotá, D. C., Colombia, octubre 24 -26 de 2012

Editores

Sonia Lucia Rincón Prat Patricia Cuervo-Andrade

© Universidad Nacional de Colombia Sede Bogotá Facultad de Ingeniería Departamento de Ingeniería Mecánica y Mecatrónica Grupo de Investigación en Biomasa y Optimización Térmica de Procesos- BIOT © Departamento Administrativo de Ciencia, Tecnología e Innovación. Colciencias © Editores

Sonia Lucia Rincón P. Patricia Cuervo-Andrade

Prohibida la reproducción total o parcial por cualquier medio sin la autorización escrita del titular de los derechos patrimoniales. ISBN: 978-958-761-342-1 Diseño y diagramación

Patricia Cuervo-Andrade Mario Posada Juan David Mejía Frank Jimy García

Primera edición, octubre de 2012

Prefacio

Dentro de la cadena de procesamiento de productos agrícolas, el secado es un proceso de especial interés ya que éste influye significativamente en las características de calidad del producto y es la etapa con el mayor consumo energético.

El Grupo de Investigación en Biomasa y Optimización Térmica de Procesos ‐ BIOT organiza este seminario en el marco de las actividades investigativas realizadas bajo el proyecto Optimización del Proceso de Secado de Plantas Aromáticas y Medicinales llevadas a cabo desde el año 2010.

El Seminario Internacional Secado de Productos Agrícolas – SPA2012 tiene como objetivo congregar a la comunidad científica, productora e industrial relacionada con el área del secado de productos agrícolas, para dar a conocer resultados de investigación, experiencias de productores y comercializadores y el estado actual del proceso en Colombia y en el mundo. Así mismo se busca identificar necesidades para crear sinergias enfocadas a la solución de problemas y el desarrollo y aplicación de nuevas tecnologías que permitan la obtención de productos con valor agregado de alta calidad con bajos consumos energéticos.

Adicionalmente se busca crear las bases para formar una red temática en el área del secado de productos agrícolas que permita enfocar las actividades de investigación, desarrollo y adaptación de tecnología.

El Seminario cuenta con la participación de 3 invitados internacionales y 5 nacionales expertos en temas como: Tecnología de secado, simulación y modelamiento, desarrollo de equipos y calidad del producto.

Las presentes Memorias del Seminario SPA2012 contienen los resúmenes de 28 contribuciones realizadas en forma de presentación oral y en forma de poster.

Los organizadores manifiestan su gratitud al Departamento de Ingeniería Mecánica y Mecatrónica, la Vicedecanatura de Investigación y Extensión, la Unidad de Educación Continuada de la Facultad de Ingeniería de la Universidad Nacional de Colombia, al Departamento de Ingeniería Agrícola de la Universidad de Kassel, al Departamento Administrativo de Ciencia, Tecnología e Innovación – Colciencias por el apoyo económico dado para la realización del presente seminario a través del contrato RC. No. 279 – 2010 y el convenio especial de cooperación 0642 – 2012.

SONIA LUCÍA RINCÓN PRAT Directora Grupo de Investigación en Biomasa y Optimización Térmica de Procesos ‐ BIOT

TABLA DE CONTENIDO

CONFERENCISTAS INVITADOS 1

PRESENTACIONES Y POSTER 1

1. TECNOLOGÍA DE SECADO 2

Juan C. Gómez‐Daza, Claudia I. Ochoa‐Martínez Aspectos cinéticos y termodinámicos del secado asistido por bomba de calor y el secado convectivo con recirculación total.

3

Diana Carolina Vásquez Osorio, Gustavo Adolfo Hincapié Llanos. Efecto de la temperatura de secado sobre las propiedades técnico funcionales de la fibra dietaria presente en la guayaba (Psidium guajava L.) variedad pera.

9

Henry A. Váquiro, José F. Solanilla, Antonio Mulet Pons, José Bon Corbín Influencia de las condiciones de operación sobre la cinética del proceso de secado intermitente 14 Diana Catalina Moreno Guarín , Amanda Consuelo Díaz Moreno Influencia del secado por aire caliente en la velocidad de secado y difusividad efectiva del tomate a diferentes estados de madurez y variedades 21 María U. Ocoró‐Zamora, Alfredo A. Ayala‐Aponte Secado de muestras de papaya (carica papaya L) por ventana de refractanciatm: influencia de la temperatura y del espesor. 27 Nazly Pulido, Claudia Salazar, Consuelo Diaz , Martha Quicazán. Evaluación del efecto de la temperatura de secado sobre el contenido total de compuestos fenólicos en polen apícola. 33 Claudia I. Ochoa‐Martínez, Jesús A. Méndez Cajigas, Marla C. Mercado Rodríguez, Alejandro Fernández Evaluación de condiciones de operación en el secado por aspersión de jugo de mandarina (citrus nobilis) 37 Carreño Olejua, René; Castellanos Olarte, Javier Uso de secadores de tambor como herramienta para el secado de café (estrategia de control como soporte a un análisis metodológico para elevar la calidad de producto) 46 Juan Carlos Mahecha Godoy Resultados obtenidos en deshidratación de uchuva (physalis peruviana L.) 52

A.Duran Jiménez, Carlos M. Zuluaga Domínguez, Martha C. Quicazán Sierra Evaluación de las alternativas actuales de secado de polen apícola del altiplano Cundiboyacense. 64 Jairo Leonardo Cuervo AndradeExperiencia del secado de la flor de jamaica (hibiscus sadariffa L) bajo invernadero

71 Esmeralda Mosquera, Yuri Leiton, Alfredo Ayala, Claudia Ochoa‐Martínez Comparación de métodos de secado con ventana de refractancia y liofilización en secado de rodajas de naranja: efecto sobre la calidad y la cinética 78

Pedro Felipe Ortiz Rodríguez, Claudia P. Pérez, Sonia Rincón Prat Normatividad para control de calidad en producción de plantas aromáticas y medicinales 83

Omar Prias Caicedo

Oportunidades de gestión energética en el sector agrícola con impacto en la productividad. 92

Henry A. Váquiro, Renato A. Ferreira Cabral, José F. Solanilla, Javier Telis‐Romero

Efecto de la velocidad y la temperatura del aire sobre la contracción del mango en el proceso de secado convectivo. 94

Juan David Mejia Ciro, Sonia Lucia Rincón Prat, Patricia Cuervo‐Andrade Caracterización de plantas aromáticas: tomillo (thymus) y limonaria (cymbopogon)

99

Oscar Daniel Ballen, Patricia Cuervo‐Andrade, Oliver Hensel Curvas de secado e Isotermas de Sorción para Hierbabuena (Mentha Spicata L.) y Estevia (Stevia ebaudiana B.) 103

Henry A. Váquiro, Harvey A. Villa‐Vélez, Consuelo Díaz‐Moreno, Javier Telis‐Romero Isotermas de sorción y calor isostérico de sorción de raquis de banano 104 Frank J. García N., Sonia L. Rincón Prat, Claudia P. Pérez, Patricia. Cuervo‐Andrade Evaluación de los efectos en el proceso de secado sobre la calidad de la Stevia (Stevia Rebaudiana Bertoni) y la Hierbabuena (Mentha Spicata) mediante la obtención de los parámetros físico químicos. 111 Alfonso Cubillos Varela, Alexander Gómez Mejía, Aldo G. Benavides Morán Proyecto de doctorado: Modelación y simulación del secado por aspersión de jugos de frutas 112

jugos de frutas 112

Isaiah Etemo Muchilwa, Oliver Hensel

A Comparative Review of Empirical Data for the Design of Innovative Maize Drying Systems in Kenya 113

Henry A. Váquiro, Harvey A. Villa‐Vélez, Consuelo Díaz‐Moreno, Javier Telis‐Romero Cinéticas de secado de raquis de banano 114

2. MODELAMIENTO Y SIMULACIÓN 120 G. Orlando Porras Rey Simulación computacional del secado solar 121 Alfonso Cubillos Varela, Oscar Barrero Mendoza Control predictivo de secado: aplicación en el secado de arroz 128 Juan Eduardo Rolón Ríos, Sonia Rincón Prat, Patricia Cuervo‐Andrade Modelación matemática de secadores de convección forzada 139

Juan David Reyes F., Rubén Darío Godoy‐Silva Modelado y simulación de un secador a escala piloto para la deshidratación térmica de uchuva 143 3. DISEÑO DE EQUIPOS 147 Carlos Armando De Castro, Orlando Porras Rey Diseño y fabricación de secador solar de túnel tipo Hohenheim modificado para secado de almidón de sagú. 148 Pablo Burgos Camacho, Ronald B. Bonilla, Sonia L. Rincón Prat, Patricia Cuervo‐Andrade Diseño de un horno de secado con condiciones controladas 154 Wilmer A. Martínez Olarte, Sonia L. Rincón Prat, Patricia Cuervo‐Andrade Diseño, construcción y puesta a punto de un secador dual solar – biomasa para plantas aromáticas.

162

Juan C. Mahecha‐Godoy, Juan E. Rincón Pardo, Javier F. Rivera Hoyos Diseño y construcción de una cámara experimental de secado 169 4. POSTERS 172

1

Conferencistas invitados

Alvaro Portilla Políticas de apoyo para el secado en el sector AgropecuarioCoordinador cadenas productivas‐ Ministerio de Agricultura Christian Schellert Tendencias europeas en el secado de plantas aromáticas Departamento de Ingeniería Agrícola Universidad de Kassel Carlos Oliveros Estado actual de la tecnología para secado de café en Colombia Investigador Principal del Centro Nacional de Investigaciones de Café - CENICAFE

Dieter von Hörsten Use of microwave and radio frecuency application for thermal treatment of crops products Universidad Göttingen Prof Dr Werner Hofacker Numerical simulation of drying processes (calculation and description of heat and mass transfer during drying) Departamento de Ingeniería Mecánica Universidad de Konstanz (Alemania) Ana María Ospina Experiencias de Comercio Internacional de productos Naturales deshidratados con Ventana Refractiva Gerente general RENACO Omar Prias Caicedo Oportunidades de gestión energética en el sector agrícola con impacto en la productividad Universidad Nacional de Colombia

Tecnología de secado‐ Presentación oral

3 Seminario internacional Secado de Productos Agrícolas SPA2012

Aspectos cinéticos y termodinámicos del secado asistido por bomba de calor y el secado convectivo con recirculación total

Juan C. GÓMEZ‐DAZA*, Claudia I. OCHOA‐MARTÍNEZ Escuela de Ingeniería de Alimentos, Universidad del Valle, Cali, Colombia

*[email protected]

Resumen Las operaciones de secado convencionales como secado convectivo, secado con vacío o mediante

liofilización, demandan alto consumo de energía y pueden causar daños en los alimentos sometidos a

altas temperaturas. Con las tecnologías propuestas se logra reducir costos y se minimiza el impacto

ambiental causado por el alto consumo de energía y el envío de aire caliente a la atmósfera. Los datos

experimentales se ajustaron a tres modelos de capa delgada: Wang‐Singh, Henderson‐Pabis modificado

y Dos Términos y se utilizaron los criterios de coeficiente de correlación R2, la prueba de Chi‐cuadrado

reducida χ2, el error estándar del estimado SEE y la raíz del error cuadrado medio RMSE. Se

encontraron valores equivalentes de 0.9996 y 0.0051 para los parámetros χ2 y RMSE, respectivamente

para los modelos Wang‐Singh y Henderson‐Pabis modificado en el secado asistido por bomba de calor.

Se examinó la influencia de las condiciones del aire (velocidad, humedad relativa) y el espesor de la

muestra sobre la eficiencia energética determinada a partir del parámetro velocidad específica de

extracción de humedad SMER y la eficiencia energética de los sistemas. Se encontraron valores para el

SMER entre 0.42‐0.64 y 0.28‐0.39 [kW/kWh], para el secador asistido por bomba de calor (SBC) y el

secado convectivo con recirculación total (SCC), respectivamente. La eficiencia exergética estuvo entre

75‐96 y 53‐77 [%], para el SBC y SCC, respectivamente. No se encontró diferencia estadística

significativa para la eficiencia energética pero sí para la exergética.

Palabras clave: Daucus carota, exergía, eficiencia, cinética

1. Introducción

El secado es una operación altamente costosa en energía y se encuentra en casi todos los sectores

industriales. Se estima que del 10 al 15% del uso de la energía industrial se consume en operaciones de

secado. Es por esto que la investigación y desarrollo en secado ha mostrado un crecimiento exponencial

en las pasadas tres décadas y se dirige a la reducción en el consumo de energía, y a la calidad del

producto, el impacto ambiental, la inocuidad y el desarrollo de nuevos productos y procesos

(Mujumdar, 2004).

Dentro del campo de las separaciones, el secado es una de las operaciones unitarias con amplia

variedad de materiales, tipos de equipo, capacidad, requerimientos y valor agregado del producto. El

alcance y profundidad de los artículos publicados acerca del tema muestran una variedad similar. En el

presente, un enfoque sistemático para el diseño y la operación, que puede existir para otras



operaciones, para el secado todavía es incompleto. Muchos investigadores de la academia y de la

industria no conocen o usan el excelente trabajo dado por los científicos de punta en el área, y acerca

de la jerarquía de trabajos clásicos (Kerkhof, 2001).

En la investigación en secado se requiere un alto nivel de integración. Los aspectos principales son los

fenómenos físicos no lineales al interior del material, la distribución no homogénea de temperatura y

humedad dentro del secador, la selección del equipo, el diseño y el control, y la calidad final del

producto (Kerkhof & Coumans, 2002). Uno de los cambios en la investigación en secado es la

incorporación del conocimiento de la termodinámica básica (Schmidt et al., 1998; Sieniutycz & Szwast,

2001; Colak & Hepbasli, 2007) y los fenómenos de transporte en la descripción de los equilibrios de fase

y la cinética de secado (Kerkhof & Coumans, 2002).

2. Materiales y Métodos

Se empleó zanahoria como alimento modelo para la evaluación de los parámetros. Las zanahorias

(Daucus carota L.) variedad Nantes, se lavaron y se cortaron en rodajas de 3 cm de diámetro y

espesores entre 2 y 4 mm de acuerdo al diseño experimental. El contenido de humedad inicial

promedio de la zanahoria fresca fue de 0.8935 (bh) o 8.39 (bs). El secador asistido por bomba de calor

SBC (marca Dártico) consiste de un circuito frigorífico conformado por el condensador, el evaporador,

el compresor y la válvula de expansión. En la cámara de secado se ubican 5 bandejas. El secador

convectivo con recirculación total (SCC) funciona en el mismo equipo pero sin el circuito de

refrigeración. En el SBC se fijaron la humedad relativa (HR) y la velocidad del aire; en el SCC se fijaron la

temperatura y la velocidad del aire. Se utilizó un diseño central compuesto de tres factores centrado en

la cara (FCCCD) 33 con tres repeticiones en el punto central, para un total de 17 experimentos

(Henriques et al., 2006). Se trabajó con un tiempo fijo de 5 h.

Para el estudio cinético en el SBC se usaron modelos semi‐teóricos derivados de la segunda Ley de Fick

de la difusión: Dos términos (Ec. 1), Wang‐Singh (Ec. 2) y Henderson‐Pabis modificado (Ec. 3) (Erbay &

Icier, 2009).

(1)

donde, a y b están definidos como índices de forma y se conocen como constantes del modelo

(adimensionales) y k0 y k1 son las constantes de secado (s‐1).

1 (2)

donde, a (s‐1) y b (s‐2) son constantes obtenidas de los datos experimentales.

(3)

donde, a, b y c están definidas como indicadoras de forma y generalmente se llaman constantes del

modelo (adimensionales) y k, g y h son constantes de secado (s‐1).



La validez de los modelos se puede comprobar con diferentes métodos estadísticos. Los métodos más

usados en la literatura son el coeficiente de correlación R2 (Ec. 4), la prueba Chi‐cuadrado reducida χ2

(Ec. 5), el error estándar del estimado SEE (Ec. 6) y la raíz del error cuadrado medio RMSE (Ec. 7) (Erbay

& Icier, 2009; Vega‐Gálvez et al., 2009).

1∑ , ,

∑ , (4)

∑ , , (5)

∑ , ,/

(6)

∑ , ,

/ (7)

donde, N es el número de observaciones, n es el número de constantes, MRpred,i es el valor i‐ésimo de la

razón de humedad predicha y MRexp,i es el valor i‐ésimo de la razón de humedad experimental.

El parámetro energético velocidad específica de extracción de humedad SMER se puede calcular a

partir de la Ecuación 8 (Chua et al., 2002)

í (8)

La forma general de la eficiencia exergética se escribe como (Ec. 9 y Ec. 10) (Midilli & Kucuk, 2003)

éí

í (9)

1 10 % (10)

Con el fin de realizar inferencias, se realizó un análisis mediante el estadístico de Fisher. El criterio de

rechazo de la hipótesis nula es Fcalc>Ftab. Para este caso con 16 grados de libertad (considerando todos

los experimentos) Ftab es 2.333.

3. Resultados y Discusión

Los valores se analizaron empleando el programa SigmaPlot. Para cada experimento, se determinó la

bondad del ajuste con cada modelo mediante los estadísticos dados por las Ecuaciones (4) a (7). Todos

los experimentos realizados mostraron comportamiento homólogo. Se escoge uno de ellos

aleatoriamente para mostrar los resultados. En la Tabla 1 se presenta una comparación de los

estadísticos para los modelos analizados (Ecs. 1 a 3) para los datos de uno de los experimentos.



Tabla 1. Parámetros estadísticos para los modelos con los datos de un experimento

Modelo R2 SEE χ2 RMSE

Dos Términos 0,999200 0,007326 0,000054 0,006739

Wang‐Singh 0,999549 0,005266 0,000028 0,005059

Henderson‐Pabis modificado 0,999549 0,005768 0,000033 0,005059

Se encontraron valores equivalentes de 0.9996 y 0.0051 para los parámetros χ2 y RMSE, respectivamente para los modelos Wang‐Singh (Ec. 2) y Henderson‐Pabis modificado (Ec. 3) en el SBC. Considerando la estructura de la expresión matemática de los modelos, se infiere que el modelo de Wang‐Singh es el modelo que mejor ajusta con menor esfuerzo computacional.

Para tener una idea general de la bondad del ajuste del modelo de Wang‐Singh a los datos experimentales, se presenta la Figura 1 para cinco de los 17 experimentos. Los rótulos se identifican con cinco números, los dos primeros corresponden a la humedad relativa del aire (%), el tercero hace referencia al espesor de la muestra (mm) y los dos últimos leídos como decimal (08 = 0.8) a la velocidad del aire (m/s).

Figura 1. Ajuste de los datos al modelo de Wang‐Singh para cinco de los experimentos

Para el análisis termodinámico, se escogieron tres de los 17 experimentos con las condiciones presentadas en la Figura 2. Las barras claras corresponden al SBC. El eje X en la Figura 2 se identifica así: temperatura del aire (°C)‐espesor (mm)‐velocidad del aire (m/s).

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

0 50 100 150 200 250 300

MR

t (min)

20208E

50208E

20408E

50408E

20212E



Figura 2. Comparación de los secadores mediante parámetros de energía y exergía

El SMER es el método más usado para determinar la eficiencia de un sistema de SBC (Colak & Hepbasli, 2009), para los experimentos seleccionados y presentados en la Figura 2, se encontraron valores entre 0,42 y 0,62 para el SBC y valores entre 0,28 y 0,39 [kg/kWh] para el SCC, presentando diferencias significativas de acuerdo a la prueba F (Tabla 2). Se han encontrado valores entre 0,715 y 1,25 en el secado de cubos de zanahoria en un SBC (Zhang et al., 2004), pero a condiciones experimentales diferentes a las evaluadas en este trabajo.

Tabla 2. Evaluación mediante el estadístico de Fisher

Parámetro SBC SCC Fcalc

Energía SMER 0.031 0.003 10.333

Exergía Ef_Ex 0.003 0.004 1.333

La eficiencia exergética estuvo entre 75‐96 y 53‐77 [%], para el SBC y SCC, respectivamente. No se encontró diferencia estadística significativa para la eficiencia exergética.

4. Conclusiones

Existen combinaciones de humedad relativa (temperatura) y velocidad del aire en el proceso de secado mediante SBC que reducen el consumo energético respecto al SCC usando como indicador la velocidad específica de extracción de humedad (SMER). Esto indica que cada kWh se aprovecha mejor en el SBC. Se encontró que es posible realizar el secado convectivo con recirculación total (SCC) con un desempeño interesante. Estadísticamente, sólo existe diferencia significativa en el SMER, lo que permite inferir que el SBC ofrece ventajas de desempeño energético sobre el SCC para el secado de zanahoria.

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

50‐2‐1,2 50‐4‐1,2 35‐3‐1,0

SMER

(kg agua/kW

h)

Experimento

0

20

40

60

80

100

50‐2‐1,2 50‐4‐1,2 35‐3‐1,0

Eficiencia exergética (%)

Experimento



Referencias

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Eng. 80 (2007), P. 1188‐1193

- COLAK, N.; HEPBASLI, A.: A review of heat pump drying: Part 2 – Applications and performance

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- CHUA, K.J.; CHOU, S.K.; HO, J.C.; HAWLADER, M.N.A.: Heat pump drying: recent developments and

future trends. En: Dry. Technol. 20 (2002), P. 1579‐1610

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- KERKHOF, P.J.A.M.; COUMANS, W.J.: Drying: a fascinating unit operation. En: Chem. Eng. J.86

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MONCADA, M.: Mathematical modeling on the drying process of yellows quat lobster

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- ZHANG, X.; MAO, Z.; SUN, L.: Heat pump fluidized bed drying of agricultural materials. En: Annual

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Efecto de la temperatura de secado sobre las propiedades técnico funcionales de la fibra dietaría presente en la guayaba

(Psidium guajava L.) variedad pera

Diana Carolina Vásquez Osorio, Gustavo Adolfo Hincapié Llanos. Universidad Pontificia Bolivariana (UPB), sede Medellín.

[email protected]

Resumen El bajo aprovechamiento agroindustrial y las altas pérdidas poscosecha de la guayaba pera (Psidium guajava L.), perjudican económicamente a los productores y además generan un impacto negativo en el medioambiente. El secado de este producto permite incrementar su valor comercial; prolongando su vida útil, facilitando su transporte y almacenamiento. Durante el proceso de secado es posible que se presenten modificaciones en las propiedades fisicoquímicas y funcionales de algunos elementos o componentes nutricionales que aportan funcionalidad y valor nutricional al material alimentario, como es el caso de las propiedades técnico funcionales de la fibra dietaria. En este estudio se obtuvo la cinética de secado de la guayaba pera a 30 ºC, 40 ºC, 50 ºC, 60 ºC y 70 ºC, a una velocidad constante del aire de 3 m/s. A los productos obtenidos se les evaluó las propiedades técnico funcionales de la fibra dietaria (Capacidad de Hinchamiento, Capacidad de Retención de Agua, Capacidad de Adsorción de Lípidos y solublidad). Estas pruebas se realizaron por triplicado y se aplicó la prueba de Tukey a los datos obtenidos para conocer la relación estadística dentro de cada tratamiento. El tiempo de secado disminuye conforme se incrementa la temperatura de operación. Se descartó la temperatura de secado a 30 °C, por que no se alcanza el equilibrio en las condiciones del laboratorio. Aunque no hay diferencia estadísticamente significativa entre los tratamientos, hay una tendencia en las propiedades evaluadas, a aumentar a medida que aumenta la temperatura, siendo los mejores resultados a 70 °C. La guayaba seca y molida es un producto de uso potencial en la industria alimentaria ya que su vida útil es superior a la del producto fresco, es fácil de transportar y almacenar. Puede incorporarse a productos lácteos, cárnicos y de panificación ya que aporta propiedades funcionales y características organolépticas similares a las de la fruta fresca.

Palabras clave: Guayaba, secado, fibra dietaria, propiedades técnico funcionales

1. Introducción

El secado es una de las operaciones empleadas para la adecuación y preservación de productos y residuos agrícolas. El secado de frutas genera valor agregado al producto; prolonga su vida útil, reduce su peso y volumen facilitando y economizando costos de transporte y almacenamiento, estos factores posibilitan comercializarlo a mejores precios.

Durante el proceso de secado es posible que se presenten modificaciones en las propiedades fisicoquímicas y funcionales de algunos elementos o componentes nutricionales que aportan



funcionalidad y valor nutricional al material alimentario, como es el caso de las propiedades técnico funcionales de la fibra dietaria. En este estudio se obtuvo la cinética de secado de la guayaba pera a 30 ºC, 40 ºC, 50 ºC, 60 ºC y 70 ºC, a una velocidad constante del aire de 3 m/s. A los productos obtenidos se les evaluó las propiedades técnico funcionales de la fibra dietaria; Capacidad de Hinchamiento (CH) , Capacidad de Retención de Agua (CRA), Capacidad de Adsorción de Lípidos (CAL) y solubilidad.


2.1 Material

El material experimental fue la guayaba (Psidium guajava L.) variedad pera, que se adquirió en una cadena de supermercados de la ciudad de Medellín.

2.2 Selección de la materia prima

La selección de la materia prima se realizó mediante el método visual empleando la tabla colorimétrica del producto que indica el índice de madurez aparente de la fruta; se seleccionaba la fruta con índice de madurez aparente seis (6). En este estudio se empleó la tabla presentada por Gélvez Torres (1998).

2.3 Cinética de secado

Se utilizó la metodología descrita por Isaza (2008) en la cual el producto previamente seleccionado y cortado en rodajas de 5 mm de espesor, se sometió a secado por convección con aire forzado a cinco (5) temperaturas diferentes, partiendo de 30°C y con incrementos de 10°C donde la máxima temperatura fue de 70°C. El proceso se llevó a cabo con una velocidad de aire constante de 3 m/s. El equipo que se utilizó es un secador por convección con aire caliente, diseñado y realizado en la UPB sede Medellín. El proceso se realizó hasta que el producto alcanzó una humedad igual o inferior a 0.12 Kg de H2O/ Kg de Base Seca (B.S.)

2.4 Propiedades técnico funcionales de la fibra dietaría

Las propiedades funcionales analizadas son: Capacidad de Hinchamiento (CH), Capacidad de Retención de Agua (CRA), Capacidad de Adsorción de Lípidos (CAL) y solublidad. Estas propiedades se midieron a partir del Residuo Insoluble en Alcohol (RIA) siguiendo el método descrito por Femenia y otros (1997).

2.4.1 Residuo Insoluble en Alcohol (RIA). La muestra seca se redujó a un tamaño de partícula de 0.180 mm. Se tomaron +/‐ 10 g de la muestra seca y tamizada, se adicionaron 50 mL de etanol con una concentración del 85% v/v, y se calentó hasta ebullición por 10 minutos. La muestra se recolectó y filtró al vacío con un papel de microfibras de vidrio marca MUNKTELL. El residuo se secó a temperatura ambiente durante 24 horas. Según Nunes (2009) el material seco constituye el RIA.

2.4.2 Capacidad de Hinchamiento (CH). En una probeta de 10 mL previamente pesada se depositaron

+/‐ 0.2500 g de muestra de RIA seca, luego se hidrató con 10 mL de agua destilada. Pasadas 24 horas se

midió el volumen de la muestra, expresándose como mL de agua/g de RIA.

2.4.3 Capacidad de Retención de Agua (CRA). En un tubo de centrifuga previamente pesado se

depositaron +/‐ 0.2500 g de muestra de RIA seca, se adicionaron 10 mL de agua destilada. Pasadas 24



horas se centrifugaron las muestras a 3000 rpm por 10 minutos, el sobrenadante se decantó y el tubo

se pesó. La retención de agua se expresa como g de agua/g de RIA.

2.4.4 Capacidad de Adsorción de Lípidos (CAL). En un tubo de centrifuga previamente pesado se

depositaron +/‐ 0.2500 g de muestra de RIA seca, se adicionaron 10 mL de aceite de girasol. Pasadas 24

horas se centrifugaron las muestras a 3000 rpm por 10 minutos, el sobrenadante se decantó y el tubo

se pesó. La adsorción de lípidos se expresa como g de aceite/g de RIA.

2.4.5 Solubilidad. Una vez decantada el agua de la prueba de CRA, se llevó el tubo de centrifuga a una estufa de secado a 100°C hasta que esta alcanzó peso constante. Por diferencia de peso se determina la

solubilidad del producto.

2.5 Tratamiento estadístico

Se realizó un análisis comparativo de las características de la muestra seca para cada combinación de tiempo y temperatura que se denominó tratamiento; dicho análisis se realizó en forma independiente en cada evaluación. Las variables a medir son: CH, CRA, CAL y solubilidad. El análisis estadístico correspondió a un análisis de una vía con cinco (5) tratamientos y tres (3) repeticiones. No es posible realizar propiedades técnico funcionales de la fibra dietaria a la muestra fresca, ya que éstas se le realizan a productos secos. Se empleó el programa SAS V 8.0 y se aplicó la prueba de Tukey a los datos con un valor P ≤ 0.05.


3.1 Cinética de secado

En la gráfica 1 se observa que en todos los tratamientos se alcanzó la humedad requerida de 0.12 Kg H2O/Kg BS, la que más se demoró fue la de 30 °C, que sólo alcanzó 0.124 Kg H2O/Kg BS después de 50 horas. En su orden a 40 °C se demoró 21.038 horas para lograr 0.121 Kg H2O/Kg BS, a 50°C, 13.583 horas para llegar a 0.119 Kg H2O/Kg BS, a 60°C, 8.972 horas para alcanzar 0.115 Kg H2O/Kg BS y a 70°C, 7.862 horas, 0.118 Kg H2O/Kg BS.

Gráfica 1. Cinética de secado de la guayaba pera a 5 temperaturas

0

2

4

6

8

0 2 4 6 8 10 12 14 16

Kg

H2O

/Kg

BS

Tiempo (h)

Kg H2O/Kg BS Vs. Tiempo

30

40

50

60

70



3.2 Propiedades técnico funcionales de la fibra dietaría

En la gráfica 2 se observa que no hay diferencia estadísticamente significativa entre ningún tratamiento cuando se realizan las propiedades técnico funcionales a la fibra dietaria presente en la guayaba pera deshidratada, pero si se logra observar una tendencia en el aumento de estas propiedades al aumentar la temperatura o los tiempos de exposición al secado, lo anterior se puede explicar por la composición de su fibra dietaria soluble, que posee pectinas y almidones y que a temperaturas cercanas a 60 °C presentan procesos de gelificación que permiten una mayor retención de agua. Es importante tener en cuenta que a pesar que los resultados no deben compararse entre diferentes productos, como indica Lorient (1996) ya que la fibra presente en un producto depende del origen botánico, el grado de madurez, las condiciones ambientales, entre otros; estos datos son comparables por los obtenidos por Hincapié (2010) para la citropulpa, por Hincapié (2011) para guayaba manzana, por Galicia Milanés (2011) para cáscaras de mango hilacha y por Garau (2007) para la cáscara y la pulpa de la naranja.

Tabla 2. Propiedades técnico funcionales de la fibra dietaría presente en la guayaba pera después de los tratamientos de secado

Temperatura

(°C)

Capacidad de

hinchamiento

(mL H2O/g RIA)*

Capacidad de

retención de

agua

(g H2O/g RIA)*

Capacidad de

adsorción de

lípidos

(g Aceite/ g RIA)*

Solubilidad

(%p/p)*

30 6.573 8.686 4.871 22.309

40 4.755 7.007 3.861 22.782

50 5.149 7.724 5.095 26.078

60 5.503 7.618 5.060 27.613

70 7.513 8.434 5.889 31.715

* No hay diferencia estadísticamente significativa entre los tratamientos (Valor P ≤ 0.05)

4. Conclusiones Por la Capacidad de Retención de Agua y la Capacidad de Hinchamiento que tiene la fibra dietaria presente en la guayaba pera (Psidium guajava L.) seca y molida, se convierte en un producto de uso potencial en la industria alimentaria, especialmente en la industria cárnica, como extensor en matrices cárnicas.

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Influencia de las condiciones de operación sobre la cinética del proceso de secado intermitente

Henry A. Váquiro1*, José F. Solanilla1, Antonio Mulet Pons2, José Bon Corbín2

1Facultad de Ingeniería Agronómica, Universidad del Tolima (Colombia). 2Grupo de Análisis y Simulación de Procesos Agroalimentarios (ASPA), Departamento de Tecnología de

Alimentos, Universitat Politècnica de València (España). *Facultad de Ingeniería Agronómica, Universidad del Tolima, A.A. 546, Barrio Santa Helena, Ibagué

(Tolima, Colombia). Tel: (+57) 82772020 Ext 9279. Email: [email protected]

Resumen El secado intermitente es utilizado para disminuir el tiempo de calentamiento, preservar la calidad y minimizar el consumo energético en el secado de materiales termosensibles y donde los mecanismos de transferencia internos controlan el proceso. En esta operación la aplicación de periodos de reposo se realiza con el fin de lograr que la redistribución de la humedad al interior del material aumente la disponibilidad de agua en las zonas superficiales y, por consiguiente, aumente la velocidad de secado en los periodos de calentamiento posteriores al atemperamiento. El objetivo del presente trabajo fue analizar la influencia de algunas condiciones de operación sobre la cinética del proceso de secado intermitente en mango (Mangifera indica L.), un producto agrícola de importancia económica a nivel mundial. A partir de un modelo matemático del proceso, previamente validado, se analizó la influencia de la velocidad del aire (2, 3 y 4 m/s) y la temperatura (50, 60 y 70 °C) sobre la velocidad de secado durante el calentamiento. Asimismo, se analizó el contenido de humedad promedio en la superficie considerando diferentes condiciones para la duración (1, 2, 3, 4 y 5 h) y temperatura del aire durante el periodo de calentamiento (50 y 70 °C), así como para la temperatura del aire durante el periodo de reposo (20, 25 y 30 °C). Los resultados indicaron que durante los periodos de calentamiento es mayor el efecto de la temperatura que el de la velocidad del aire. Además, que la humedad superficial que se alcanza durante el reposo depende principalmente de la distribución de humedades al inicio del atemperamiento y de las condiciones durante el mismo, de tal manera que el contenido de humedad superficial promedio es mayor a menores temperaturas de reposo y menor al aumentar la duración del periodo de calentamiento que precede al atemperamiento. Palabras clave: modelización, atemperamiento, secado convectivo

1. Introducción

El secado intermitente agrupa aquellas tecnologías de secado que emplean condiciones de operación que varían durante el procesamiento, de forma que puede minimizar el consumo energético y mejorar la calidad de materiales termosensibles (Chua et al., 2003; Mujumdar, 2004).

Algunos trabajos experimentales previos resumen el efecto positivo de las condiciones de operación intermitentes. Chou et al. (2000) reportaron menores temperaturas superficiales y tiempos de secado más cortos que cuando se utiliza un secado continuo. Xing et al. (2007) observaron una capa húmeda cerca de la superficie de las muestras de pasta durante experimentos de secado intermitente que condujo a una tasa de secado mayor y evitó la formación de grietas. Jumah et al. (2007), al analizar la



cinética de secado de orujo en un secador de bandeja utilizando sistemas de calefacción constantes e intermitentes, encontraron que mayores tiempos de atemperado resultaron en una distribución más uniforme de la humedad, una mayor tasa de eliminación de la humedad inicial en cada período de secado, y una utilización de energía más eficaz.

Según niveles de producción e importación, el mango (Mangifera indica L.) constituye la quinta fruta tropical más importante a nivel mundial (FAO, 2008). Además de sus aportes nutricionales de fibra y caroteno, sus características exóticas han impulsado su popularidad (Janjai et al, 2007; Maneepun & Yunchalad, 2004). El secado de mango, al igual que en muchos otros productos procesados, el calor es el principal agente de transformación, alteración de compuestos termolábiles y generador de cambios físico‐químicos (Lozano, 2006; Pott et al, 2003; Souza Neto et al., 2004). En consecuencia, el mango deshidratado es una alternativa para utilizar los excedentes de producción, aumentar la diversificación, preservar su contenido nutricional, aceptación comercial y potenciar productos con valor agregado.

El objetivo del presente trabajo fue analizar la influencia de algunas condiciones de operación sobre la cinética del proceso de secado intermitente en mango (Mangifera indica L. var. Tommy Atkins), a partir de simulaciones obtenidas con un modelo validado experimentalmente.


El estudio del secado intermitente requiere el desarrollo previo y la validación de un modelo matemático que represente adecuadamente los fenómenos de transferencia de materia y calor involucrados. En este trabajo se utilizó el modelo matemático propuesto por Váquiro et al. (2009) para representar el proceso de secado intermitente donde el suministro de energía térmica es controlado por periodos consecutivos de calentamiento y reposo.

Dicho modelo matemático fue validado experimentalmente por los autores empleando cinéticas de secado continuo e intermitente de cubos de mango de 25 mm de lado, los cuales fueron obtenidos de frutos frescos y maduros de mango (M. indica L.) de la variedad “Tommy Atkins”.

Modelización de la cinética de secado

Con el fin de establecer el modelo matemático, fueron analizados los fenómenos de transferencia de materia y calor en un sistema con geometría cúbica, considerando que el material era homogéneo e isótropo, que el efecto de la contracción sobre los procesos de transferencia era despreciable, y que las propiedades de transporte (difusividad efectiva y conductividad térmica) eran funciones de los valores locales de humedad y temperatura (Váquiro et al. 2009).

Asumiendo que el principal mecanismo de migración de humedad a través del material es la difusión líquida, los flujos de materia pueden ser expresados aplicando la ley particular de Fick, lo cual conduce a la siguiente ecuación, donde De (m s−1) representa la difusividad efectiva, W (kg kg−1 b.s.) es el contenido de humedad.

e e e

W W W WD D D

x x y y z z t

Al expresar los flujos de calor por unidad de área pueden aplicando la ley particular de Fourier, se obtiene la ecuación de gobierno que describe la transferencia de calor en el interior del sólido:



dm w wds p p e ds p

T T T T W T W T W Tc Wc D c

x x y y z z t x x y y z z

donde, cpw y cpdm (kJkg

−1K−1) son los calores específicos del agua pura y de la materia seca, respectivamente, ρds (kg m

−3) es la densidad del sólido seco, definida como la masa de sólido seco respecto al volumen que ocupa la masa total del sistema.

Para resolver el modelo matemático, las condiciones iniciales y de contorno fueron establecidas considerando que la distribución de la humedad y la temperatura dentro del sólido al inicio del proceso eran uniformes, que la resistencia externa a la transferencia de materia y calor no eran despreciables, y que las propiedades del aire alrededor del sólido eran constantes (durante el proceso de secado continuo y durante cada periodo de calentamiento o reposo del proceso de secado intermitente).

Si se asume que la distribución de la humedad y la temperatura dentro del sólido al inicio del proceso es uniforme, las condiciones iniciales son:

, , 0

, , 0

Si 0x y z

x y z

W Wt

T T

Tras ubicar el origen del sistema de coordenadas en el centro del cubo, se asume que existe simetría en la distribución de la humedad y la temperatura. De este modo, un octavo del cubo es suficiente para la modelización del sistema.

Ya que no existen gradientes de humedad y temperatura en los planos de simetría, las condiciones de contorno correspondientes a las caras ubicadas sobre los ejes de coordenadas son:

0 00

0 00

0 0 0

Si

0 0

0

0

x zy

x zy

W W W

x y zt

T T T

x y z

Completando las condiciones de contorno que se obtienen a partir del análisis de la transferencia de materia y calor a través de la superficie del sólido en las direcciones x, y, z:

,

s sm Me ds e ds sx L

x L x L x Labs absx L

P Ph PW T WD h T T D Q

x R T T x x

,

[ ]s sm Me ds e ds sy L

abs absy L y L y Ly L


y R T T y y

,

[ ]s sm Me ds e ds sz L

z L z L z Labs absz L


z R T T z z

Donde, h (kW m−2 K−1) es el coeficiente promedio de transferencia de calor por convección; (°C) es la temperatura en la superficie del sólido; T∞ (°C) es la temperatura en el aire fuera de la capa límite; Qs (kJ kg−1) es el calor isostérico de sorción; PM

(kg kmol−1) es el peso molecular del agua pura; R (kJ kmol−1 K−1) es la constante de los gases perfectos; Ps (kPa) es la presión de saturación del agua pura; Tabs (K) es la



temperatura absoluta. Los subíndices (x = L) y ∞ indican que los términos se evalúan respecto a las propiedades en la superficie del sólido y en el aire fuera de la capa límite, respectivamente y la actividad de agua en el seno del fluido (φ∞).

Las condiciones de contorno se evalúan usando los coeficientes de transferencia de materia y de calor por convección forzada y las propiedades del aire de calentamiento. En el caso de los periodos de reposo, las condiciones de contorno se evalúan mediante los coeficientes de transferencia de materia y calor por convección natural y las propiedades del aire de reposo (condiciones ambientales).

Cinética de secado

Las condiciones experimentales empleadas en la validación del modelo se realizaron considerando las características del producto y la actividad de agua del aire de acuerdo a los valores promedio mostrados en la Tabla 1. El contenido de humedad promedio en la superficie se consideró diferentes tiempos de duración (1, 2, 3, 4 y 5 h) y temperaturas del aire durante el periodo de calentamiento (50 y 70 °C) y durante el periodo de reposo (20, 25 y 30 °C).

Tabla 1. Resumen de las condiciones experimentales aplicadas en las experiencias de secado intermitente.

Condiciones de la materia prima

Cubos de mango (M. indica L. var. Tommy Atkins)

Lado*: 25 ± 1.2 mm

Contenido de humedad inicial*: 9.3 ± 2.2 kg kg−1 (b.s.)

Temperatura inicial*: 10.8 ± 1.8 °C

Condiciones del aire

Temperatura: Durante el calentamiento: 50, 60 y 70 °C; Durante el reposo*: 20, 25 y 30 °C

Humedad relativa*: 0.6 ± 0.07 (a temperatura ambiente)

Velocidad: Durante el calentamiento: 2, 3 y 4 m s−1; Durante el reposo: 0 m s−1

Esquemas de operación

Secado intermitente (un ciclo)

* Valores promedio y desviación estándar para todos los ensayos

Dos periodos de calentamiento separados por uno de reposo definen un ciclo de intermitencia. Al igual

que en el secado continuo, durante los periodos de calentamiento (tH1 y tH2) el aire fluye continuamente

sobre el producto a una velocidad ( , m s−1) y una temperatura (TH, °C) constante. En cambio, durante

los periodos de reposo (tR) el aire no es forzado a circular sobre el producto y se encuentra a una

determinada temperatura (TR, °C). El valor de la misma (TR) corresponde a la temperatura de la cámara

de secado, la cual tiende rápidamente a la temperatura ambiente a medida que transcurre el

atemperamiento. El tiempo de calentamiento efectivo (tE) está determinado por suma de la duración

de los periodos de calentamiento. El tiempo total del proceso de secado intermitente (tP) está

determinado por la suma de la duración de los periodos de calentamiento y reposo.




Los resultados de las simulaciones indicaron que durante los periodos de calentamiento es mayor el efecto de la temperatura que el de la velocidad del aire. Además, que la humedad superficial que se alcanza durante el reposo depende principalmente de la distribución de humedades al inicio del atemperamiento y de las condiciones durante el mismo, de tal manera que el contenido de humedad superficial promedio es mayor a menores temperaturas de reposo y menor al aumentar la duración del periodo de calentamiento que precede al atemperamiento.

Como representación de los periodos de calentamiento se analizó la influencia de la velocidad del aire y la temperatura de calentamiento sobre la velocidad de secado en procesos de secado continuo, dentro del rango de condiciones consideradas en este estudio. Las simulaciones se realizaron hasta una humedad final de 0.3 kg kg−1 (b.s.).

A B

Figura 1. (A) Influencia de la temperatura de calentamiento (TH, °C) sobre la velocidad de secado. (B) Influencia de la velocidad del aire (v∞, m s−1) sobre la velocidad de secado.

En la Figura 1(A) se muestra la influencia de la temperatura de calentamiento sobre la velocidad de

secado ( , kg kg−1 s−1) en procesos de secado continuo a una velocidad de aire de 3 m s−1. En la

Figura 1(B) se muestra la influencia de la velocidad de aire (v∞) sobre la velocidad de secado en procesos de secado continuo a una temperatura de calentamiento (TH) de 60 °C. Las líneas discontinuas en la Figura 1 representan la velocidad de secado promedio

( , kg kg−1 s−1) para cada caso.

La velocidad de secado aumentó a mayor temperatura de calentamiento y velocidad de aire, un comportamiento típico del secado de productos agroalimentarios. Para el rango de condiciones representado en la Figura 1(A), la velocidad de secado promedio mostró una variación de 1.53×10−4 kg kg−1 s−1 entre temperaturas de calentamiento de 50 y 70 °C. Por otro lado, para el rango de condiciones representado en la Figura 1(B), la velocidad de secado promedio mostró una variación de 1.63×10−5 kg kg−1 s−1 entre velocidades de aire de 2 y 4 m s−1. Lo anterior indica que en los rangos de condiciones representados es mayor el efecto de la temperatura de calentamiento que el de la velocidad del aire.



En los procesos de secado intermitente, la aplicación de los periodos de reposo se realiza con el fin de lograr que la redistribución de la humedad en el interior del sólido aumente la disponibilidad de agua en las zonas superficiales, y por consiguiente aumente la velocidad de secado en los periodos de calentamiento posteriores al atemperamiento. Por tanto, se analizó el contenido de humedad en la superficie considerando diferentes condiciones para la duración y temperatura del aire del periodo de calentamiento, así como para la temperatura del aire durante el periodo de reposo.

En la Figura 2 se presentan los valores estimados para periodos de reposo a una temperatura (TR) de 25 °C, periodos de calentamiento a una temperatura (TH) de 60 °C, y velocidad de aire (v∞) de 3 m s−1.

Figura 2. Evolución del contenido de humedad superficial promedio ( SW ) durante periodos de reposo

posteriores a periodos de calentamiento de diferente duración (tH1)

Al aumentar la duración del periodo de calentamiento que precede al periodo de reposo, y por tanto realizar el atemperamiento a partir de contenidos de humedad promedio cada vez menores, el valor máximo que alcanza la humedad superficial promedio disminuye, incluso respecto al contenido de humedad promedio en cada caso (Figura 2). Es así como el valor máximo que alcanza la humedad superficial representa el 51, 34, 25, 20 y 18 % respecto al contenido de humedad promedio de todo el cubo, cuando el periodo de reposo tiene lugar transcurridos 1, 2, 3, 4 y 5 h de calentamiento, respectivamente.

4. Conclusiones

Los resultados indicaron que durante los periodos de calentamiento es mayor el efecto de la temperatura que el de la velocidad del aire. Además, que la humedad superficial que se alcanza durante el reposo depende principalmente de la distribución de humedades al inicio del atemperamiento y de las condiciones durante el mismo, de tal manera que el contenido de humedad superficial promedio es mayor a menores temperaturas de reposo y menor al aumentar la duración del periodo de calentamiento que precede al atemperamiento



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Influencia del secado por aire caliente en la velocidad de secado y difusividad efectiva del tomate a diferentes estados de madurez y

variedades Diana Catalina Moreno Guarín *, Amanda Consuelo Díaz Moreno

ICTA Universidad Nacional de Colombia

[email protected]

Resumen

El tomate es la hortaliza más consumida en el mundo, sin embargo debido a su alta actividad de agua es susceptible a ataques microbianos, que disminuyen considerablemente su vida útil; de este problema surge la necesidad de encontrar métodos de conservación para la fruta. El secado surge como una alternativa, que además de alargar la vida útil, disminuye el volumen optimizando el almacenamiento. El presente estudio revisa la influencia de dos diferentes variedades (chonto y larga vida) y dos estados de madurez (4 y 6 según USDA) sobre la velocidad del proceso de secado. Se evaluaron dos modelos empíricos para el parámetro de velocidad de secado: el modelo de Page y Henderson y Pabis, evaluando también la difusividad efectiva del tomate bajo estas condiciones. En los resultados obtenidos se observa que el modelo de Page muestra coeficientes de correlación superiores a 0.99 y que el de Henderson y Pabis aunque muestra un buen ajuste, este no supera el 0.98. Tanto para el modelo de page como para el de Henderson y Pabis se observa que la variedad tomate chonto tiene una constante de velocidad de secado mayor que para el Tomate Larga vida indicando que la velocidad

de secado se ve influenciada por la variedad. La difusividad efectiva (Deff) muestra una marcada influencia bastante marcada del estado de madurez indicando su influencia en las condiciones internas del tomate durante la deshidratación. Se concluye que el proceso de secado de tomate es influenciado en primer lugar por la variedad cuando predominan las condiciones externas del proceso, sin embargo, en las etapas finales del proceso en donde predominan las condiciones internas de la fruta, el estado de madurez comienza a influenciar en mayor medida el secado. En el modelamiento del proceso, el modelo de Page es el más adecuado para predecir el proceso de secado debido a su simplicidad y que tiene un mejor ajuste con los datos experimentales.

Palabras Claves: tomate, Modelamiento, Chonto, Larga vida

1. Introducción

El tomate es la hortaliza más consumida en el mundo además la de producción más alta con casi 150 millones de toneladas al año (FAO, 2006). Existen factores que alteran la calidad del tomate bajo las condiciones de proceso utilizadas y hacen que se presenten pérdidas a lo largo de la cadena productiva. Estas son ocasionadas principalmente en el transporte y almacenamiento del producto (Flórez, 1982). Este hecho ha creado la necesidad de desarrollar métodos más eficientes de conservación de la fruta, para así incrementar la cantidad de producto que se consume. Existen diversos métodos de



conservación de alimentos, siendo la deshidratación uno de los métodos más antiguos y de uso más frecuente. Actualmente la deshidratación es considerada una técnica versátil y es ampliamente utilizada en la industria alimentaria; en nuestro medio esta técnica es de especial interés en el campo de la investigación en alimentos. Está definida como la operación unitaria en la cual se elimina la humedad de un material por la acción de unas condiciones ambientales de temperatura y humedad relativa, con el objetivo primordial de reducir la actividad microbiana y el deterioro del producto (Ratti, 2001). Además del aumento en la preservación, la reducción de peso y volumen de los productos deshidratados, también se logran disminuir los requerimientos de envasado, manipulación, y los costos de transporte. (Ratti, 2009). Varios factores influyen en el desarrollo del proceso, por eso se han desarrollado modelos para predecir el comportamiento del secado generando las llamadas curvas de secado que ayudan a predecir humedades y tiempos finales(Barbosa‐Canovas and Vega‐Mercado, 2000). El objetivo de este trabajo es predecir el comportamiento de dichas curvas para tomate variedades chonto y Larga vida en estados de madurez 4 y 6.


Materia prima

Se utilizaron tomates de la variedad “Chonto” de 5 cm de diámetro y tomates de la variedad “Larga vida” de 6.5 cm de diámetro. Los frutos se evaluaron en dos estados de madurez: 4 cuando la fruta tiene entre un 60 y 90% de coloración roja y 6 cuando la fruta esta 100% roja (Heuvelink, 2005), esto se verificó el índice de madurez mediante pruebas de pH, acidez titulable y sólidos solubles totales (AOAC, 2002).

Proceso de Deshidratación Se tomaron muestras de 200g de tomate y se deshidrataron por secado en bandejas con aire caliente. Las condiciones de proceso fueron 65°C con un flujo de aire de 4.0 m/s durante aproximadamente 3 horas.

Cinética de secado La cinética de secado de las rodajas de tomate se expresa en términos de modelos empíricos, donde los

datos experimentales obtenidos para las tres temperaturas diferentes (50, 60 y 70°C) se representaron

en forma de la relación de humedad adimensional (MR) [Ecuación 1] contra el tiempo de secado.

/ [Ecuación 1]

Donde M es el contenido de humedad del producto en un instante dado, Mo es el contenido de humedad inicial del producto y Me el contenido de humedad en equilibrio del producto(Wang et al., 2007).

Posteriormente se procede a hacer los ajustes a los modelos elegidos que se encuentran en la Tabla 1



Tabla 1: Modelos para capa delgada

Nombre del modelo Modelo Autor

1 Page MR=exp(‐ktn) Page (1949)

2 Henderson y Pabis MR=a*exp(‐kt) Henderson y Pabis (1961)

Fuente:(Wang et al., 2007)

Calculo de la difusividad efectiva Para hallar esta propiedad se utiliza la ecuación analítica de la segunda ley de Fick para una lamina infinita [Ecuación 2], la cual expresa la transferencia de humedad unidimensional al interior del material en condiciones de estado no estacionario.

) [Ecuación 2]

Se considera que la humedad es uniforme a través de la lámina, que el material es homogéneo e

isótropo, que el proceso es isotérmico, y que la resistencia y la contracción son despreciables:

∑ exp [Ecuación 3]

Se resuelve la ecuación para los 10 primeros sumandos, suponiendo el valor de la difusividad a un tiempo determinado, posteriormente se calcula el contenido de humedad promedio para cada uno de los tiempos, por último se ajusta mediante mínimos cuadrados para optimizar la difusividad en la función (Vaquiro, 2009). 3. Resultados y Discusión

Figura 1: Ajuste de las curvas de secado a los diferentes modelos. (a) Chonto (4), (b) Chonto (6)

, (c) Largavida (4) y (d) Larga vida (6)



En la Figura 1 muestra el ajuste de los datos experimentales con respecto a los dos modelos utilizados, se puede observar que los dos modelos representan bien los datos experimentales obtenidos, pero el modelo de Henderson y Pabis, no representa adecuadamente el comportamiento del proceso en la parte inicial de la curva ya que solo se pueden obtener valores de MR entre 0 y 1, esto altera la forma en que se ve representado el modelo. Este fenómeno se puede observar en los coeficientes de correlación en la Tabla 2, en donde se puede ver claramente que los coeficientes de correlación del modelo de Page son mayores que los del modelo de Henderson y Pabis, indicando que el ultimo no se justa tan bien a los datos experimentales del proceso.

Tabla 2: Parámetros hallados para los diferentes modelos

Modelo K N A R2

Chonto (4) Page 0.0029±0.0009 1.3484±0.0585 N/A

0.9965

Henderson y Pabis 0.0151±0.001 N/A 1.1094±0.018 0.9798

Chonto (6) Page 0.0030±0.0004 1.3974±0.013 N/A

0.9975


Largavida (4) Page 0.0026±0.0011 1.3918±0.0715 N/A

0.9977


Largavida (6) Page 0.0021±0.0002 1.3876±0.0194 N/A

0.9983


Viendo los parámetros del proceso se obtiene que para el modelo de Page el tomate variedad chonto no presenta diferencias significativas en el coeficiente de velocidad de secado (k) y presenta un valor más elevado que para la variedad larga vida, sin que esta diferencia sea significativa, en cuanto al coeficiente k del modelo de Henderson y Pabis este no presenta diferencias entre variedades ni tampoco entre índices de madurez. La mayoría de los estudios tienen resultados para tomate deshidratado especialmente en rebanadas (Das Purkayastha et al., 2011) observa la influencia de la temperatura en el tomate y al observar la temperatura de 60°C se obtienen valores similares a los obtenidos por esta investigación. También autores como (Giovanelli et al., 2002, Abano et al., 2011, Doymaz, 2007) indican valores para los modelos utilizados, teniendo variaciones en el valor de los parámetros debido a la geometría utilizada o al espesor de las laminas.

Tabla 3: Difusividad efectiva obtenida

De 108 (m2/s) R2

Chonto (4) 7.0634±0.5953 0.9536

Chonto (6) 9.1570±0.9545 0.9586

Largavida (4) 6.6431±0.2787 0.9579

Largavida (6) 8.2627±0.1374 0.9677



En la Tabla 3 se muestran los valores de la difusividad efectiva que indican la influencia del tomate internamente en el proceso de secado, este valor de difusividad efectiva más apropiado en la segunda etapa de secado cuando comienzan a predominar las condiciones internas de la fruta en la velocidad de secado, los valores que se observan muestran una clara tendencia a aumentar cuando aumenta su índice de madurez, debido a que en el tomate al aumentar su estado de madurez aumenta su agua disponible. También se observa una variación entre variedades ya que el tomate chonto presenta valores mayores de difusividad que los de la variedad Largavida. Varios estudios muestran resultados de difusividad efectiva en rebanadas la mayoría obtienen valores del orden de 10‐9 (Abano et al., 2011, Akanbi et al., 2006, Das Purkayastha et al., 2011), la explicación de que los valores del trabajo del en un orden mayor es que al ser una lamina tan delgada (3 mm de espesor) se favorece la transferencia de materia aumentando los valores de difusividad efectiva. El único estudio que muestra una difusividad efectiva mayor tiene un como punto de partida tomate con 4 mm de espesor y su difusividad es del orden de 10‐7(Gainlı, 2011), pero al saber que los valores se pueden ver afectados por la variedad, se puede suponer que la variedad utilizada en el estudio (turkey) tiene valores de difusividad mayores que el chonto.

4. Conclusiones

Se concluye que el proceso de secado de tomate es influenciado en primer lugar por la variedad cuando predominan las condiciones externas del proceso, sin embargo, en las etapas finales del proceso en donde predominan las condiciones internas de la fruta, el estado de madurez comienza a influenciar en mayor medida el secado. En el modelamiento del proceso, el modelo de Page es el más adecuado para predecir el proceso de secado debido a su simplicidad y que tiene un mejor ajuste con los datos experimentales.

Referencias

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GAINLı, Ö. F.: Effective moisture diffusivity and drying characteristics of tomato slices during convectional drying. En: GIDA 36 (2011), P. 201‐208. GIOVANELLI, G., ZANONI, B., LAVELLI, V. & NANI, R. : Water sorption, drying and antioxidant properties of dried tomato products. En: J. Food Eng 52 (2002), P. 135‐141. HEUVELINK.: Tomatoes, Wallingford, Oxfordshire, GBR, CABI Publishing., 2005 RATTI, C. : Hot air and freeze‐drying of high value foods: a review. En: J. Food Eng 49 (2001), P. 311‐319. RATTI, C. : Advances in food Dehydration.Boca Raton, Florida : Taylor and Francis group.2009 VAQUIRO, H. A. Contricución al estudio y optimización del secado intermitente: Aplicación al secado de mango (Mangifera indica L var. Tommy Atkins), Universidad Politecnica de Valencia, Departamento de Tecnología de Alimentos, Tesis de Grado Doctor en Ciencia y Tecnologia de Alimentos, 2009 WANG, Z., SUN, J., LIAO, X., CHEN, F., ZHAO, G., WU, J. & HU, X. 2007. Mathematical modeling on hot air drying of thin layer apple pomace. En: Food Res Int 40 (2007), P. 39‐46.



Secado de muestras de papaya (Carica papaya L.) por ventana de refractanciaTM: Influencia de la temperatura y del espesor

María U. Ocoró‐Zamora, Alfredo A. Ayala‐Aponte

Escuela de Ingeniería de Alimentos. Universidad del Valle. Cali‐Colombia

[email protected]

Resumen La Ventana de refractancia (RWTM) es una nueva tecnología de secado de alimentos sensibles al calor utilizando la energía infrarroja del agua. Se utilizó el principio de RWTM para evaluar las cinéticas de secado y la actividad de agua de muestras de puré de papaya con adición de 8% w / w de maltodextrina DE 10. Se utilizaron rodajas de papaya con espesores de 2 y 4 mm y temperaturas de secado (agua caliente del reservorio) de 80 y 90 ° C. Los valores experimentales de secado se ajustaron mediante dos modelos cinéticos empíricos (logarítmico y Midilli), y los coeficientes de difusión de agua se determinaron a partir de la solución analítica de la segunda ley de Fick. El contenido inicial de humedad y actividad de agua del puré de papaya fueron 4,4037 ± 0,0010 g de agua/g ms y 0,9918 ± 0,0020, respectivamente. Los resultados mostraron que las cinéticas de secado y de actividad de agua fueron más rápidas a mayor temperatura y menor espesor; a 90 min de secado las muestras de 2mm‐90°C alcanzaron los menores contenidos de humedad y de actividad de agua de 0.0390±0,0002 g de agua/g.ms y 0.4338±0,0020 respectivamente, mientras que las muestras 4mm‐80°C alcanzaron los valores más altos con 0.1370±0,0010 y 0.5731±0,0010 respectivamente. La actividad de agua en todos los tratamientos fue menor de 0,5, lo que significa la estabilidad microbiológica de la fruta durante el almacenamiento. Los modelos Midilli y logarítmico presentaron buenos ajustes de predicción de las curvas de secado, no obstante el modelo de Midilli fue el de mejor ajuste por presentar los menores valores de error. Los valores de los coeficientes de difusión fueron mayores con el aumento de la temperatura y del espesor de la fruta, variaron entre 5,2693 x10‐10 y 1,0991 x 10‐9 m2/s. De acuerdo a estos resultados la técnica de ventana de refractancia tiene alto potencial para el secado y/o conservación de papaya fresca y de frutas en general.

Palabras clave: secado, papaya, modelamiento, coeficiente de difusión

1. Introducción

La papaya (Carica papaya L.) es una fruta tropical apetecida por su alto contenido nutricional y sabor, sin embargo, por su alto contenido de humedad es altamente perecedera que requiere alternativas de conservación (Fernandes et al, 2006). El secado es un método de conservación ampliamente utilizado en los alimentos por reducir significativamente la actividad de agua del material que a su vez reduce la actividad microbiológica y los cambios físicos y químicos durante el almacenamiento (Mayor y Sereno, 2004). Se han desarrollado diversos métodos de secado pero ninguno proporciona productos de alta calidad (Abony et., 1999); el secado por liofilización considerado como uno de los mejores métodos de secado proporciona productos de alta calidad pero es un proceso de tiempos prolongados (entre 12 y



24 horas) y por consiguiente costoso. Diversos investigadores han reconocido la importancia de evaluar secadores de cuarta generación como el método de ventana de refractanciaTM (RWTM) como alternativa para reducir los tiempos de secado y la degradación térmica de los alimentos sensibles al calor, así como mejorar la eficiencia energética de la operación de secado y la calidad del producto (Vega‐Mercado, 2001; Nindo et al., 2004). La RWTM es una tecnología de secado desarrollada por MCD Technologies Inc. (Tacoma, Washington, USA) y se caracteriza por tiempos cortos de secado, bajo consumo energético y productos de alta calidad. Consiste en secar un material empleando la energía infrarroja del agua que pasa a través de una membrana plástica (Tipo MylarTM) que se mueve sobre un reservorio de agua caliente a temperatura inferior a la de ebullición y retira la humedad del producto que está en la superficie de esta membrana. El objetivo de esta investigación fue evaluar la influencia de la técnica RWTM sobre las cinéticas de secado y la actividad de agua de muestras de puré de papaya con adición de 8% w / w de maltodextrina DE 10.


Se utilizaron frutos de papaya (Carica papaya L.) entre 10 y 12° Brix, obtenidos en un mercado de la ciudad de Cali con un grado de calidad de primera según la Norma Técnica Colombiana NTC 1270 (ICONTEC, 1993). El puré se obtuvo con un procesador de alimentos (Oster, 3167, USA) y se le adiciono 8% w/w de maltodextrina DE 10 (Industrias de Maíz S.A, Colombia). Se utilizaron moldes plásticos preformados para obtener rodajas de puré de 2 y 4 mm de espesor y 30 mm de diámetro. El secado se realizó en un equipo piloto diseñado por la Escuela de Ingeniería de Alimentos de la Universidad del Valle (Cali‐Colombia) para reproducir el principio de RWTM, el cual consiste en un tanque lleno con agua en cuya superficie se desliza una membrana de poliéster (tipo MylarTM) transparente al paso de la energía infrarroja. El desplazamiento de la membrana se programó a una velocidad de 0.001 m/min y el agua (calefactor) con dos niveles de temperatura (80 y 90°C). Para cada tratamiento el agua se recirculó con un caudal de 2.74 L/min. Los CH y la actividad de agua (aw) se midieron a diferentes tiempos de secado (0, 10, 20, 30, 60, 90, 120 y 180 min). Las pruebas se realizaron por triplicado siguiendo un diseño factorial de 2x2. Las cinéticas de secado se ajustaron por medio de los modelos logarítmico y Midilli mediante las Ecuaciones 1 y 2 respectivamente (Yaldiz & Ertekin, 2001; Midilli et al, 2002).

exp Ecuación 1

exp Ecuación 2

Donde k, n, a, b y c son parámetros de los modelos, t es el tiempo de secado y MR es la razón de humedad de las muestras definida de acuerdo con la Ecuación 3 teniendo en cuenta que el equipo utilizado no controla la humedad relativa del aire que entra en contacto con el material (Yaldiz & Ertekin, 2001)

Ecuación 3

Siendo Xt el CH en un tiempo dado y X0 el CH inicial, ambos en base seca (g agua/g de m.s). Estos CH se determinaron mediante el método de AOAC (1980). La aw se obtuvo mediante un higrómetro de punto de rocío (Decagón, AquaLab CX‐1, USA) con una sensibilidad de 0,0001. Las coeficientes de difusión (Deff) se calcularon para el primer periodo de secado de velocidad decreciente, usando el primer término de la solución analítica de la segunda ley de Fick (Ecuación 4) (Crank, 1975) para una geometría de lámina semi‐infinita de espesor l y considerando la difusión en dirección axial.


Tecnología de secado ‐ Presentación oral

8 12 1

2 1 Ecuación 4

Los resultados se analizaron con ANOVA para un intervalo de confianza de 95% mediante Minitab versión 15.1.20.0. Las regresiones para estimación de parámetros de los modelos se realizaron mediante Polymath 5.1 y la bondad de ajuste se evaluó con el coeficiente de correlación (R2), el valor de Chi‐cuadrado reducido (χ2) y el Error Medio Relativo Estándar (RMSE).


El comportamiento de CH y aw durante el secado se presenta en las Figuras 1 y 2. Los CH y aw iniciales del puré de papaya fueron 4.4037±0.0010 g agua/g ms y 0.9918±0.0020 respectivamente; ambos parámetros decrecieron más rápido a mayor temperatura y menor espesor, debido al incremento del gradiente de temperatura y a que las rodajas más delgadas disminuyen la distancia neta recorrida por el agua para ser extraída (Sacilik & Elicin, 2006). A los 90 min de secado las muestras de 2mm‐90°C alcanzaron los menores CH y de aw de 0.0390±0,0002 g de agua/g.ms y 0.4338±0,0020 respectivamente, mientras que las muestras 4mm‐80°C alcanzaron los valores más altos con 0.1370±0,0010 y 0.5731±0,0010 respectivamente. La aw en todos los tratamientos fue menor de 0,57, lo que significa la estabilidad microbiológica de la fruta durante el almacenamiento. Resultados similares se observaron en el secado de mango por ventana de refractancia (Ochoa‐Martínez, et al., 2012). El ANOVA evidenció un efecto significativo (p<0.05) del espesor y la temperatura sobre CH y aw. Estos resultados indican la rapidez del secado por RWTM comparado con los métodos tradicionales.

Figura 1. Curvas de secado de rodajas con 2 mm y 4 mm de espesor durante secado por RWTM a 80 y

90ºC.

Figura 2. Actividad de agua para rodajas con 2 mm y 4 mm de espesor durante secado por RWTM a 80 y

90ºC.

0

1

2

3

4

5

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180

CH

(g

. ag

ua/

g.

ms)

Tiempo de secado (min)

4mm‐90ºC4mm‐80ºC2mm‐90ºC2mm‐80ºC

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180

aw


4mm‐90ºC4mm‐80ºC2mm‐90ºC2mm‐80ºC


Tecnología de secado – Presentación oral

La Tabla 1 presenta los parámetros estimados por los modelos Logarítmico y Midilli, incluyendo los criterios para la evaluación de la bondad de ajuste. El parámetro k se incrementó con el aumento de la temperatura del agua y con la disminución del espesor del puré. Es frecuente que k sea dependiente de la temperatura, de modo que un incremento en k se relaciona con un aumento en la temperatura de proceso (Vega‐Gálvez et al, 2011). Los dos modelos cinéticos presentaron buen ajuste de los valores experimentales, sin embargo el modelo de Midilli fue el de mejor ajuste (Figura 3) por presentar los valores más altos de R2 (cercanos a 1) y los valores más bajos de χ2 y RMSE (cercanos a cero). Otros investigadores también han encontrado que el modelo de Midilli representa exitosamente las cinéticas de secado (Schössler et al., 2012).

Tabla 1. Constantes de los modelos y parámetros estadísticos para secado de papaya por RWTM

Modelo

Constantes de los

modelos y parámetros

estadísticos

Condiciones de secado

2mm 4mm

80ºC 90ºC 80ºC 90ºC

Logarítmico

k x102 9.528470 14.843400 4.419890 5.350740

a 0.991845 0.990143 0.970855 0.987281

c 0.011038 0.009739 0.019039 0.010033

R2 0.999607 0.999960 0.999382 0.999758

RMSE 0.009097 0.002891 0.011644 0.007317

χ2x103 0.132411 0.013374 0.216919 0.085659

Midilli et al.

k x102 7.441720 17.919090 5.721560 5.935990

n 1.083826 0.911580 0.910022 0.960440

a 0.999973 1.000046 0.997999 0.999725

b x105 10.420000 5.974000 7.871000 5.865000

R2 0.999791 0.999900 0.999773 0.999810

RMSE 0.006829 0.004754 0.007090 0.006484

χ2x103 0.093275 0.045200 0.100536 0.084094

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180

MR


(a) 4mm‐90°C4mm‐80°C2mm‐90°C2mm‐80°CLogarithmic



Figura 3. Curvas de secado experimentales y calculadas para los modelos (a) logarítmico y (b) Midilli.

Los Deff (Tabla 2) presentaron orden de magnitud 10‐10, similar a los reportados por Kurozawa et al (2012). Estos coeficientes se incrementaron a mayor temperatura, lo cual significa que el aumento de la temperatura favorece la transferencia de masa debido a un aumento en el número de moléculas que se desplazan hacia la superficie del material que se está secando (Toğrul y Pehlivan, 2003). Las Deff también aumentaron a mayor espesor del puré debido al menor encogimiento de las rodajas (datos no mostrados); un comportamiento similar se observó en el secado de mango por RWTM (Ochoa‐Martínez et al, 2012).

Tabla 2. Valores de difusividad para papaya en secado por RWTM

Espesor (mm) Temperatura(°C) Deff x 10‐10 (m2/s)

2 80 5.2693

90 8.4533

4 80 8.6910

90 10.9910

4. Conclusiones

La técnica de Ventana de RefractanciaTM permitió secar el puré de papaya en tiempos cortos de secado (90 min) con contenidos de humedad y aw inferiores a 13.7% (bs) y 0.57 respectivamente. La temperatura del agua y el espesor del puré influyeron significativamente (p<0.05) sobre el contenido de humedad, actividad de agua y el coeficiente de difusión de las muestras. Las cinéticas de secado se pueden representar adecuadamente usando los modelos logarítmicos y Midilli. De acuerdo a estos resultados la técnica por ventana de refractanciaTM es un método altanamente potencial para la conservación de puré de papaya y frutas en general.

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180MR


(b) 4mm‐90°C4mm‐80°C2mm‐90°C2mm‐80°CMidilli



Referencias

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Evaluación del efecto de la temperatura de secado sobre el contenido total de compuestos fenólicos en polen apícola.

Nazly PULIDO*, Claudia SALAZAR, Consuelo DIAZ, Martha QUICAZÁN 1 Instituto de Ciencia y Tecnología de Alimentos – ICTA

Universidad Nacional de Colombia, Sede Bogotá. [email protected]ón

Resumen

El polen apícola es el resultado de la aglutinación del polen floral efectuado por las abejas pecoreras mediante la aplicación de secreciones salivares y néctar regurgitado. Este polen es recogido por los apicultores utilizando trampas de recolección ubicadas en la entrada de la colmena y posteriormente sometido a proceso de secado con el fin de disminuir el contenido de humedad, convirtiéndolo en un producto más estable. Sin embargo, diversos estudios en matrices alimentarias sugieren estudiar las condiciones de operación como temperatura, velocidad del aire de secado para conseguir no solamente la máxima eficacia y un suficiente control del proceso, sino también unas determinadas características en el producto final relacionadas con el valor nutritivo, la textura, el color y la actividad de agua. Para explorar el comportamiento de las características bioactivas de polen apícola por efectos de la temperatura de secado se hizo un seguimiento al contenido de fenoles totales en polen apícola. Los resultados fueron expresados como mg AC (equivalentes de ácido cafeico)/ g polen, mostrando que no existe diferencia significativa en el contenido de fenoles totales en el polen húmedo y deshidratado. Palabras clave: Polen apícola, secado con aire caliente, fenoles totales.

1. Introducción

El polen apícola es el resultado de la aglutinación del polen floral efectuado por las abejas pecoreras mediante la aplicación de secreciones salivares y néctar regurgitado (Villanueva et al., 2002); el cual es recogido por los apicultores utilizando trampas de recolección ubicadas en la entrada de la colmena y posteriormente sometido a procesos de secado (Del Risco, 2002), con el fin de disminuir el contenido de humedad y convirtiéndolo así en un producto más estable. Este polen es utilizado como suplemento en la dieta humana por su alto valor nutricional, producto rico en azúcares, proteínas, lípidos, vitaminas, compuestos antioxidantes y carbohidratos, además de ser considerado un alimento funcional con altos niveles de compuestos bioactivos como fibra dietaría, carotenoides, vitaminas, polifenoles, ácidos grasos poliinsaturados (Almeida‐Muradian et al., 2005; Del Risco, 2002; Kroyer & Hegedus, 2001).

Desde la antigüedad se ha reconocido que los alimentos con mayor contenido de humedad son los más perecederos, de tal manera que el control del contenido de agua es una herramienta para extender su vida útil. El secado es una técnica de conservación de alimentos cuyo objetivo principal es la disminución de la actividad de agua de los mismos. Sin embargo, la depresión de la actividad de agua puede ocasionar cambios físicos y químicos irreversibles en las matrices. Por tal



razón, es necesario estudiar las condiciones de operación como temperatura, humedad del aire, velocidad del aire de secado para conseguir no solamente la máxima eficacia y un suficiente control del proceso, sino también unas determinadas características en el producto final relacionadas con el valor nutritivo, la textura, el color y la actividad de agua (Ratti, 2001; Vega‐Mercado et al., 2001).

El objetivo de este trabajo fue evaluar el efecto de la temperatura de secado sobre el contenido de fenoles totales en polen apícola.

2. Materiales y Métodos 2.1 Muestras

Se recolectaron muestras de polen apícola húmedo (PH) y deshidratado (PD) del mismo lote de 4 apicultores localizados en la región del Altiplano Cundiboyacense. Estas muestras fueron sometidas a un proceso de molienda hasta un diámetro de partícula de 0.5 mm y posteriormente fueron almacenadas a 4°C en la oscuridad hasta su análisis.

2.2 Preparación del extracto etanólico

El extracto etanólico de polen se realizó utilizando un gramo de polen previamente molido en un vaso de precipitado, al cual se le adicionó 100 ml de etanol al 96% y dejado en oscuridad durante 24 horas.

2.3 Contenido de compuestos fenólicos totales

El contenido total de compuestos fenólicos de los extractos etanólicos fue determinado con el reactivo de Folin Ciocalteau. 500 µl del reactivo fueron mezclados con 500 µl del extracto y neutralizados con 2 ml de carbonato de sodio al 10%. La absorbancia fue medida a 765 nm después de 2 horas. La curva estándar fue preparada usando ácido cafeico 0.1 mg/ml y los resultados fueron expresados como mg AC (equivalentes de ácido cafeico)/ g polen.

2.4 Análisis de resultados

El análisis estadístico de los resultados se realizó mediante una prueba t de dos colas, con un nivel de confianza del 95% (α = 0.05) para comprobar si existían diferencias significativas en el promedio del contenido de fenoles totales de polen apícola húmedo (PH) y deshidratado (PD).

3 Resultados y discusión

En la Tabla 1, se muestra el contenido de fenoles totales antes y después del proceso de secado por aire caliente a las temperaturas empleadas por los apicultores. El contenido de fenoles totales de las muestras evaluadas es similar a los pólenes brasileros (Morais et al., 2011).

Tabla 1. Contenido de fenoles totales en polen apícola húmedo (PH) y deshidratado (PD)

Temperatura (°C) PH PD

45 13.86 ± 0.76 14.85 ± 0.19

50 18.50 ± 2.38 18.31 ± 0.74

55 20.13 ± 2.04 21.16 ± 0.62

60 17.35 ± 1.19 18.89 ± 0.89

Valores mostrados como media ± desviación estándar



(n = 3)

A diferencia de otros estudios sobre el efecto de la temperatura del aire de secado en el contenido de fenoles totales en otras matrices como manzana (Vega‐Gálvez et al., 2012), pera (Djendoubi Mrad et al., 2012) y quinua (Miranda et al., 2010), los resultados obtenidos en este estudio no muestran diferencias significativas en el contenido de fenoles totales entre el polen apícola húmedo y el deshidratado. Este comportamiento se puede atribuir a la protección que concibe la estructura del grano de polen que está conformada por una capa exterior llamada exina compuesta principalmente por un poli terpeno resistente llamado esporopolenina y una capa interna llamada intina (Boavida et al., 2005; Bogdanov, 2011).

4. Conclusiones

Con en este trabajo se evidenció que no existe diferencia en el contenido de compuestos fenólicos mediante la realización del proceso de deshidratación en polen apícola a las condiciones empleadas por los apicultores. Por otro lado, este estudio hizo evidente la necesidad de ampliar la investigación involucrando otros compuestos bioactivos presentes en el polen apícola como son carotenoides, vitaminas liposolubles como la vitamina E, entre otros.

Referencias

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Evaluación de condiciones de operación en el secado por aspersión de jugo de mandarina (Citrus nobilis)

Claudia Isabel Ochoa‐Martínez*, Jesús Andrés Méndez Cajigas, Marla Cristina Mercado

Rodríguez, Alejandro Fernández Universidad del Valle, Escuela de Ingeniería de alimentos

[email protected]

Resumen

El objetivo de este trabajo fue estudiar la influencia de las condiciones de operación, durante el secado por aspersión de jugo de mandarina, sobre algunas propiedades fisicoquímicas del producto en polvo obtenido. Este proceso se llevó a cabo en un secador a escala piloto marca VIBRASEC empleando maltodextrina 9‐13 ED como agente encapsulante. Se utilizó un diseño experimental Box‐Behnken ajustado a la metodología de superficies de respuesta. Las variables independientes estudiadas fueron: temperatura de entrada del aire (140, 160 y 180°C), concentración de encapsulante (7, 10 y 13%) y velocidad del disco aspersor (30000, 35000 y 40000 rpm). Las variables de respuesta fueron el contenido de humedad y la solubilidad en agua de los polvos, el cambio de color (ΔE) respecto al jugo alimentado al secador y el rendimiento del proceso. Los resultados mostraron que el incremento en la concentración de encapsulante aumenta el rendimiento, disminuye la humedad y aumenta la solubilidad. El color no se afectó significativamente con los cambios en la concentración de encapsulante. Por otro lado el incremento de la temperatura de entrada del aire no afectó la solubilidad del producto aunque sí generó bajos rendimientos y humedades altas, causando grandes depósitos de producto en la cámara de secado como consecuencia de la pegajosidad en los ensayos. Por último, la velocidad del disco no tuvo efecto significativo sobre ninguna de las variables estudiadas.

Palabras clave: Secado por aspersión; mandarina; maltodextrina; rendimiento.

1. Introducción

El secado consiste en atomizar un líquido para crear pequeñas gotas que se secan como partículas individuales cuando se mueven en un medio gaseoso caliente, usualmente aire. El desarrollo del proceso ha estado asociado con la industria láctea, sin embargo la aplicación de este método se ha ampliado a distintos alimentos como huevos, suero, proteína de soya, entre otros (Cano et al., 2004). El secado por aspersión da origen a productos de buena calidad, con larga vida de anaquel debido a la baja actividad de agua, y de fácil transporte y almacenamiento, lo que contribuye a la reducción de costos (García et al., 2004) además de convertirlos en ingredientes estables y naturales que se emplean en productos farmacéuticos y alimentos tales como colorantes y saborizantes. Este tipo de secado se ha utilizado para la manufactura de jugos de fruta en polvo debido a su capacidad de generar productos con especificaciones de calidad precisas en operación continua. No obstante, se pueden presentar problemas como adherencia e



higroscopicidad durante el proceso de secado debido a la presencia de mono y disacáridos, los cuales tienen bajas temperaturas de transición vítrea (Tg), alterando las características funcionales del material deshidratado. Dichos componentes pueden quedarse adheridos a las paredes de la cámara durante el secado, lo que lleva a bajos rendimientos de producto y problemas operacionales, además de formar aglomerados entre partículas (Cano et al., 2004). Este inconveniente ha sido atenuado con la adición de agentes encapsulantes que incrementan la Tg y, por tanto, combaten la adherencia. Estos aditivos además protegen componentes alimentarios sensibles contra condiciones del ambiente desfavorables y recubren o preservan sabores y aromas al reducir la volatilidad de compuestos aromáticos. Durante el secado por aspersión de jugos es importante el control de las variables de entrada al sistema como las temperaturas de entrada y salida del aire de secado, el flujo de alimentación del producto a secar, el tiempo de residencia y la velocidad de aspersión (García et al., 2004). La mandarina es uno de los cítricos más populares del mundo. A nivel nutricional es una de las frutas que más carotenoides presenta en su composición, aporta beta‐criptoxantina, beta‐caroteno y vitamina C (32.02 mg/100 g zumo), importantes como antioxidantes. Es fuente natural de fibra y tiene un efecto saciante (FINAGRO, 2009). Las mandarinas se destinan tanto al consumo en fresco como a la elaboración de zumos, pulpas, concentrados, jarabes, néctares, refrescos, mermeladas, jaleas, y jugos en polvo. En este trabajo se utilizó el secado por aspersión para deshidratar jugo de mandarina con el fin de obtener un producto en polvo estable que pueda utilizarse como base de diversas preparaciones en la industria alimentaria. 2. Materiales y Métodos

2.1 Preparación del jugo

Se emplearon 3 kg de mandarina var. Oneco con un contenido de sólidos solubles entre 9 y 12°Brix

en cada ensayo. Se lavaron las mandarinas, se cortaron y se hizo la extracción empleando un

exprimidor. Posteriormente, se filtró el jugo empleando tamices estándar de apertura de 0.500 y

0.250 mm y se adicionó agua potable al zumo filtrado hasta alcanzar 9°Brix. El mezclado con la

maltodextrina (9‐13 ED) se realizó en una licuadora usando una relación peso/peso (g

maltodextrina/ g jugo) de acuerdo al diseño experimental. La cantidad alimentada al secador fue

de 1000 g por ensayo.

2.2 Determinación de Tg y selección de los niveles de maltodextrina

La temperatura de transición vítrea del jugo se calculó empleando la Ecuación (1) (Papadakis et al.,

2006).



n

1iii

n

1iiii

Cpw

TgCpwTg (1)

Donde wi es la fracción másica del componente en la mezcla, �Cpi es el cambio en la capacidad

calorífica del componente entre los estados vítreo y gomoso y Tgi es la temperatura de transición

vítrea del componente. Esta ecuación puede aplicarse a cualquier alimento considerando sólo los

componentes (principalmente carbohidratos) que contribuyen a la temperatura de transición

vítrea en la muestra (Papadakis et al., 2006). En la Tabla 1 se resumen los valores de las

propiedades de los azúcares necesarios para el cálculo de Tg.

Tabla 1. Características de los azúcares del jugo de mandarina

Componente �Cp (J/g K) Tg (°C) Composición (%)

Sacarosa 0.60 67 6.46

Fructosa 0.75 10 1.18

Glucosa 0.63 36 1.54

Maltodextrina 12DE 0.23 160

Empleando la Ecuación (1) se obtuvo un valor de Tg de 52.95 °C; esto indica que por encima de esta temperatura el material se transforma de estado vítreo a estado gomoso. Para trabajar a una temperatura de salida del aire de 75°C es necesario elevar la temperatura de transición vítrea del jugo mediante la adición de la maltodextrina (MD) cuya alta Tg (160°C) produce un incremento de este parámetro en el jugo. De esta manera se seleccionaron tres niveles de concentración de MD correspondientes a 7%, 10% y 13% (%p/p) las cuales elevan la Tg del jugo a 76.43°C, 83,61°C y 89.65°C, respectivamente. 2.3 Secado El proceso de secado se llevó a cabo en la planta piloto de la Escuela de Ingeniería de alimentos de la Universidad del Valle, en el secador piloto automatizado VIBRASEC (ANEXO 1). La mezcla se alimentó a la cámara de secado a través de una bomba peristáltica, con un flujo de 36 g/min y una temperatura de 28°C (temperatura ambiente). Las demás condiciones de operación fueron: apertura de válvula de paso de aire de 30%, velocidad de giro del disco y temperatura de entrada de aire definidas según el diseño experimental y temperatura de salida del aire de 75 °C. Teniendo en cuenta que la temperatura de salida del aire en el secado por aspersión tiene una fuerte influencia sobre la humedad del producto obtenido, el rendimiento, la solubilidad y el color, entre otras (León et al., 2010; Patel, 2009) se debe mantener fijo dicho factor variando la capacidad del soplador. Es evidente que



mayores temperaturas de entrada requieren flujos de aire más bajos para alcanzar la temperatura en el aire de salida.

Se utilizó el diseño experimental Box‐Behnken (Box & Behnken, 1968) ajustado al modelo de

superficies de respuesta con el cual se estudió el efecto de tres factores, con tres niveles cada uno

como se muestra en la Tabla 2. Se realizaron 15 experimentos teniendo tres repeticiones en el

punto central.

Tabla 2. Diseño experimental

Factores Niveles

(‐1) (0) (+1)

Temperatura de entrada del aire (ºC) 140 160 180

Concentración de encapsulante (%w/w) 7 10 13

Velocidad de giro del disco 30000 35000 40000

La temperatura de entrada de aire se seleccionó teniendo en cuenta la recomendación del fabricante de emplear un delta de temperatura de aproximadamente 100˚C respecto a la temperatura de salida del aire. La velocidad de giro del disco se seleccionó de acuerdo a la capacidad del secador.

A los productos obtenidos se les evaluó el contenido de humedad (empleando un secador por infrarrojo Mettler LJ16 Moisture Analyzer a 120°C durante 10 min), el rendimiento (calculado como la cantidad de sólidos en el producto final respecto a la cantidad de sólidos en la alimentación al secador), el color (empleando un colorímetro Hunter lab, Color flex, mediante el cual se obtuvieron los parámetros L*, a* y b*, correspondientes al producto alimentado y al producto reconstituido a la misma concentración; con estos datos se determinó el cambio de color (�E)) y la solubilidad en agua (según el método reportado por Ceballos, 2008).

Para el análisis de resultados se empleó el software Design‐Expert® 8.0 para realizar el análisis de varianza (ANOVA) con un nivel de confiabilidad del 95%. Las superficies de respuesta para cada parámetro se representan en gráficos tridimensionales, mostrando el efecto de dos variables independientes, sobre una respuesta y manteniendo constante en el nivel intermedio (0) la tercera variable.

3.Resultados y Discusión 3.1 Efectos de los factores sobre la humedad y el rendimiento

Los factores temperatura de entrada del aire y concentración de encapsulante presentaron efecto sobre la humedad de los polvos de mandarina obtenidos, contrario a lo ocurrido con la velocidad de giro del disco la cual no presentó efecto significativo (P= 0.2507). Las humedades de los productos obtenidos se encontraron en un rango de 3.90% a 7.89% (h.b.h) las cuales son humedades bajas propias de un producto de este tipo humedad (García et al., 2004). En la Figura 1

se muestra el efecto de estos factores sobre la humedad del producto.



Figura 1. Efecto de la concentración de MD y la temperatura de entrada del aire de secado sobre la humedad del producto a una velocidad del disco aspersor fija (35000RPM)

Al aumentar la temperatura del aire de secado, la humedad del producto presentó tendencia a disminuir. Sin embargo a partir de 156°C, la humedad aumentó considerablemente viéndose reforzado este efecto cuando la concentración de MD es menor; las humedades más altas se registraron a la temperatura de 180°C y 7% de MD. El comportamiento entre 140 y 156 °C es el esperado ya que, al elevar la temperatura del aire de secado se incrementa el diferencial de temperatura entre el medio de secado y las pequeñas gotas de zumo asperjado, hecho que promueve la transferencia de calor y masa y, por tanto, se esperaría que mayores temperaturas del aire de entrada den origen a productos más secos. Estudios realizados por Ruiz Cabrera et al. (2010) y Young et al. (2007) en jugos de maracuyá y sandía respectivamente así lo indican. Sin embargo, el comportamiento presentado en la Figura 1 después de 156°C no está de acuerdo con los argumentos presentados anteriormente. García et al. (2004) y Gharsallaoui et al. (2007) sugieren que altas temperaturas del aire de secado pueden desencadenar una rápida evaporación del agua superficial de las gotas de zumo y consecuentemente, la rápida formación de una costra en la superficie de los componentes sólidos que están siendo secados, lo que podría dificultar la salida del agua remanente y producir un secado incompleto de las partículas. También se podría explicar este comportamiento si se tiene en cuenta la relación entre la temperatura de salida del aire y el caudal del mismo. Mayor temperatura de secado requiere menor caudal de aire para lograr una temperatura de salida determinada. Teniendo en cuenta que el secado por aspersión demanda de una gran cantidad de aire para llevar a cabo un secado efectivo sin que se produzca saturación del aire, el uso de menor caudal de aire disminuye la eficiencia de secado. La presencia de un punto de inflexión en la temperatura de entrada del aire indica que, para el rango de temperaturas evaluado, existe una temperatura que minimiza la humedad del producto. Este comportamiento fue más evidente en los tratamientos donde se empleó 13% de MD. En cuanto al efecto de la concentración de maltodextrina, es evidente que el incremento de esta variable repercutió en la disminución del contenido de humedad del producto. Estudios llevados a cabo por investigadores como Kha et al. (2010) y Abadio (2004) presentan resultados similares.



Este comportamiento puede explicarse si se tiene en cuenta que mayores concentraciones de maltodextrina evitan la aglomeración de las partículas que pueda generarse cuando se cristalizan los azúcares de la fruta debido a las altas temperaturas. Así, se producen partículas de menor tamaño con una mayor área superficial expuesta, hecho que facilita la transferencia de masa y da origen a polvos con menor contenido de humedad.

En cuanto al rendimiento, de acuerdo al análisis estadístico existe influencia de la temperatura de entrada del aire (P=0.0020) y la concentración de MD (P=0.0017) sobre el rendimiento del producto mientras la velocidad del disco aspersor (P=0.2162) no afectó de forma significativa dicha variable de respuesta. En la Figura 2 se presenta el comportamiento de estas variables, a una velocidad fija del disco aspersor de 35000 RPM.

Figura 2. Efecto de la concentración de MD y la temperatura de entrada del aire sobre el rendimiento

Estos resultados coinciden con los obtenidos por Chegini & Ghobadian (2007) y León et al. (2010). Estos autores atribuyeron este comportamiento, al hecho de que elevadas temperaturas del aire de secado pueden alterar la estructura de los azúcares y ácidos orgánicos presentes en los jugos haciendo que éstos prematuramente alcancen su punto de fusión, lo que puede promover una rápida adherencia entre partículas y la consecuente producción de aglomerados, además de cohesión a las paredes de la cámara de secado (Turchiuli et. al., 2011). En la Figura 2 también se observa que los mejores rendimientos se obtuvieron no solo a bajas temperaturas sino también a altos niveles de MD. Lo anterior concuerda con la revisión bibliográfica si se tiene en cuenta que la MD es uno de los compuestos más empleados para mejorar el rendimiento en los productos obtenidos por secado por aspersión. 3.2 Efecto de los factores sobre el color Los factores estudiados (temperatura de entrada del aire, concentración de encapsulante y velocidad del disco) no presentaron un efecto significativo sobre la variable de respuesta ΔE (valores P>0.05), que representa el cambio de color entre el jugo alimentado al secador (con MD)



y el jugo obtenido tras reconstituir el producto en polvo. Weerachet et al. (2010) obtuvo resultados similares al analizar el cambio de color (ΔE) de jugo de piña y los polvos de piña reconstituidos.

3.3 Efecto de los factores sobre la solubilidad en agua Frente a la solubilidad del producto, los parámetros temperatura de entrada y velocidad de giro del disco no son significativos, sin embargo la concentración de encapsulante sí resultó significante (P=0.0386). En la Figura 4 se observa que al incrementar el contenido de maltodextrina, se produce un aumento en la solubilidad del producto. Resultados similares obtuvieron Phoungchandang & Sertwasana (2010) al secar jengibre, quienes atribuyeron lo obtenido al menor tamaño de partícula que se genera al adicionar MD la cual podría formar una capa externa sobre las gotas y alterar la pegajosidad superficial de las partículas. Este hecho reduce la cohesión entre partículas lo que resulta en una menor aglomeración y por lo tanto el tamaño de las partículas se reduce, favoreciendo la velocidad y el grado de hidratación de las mismas.

Figura 4. Efecto de la concentración de MD y la temperatura de entrada del aire sobre la

solubilidad del producto a una velocidad del disco fija (35000 RPM)

4. Conclusiones En la mayoría de los casos, la temperatura de entrada del aire y la concentración de encapsulante presentaron efecto significativo sobre las variables de respuesta; el factor de velocidad de giro del disco no tuvo efecto sobre ninguna de las variables estudiadas y los parámetros evaluados no presentaron efecto significativo sobre el color de las muestras obtenidas. Las humedades obtenidas fueron acordes con lo reportado en la literatura (h.b.h <10%) para este tipo de productos aunque la temperatura de entrada del aire más alta produjo el menor rendimiento y humedades mayores.



El incremento en la concentración de MD generó mayores rendimientos y menores humedades en los productos obtenidos. La MD empleada resultó ser un buen agente para disminuir la pegajosidad, evitar aglomeraciones dentro de la cámara de secado y aumentar la solubilidad de los polvos de mandarina, lo que mejoró la velocidad y el grado de hidratación de las mismas. La operación de secado por aspersión de jugo de mandarina a una temperatura alta (180ºC) y baja concentración de MD (7%) genera pegajosidad y acumulación de material en la cámara de secado, lo cual causa bajo rendimiento y difícil limpieza del equipo. Referencias ABADIO, F.; DOMINGUEZ, A.; BORGES, S.; OLIVEIRA, V.: Physical properties of powdered pineapple (Ananas comosus) juice–effect of maltdextrin concentration and atomization speed. En: J of Food Eng. 64 (2004), P. 285–287 BOX, G.; BEHNKEN, W.: Some new three levels designs for the study of quantitative variables. En: Tecnometrics 2 (1968) P. 455‐475 CANO, M.; STRINGHETA, P.C.; SARDAGNA, L.D.; CAL‐VIDAL, J.: Mango juice dehydration spray drying using different carriers and functional characterization. En: 14th International Drying Symposium (IDS) C, 2004, P. 2010‐2011. CEBALLOS, A.L. Estudio comparativo de tres sistemas de secado para la producción de un polvo deshidratado de frut,. Universidad Nacional de Colombia Sede Manizales, Tesis de Grado, 2008 CHEGINI, G.; GHOBADIAN, B.: Spray Dryer Parameters for Fruit Juice Drying. En: World J. of Agric. Sci. 3 (2007), P. 230‐236 GARCÍA, C.; GONZÁLES, M.B.; OCHOA, L.A.; MEDRANO, H.: Microencapsulación de jugo de cebada verde mediante secado por aspersión. En: Ciencia y tecnología alimentaria 4 (2004), P. 263‐264 GHARSALLAOUI, A.; ROUDAUT, G.; CHAMBIN, O.; VOILLEY, A.; SAUREL, R.: Applications of spray‐drying in microencapsulation of food ingredients: An overview. En: Food Res. Int. 40 (2007), P.1107–1121 FINAGRO. Página Web. Cítricos. http://www.finagro.com.co/html/i_portals/index.php?p_origin=internal&p_name=content&p_id=MI‐265&p_options=#COLOMBIA. Revisado: 4 de mayo de 2011 KHA, T.; NGUYEN, M.; ROACH, P.: Effects of spray drying conditions on the physicochemical and antioxidant properties of the Gac (Momordica cochinchinensis) fruit aril powder. En: J. of Food Eng. 98 (2010), P. 385–392 LEÓN, F.; MÉNDEZ, L.; RODRIGUEZ, J.: Spray drying of nopal mucilage (Opuntia ficus‐indica): Effects on powder properties and characterization. En: Carbohydrate Polymers 81 (2010), 864–870



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Uso de secadores de tambor como herramienta para el secado de café (Estrategia de control como soporte a un análisis metodológico para elevar la calidad de producto)

Carreño Olejua, René; Castellanos Olarte, Javier Universidad Pontificia Bolivariana ‐ Bucaramanga

[email protected]; [email protected]

Resumen

Este trabajo presenta la concepción de una herramienta de laboratorio cuya primera etapa fue la adaptación, instrumentación y pruebas de un secador rotativo comercial tipo tambor. En ésta etapa se utilizaron yuca y café como productos de prueba en el proceso de caracterización de la herramienta de laboratorio. Del mismo modo se desarrolló un dispositivo emulador de clima para acondicionar el aire secado y de esta manera reproducir las condiciones de temperatura y humedad de un lugar de referencia. Las condiciones del aire de secado y de los parámetros de operación del secador son controlados por medio de un PLC SIEMENS 316F PN/DP. Gracias a estos medios experimentales se espera desarrollar estudios que permitan obtener parámetros óptimos de secado, que sirvan a su vez para el dimensionamiento y diseño de procesos y herramientas agroindustriales destinados a pequeños y medianos productores del País. Palabras Clave: Secadores rotativos, Automatización y Control, secado de café

1. Introducción

La percepción del color, sabor, consistencia y olor de los productos agrícolas son un indicador de la calidad de los mismos y los procesos de postcosecha encuentran ligados directamente al logro de estas características en el producto final (Sun, 2011; Mujumdar, 2006).

Si bien un estudio realizado por Bertrand et. al (2012) mostró que las condiciones climáticas en las que se desarrollan las plantas de café (Temperatura, humedad, características de suelo y radiación) se encuentran ligados a la calidad del producto, está bien documentado el hecho que los procesos tradicionales de postcosecha del café, particularmente el secado, también influyen notablemente. Variables como la temperatura, humedad, ancho del lecho y tiempo de exposición son determinantes, siendo la temperatura y el tiempo las más relevantes. Se ha encontrado que exposiciones del grano de café a altas temperaturas repercute en una pérdida de calidad del producto (Sfredo, 2005). Por otra parte, se evidencia que el contenido de humedad del café se encuentra inicialmente alrededor del 66% b.h. y las condiciones óptimas de secado se fijan alrededor del 11% b.h. En cuanto a las temperaturas de secado y haciendo uso de modelos de difusión, se ha encontrado una influencia directa de esta variable con el contenido de cafeína en el producto (Nilnont, 2012).



Las técnicas tradicionales del proceso de secado en Colombia se soportan por excelencia el uso de terrazas y el de lechos de secado. Bajo estas circunstancias, son muy pocos los casos en los que las condiciones de secado son controladas, y en consecuencia dependen de la influencia directa del clima para el caso del secado en terrazas expuestas a la radiación directa del sol, y de la experticia del operador en el caso de lechos de secado con gases calientes. Normalmente esta una realidad ligada al trabajo de los pequeños productores colombianos. Todo lo anterior deja entrever la necesidad de promover procesos de innovación alrededor de la técnica de secado de café, y por ende, los estudios sobre la calidad del procesamiento de café y de otros productos se convierten en insumo necesario para la generación de nuevas alternativas que favorezcan los estándares de los procesos agroindustriales. El documento aquí presentado, propone el uso de secadores rotativos apoyados por técnicas de automatización y control de procesos, para evaluar la influencia de los parámetros más representativos de esta tecnología buscando convertirla en una alternativa industrial económica para el procesamiento de granos en nuestro país.


El desarrollo de pruebas de secado de material granulado ha sido desarrollado usando un secador convencional, adaptado a las condiciones del proceso. (Ver Figura 2 ). Como resultado de una matriz de diseño y adaptación se organizó una lista con una serie de requerimientos derivados del uso de estos secadores en procesamiento de productos agrícolas, así como de las variables de medición.

De acuerdo a la matriz se definieron las variables de prueba y de control para el proceso, así como las condiciones del aire de secado. En este último punto surgió la necesidad de cambiar el sistema de calentamiento del aire de los secadores convencionales que se adaptaron, puesto que utilizan generalmente gas natural o propano. Por esta razón se incorporó al equipo un sistema emulador de clima diseñado para el laboratorio de automatización y control de procesos agroindustriales de la UPB.

En las pruebas piloto, se utilizó como variable medida el peso del producto y como variables controladas la velocidad de rotación del tambor, la temperatura y la humedad del aire de secado.

La medición continua del peso se logró mediante un dispositivo diseñado exclusivamente para este fin. Consta de tres celdas de carga HBM SP4M50 solidarias a una estructura que soporta el secador, que se calibraron en el rango de frecuencia de operación del motor de 5 Hz a 60 Hz utilizando masas patrón del laboratorio acreditado de resistencia de materiales de la UPB.



Figura 2: Esquema general del sistema y de instrumentación para el proceso de secado propuesto.

El secador se adaptó mecánicamente para variar la velocidad de rotación del tambor mediante un motor trifásico 0.5 HP, a su vez conectado con variador de frecuencia Siemens Micromaster 420. El sistema de control de velocidad de tambor está conectado por PROFIBUS a un PLC SIEMENS S7316F PN/DP. De igual manera las señales de los sensores de temperatura, humedad y de las celdas de carga son leídas por el PLC a través de módulos de adquisición de datos acoplados a su periferia.

El proceso de la prueba se da inicio en el sistema de acondicionamiento de aire de prueba (emulador de clima), en el que se fija el valor deseado de humedad en el aire que se utilizará para el secado. Una vez alcanzadas estas condiciones de humedad en el emulador de clima, entra en operación un circuito secundario de acondicionamiento de aire de secado en el que gracias a un intercambiador de calor y un sistema de control con válvula proporcional de tres vías y una compuerta proporcional (dámper) en el ducto de aire, se fija y controla la temperatura del aire de secado.



El aire que ha sido acondicionado es conducido al tambor de secado, que opera a una velocidad de rotación especificada. La adquisición de datos del peso de la muestra se desarrolla en tiempo discreto. El aire que ha sido acondicionado es conducido al tambor de secado, que opera a una velocidad de rotación especificada. La adquisición de datos del peso de la muestra se desarrolla en tiempo discreto. De esta forma, se llevará a cabo hasta cuando la relación entre el peso del dato final y el inicial no presente una variación superior al 2% en un intervalo de muestreo de 15 datos. La metodología propuesta para la presente investigación, busca establecer la influencia de la velocidad de rotación y de la variación de la humedad y la temperatura del aire de secado en la velocidad de secado de productos granulados. El proyecto macro contempla el uso de análisis de color como variable de control para la correlacionar la calidad del producto. Para la primera fase de este proyecto se llevó a cabo la caracterización del sistema utilizando inicialmente como elementos de prueba trozos de Yuca (Manihot esculenta) y posteriormente con semillas de café. Se buscó mantener las condiciones de temperatura y humedad para el secado de estos dos productos según las recomendaciones de la literatura. Estos ensayos piloto totalizaron 13 pruebas con Yuca y 3 con café. Las cargas de prueba fueron de 5 kg en todos los casos.


Caracterización de la Balanza La verificación de la lecturas de las celdas de carga se hizo con patrones de medición de un kilogramo; pesas que fueron ubicadas en el centro geométrico del conjunto Balanza‐Secador hasta alcanzar un máximo de 15 kg, con el fin de encontrar la proporción de peso que corresponde a cada una de ellas. La variación de la proporción de peso en cada una de las celdas se midió con el tambor vacío pero en movimiento para el rango de velocidad del tambor proporcionado entre 5Hz y 60Hz con un delta de 5Hz, agregando masa en el centro geométrico del sistema hasta alcanzar los 15 kg.

Figura 3: Cálculo del factor de corrección de las celdas de carga.



De lo anterior se calcula un factor de corrección para cada una de las celdas en diferentes puntos de operación (Ver Figura 3). La respuesta de la señal tomada en kilogramos de cada celda evidencia que la lectura de carga no se ve afectada con la variación de la frecuencia. El error relativo de la medida experimental con respecto al valor estático no es representativo y se observa que para cada celda se conserva el error que se puede considerar sistemático y fácilmente corregible en el proceso de control.

Curvas de secado

Estas curvas se derivan de la adquisición de datos del sistema propuesto. En ellas se registra el peso de la muestra en kilogramos en función del tiempo en minutos. La Figura 4 presenta los resultados obtenidos para las muestras de Yuca y Café.

Figura 4: Variación del peso de la muestra en relación al tiempo. Utilizando 15Hz en la corriente de alimentación del motor‐tambor y condiciones emuladas de la regio Mesa de los Santos –

Santander.

4. Conclusiones

La utilización de la Yuca como producto para la caracterización del sistema obedece a su fácil adquisición en la región y su bajo costo. La comparación de las curvas obtenidas para la Yuca y las propuestas por Hui et. al (2007) muestra un comportamiento similar. Las condiciones de frontera emuladas para las pruebas con café corresponden a la región de la Mesa de los Santos ‐ Santander, sitio de mayor producción de Café Gourmet en la Región y corresponden a 57 ‐ 60% de Humedad y 28 ‐ 29 °C de Temperatura. La temperatura promedio del aire a la salida del tambor‐secador es de 54°C. El tiempo de secado de la muestra de café se encuentra alrededor de los 370 minutos cuando se mantienen estas condiciones y se fija una frecuencia en el variador de velocidad del motor de 15 Hz. Lo anterior evidencia que el proceso de secado de café en tambores puede ser una alternativa viable en la medida que la calidad del producto no se ve afectada por variaciones del clima o por exposición a condiciones de insalubridad.



Una de las observaciones que se puede destacar es que el grano de café sale del proceso de secado sin cascarilla, como consecuencia del movimiento en el tambor y de los álabes de arrastre en su interior. El desarrollo de esta herramienta de laboratorio ha permitido la experimentación con otros productos granulados representativos de la región como el cacao.

5. Agradecimientos Los autores agradecen la Asociación Americana de Ingenieros de Refrigeración y Aire Acondicionado (ASHRAE) por los recursos que aportaron para la construcción de la unidad emuladora de Clima. Igualmente a la Universidad Pontificia Bolivariana por los recursos aportados para la construcción e instrumentación de los secadores rotativos. Por último, a los Ingenieros Wilson Garavito y Víctor Bermúdez por el valioso trabajo que realizaron en el montaje y en las pruebas de laboratorio.

…

Referencias

BERTRAND, B.; BOULANGER, r.; DUSSERT, S.; RIBEYRE, F.; BERTHIOT, L.; DESCROIX, F. y JOËT, T. «Climatic factors directly impact the volatile organic compound fingerprint in green Arabica coffee bean as well as coffee beverage quality». Food Chemistry 135, no. 4 (diciembre 15, 2012): 2575–2583.

HUI, Y. H.; CLARY, C.; FAID, M.; FASINA, O.; NOOMHORN, A. y WELTI‐CHANES, J.. Food Drying Science and Technology: Microbiology, Chemistry, Application. Editado por Y. H. Hui, Carter Clary, Mohammed Faid, Oladiran Fasina, Athapol Noomhorn, y Jorge Welti‐Chanes. Destech Publications, Inc., 2007.

MUJUMDAR, A. S., ed. Handbook of Industrial Drying, Third Edition. 3.a ed. CRC Press, 2006.

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SUN, Da‐Wen, ed. Handbook of Food Safety Engineering. 1.a ed. Wiley‐Blackwell, 2011.



Resultados obtenidos en deshidratación de uchuva (physalis peruviana l.) Juan Carlos Mahecha Godoy

Universidad Nacional de Colombia, Bogotá, Colombia Grupo de Investigación en Diseño de Máquinas – GIDMAQ.

[email protected]

Resumen

El objetivo de este trabajo es presentar algunos de los resultados obtenidos en la deshidratación de uchuva (Physalis peruviana L.) con dos pre‐tratamientos y un testigo. El método de deshidratación seleccionado fue deshidratación por aire caliente en capa delgada, para realizar el modelamiento matemático se utilizó el modelo empírico de Roa (1974). Los pre‐tratamientos seleccionados fueron escaldado en agua caliente, osmodeshidratado y se comparó los resultados con uchuva sin ningún pre‐tratamiento térmico previo (blancos), únicamente selección, lavado y desinfectado. Se trabajo con aire caliente en rangos de temperatura entre 50 y 70°C, velocidades de aire de 3 y 4,2 m*s‐1, y humedades relativas entre 20 y 70%. El tamaño de la fruta utilizada estuvo entre 18 y 23 mm de diámetro. Los parámetros experimentales a obtener fueron: ecuaciones experimentales de contenido de humedad de equilibrio (CHeq), velocidad de secado, calor especifico (Cp), e indirectamente, calor latente de vaporización del agua contenida en la uchuva (hfg´) por método de Olmer El montaje experimental para la obtención del contenido de humedad de equilibrio fue con una cámara experimental en donde se dejó fija la velocidad del aire y se variaron los parámetros de temperatura y humedad relativa del aire. La ecuación experimental de calor latente de vaporización del agua contenida en el producto se obtuvo por el método de Olmer en donde no fue necesario hacer montajes experimentales. Para determinar experimentalmente la velocidad de secado se controlaron los parámetros de temperatura y velocidad del aire. Para determinar experimentalmente el calor específico de la uchuva se hizo por calorimetría con un calorímetro isoperibolico. Para determinar las variables adimensionales de la ecuación de Roa (1974) se hizo regresión matemática en donde se determinaron las variables adimensionales y se encontraron correlaciones matemáticas muy cercanas a las obtenidas experimentalmente. Dentro de los resultados obtenidos se pueden hacer recomendaciones para el funcionamiento de un sistema industrial para deshidratación de uchuva donde se tiene temperatura de operación, velocidad de aire, carga de producto por unidad de área y factor de forma. Palabras claves: Escaldado, osmodeshidratación, correlación matemática, montaje experimental.

1. Introducción

En Colombia por ser un país tropical, se producen gran variedad de frutas dentro de las cuales el Ministerio de Agricultura y Desarrollo Rural (2006) ha priorizado unas cuantas, entre ellas la Uchuva (Physalis peruviana L.). En esta fruta, Colombia es el principal productor y exportador. Debido a esta razón se motivó el desarrollo de este proyecto, ya que se pretende ofrecer otra alternativa de preservación teniendo como base el conocimiento del proceso de deshidratado de



la misma y así poder diseñar, construir y hacer más eficientes los equipos que realicen estos procesos. El presente proyecto tiene como objetivo principal la determinación de los parámetros experimentales de deshidratación de la Uchuva (Physalis peruviana L.) para realizar la simulación matemática del proceso utilizando el modelo matemático en capa delgada de Roa (1974). Se determinaron experimentalmente cuatro ecuaciones matemáticas que caracterizan este producto (Contenido de Humedad de Equilibrio, Velocidad de Secado, Calor Específico y Calor Latente de Vaporización del agua contenida en el producto), luego se implementó la modelación matemática del proceso, con el fin de conocer el comportamiento de la fruta cuando es sometida a la operación de deshidratado. Esta información se puede utilizar para el diseño y construcción de maquinaria con las condiciones de proceso adecuadas en las cuales se obtenga un producto de excelente calidad con el menor gasto energético. La uchuva (Physalis peruviana L.), que pertenece a la familia de las Solanáceas y al género Physalis, cuenta con más de ochenta variedades que se encuentran en estado silvestre y que se caracterizan porque sus frutos están encerrados dentro de un cáliz o capacho (CCI, 2000). Según Fischer (2000), la uchuva se adapta fácilmente a una amplia gama de condiciones agroecológicas. En Colombia, crece entre los 1.500 y los 3.000 msnm, pero los mejores cultivos se ubican a una altura entre los 1.800 y los 2.800msnm, con una temperatura promedio que oscila entre los 13‐18°C y una pluviosidad entre 1.000 y 2.000mm anuales bien distribuidos, además, requiere de una humedad relativa promedio de 70 a 80%. Requiere de suelos bien drenados con un pH entre 5.5 y 7.0 ricos en materia orgánica. Fischer (1995) describe el fruto de uchuva como una baya carnosa de forma ovoide o globular, de 1,25 a 2,50 cm de diámetro y con peso entre 4 y 10 g; está cubierto por un cáliz formado por cinco pétalos que lo protege contra insectos, pájaros, patógenos y condiciones climáticas extremas. Según Valencia (1985), cuando los frutos tienen un diámetro de 10 a 11 mm, el tejido glandular, ubicado en la base interior del cáliz, produce una resina terpénica que cubre el fruto hasta su madurez; posiblemente, tiene funciones de repelente.

2. Materiales y Métodos 2.1 Materia prima: Para el desarrollo de este proyecto se utilizó fruta con calidad estándar, según la Norma Técnica Colombiana NTC 4580 (ICONTEC, 1999). La fruta utilizada fue Uchuva (Physalis peruviana L.) Ecotipo Colombia, la cual es la que más se cultiva en la actualidad en nuestro país (Figura 1). Los calibres utilizados en los ensayos variaron entre 18 y 23 mm de diámetro, que según la Norma Técnica Colombiana NTC 4580 están entre calibre C y E.



Figura 5. Uchuva utilizada en los ensayos de secado.

El manejo que se le dio a la fruta, después de hacer la recepción en el laboratorio fue almacenamiento con capacho en nevera entre 3‐7 °C, esto con el fin de preservar las condiciones de producto fresco. La metodología para los análisis físico‐químicos se hicieron en base a la Norma Técnica Colombiana NTC 4580 (ICONTEC, 1999). 2.2 Pre‐tratamientos estudiados: Se realizaron pruebas con uchuva con los siguientes tratamientos:

1. Sin ningún pre‐tratamiento (blanco): Para hacer comparaciones de los resultados se obtuvo los parámetros de deshidratado con uchuva sin ningún pre‐tratamiento (blanco). El proceso realizado a estos ensayos fue de lavado en agua, luego lavado en agua con hipoclorito a 80 ppm y terminando con un enjuague en agua. Luego de realizar este proceso, la fruta fue sometida a deshidratación con aire caliente según el diseño experimental.

2. Escaldado: Se hizo lavado, desinfección y enjuague, luego se sometió la fruta a escaldado en agua a 80°C durante 2 minutos, según datos de Camacho (2004), posteriormente la fruta se paso a deshidratación con aire caliente según el diseño experimental.

3. Osmodeshidratado: Se hizo lavado, desinfección y enjuague, luego se tomo una muestra de 1.000 gr de uchuva y se coloco en un agente osmodeshidratante durante 24 h, se lavo la muestra de fruta con abundante agua, se pesa y se somete a deshidratación con aire caliente según el diseño experimental.

2.3 Determinación de parámetros:

A cada uno de los pre‐tratamientos estudiados se procedió a la obtención a cada uno de los parámetros requeridos, de acuerdo al diseño experimental:

Ecuación de Contenido de Humedad en Equilibrio (CHeq) Las isotermas de Contenido de Humedad en Equilibrio (CHeq) se obtuvieron utilizando el método dinámico. Para ello utilizó un secador experimental en donde se vario y se controlo la temperatura y la humedad relativa del aire. Para este caso, la velocidad del aire no es una variable que influya en el resultado final. Se utilizó un diseño experimental factorial con dos variables, 5x3 y 1 nivel, para un total de 15 ensayos por pre‐tratamiento (uchuva sin ningún pre‐tratamiento (blanco), uchuva sometida a



escaldado y uchuva sometida a osmodeshidratado), 15x3 pre‐tratamientos, 45 ensayos, además a cada ensayo se repitió, 45x2, 90 ensayos en total.

Ecuación de Calor Específico Para determinar la ecuación de Calor específico los ensayos se realizaron con un calorímetro isoperibólico ubicado en el laboratorio CINDILIC del Departamento de Química, Facultad de Ciencias de la Universidad Nacional de Colombia. Esta determinación se hizo a diferentes contenidos de humedad de la fruta con una temperatura de 70°C en el proceso de deshidratado para fruta sin ningún pre‐tratamiento (blanco), uchuva sometida a escaldado y uchuva sometida a osmodeshidratado. En la medida que el ensayo avanzaba se iban retirando muestras del mismo a diferentes contenidos de humedad. Se determinó la humedad en cada punto con una balanza determinadora de humedad marca Sartorius MA150. Por cada muestra se realizaron tres mediciones de calor específico. En total se realizaron 36 mediciones.

Ecuación de Velocidad de Secado Para determinar la ecuación de Velocidad de Secado se utilizó la Ecuación propuesta por Roa (1974). La ecuación de velocidad de secado expresa el cambio de humedad del sólido por unidad de tiempo, en términos de las condiciones de secado. Las variables que tienen mayor influencia son:

• Velocidad del aire (m*s‐1) • Temperatura (°C) • Humedad del aire (%) • Densidad de carga (kg m‐2) • Geometría del sólido a secar (m‐2)

La determinación experimental se realiza al determinar las curvas de secado para diferentes niveles de las variables de operación mencionadas (Moreno, 2008). El método para la determinación de la ecuación de velocidad de secado consiste en hacer pasar una corriente de aire a través del producto, controlando las variables mencionadas anteriormente, y se determina la pérdida de peso en el tiempo. Luego se calcula y se grafica la perdida de humedad por unidad de tiempo. Las variables que tienen influencia en el proceso de deshidratación se variaron de la siguiente manera:

• Velocidad del aire (m*s‐1): Se utilizaron la velocidad máxima permitida en la cámara experimental de secado y una velocidad intermedia, los cuales se encuentran dentro de los rangos admitidos por secadores industriales.

• Temperatura (°C): Las temperaturas con los cuales se trabajó fueron 50, 60 y 70°C, cubriendo un rango aceptable para hacer el Modelamiento matemático.

• Densidad de carga (kg*m‐2): La densidad de carga con la cual se realizaron los ensayos fue de 13,3 kg*m‐2, con muestras entre 950 a 1000 gr por ensayo, una bandeja de 0,35x0,21 m y una sola capa de producto.

Se utilizó un diseño factorial de dos variables 3x2 y dos niveles, para 18 ensayos más las contra‐muestras, un total de 36 ensayos.

Ecuación de Calor Latente de Vaporización del agua contenida en el producto (hfg´)



Para determinar este parámetro no fue necesario realizar ensayos experimentales adicionales, debido a que se utilizaron los resultados obtenidos en la determinación de la ecuación de CHeq y un procedimiento de cálculo conocido como método de Othmer el cual es descrito por (Brooker et al, 1992).

• Se definieron valores del contenido de humedad (CH) de la uchuva en el rango seleccionado, entre 7% y 20% bh cada 5% de humedad. Esto corresponde a un rango entre 7,53‐25,0% bs.

• Para cada valor de CH y dos valores de temperatura del aire, 50 y 70°C se calcula el valor de la HR del aire correspondiente.

• Para los mismos valores de temperatura se calculó la presión de vapor de saturación (PVS) del agua utilizando la ecuación de Antoine

• A partir de PVS para las temperaturas 1 y 2, y el valor de la HR del aire para estas mismas temperaturas, se halló la relación de hfg´/hfg.

• Para cada CH del producto es posible determinar el valor de HR para las temperaturas T1 y T2 del aire a partir de la ecuación de CHeq.

2.4 Análisis estadístico: Para el ajuste de los parámetros de las ecuaciones obtenidas se utilizó una metodología de estimación de parámetros no lineales por mínimos cuadrados que se desarrolló en MS‐Excel®, como se describe a continuación:

• Se generan datos teóricos para cada una de las ecuaciones a determinar, asignando valores iniciales arbitrarios a las constantes.

• Se calculan las diferencias entre los valores experimentales y los valores generados por la ecuación y se calcula el cuadrado de cada diferencia.

• Se suman todos los cuadrados de las diferencias. • Se aplica una función Solver en MS‐Excel® para minimizar la sumatoria variando las

constantes de la ecuación.

3. Resultados y Discusión 3.1 Análisis físico‐químicos: En la Tabla 1 se muestran los resultados de los análisis físico‐químicos.

Tabla 4. Análisis físico‐químicos realizados a la fruta antes del proceso de deshidratado.

FECHA INDICE DE ACIDEZ (%ac cítrico)

SST (°Brix)

SST CORR INDICE DE MADUREZ

GRADO DE MADUREZ

7‐11 de febrero 2011 1.342 14 14.104 10.513 614‐ 18 de febrero 2011 1.392 15 15.108 10.854 621‐25 de febrero 2011 1.217 14 14.094 11.583 6

1‐11 de marzo 2011 0.937 14 14.073 15.015 6

21‐25 de marzo 2011 0.936 12 12.073 12.898 6

4‐8 de abril 2011 1.120 14 14.087 12.578 6

11‐15 de abril 2011 1.563 14 14.121 9.038 6



18‐22 de abril 2011 1.251 14 14.097 11.273 6

2‐ 6 mayo 2011 1,4592 16 16,283 11,158 6

3.2 Contenido de Humedad en Equilibrio (CHeq). Con los datos experimentales obtenidos se obtuvieron los parámetros de la ecuación de Roa (1974). Esta ecuación relaciona la temperatura, la humedad relativa del aire y la humedad de equilibrio del producto y se expresa mediante la ecuación 1 (Roa‐Coronado et al., 1974).

2 3 2 3 41 2 3 0 1 2 3 4 5( )exp(( ) ( ))Meq p HR p HR p HR q q HR q HR q HR q HR T q (Ec.

1). En donde:

• HR: Humedad Relativa del aire (decimal). • T: Temperatura del aire (°C). • Meq: Contenido de Humedad de Equilibrio (decimal b.s.) • p1, p2, p3, q1, q2, q3, q4 y q5: Constantes para cada producto. •

Los parámetros obtenidos se muestran en la Tabla 2. Tabla 5. Parámetros obtenidos para la ecuación de Contenido de Humedad en Equilibrio (CHeq).

Parámetros

Tratamientos realizados

Blancos Escaldado Osmodeshidratado

p1 0,8571 0,4039 2,8010

p2 0,1292 0,7184 ‐7,4698 p3 0,0878 ‐0,7713 5,6873 q0 0,0525 0,0016 ‐0,1250 q1 ‐0,6282 ‐0,2721 0,8142 q2 2,2756 ‐0,3847 ‐2,9901 q3 ‐3,4190 1,9017 5,0804 q4 1,8235 ‐1,4307 ‐3,0240 q5 79,9957 ‐45,0468 ‐26,2760

En la Figura 2 se observa la correlación entre los datos experimentales y los parámetros generados a partir del modelo.



0,000

0,050

0,100

0,150

0,200

0,250

0,300

0,350

0,400

0,15 0,25 0,35 0,45 0,55 0,65 0,75

Cheq (bs decimal)

HR aire (decimal)

50°C Experimental 50°C Teorica 60°C Teorico

70°C Experimental 70°C Teorico 60°C Experimental

Figura 6. Curva de Contenido de Humedad en equilibrio CHeq para uchuva sometida a

osmodeshidratado.

3.3 Calos Específico (Cp)

Los resultados obtenidos se ajustaron a una ecuación de la forma,

Cp aCH b (Ec. 2)

En donde:

• Cp: Calor especifico (KJ*kg‐1*C‐1)

• CH: Contenido de Humedad (decimal) (base seca)

• a y b: Constantes de la ecuación.

Los parámetros obtenidos se muestran en la Tabla 3.

Tabla 6. Parámetros obtenidos para la ecuación de Calor específico (Cp)


Parámetros Blanco Escaldado Osmodeshidratado

CH bs a 0,6298 0,8406 3,4082

b 12,244 10,17 8,0357



y = 0,6298x + 12,244

11

11,5

12

12,5

13

13,5

14

14,5

15

0,00 1,00 2,00 3,00 4,00

Cp (KJ/°C kg)

CH (decimal bs)

En la Figura 3 se observa la correlación entre los datos experimentales y los teóricos.

Figura 7. Curva de calor específico para uchuva blanco (sin ningún pre‐tratamiento)

3.4 Velocidad de Secado

A partir de los datos experimentales se determinaron los parámetros dela ecuación de Roa (1974).

0 1 2 3 4 5 6 7 8( )( (1 ) * (1 ))( )( )dM

M Meq a a v a PVS HR M a PVS HR a a C a a P a Sdt

Ec. (3)

En donde:

• M: Contenido de humedad del sólido en un instante determinado (%b.s.)

• Meq: Contenido de humedad de equilibrio (b.s.)

• HR: Humedad relativa del aire.

• T: Temperatura del aire (°C).

• PVS: Presión de Vapor de Saturación (Pa).

• v: Velocidad de aire (m s‐1).

• C: Carga del sólido (kg m2).

• P: Fracción de vacíos o porosidad (decimal).

• S: Variable geométrica del sólido. S=1/L2+1/W12+1/W2

2

• L, W1, W2: Dimensiones del sólido (m)

• a0, a1, a2, a3, a4, a5, a6, a7, a8: Constantes del producto adimensionales.

•

El término PVS*(1‐RH) se conoce como Déficit de presión de vapor y representa la diferencia entre

la presión de vapor de saturación del aire que circunda el sólido y la presión de vapor del agua

contenida en el sólido.

Para el aire la ecuación de Antoine se puede expresar mediante la ecuación 4



0,00

1,00

2,00

3,00

4,00

0,00 10,00 20,00 30,00 40,00 50,00

CH (decimal bs)

t(h)Teórica 50°C, 4,2m/s Teórica 50°C, 3m/s

Teórica 60°C, 4,2m/s Teórica 60°C, 3m/s

Teórica 70°C, 4,2m/s Teórica 70°C, 3m/s

3989,9exp 16,5694

233,66PVS

T

(Ec.4)

Donde:

• PVS: Presión de Vapor de Saturación del agua (Pa).

• T: Temperatura del aire (°C).

Los parámetros obtenidos se muestran en la Tabla 4.

Tabla 7. Parámetros generados para la ecuación de velocidad de secado para uchuva blanco (sin

ningún pre‐tratamiento), escaldada y osmodeshidratada.

Parámetro


BLANCO ESCALDADO OSMODESHIDRATADO

a0 1,8185 1,9061 0,38928

a1 1,99E‐04 1,73E‐04 8,048E‐03

a2 ‐2,62 E‐06 ‐3,878E‐05 3,8E‐04

a3 2,4 E‐04 2,94E‐04 ‐7,92E‐04

a4 13,5146 4,1694 8,9874

a5 ‐1,0156 ‐0,3129 ‐0,6756

a6 ‐0,002252 0,01273 ‐1,0632

a7 ‐0,000272 0,00806 1,863

a8 0,03857 0,03238 0,5895

En la Figura 4 se muestran las curvas de secado para uchuva sometida a escaldado.

Figura 8. Curvas de secado para uchuva sometida a escaldado.



1

1,2

1,4

1,6

1,8

2

2,2

2,4

2,6

2,8

5 10 15 20 25

Relación de Calor Latente de

Vaporización (hfg´/hfg)

Contenido de Humedad de la Uchuva Escaldada (% bs)

Datos Experimentales

3.5 Calor latente de vaporización del agua contenida en el producto

Los resultados se ajustaron a la ecuación:

1 expfg

fg

hCH

h

(Ec. 5)

2500,3 2,09fgh T (Ec. 6)

En donde

• hfg´: Calor latente de vaporización del agua contenida en el producto(KJ*kg‐1)

• CH: Contenido de humedad del producto, (decimal‐b.s.).

• α y β: Constantes propias del producto.

• hfg: Calor latente de vaporización del agua pura (KJ*kg‐1)

• T: Temperatura (°C)

Tabla 8. Parámetros para la ecuación de hfg´.

Parámetro

Blanco Escaldado Osmodeshidratado

α 1,987 2,795 0,673

β 1,536 10 6,854

En la Figura 5 se muestran los resultados para uchuva blanco.

Figura 9. Ecuación hfg´ para uchuva escaldada.



En la Tabla 6 se muestra el coeficiente de correlación R2 para cada una de las ecuaciones halladas y

los pre‐tratamientos estudiados.

Tabla 9. Coeficiente de correlación R2 para cada uno de los parámetros determinados.

Blancos Escaldado Osmodeshidratado

CHeq 98,80% 98,32% 98,25%

Velocidad

secado 99,78% 99,08% 99,89%

Cp 99,54% 99,80% 99,71%

hfg´ 99,97% 99,99% 99,99%

4. Conclusiones

Como los ensayos realizados en este proyecto de investigación fue con velocidades de aire de 3 y de 4,2 m*s‐1, se encontró que la variación entre estos dos valores tiene baja incidencia en los tiempos de deshidratación.

La temperatura de aire tiene alta influencia en la velocidad de deshidratación de la fruta, a mayor temperatura la velocidad de secado aumenta.

El análisis estadístico de los datos muestra que las ecuaciones generadas a partir del modelo matemático tienen un buen ajuste respecto a los datos experimentales, constituyéndose en una valiosa herramienta para la predicción de procesos de deshidratación de uchuva.

La temperatura de aire recomendada para la deshidratación de la uchuva con los pre‐tratamientos estudiados es de 60°C con una velocidad de aire de 3m*s‐1. La carga de producto por unidad de área utilizada en este proyecto de investigación fue de 13,3kg*m‐2, por condiciones de laboratorio. Estos parámetros deben ser optimizados comparándolos con los costos de operación de un deshidratador industrial.

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Evaluación de las alternativas actuales de secado de polen apícola del altiplano Cundiboyacense

Andrés D. Jiménez, Carlos M. Zuluaga Domínguez, Martha C. Quicazán Sierra

Universidad Nacional de Colombia‐ ICTA [email protected]

Resumen

La región del Altiplano Cundiboyacense colombiano, posee características climáticas y botánicas especiales para la producción de polen, reportando las productividades más altas a nivel mundial (30kg/colmena). Los productos apícolas son alimentos elaborados por abejas, que poseen excelentes propiedades nutricionales; específicamente el polen es conocido por su importante contenido de aminoácidos y propiedades antioxidantes. El polen apícola corresponde a un aglomerado de granos de polen de las flores que las abejas recolectan y llevan a la colmena como fuente de lípidos y proteínas; es el segundo producto apícola en importancia, por sus niveles de producción y precio de venta en el mercado, sin embargo es un producto altamente susceptible al deterioro por acción de microorganismos. El secado se emplea como proceso de conservación parar asegurar su calidad e inocuidad. En la investigación, se evaluaron las diferentes alternativas empleadas para el secado del polen; el secado de bandejas en cabina de madera es utilizado por la mayoría de apicultores para la conservación del polen, sin embargo los equipos actuales tienen altos gastos energéticos, con rangos de temperatura bajos (35 ‐ 45°C) y problemas de contaminación. También se observa la utilización de secadores tipo horno; estos equipos mejoran las condiciones de sanidad, pero siguen generando alto consumo energético y la falta de sistemas de circulación de aire conduce a un incremento excesivo de temperatura (>65°C). Por último, como alternativa a estos procesos se plantea la implementación de sistemas de secado solar. Dado que se encuentra en la región ecuatorial de la tierra, Colombia posee unos altos niveles de radiación solar y horas luz diaria, por lo que la implementación de la energía solar como fuente de calor para el secado del producto es altamente potencial. Mediante aplicación de superficies colectoras de calor, implementación de sistemas de circulación de aire y adaptación de sistemas de bandejas perforadas en secadores tipo invernadero o cabina, se podrían obtener altas tasas de secado, con rangos de temperaturas aceptables (45 ‐ 55°C), que permitan realizar un pre‐secado o secado completo del polen.

Palabras clave: Apicultura, polen apícola, antioxidantes, secado solar, secado convectivo

1.Introducción

Los productos apícolas son alimentos elaborados por abejas, que poseen excelentes propiedades nutricionales. El polen en específico, es un producto natural generado a partir de las anteras de las flores de las plantas superiores, considerado como alimento de alto valor biológico, por su aporte en proteínas, vitaminas y minerales. Corresponde a un aglomerado de granos de polen de las flores que las abejas recolectan de diferentes fuentes botánicas, adicionados con néctar y



secreciones de las glándulas hipofaríngeas (β‐glucosidasa); las abejas los llevan a la colmena como su principal fuente de lípidos y proteínas. El polen es considerado una buena fuente nutricional, beneficiosa para la salud, en particular debido a la presencia de compuestos fenólicos con propiedades antioxidantes y a su importante aporte de aminoácidos (Barajas‐Ortiz et al., 2010, Fuenmayor et al., 2011, Hernández & Figueroa, 2012, Mexico, 2007); es el segundo producto apícola en importancia, por sus niveles de producción y precio de venta en el mercado, sin embargo es un producto altamente susceptible al deterioro por acción de microorganismos. El secado se emplea como proceso de conservación parar asegurar su calidad e inocuidad, disminuyendo la humedad del producto. Colombia es uno de los países de mayor producción de polen apícola en el mundo. La producción de polen apícola en el país presenta una estacionalidad con tres picos en el año: Mayo, Octubre y Diciembre. Sin embargo, la zona conocida como el Altiplano Cundiboyacense, debido a sus condiciones geográficas y climáticas, tiene una producción continua, llegando a producirse 30kg de polen por colmena anualmente. De la producción de polen apícola derivan sus ingresos unas 300 familias de apicultores que en total manejan unas 6000 colmenas. El apicultor puede vender en promedio a $12000/kg de polen (US$ 4.8 /kg) y al consumidor final el precio puede llegar hasta $30000/kg de polen (US$ 12 /kg) (Barajas‐Ortiz et al., 2010).

A pesar del importante potencial de este producto en el mercado, las actuales prácticas de producción de polen apícola, específicamente el secado, no tienen en cuenta requerimientos energéticos, de calidad e inocuidad del producto. Existen factores que alteran la calidad del polen bajo las condiciones de proceso utilizadas, lo que implica perdidas de nutrientes y un detrimento de las características sensoriales, así como una baja calidad microbiológica del producto (Collin et al., 1995, Hernández & Figueroa, 2012, Puig‐Peña et al., 2012).

La evaluación detallada de los distintos métodos utilizados en la actualidad para el secado del polen es necesaria, como primer paso hacia el mejoramiento del proceso, lo cual conllevara a un sustancial ahorro de energía (mejorando la eficiencia del proceso) y un mejoramiento en la calidad del producto (controlando de forma más detallada los parámetros influyentes sobre las características del producto).


Se realizo un diagnostico de los parámetros y las características de los equipos, mediante la realización de una visita técnica realizada directamente en apiarios de productores y distribuidores. Posteriormente se evaluaron los parámetros del proceso de secado: temperatura, humedad relativa del aire, velocidad del flujo de aire, tiempo. Para la medición de los parámetros básicos del proceso de secado en los equipos evaluados se utilizaron como equipos básicos de medición de temperatura, termómetros de bulbo de mercurio de vidrio, con los cuales se midieron las temperaturas de bulbo seco y bulbo húmedo. A partir de estos datos se cálculo el contenido de humedad en el aire de secado. La velocidad de flujo del aire de secado se midió mediante la utilización de un anemómetro digital. El tiempo de secado fue establecido de acuerdo a los datos suministrados por los apicultores.



3.Resultados y Discusión

Se estableció que los equipos básicos para el proceso de secado utilizados por los apicultores son de dos tipos: secadores tipo cabina y secadores tipo horno. Los secadores tipo cabina, están generalmente fabricados en madera y materiales reformados de la misma; están compuestos por una armazón de madera revestida con laminas de MDF o Triplex que constituyen las paredes del equipo; también están provistos de compartimentos que sostienen las bandejas de secado compuestas por el marco de madera y la malla plástica que sostiene el producto. Poseen sistemas de circulación de aire a base de ventiladores eléctricos, sin embargo, no se implementa un sistema de desfogue del aire húmedo. El calentamiento del aire de secado se realiza mediante resistencias eléctricas reguladas mediante potenciómetros, ubicadas en el interior del equipo. Las variables del proceso de secado y las características del equipo se muestran a continuación:

Tabla 1. Variables del proceso de secado en el secador tipo cabina

Variable Valor

Temperatura de bulbo seco (°C) 43 Temperatura de bulbo húmedo (°C) 32

Tiempo de secado (h) 12 Humedad inicial (% b.s) 19,7 Humedad final (% b.s) 5,8

Tabla 2. Características y dimensiones del secador tipo cabina

Características

Marca Artesanal Tipo Cabina

Material del secador Madera / MDF Material de las bandejas del secador Madera / Malla plástica

Carga total por lote (kg) 20 No Bandejas del secador 6

Dimensiones de las bandejas (cm) 60 X 100 X 1,48 Distancia entre las bandejas (cm) 20 Dimensiones del secador (cm) 67 X 107 X 180 Tiempo de rotación bandejas (s) N.A.

Sistema de control de temperatura ON/OFF Fuente de Calor Electricidad

Los secadores tipo horno funcionan principalmente en base al calentamiento del producto con

quemadores de gas natural acoplados dentro del equipo.



Este tipo de equipos están hechos de acero inoxidable y presentan un mecanismo de rotación

alrededor del eje vertical del equipo que hace girar las bandejas para que el calentamiento sea

homogéneo en todo el producto. El tiempo de secado en este tipo de equipo es de

aproximadamente 4 horas alcanzándose una humedad final de alrededor de 5% (base seca). El

equipo presenta un ducto de desfogue por el que puede escapar el vapor de agua que se evapora

del polen. Los principales parámetros y características del equipo de secado tipo horno se dan a

continuación:

Tabla 3. Variables del proceso de secado en el secador tipo horno

Variable Valor

Temperatura de bulbo seco (°C) 50 Temperatura de bulbo húmedo (°C) 38

Tiempo de secado (h) 4 Humedad inicial (% b.s) 19,4 Humedad final (% b.s) 4,90

Tabla 4. Características y dimensiones del secador tipo horno

Características

Marca COEPAL Tipo Horno Rotatorio

Material del secador Acero Inoxidable Material de las bandejas del secador Acero Inoxidable

Carga total por lote (kg) 36 No. Bandejas del secador 12

Dimensiones de las bandejas (cm) 61 X 42 X 2 Distancia entre las bandejas (cm) 12 Dimensiones del secador (cm) 111 X 127 X 171 Tiempo de rotación bandejas (s) 17

Sistema de control de temperatura ON/OFF Fuente de Calor Electricidad y Gas

Los secadores tipo horno no son fabricados específicamente para el producto; estos equipos son

utilizados originalmente para la elaboración de productos de panadería.

Como alternativa a los equipos de secado utilizados en la actualidad se plantea la utilización de

secadores solares directos o indirectos. Este tipo de secadores emplean la energía de la radiación

que emite el sol sobre la tierra como fuente de calentamiento para la remoción de humedad del

producto. Los secadores solares de tipo directo o invernadero, consisten básicamente en cuartos o

cabinas, provistos de techos traslucidos por donde entra la radiación solar e incide directamente

sobre el producto colocado en bandejas o sobre el piso del secador.



Los secadores indirectos utilizan la energía solar para el calentamiento del aire, que luego se hace circular sobre o a través del producto, siendo así un secado convectivo convencional, pero con un considerable ahorro de energía. A través de mediciones realizadas en un cuarto tipo invernadero propiedad de uno de los apicultores colaboradores, se determinaron las condiciones potenciales del secado en este espacio; la temperatura alcanzada dentro del cuarto es de 40°C con condiciones de nubosidad parcial a las 10:00 a.m. hora local. Mediante la implementación de acciones de acondicionamiento del cuarto, podría evaluarse la posibilidad de su utilización para el secado del polen. Entre las acciones de acondicionamiento se encuentran la implementación de un recubrimiento negro sobre la superficie del cuarto, para la mejor captación de energía radiativa del sol, la organización del producto en estantes o arreglos de bandejas dentro del cuarto y la instalación de sistemas de extracción del aire húmedo para mejorar la circulación del mismo y así mismo la transferencia de masa en el proceso. En cuanto a la eficiencia energética, existen diferentes relaciones para evaluar las prestaciones energéticas de un proceso de secado. Uno de los más comúnmente empleados el consumo energético unitario, CEU, definido como la cantidad de energía suministrada por cantidad de agua evaporada (Cova, 2006).

(Ecuación 1)

En donde E es la energía suministrada en el proceso de secado y Wa es el cantidad de agua evaporada durante el secado. La masa de agua evaporada se cálculo de acuerdo a la humedad inicial y final de la muestra, según la siguiente ecuación:

(Ecuación 2)

En donde, mT es la masa total de polen que ingresa al secador, Xf la humedad final del producto y Xi es la humedad inicial del polen fresco. El total de agua evaporada en el secador tipo cabina es de 2,78kg; para el secador tipo horno se obtiene una masa de agua evaporada de 5,22kg. La energía suministrada se determino de acuerdo a supuestos establecidos para cada equipo. En el secador tipo cabina se obtiene un calentamiento por medio de una resistencia eléctrica, la cual se asume con una potencia de 1500W y conectada a una fuente de corriente continua de 120V lo que implica una resistencia eléctrica de 9,6Ω. El consumo de energía por carga y con un tiempo de secado promedio de 14h es de 140kWh (504MJ) aproximadamente, de acuerdo a las especificaciones de las resistencias utilizadas en el equipo. Para el equipo de secado tipo horno se tiene un calentamiento del aire a través de quemadores de gas natural integrados al equipo. Teniendo un valor del poder calorífico para el gas natural de 40000KJ/kg y asumiendo un consumo de gas por carga de polen de 5kg (tiempo = 4h), se tiene un consumo de energía de 56kWh (202MJ). Con estos valores se calculo la eficiencia energética para cada uno de los equipos, dando como resultado que el secador tipo cabina tiene una menor eficiencia con respecto al secador tipo horno, con valores de 50,35kWh/kg y 10,72kWh/kg respectivamente; esto se debe principalmente



a la ineficiencia de las resistencias de calefacción y la falta de aislamiento del equipo tipo cabina, lo que ocasiona que gran parte de la energía no sea utilizada en la remoción de la humedad del producto.

4.Conclusiones Los equipos utilizados en la actualidad en el secado de polen apícola presentan diversas clases de falencias asociadas al desperdicio de la energía, el uso inadecuado de los materiales de fabricación y los errores de diseño que impiden una adecuada transferencia de humedad desde el producto hacia el medio.

Los secadores tipo cabina están fabricados de madera en su mayor parte; este material tiene una superficie porosa e irregular, lo que lo hace susceptible a ser foco de contaminación del producto durante el proceso. Implementando otro tipo de material en el equipo (acero inoxidable) podría evitarse tal situación. Otras medidas correctivas a aplicar sobre los secadores tipo cabina incluyen el adecuado aislamiento térmico de la cabina de secado (reduciendo así las pérdidas de energía) y la instalación de un sistema adecuado de circulación de aire (permitiendo la renovación del aire dentro del equipo y así una mejor transferencia de humedad). Con respecto a los secadores tipo horno, se puede concluir que su principal falencia es el uso excesivo de energía (calentamiento excesivo) y la falta de circulación de aire dentro del equipo. A pesar de que el material es el apropiado, tanto en el cuerpo del equipo como en las bandejas de secado, se podría mejorar el proceso mediante el uso de bandejas de tipo perforado que permitirían la circulación transversal del aire, mejorando la transferencia de humedad.

La utilización a futuro de secadores solares para el secado del polen, es factible debido a las condiciones climáticas y geográficas de la región. La alta tasa de radiación en la zona ecuatorial en la que se encuentra el país permite que se pueda aprovechar de manera adecuada esta energía para el secado del producto, alcanzándose temperaturas adecuadas para el proceso. Debe verse como una opción en este tipo de productos el uso de tecnologías alternativas como esta, que permiten un uso más efectivo de fuentes de energía renovables, sin ningún costo.

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HERNÁNDEZ, D. I.; FIGUEROA, J. 2012. Calidad microbiológica del polen apícola seco recolectado en los departamentos de Boyacá y Cundinamarca, Universidad Nacional de Colombia, Departamento de Agronomia, Trabajo no publicado, 2012.

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Experiencia del secado de la flor de Jamaica (Hibiscus sadariffa L) bajo invernadero

Jairo Leonardo Cuervo Andrade Facultad de Agronomía

Universidad Nacional de Colombia‐Sede Bogotá [email protected]

Resumen

La Flor de Jamaica es una planta anual originaria de la India, de la cual se aprovechan sus frutos (cáliz y capsula) y el tallo para la obtención de una fibra que se puede usar para sustituir el yute. Los que más se utiliza de la Flor de Jamaica son sus cálices carnosos y ricos en ácido málico, los cuales se emplean en la elaboración de vinos, conservas, bebidas y jaleas. El fruto se cosecha cuando el cáliz ha obtenido un color rojo intenso y cuando la capsula comienza a abrirse, con un sacabocados introducido en la parte inferior del fruto, se procede a separar la capsula del cáliz. Los cálices se deben deshidratar para su conservación, secándolos al sol o a la sombra en un lugar bien ventilado y limpio para que no le salgan hongos. En Prado Tolima se construyó un invernadero donde se instaló estantes con mallas plásticas donde se dispone los cálices de la Flor de Jamaica en capas finas y bien distribuidas sobre la superficie de al malla para facilitar la buena aireación evitando la pudrición por hongos. El uso de invernaderos para el secado de productos agrícolas es muy común en Colombia donde se han establecido variados sistemas donde predominan los túneles especialmente para el secado del café. Estos invernaderos se han modificado y se utilizan exitosamente en la actualidad para el secado de plantas aromáticas, hongos comestibles, granos y otros productos agrícolas.

Palabras clave: secado, flor de Jamaica, secado invernadero

Las hierbas aromáticas corresponden a un grupo muy amplio de especies de plantas, capaces de

sintetizar y almacenar en sus órganos vegetativos y reproductivos sustancias químicas conocidas

como aceites esenciales o principios activos útiles al hombre. Las plantas aromáticas abarcan una

gama muy amplia, encontramos desde hierbas que crecen espontáneamente hasta arboles

frutales y forestales de gran porte, lo mismo que muchas plantas ornamentales y cultivadas

comercialmente. Con estas plantas se preparan baños, bebidas, cocimientos, cataplasmas o

emplastos, esencias, extractos, infusiones, maceraciones, té, tinturas, tisanas, entre otros (García‐

Nieto, 2000).

De acuerdo con Muñoz (1996), las aromáticas presentan diversos usos, como condimentarías o

especias debido a sus características organolépticas que comunican color, sabor y olor agradable a

los alimentos; farmacéutico debido a algunas propiedades medicinales y también



aprovechamiento de sus aceites esenciales por parte de la industria.

Hoy en día, el consumo mundial de las llamadas plantas aromáticas y sus derivados, se traduce en

volúmenes considerados de intercambio comercial. En Colombia la producción de plantas

aromáticas se ha incrementado significativamente en los últimos años, esto debido a la demanda

potencial de otros países y a las ventajas comparativas con que se cuenta frente a los principales

países productores que en su gran mayoría son estacionales. Colombia por su ubicación en el

trópico favorece una producción permanente durante todo el año sin efecto climático adverso,

además cuenta con un buen servicio aéreo y si se compara con otros países productores, unos

bajos costos de producción (Barreño, 2006). Todas estas ventajas hacen que Colombia pueda

ampliar su participación en el creciente comercio mundial de las plantas aromáticas. Colonia

exporta principalmente albahaca, tomillo, orégano, cebollín, menta y romero. En la actualidad se

están requiriendo materiales como la estevia, Flor de Jamaica y estragón, especialmente bajo

sistemas de producción orgánica.

La Flor de Jamaica (Hibiscus sabdariffa) es una planta anual originaria de la India, de la cual se

aprovechan sus frutos (cáliz y capsula) y el tallo para la obtención de una fibra que se puede usar

para sustituir el yute. Los que más se utiliza de la Flor de Jamaica son sus cálices carnosos y ricos

en ácido málico, los cuales se emplean en la elaboración de vinos, conservas, bebidas y jaleas. El

fruto se cosecha cuando el cáliz ha obtenido un color rojo intenso y cuando la capsula comienza a

abrirse, con un sacabocados introducido en la parte inferir del fruto, se procede a separar la

capsula del cáliz. El H. sabdariffa es una planta anual, arbustiva, de porte erecto de hasta 3 m de

altura, leñosa en la base, con los tallos glabros, lisos o casi lisos y cilíndricos, generalmente rojizos.

Las hojas son alternas de color verde con vetas rojizas y pecíolos largos; las hojas superiores se

caracterizan por ser de 8‐12 cm de largo, con 3‐5 lóbulos, de lineares a elípticas, finamente

dentadas, mientras que las hojas inferiores son normalmente enteras y ovadas.

Las flores son solitarias, naciendo por separado en las axilas de las hojas con un tamaño de hasta

12 cm, de pétalos color amarillo, beige o rosa con una mancha purpura, rosa o marrón en la base.

El cáliz, que consta de 5 sépalos grandes es generalmente suculento y de color rojo; en su base

se encuentra el epicáliz con 8‐10 brácteas delgadas y puntiagudas.

El fruto o capsula aterciopelada que se encuentra envuelto por el cáliz carnoso, es de forma

ovoide y al madurar forma 5 compartimientos que contienen de 3 a 4 semillas por lóbulo. Las

semillas son reniformes (Forma de riñón) de color marrón claro, de 3‐5 mm de largo y no glabras.

La cápsula una vez madura y seca, adquiere un color marrón y presenta dehiscencia (ECUAGRO,

2005).

China y Tailandia son los mayores productores y mantienen el control de gran parte de la oferta

mundial. Tailandia ha invertido fuertemente en la producción de Flor de Jamaica dando un

producto de alta calidad, mientras que el producto de China, con las prácticas de control más

estrictas de calidad, es más confiable y de buena reputación. La mejor Flor de Jamaica del mundo



proviene de Sudán. México, Egipto, Senegal, Tanzania, Malí y Jamaica también son proveedores

importantes, pero la producción se utiliza sobre todo en el país (Mohamed et al., 2007).

Esta planta se encuentra ampliamente distribuida, en zonas con climas tropicales y subtropicales

en ambos hemisferios y está especialmente adaptada en países de Centro y Suramérica, tales

como Brasil, Colombia, México, y Panamá; actualmente esta especie también se cultiva en

algunas regiones de la Florida, Australia, India, Malacia, Egipto, entre otras (Morton 1987;

Secretaria de Agricultura México, 2003). Los mayores importadores de Flor de Jamaica son Japón,

Estados Unidos, Francia y Alemania, quienes tienen un consumo percapita de 2.5 Kg/año con una

tendencia al alza (FAO, 2009).

La utilización de la Flor de Jamaica esta asociada con la medicina tradicional en donde se le utiliza

como tratamiento para varias enfermedades, como la hipertensión, regulación de la presión

arterial y las infecciones del tracto urinario, aterosclerosis, enfermedad hepática, cáncer, diabetes

y otros síndromes metabólicos (Kuriyan et al., 2010; Gurrola‐Diaz et al., 2010; Fullerton et al.,

2011; Lin et al., 2011).

La mejor manera de conservar la Flor de Jamaica es a través del secado. El secado puede

considerarse como un proceso en el cual se produce un intercambio de calor y masa, entre el

producto y el medio ambiente o el medio de secado (Marques, 1991). El secado de plantas

aromáticas se da principalmente para garantizar su conservación. También se hace secado por

aspectos comerciales que facilitan la manipulación del producto. Las plantas se pueden ser

secadas completamente o por sus componentes, al separar sus órganos (hojas, flores, semillas,

frutos, tallos, raíces). El uso de energía solar para el secado de plantas está muy generalizado por

productores de plantas aromáticas. Los cálices se deben deshidratar para su conservación,

secándolos al sol o a la sombra en un lugar bien ventilado y limpio para que no le salgan hongos.

El la tabla 1 se presentan los valores e secado los cuales se deben alcanzar para garantizar la

calidad de las plantas aromáticas.

Tabla 1. Plantas aromáticas medicinales Humedad Final de Secado

Nombre común nombre científico (%) Estevia Stevia rebaudiana 11

Albahaca Ocimun basilicum 10

Ajedrea Satureja montana 12

Laurel Laurus nobilis 9

Orégano Origanum vulgare 11

Mejorana Origanum mejorana 10

Eneldo Anethum graveolens 10

Estragón Artemisia dranuncula 10

Salvia Salvia officinalis 10

Tomillo Thymus vulgaris 9

Romero Rosmarinus officinalis 9

Flor de Jamaica Hibiscus sabdariffa 10



El material vegetal cortado debe someterse a un oreo para que pierda la mayor parte de la

humedad. Los campesinos utilizan formas tradicionales y caseras para el secado de plantas y

órganos de estas plantas. Toman las plantas las arreglan en grupos y las cuelgan en lugar

sombreado o al sol hasta que sequen, para posteriormente hacer la selección del producto y el

empaque. También se utilizan angeos o mallas con el fin de extender el material vegetal,

permitiendo el paso del aire para facilitar el un mejor secado. El secado a la sombra esta más

generalizado por los productores ya que se evita la decoloración de las flores y en general del

material cosechado (Muñoz ,1987).

Lo importante de los secaderos es que garanticen salvar el tiempo crítico que transcurre entre el

corte y el comienzo de la actuación de las enzimas celulares que producen la fermentación y

enmohecimiento, cuya rapidez depende también de la humedad relativa y la temperatura (Muñoz,

1987).

El método más simple y barato para secar plantas, según T.H. Jackson, es secarlas al sol

esparciendo las plantas con un marco de madera, por ejemplo de 50 cm por 80 cm, con una base

de malla de nylon (malla de aproximadamente 1.5 mm). Se utilizan postes para elevar el marco a

la altura de una mesa, tanto para permitir circulación de aire como para evitar la contaminación.

Hay que dejar secar hasta que los cálices tengan un contenido de humedad de aproximadamente

un 10%. Cuando los cálices se han secado al nivel correcto, se tornan quebradizos, y se parten

fácilmente cuando se doblan.

En Prado Tolima se construyó un invernadero donde se instaló estantes con mallas plásticas donde

se dispone los cálices de la Flor de Jamaica en capas finas y bien distribuidas sobre la superficie de

al malla para facilitar la buena aireación evitando la pudrición por hongos (Figura 1). El uso de

invernaderos para el secado de productos agrícolas es muy común en Colombia donde se han

establecido variados sistemas donde predominan los túneles especialmente para el secado del

café. Estos invernaderos se han modificado y se utilizan exitosamente en la actualidad para el

secado de plantas aromáticas, hongos comestibles, granos y otros productos agrícolas.

Figura 1. Invernadero para el secado de los cálices de la Flor de Jamaica, Prado Tolima.



H. sabdariffa presenta un fruto en forma de flor el cual esta constituida por el cáliz y la cacota, en

donde están presentes las semillas (Figura 2).

Figura 2. Plantas de H. sabdariffa mostrando los pétalos y la cacota (ovario) donde la cual contiene

las semillas.

Se tomaron muestras de Flor de Jamaica, se separo los cálices de la cacota y se llevaron al

laboratorio para realizar el secado. El fruto esta constituido por el cáliz y e propiamente el fruto.

El fruto esta constituido por la cacota y las semillas. Se determinó el peso húmedo (Grafica 1) y

seco de cálices, cacota y semillas (Grafica 2).

Grafica 1. Peso húmedo en gramos de las partes del fruto de la Flor de Jamaica.

0

1

2

3

4

5

6

7

TOTAL CALIZ FRUTO CACOTA SEMILLA



Grafica 2. Peso seco en gramos de las partes del fruto de la Flor de Jamaica, medición realizada en

horno de laboratorio a 70°C hasta peso constante.

Se determinó que el contenido de humedad de los diferentes partes del fruto fueron los

siguientes: cáliz 88%, fruto (sin cáliz) 32%, cacota 60% y semilla 29%.

En el invernadero de secado localizado en Prado Tolima se estableció un invernadero en plástico

de invernadero y malla antitrips en los laterales, se establecieron bancos en madera y se cubrieron

con mallas plásticas con el fin de colocar los cálices de la Flor de Jamaica y proceder con el secado

aprovechando la energía solar. Las muestras se pasaron inicialmente y cada hora se efectuaron los

pesajes con el fin de determinar la pérdida de agua del material (Grafica 3).

Grafica 3. Peso seco en gramos de cáliz de Flor de Jamaica medido cada hora a partir de las 7AM

hasta la hora 38.

En la grafica 3 se aprecia que el 50% de la humedad contenida en los cálices de la Flor de Jamaica

dentro del invernadero, se pierde por acción del calor, el cual registra valores máximos de 53°C y

valor mínimos de 32°C.

0

0,5

1

1,5

2

2,5

TOTAL CALIZ FRUTO CACOTA SEMILLA

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

H7

H8

H9

H10

H11

H12

H13

H14

H15

H16

H17

H18

H30

H31

H32

H33

H34

H35

H36

H37

H38

H39

HORAS N°

PESO



La utilización de la energía solar es una alternativa viable para el secado de Flor de Jamaica,

permitiendo la obtención de productos de alta aceptabilidad en el mercado.

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Comparación de métodos de secado con ventana de refractancia y liofilización en secado de rodajas de naranja:

efecto sobre la calidad y la cinética

Esmeralda Mosquera, Yuri Leiton, Alfredo Ayala, Claudia Ochoa‐Martínez

Escuela de Ingeniería de Alimentos. Universidad del Valle.‐Cali, Colombia : [email protected]; [email protected];

[email protected]; [email protected]

Resumen

El secado por liofilización (FD) se considera uno de los mejores métodos de secado de alimentos, pero es un proceso costoso debido a los altos tiempos de secado y a la aplicación de vacío. La técnica de Ventana de refractancia (RW) es una alternativa con bajos tiempos de secado y buena calidad en el producto final. El objetivo de este estudio fue comparar los métodos RW y FD en las cinéticas, el coeficiente de difusión (Def), la diferencia de color y la actividad del agua (aw) en rodajas de naranja (3 mm de espesor y 30 mm de diámetro). Las muestras se secaron a 90ºC en RW y de ‐35 a 38ºC a 8 Pa en FD. Los resultados mostraron que las muestras secadas por RW tuvieron una velocidad de secado y un valor de Deff (2.7x10

‐09m2/s) mayor que en FD (9.0x10‐10m2/s); en RW se alcanzó un contenido de humedad de 0.03 g agua/g sólido seco en 2 h, mientras

que FD requirió 7 h. Las muestras secadas en RW tuvieron menor valor de E comparado con FD (13.93±4.83 and 24.85±0.44 respectivamente) debido a los altos valores de luminosidad presentados en FD por el prolongado tiempo de proceso. La aw de las muestras para ambos métodos alcanzó valores menores de 0.5, indicando estabilidad al almacenamiento al minimizar el ataque microbial. De acuerdo a estos resultados la técnica RW tiene un alto potencial para el secado de rodajas de naranja y podría aplicarse a otras frutas.

Palabras clave: Citrus sinensis, liofilización, Ventana de RefractanciaTM.

1. Introducción

Los cítricos ocupan un lugar importante en la producción mundial por sus vitaminas, fibra, sabores y aromas (Monselise, 1986). Las frutas (v. gr. las naranjas) se deterioran rápidamente por su alto contenido de humedad, por consiguiente para su conservación se emplean diferentes técnicas de secado (Marques et al., 2007). El secado es un proceso simultáneo de transferencia de masa y calor que consiste en separar un líquido de un sólido por evaporación (Perry et al., 1992). Existen diferentes métodos de secado, entre ellos, la liofilización (FD) produce alimentos con alta calidad nutricional (Wang et al., 2010) y el método de Ventana de Refractancia ™ (RW) que ha ganado interés en los últimos años. El secado por liofilización se realiza en tres etapas: congelación, secado primario y secado secundario. Por su parte, el secado con RW emplea agua a temperaturas

por debajo del punto de ebullición a presión atmosférica, con tiempos cortos de residencia del producto ubicado sobre una película en contacto con el agua, la cuál debe ser relativamente transparente a los rayos infrarrojos del agua (Nindo et al., 2004).




Se emplearon naranjas (Citrus sinensis) variedad Salustiana, en rodajas de 30 mm de diámetro y 3 mm de espesor. En el proceso de lioiflización las muestras se congelaron a ‐35°C mediante un ultracongelador (marca Revco, USA). Posteriormente se liofilizaron en un equipo de bandejas (Labconco, 6 L, USA) desde ‐35 hasta 38°C a una presión de vacío de 8 Pa a diferentes tiempos de secado (1, 2, 4, 6, 7, 8 y 9 h). Para el método RW, se empleó un equipo construido por la empresa CEI‐ROBOTS de la ciudad de Cali; diseñado a partir de la información obtenida de las referencias bibliográficas (Abonyi et al., 2001; Nindo et al., 2003). La velocidad de la banda fue 4.16×10‐5m/s y la temperatura del agua fue 90°C; las muestras se evaluaron a 10, 20, 30, 60 y 120 minutos.

Se determinó el contenido de humedad (curvas de secado) mediante el método 934.06 (AOAC, 1980) y la actividad de agua se obtuvo empleando un equipo Aqualab, con sensibilidad de 0,003; para el peso de las muestras se usó una balanza analítica (Metler Toledo, AE200 Suiza) de sensibilidad 0,001 g. El coeficiente de difusión (Deff) se determinó mediante la solución analítica de la segunda ley de Fick (Ecuación 1) (Crank, 1975), para una geometría de lámina semi‐infinita y considerando la difusión en dirección axial. Los resultados se analizaron con ANOVA para un intervalo de confianza de 95% mediante el programa SPSS 15.0.

2

eff22

0n22

e0

et

L4

tD1n2exp

1n2

18

XX

XXMR (1)

Donde Xt es el contenido de humedad en el tiempo t, Xe corresponde al contenido de humedad de equilibrio, X0 es el contenido de humedad inicial, L es el espesor de la muestra (mm), Deff es la difusividad efectiva (m2/s) y t es el tiempo de secado (s).

El color se determinó a través del espectro reflexión entre 400‐780 nm, con un espectrocolorímetro Hunter Lab. Se emplearon las coordenadas de color CIE‐L*a*b*, donde �a* indica la variación rojo/verde, �b* la variación amarillo/azul, y �L* la variación en luminosidad blanco/negro. La diferencia de color (ΔE) es la medida del producto seco respecto al producto fresco calculada mediante la ecuación 2.

21222 *L*b*aE (2)


En la Figura 1 se observan las cinéticas de secado obtenidas para ambos métodos de secado (FD y RW). El contenido de humedad de las muestras frescas fue 9.552±0.009 g agua/g m.s (equivalente a 90.52% en base húmeda) y el contenido de sólidos solubles fue de 8.0±0.2 ºBrix. Para alcanzar un contenido de humedad de 0.03 g/g m.s con FD se necesitaron 7 h mientras que con el secado RW, este valor se alcanzó en 2 h. Este rápido secado en RW es el resultado de la alta transferencia de masa y energía que ocurren en el sistema. La transferencia por radiación (membrana transparente a la radiación), por conducción (reducido espesor de la muestra) y por convección (circulación continua de agua caliente debajo de la banda transportadora y circulación de aire sobre la superficie de la muestra) permiten lograr tiempos de secado mucho menores. Resultados similares han sido reportados por Nindo et al. (2003) en secado de espárragos, comparando los



métodos de RW, FD y aire, y por Abonyi et al. (2002) en puré de zanahoria y fresa de 1mm de espesor comparando RW y FD.

Figura 1. Cinéticas de secado de rodajas de naranja

Los valores de Deff calculados fueron 2.7x10‐09m2/s para RW y 9.0x10‐10m2/s para FD. El menor

tiempo requerido en RW para alcanzar el mismo contenido de humedad explica el resultado del coeficiente de difusión al final del proceso (Deff), mayor para RW. Marinos‐Kouris y Maroulis (2006), recopilaron los datos publicados sobre valores de coeficientes de difusión de algunos materiales comunes, y señalan que la difusividad de los alimentos normalmente se ubica en un rango de 10−13 a 10−6 m2/s, y la mayoría de ellos (82%) están acumulados en la región de 10−11 a 10−8. Aunque estos valores dependen de factores adicionales como la temperatura y el tamaño y tipo de muestra. En la Figura 2 se presentan las curvas de actividad de agua. Teniendo en cuenta que el agua contenida en un alimento no está toda disponible para el crecimiento microbiano, parte de ella está ligada a los componentes del mismo, la actividad del agua es la mejor medida para cuantificar el agua necesaria para el crecimiento y desarrollo de las funciones metabólicas de los microrganismos y de la actividad enzimática (Welti, 1991). Al final del proceso se obtuvieron valores de 0.445±0.015 y 0.214±0.015 para RW y FD, respectivamente; estos valores están por debajo de 0.5. Según Fellows (1994), los alimentos con actividad de agua inferiores a 0.5 presentan una relativa estabilidad bajo condiciones controladas de almacenamiento.

Figura 2. Comportamiento de la actividad del agua en el secado de rodajas de naranja

0,0

2,0

4,0

6,0

8,0

10,0

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Tiempo (h)

Contenido de humedad

(g /g d.b.)

FD

RW

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

Tiempo (h)

Actividad

de agua

FD

RW



En la evaluación del color, los valores de E de rodajas de naranja secadas por RW y FD al final de cada proceso fueron a 13.93±4.83 y 24.85±0.44 respectivamente. Se observa que empleando FD hubo mayor cambio de color. Ceballos et al. (2012) manifiesta que los largos periodos de tiempo de secado necesarios en el proceso de liofilización actúan en contra del color de las muestras presentando mayor alteración. La diferencia de color está asociada a la pérdida de carotenos según Chen y Tang (1998), esta pérdida conduce no sólo a la pérdida de color del producto sino a la baja calidad nutricional. El ANOVA indica que existe diferencia significativa (p<0,05) entre los

dos métodos de secado. 4. Conclusiones

Comparando los métodos de secado por Ventana de Refractancia ™ y liofilización, se encontró que el secado por WR requiere tiempos mucho menores para obtener humedades bajas (menores de 5% base húmeda), esto se refleja en el mayor coeficiente de difusión obtenido. Aunque las rodajas de naranja liofilizadas presentaron menor actividad de agua, se observó mayor cambio de color al

emplear este método.

Referencias

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Normatividad para control de calidad en producción de plantas aromáticas y medicinales

Pedro F. Ortiz Rodríguez; Claudia P. Pérez Rodríguez, Sonia L. Rincón Prat Facultad de Ingeniería

Universidad Nacional de Colombia‐Sede Bogotá Grupo BIOT

1 Introducción

De acuerdo con el Centro de Investigación para el Desarrollo (CID) de la Universidad Nacional, las PAMC representan un universo complejo cuya clasificación depende de las propiedades químicas (principios activos), los usos comerciales y la clasificación arancelaria de las mismas, obteniéndose así una diversidad de productos que van desde la venta de plantas en fresco para uso culinario o medicinal, la preparación de tisanas; deshidratados o pulverizados, la comercialización de ingredientes naturales para la industria farmacéutica, cosmética y alimenticia, y la venta de productos terminados con base en plantas medicinales con fines farmacéuticos, cosmético, de aseo o alimenticio. Actualmente las Plantas Aromáticas, Medicinales y Cosméticas (PAMC) son un producto muy apetecido para las farmacéuticas y casas cosméticas especialmente (1), sin embargo, según los datos de la Red de Información y Comunicación Estratégica del Sector Agropecuario – AGRONET, la balanza comercial de las plantas aromáticas, durante los últimos 20 años ha sido negativa (2).

El control de factores externos es una herramienta importante en la obtención de productos de calidad con base en plantas aromáticas, mientras que la falta del mismo da lugar a productos de calidad inferior que puedan conducir a problemas de salud de los consumidores (3); los procesos de transformación tienen un riesgo inherente a sí mismos y es responsabilidad de las empresas transformadoras mitigarlo. Según la agenda prospectiva de investigación y desarrollo tecnológico de las PAMC del Ministerio de Agricultura (MADR), las deshidratadoras o empresas de secado, el cual es un proceso importante en la cadena de valor, son los transformadores primarios de la misma (4), por tanto, asegurar la calidad en estos lugares, beneficiaría a los eslabones subsiguientes en lo que a esto se refiere.

Se debe resaltar el hecho de que el aseguramiento de la calidad debe incluir el control no solo a partir de la poscosecha, transformación y comercialización, sino que también debe involucrar cada eslabón de la cadena productiva, desde la semilla, preparación de terreno, siembra y prácticas culturales hasta la cosecha; todo esto se involucra en las Buenas Prácticas Agrícolas (BPA). Hablar de BPA es un reto, pero así mismo una gran oportunidad de negocio, porque permite a los productores entrar a mercados que tienen un mayor interés por el cuidado del medio ambiente y la salud humana (5), así como asegurar la calidad que será necesaria en los procesos de transformación a los que se vean sometidos los productos agrícolas.

Una de las herramientas con la que se cuenta para la implementación de las BPA, está relacionada con la elaboración de normas técnicas. En Colombia, el Instituto Colombiano de Normas Técnicas



(ICONTEC) es el encargado de normalizar los procesos de cualquier cadena productiva y cuenta con comités técnicos especializados en tipos de producción particulares; el caso de las PAMC no es distinto, este comité es “inactivo” (6) lo cual dificulta la normalización de procesos en esta cadena.

2 Normatividad Para controlar la calidad de las PAMC se deben tener en cuenta distintos factores de la misma, que de manejarse adecuadamente, asegurará la calidad final de los subproductos, ya sea, hierbas deshidratadas, aceites esenciales o cualquier otro principio activo que pueda tener valor para la industria.

Las normas que tienen inferencia en las PAMC se dividen en normas de producción, normas de transformación y procesamiento y normas de almacenamiento.

Normas de Producción Son aquellas que tienen en cuenta el ciclo vegetativo y desarrollo de la especie aromática o medicinal, entendiendo las distintas prácticas como influyentes en los resultados al final de la etapa productiva. Por ejemplo, la normalización y legislación en el uso de semillas le permite al agricultor controlar las características esperadas de su producto. Las principales normas que condensan los requisitos a seguir son las siguientes:

Resolución 970 del Instituto Colombiano Agropecuario (ICA) La Resolución 970 del ICA, que fue sometida a Consulta Pública, establece los requisitos que se deben tener en cuenta a la hora de usar semillas y señala, entre otros aspectos, que los agricultores deben inscribir los lotes que se van a utilizar para cada siembra (7). De ser productor de semillas, esta resolución también establece que requisitos deben cumplir las mismas para poder ser utilizadas.

Para los registros de Cultivares Nacionales, se requiere la inscripción e identificación de las características de los mismos que se pretendan producir, importar y/o comercializar, para lo cual deberá presentar la evaluación agronómica e identificar con la siguiente información: nombre común, científico y comercial, código experimental, genealogía, metodología de obtención, creador, titular, especialistas que evaluaron, resultados de las pruebas, características morfológicas, comportamiento con plagas, características de los parentales para híbridos, para cultivares foráneos, indicar país de origen, fecha de ingreso al país y anexar copia del permiso fitosanitario con el cual se autorizó su ingreso.

Buenas Prácticas Agrícolas (BPM) En Colombia, las BPM han sido normalizadas oficialmente por el ICONTEC mediante la norma denominada “NTC 5400”. Según la FAO, la aplicación de las BPM implica el conocimiento, la comprensión, la planificación y mesura, el registro y la gestión orientados al logro de objetivos sociales, ambientales y productivos específicos. Con el fin de proporcionar requisitos generales y recomendaciones en el contexto colombiano, para garantizar la inocuidad de las frutas, las hierbas aromáticas culinarias y las hortalizas, y lograr la sostenibilidad ambiental, económica y social de los sistemas productivos en las distintas regiones del país, se ha elaborado la primera norma técnica colombiana para la implementación de las BPA, para estos productos (8). Para asegurar el cumplimiento de los requisitos generales y las recomendaciones contempladas en esta norma, se deberá designar un responsable competente.



Para la implementación de las BPA es necesaria la planeación del cultivo, esto debe cumplir con algunos requisitos como la selección de la zona de cultivo, evaluación ambiental, características de la zona, recursos de la zona, evaluación de suelos y de aguas para riego y procesos. En cuanto a las instalaciones tener en cuenta las áreas de almacenamiento de insumos, preparación y dosificación de insumos, almacenamiento de equipos, utensilios y herramientas, acopio en finca, poscosecha e instalaciones sanitarias, es importante para un buen proceso. Por último, el manejo de agua es un factor crítico, riego, insumos y poscosecha deben tener un manejo diferenciado y calidades muy particulares en cuanto al agua se refiere. Existen otros factores enumerados en la norma que utilizados adecuadamente contribuirán a un mejoramiento de la calidad final.

Manejo de Insumos Agrícolas ‐ Agricultura Orgánica (EureGAP o Normas Naturlands) En el caso de tratarse de agricultura orgánica las normas Naturland son la base de las posteriores normas de la Unión Europea (UE), por tanto, son la opción más confiable para implementar el manejo de insumos agrícolas permitidos en Europa (9); cabe resaltar que estás pueden ser usadas en la agricultura tradicional con miras a exportar a esta comunidad.

Los insumos autorizados en dichas normas son los siguientes: sustancias que fortalezcan la estimulación de la resistencia en las plantas y que impidan ciertos parásitos y enfermedades, preparados a base de plantas (p.ej. infusión de cola de caballo), propóleos, cales y extractos de algas, bentonita, harinas de roca, hidrocarbonato de sodio, bicarbonato de cocina, extractos de composta, ceniza de madera, cera de abeja y proteínas hidrolíticas.

Sustancias para controlar enfermedades fungosas también son reglamentadas y se espera que sean utilizadas en las dosis recomendadas para ser aceptadas en el colectivo de la UE, algunas de las sustancias autorizadas para este fin son: azufre mojable, sales de cobre (máximo 3 kg/ha por año), silicato de sodio, lecitina, cal de azufre y permanganato de potasio.

Normas de Transformación o Procesamiento De la misma manera que la mayoría de procesos industriales, el procesamiento de las PAMC debe ser guiado por las Buenas Prácticas de Manufactura (BPM) y por otra serie de normas en el caso específico del deshidratado de este tipo de especies vegetales. La innocuidad de los insumos y elementos es el factor más importante de las BPM

Buenas Prácticas de Manufactura BPM El Modelo Empresarial de Gestión Agroindustrial (MEGA), se ha enfocado en el objetivo de que pequeños y medianos empresarios colombianos del sector implementen las BPM, debido a que las empresas generalmente presentan debilidades respecto al diseño de plantas, flujos de procesos, documentación y programas que no garantiza la inocuidad de sus alimentos y los limita para la obtención de la certificación en sistemas de gestión (10). En Colombia, las BPM para productos consumibles están reguladas por el Decreto 3075 de 1997 y vigiladas por el Instituto Nacional de Vigilancia de Medicamentos y Alimentos (INVIMA).

Las PAMC, en cuanto a este decreto regulador, son consideradas como alimento de menor riesgo para la salud pública, por sus propiedades particulares y su rápida comercialización y posterior ingestión una vez cosechadas. No obstante, los procesos de transformación como el secado, molido, empaque y almacenamiento son considerados procesos agroindustriales, el cual debe regirse por la BPM, principalmente si la finalidad del producto es la exportación, debido a la exigencia de los mercados internacionales.



Un aspecto importante es la calidad y cantidad de agua usada en las distintas etapas de un proceso; al tratarse de material vegetal se tienen algunos riesgos inherentes a su procedencia, contaminación por hongos y bacterias en el suelo, deterioro natural de las especies vegetales, contaminación en los sistemas de transporte, entre otros. Lo anterior, obliga a que se asegure la asepsia de todo producto que ingrese al proceso de secado; según el decreto regulador, el agua que se utilice debe ser de calidad potable y cumplir con las normas vigentes establecidas por la reglamentación correspondiente del Ministerio Nacional de Salud (11).

Las BPM establecen que las industrias que realicen procesos de transformación de alimentos, deben contar con un programa de gestión ambiental, de recursos y adecuada disposición de residuos. Con esto se busca mantener un espacio que brinde condiciones para conservar la calidad del producto en todo momento.

Contenido de humedad y normatividad de secado Según la Biblioteca Virtual Universal de Argentina, el contenido de agua de las especies aromáticas de debe disminuir desde un 60‐80% hasta un 10‐12% para lograr su estabilización y poder comercializarlas de una mejor manera (12). Lograr está disminución depende de un control continuo y de una caracterización muy detallada de cada especie aromática en particular, considerando su tasa de deshidratación o capacidad de retención el agua, las curvas de secado y las isotermas de sorción.

En Colombia, las normas de secado utilizadas para la mayoría de los productos agrícolas están basadas en el secado de café, en donde, utilizando un secador mecánico, la temperatura del aire no debe superar los 50°C y la altura de la masa del café no debe sobrepasar los 40 cm (13). Por otro lado, los datos obtenidos para algunas PAMC han sido determinados en la Universidad Federal de Viçosa en Brasil, donde autoridades mundiales en el secado de productos agrícolas han investigado sobre estas propiedades termodinámicas (14), corroborando que la temperatura optima podría ser 50°C, pero la altura de masa debe ser por lo menos la cuarta parte de la usada actualmente. La diversidad de PAMC y sus propiedades particulares son un reto en la construcción de una normatividad para su proceso de secado, actualmente la investigación es un requerimiento crítico para poder determinar cuáles deben ser los lineamientos y las exigencias de los entes de control, que permitan conservar al máximo las propiedades medicinales, cosméticas o culinarias de cada especie en particular.

La Organización Mundial de la Salud (OMS), brinda algunas directrices en cuanto al secado, donde, si es posible, el carburante para el secado directo (fuego) debe limitarse a butano, propano o gas natural, y la temperatura debe mantenerse por debajo de 60 °C (15).

Normas de almacenamiento Las normas de almacenamiento están diseñadas para garantizar el mantenimiento de la calidad una vez realizados los procesos de secado y transformación. Las condiciones ambientales y la innocuidad de los espacios son un factor determinante en el control microbiológico, focos de infección como roedores, entre otros. En Colombia la norma que da los lineamientos para un buen almacenamiento y un control adecuado de los posibles contaminantes es la ISO 14000.

ISO 14000 ISO (Organización Internacional de Normalización) es una federación mundial de organismos nacionales de normalización, y determina normas a las que se ciñen los países participantes en dicha organización. Esta es la norma internacional más usada en sistemas de gestión de calidad, la ISO 14000 se centra en todos los elementos de administración de calidad con los que una empresa



debe contar para tener un sistema efectivo que le permita administrar y mejorar la calidad de sus productos o servicios. En cuanto al almacenamiento específica claramente los procedimientos mínimos para conservar la calidad.

Documentar el movimiento de materiales y productos; garantizar métodos de transporte y manejo adecuados; establecer un método de colocación de los productos junto con la documentación apropiada para colocación, recepción y salida de los mismos; efectuar periódicamente rotación de existencias; revisión periódica de los almacenes para evitar su deterioro; evitar lo daños al productos, de ocurrir estos, se deben retirar, investigar las causas y emprender la acción correctora; por último, los encargados del almacén debe ser personal preparado y certificado en el manejo de este tipo de actividades (16).

En cuestión ambiental se debe establecer parámetros controlados; la temperatura y la humedad, así como la aireación deben considerarse al tener sistemas de almacenamiento. Temperaturas superiores a 20°C y humedades relativas altas, son un medio propicio para la proliferación de microorganismos, por tanto, preferiblemente deben ser espacio refrigerados que mantengan temperaturas menores a 12°C. Los almacenes deberán estar protegidas de roedores manteniendo limpias las áreas limítrofes, así como libres de basura y malas hierbas; los protectores contra ratas pueden hacerse a partir de materiales sencillos como latas viejas de estaño o láminas de metal que se ajusten a los cimientos de los almacenes (17).

Control microbiológico En los sistemas de almacenamiento es necesario realizar el control microbiológico para garantizar que se cumplen con las exigencias de la ley y de los mercados internacionales. La industria farmacéutica por ejemplo, establece ciertos parámetros que se deben cumplir en un potencial uso de PAMC para medicamentos. Si se desea conservar se establece un contenido de humedad de 10%; el contenido de cenizas no debe ser mayor al 5%; debe contener nutrientes tales como, sodio, potasio, magnesio, calcio, hierro, entre otros; se deben determinar los residuos de productos fitosanitarios; se permiten máximo 106 bacterias y 105 levaduras por gramos de producto (18).

El material vegetal con propiedades medicinales que sea procesado debe envasarse lo antes que sea posible para impedir que el producto se deteriore y para protegerlo contra la exposición innecesaria a posibles ataques de plagas y otras fuentes de contaminación (15). La inspección del producto almacenado y la limpieza de los almacenes efectuados regularmente, ayudarán a reducir pérdidas, disminuirán la contaminación por insectos y evitarán la difusión de plagas (17).

Regulación e Instituciones Reguladoras Las instituciones son primordiales para garantizar el cumplimiento de las normas, estás tienen como finalidad, generar, revisar y hacer cumplir las leyes y las normas nacionales e internacionales, conforme sea pertinente en un proceso productivo. En Colombia las principales rectoras de la tecnología de alimentos son el ICONTEC y el INVIMA, el primero normaliza y el segundo regula.

Instituto Colombiano de Normas Técnicas ‐ ICONTEC Para el caso de las PAMC, se creó el Comité Técnico de Normalización número 54, para todo lo referente a esta cadena agroindustrial, y se define como, el encargado de la normalización relacionada con plantas aromáticas; té sus subproductos. Incluye terminología, muestreo,



métodos de ensayo, especificaciones para producto, limpieza, higiene y requerimientos para el empaque almacenamiento y transporte (19). Actualmente está inactivo y no hay acceso a su consulta. Algunas normas de interés para esta agroindustria se citan a continuación.

NTC 2555: 1989, Especias y condimentos. Determinación de contenido de materia extraña.

NTC 2556: 1989, Especias y condimentos. Determinación del contenido de cenizas.

NTC 2566: 1989, Especias y condimentos. Muestreo.

NTC 2686: 1990, Industrias Agrícolas. Especias, hierbas y condimentos. Determinación de contenido de aceite volátil. (Método de referencia).

NTC 3288: 1997, Industria Agrícola. Plantas Aromáticas. Nombres Comunes.

NTC 4236: 1997, Industria Agrícola. Especias, condimentos y hierbas aromáticas. Método para determinar impurezas.

NTC 4418: 1998, Especias y condimentos. Determinación del contenido de humedad. Método de arrastre.

Instituto Nacional de Vigilancia de Medicamentos y Alimentos ‐ INVIMA El INVIMA por su parte, controla y regula las leyes, decretos, resoluciones y normas que el gobierno o sus entidades autorizadas emanan para estandarizar los procesos y cuidar de la salud pública. Además tiene la potestad de certificar, aprobar, denegar o clausurar procesos productivos que incumplan con dichas disposiciones. Algunos de los decretos y resoluciones vigentes sobre los productos fitoterapéuticos, derivados de las PAMC, se relacionan a continuación.

Decreto 4927 de 2009 Resolución 527 de 2010 Decreto 3553 de 2004 Resolución 000126 de 2009 Decreto 2266 de 2004 Resolución 2834 de 2008 Decreto 162 de 2004 Resolución 005107 de 2005 Decreto 549 de 2001 Resolución 004320 de 2004

En cuanto a la industria de cosméticos existen regulaciones en cuanto al origen, la recolección, los tratamientos, las especies, especificaciones de la cadena productiva de las PAMC que pueden ser consultadas en el enlace electrónico del INVIMA:

http://web.invima.gov.co/portal/faces/index.jsp?id=1309

Ensayos de Laboratorio para el Control de Calidad Para la determinación de otras características que permitan realizar el control de calidad en la cadena de las PAMC, se tiene algunas normas especializadas que contribuyen a una mejor realización de los ensayos requeridos en cada caso específico. Estas son nacionales o internacionales que pueden tener inferencia en la aceptación del mercado destino.

Norma DIN 50008 – Destilación.

NTC 2227: 1986, Determinación del contenido de humedad.

NTC 2698: 1998, Industria Agrícola. Plantas Aromáticas en Bolsas Filtrantes.



NTC 4132: 1997, Microbiología. Guía general para el recuento de Mohos y Levaduras. Técnica de recuento de colonias a 25°C.

ISO 6579: 1993, Microbiology. General Guidance on Methods for the Detection of Salmonella.

ISO 5498: 1981, Agricultural food products. Determination of crude Fibre Content. General Method.

Discussion

Después de realizar la revisión de las normas que existen actualmente para la obtención de PAMC, considerando cada etapa de la cadena productiva, es evidente que hay un gran abanico de las mismas, que permiten tener lineamientos y directrices concretas para cumplir con los requerimientos del Estado y de los mercados.

Entendiendo lo anterior, realizar el control de calidad se convierte en una labor vital para garantizar que ésta se conserva en la mayor parte de los procesos de la cadena productiva, preferiblemente todos, hasta llegar al consumidor final. Hoy en día aun continúa siendo “voluntaria” la implementación de un sistema de control de calidad, recordando que la apertura de mercados depende de tenerlo o no; el voluntariado se convierte en obligatorio si se desea expandir las posibilidades de comercialización

Los entes de regulación de las normas que garantizan la calidad óptima para los consumidores son muy necesarios; su constante actualización y difusión, la especialización que puedan garantizar en los funcionarios encargados de revisar las normas internacionales y construir las normas nacionales, los requerimientos oportunos y pertinentes, también contribuyen a un fortalecimiento de los sistemas de control de calidad y mejoramiento continuo. Es por eso que en otros países de Latinoamérica existen los Servicios Nacionales de Seguridad Agroindustrial (SENASA), específicamente para normalizar y regular las cadenas de éste sector de la economía, logrando con esto, centralizar en una única institución, el manejo de la información referente a las PAMC y demás productos agropecuarios, mejorando así las posibilidades de los productores, industriales y comercializadores de conservar la calidad.

Perspectivas

En cualquier sistema de control de calidad, implementación de BPA, planes de gestión, programas de BPM o cualquier otro, el factor más importante es la documentación. Es el registro de cualquier acción la que permite dar sentido a la palabra control, conocer en todo momento, quién, cómo, cuándo, donde, por qué y qué obtuvo, es la herramienta principal para corregir los procesos, parámetros o tiempos que puedan generar deterioro de la calidad.

Las instituciones cumplen un papel determinante en la normalización y su autoridad debe ser incuestionable, por esta razón los lineamientos que ellas impartan deben ser de obligatorio cumplimiento. Sin embargo, el grado de especialidad que éstas tengan, les permite ser más coherente y asertivos cada día en concordancia con los lineamientos de mercados internacionales, para permitirle a la industria tener mayor posibilidad de expandir sus posibles socios comerciales.

El control de cada parámetro, técnico, humano y de gestión, permite que procesos importantes dentro de la cadena de valor como el secado de las PAMC sea más efectivo; las investigaciones en el mundo apuntan a que cada vez sea más específico el control para esta cadena, actualmente el



desconocimiento de muchas propiedades particulares obliga a adoptar técnicas de otras cadenas que implementan el secado exitosamente. Una vez se cuente con resultados suficientes sobre las PAMC se podrá rehacer de manera particular, en la medida de lo necesario, la normatividad que ha de regir las características óptimas de estas especies para el uso particular en cualquier industria de su interés, sea farmacéutica, cosmética o condimentaria.

La investigación sobre los puntos más vulnerables de la cadena de secado y transformación de las PAMC, así como de las características de calidad que más se ven impactadas en cada labor del proceso, es fundamental para optimizar recursos, como talento humano, número y frecuencia de pruebas de calidad, y tiempos críticos por cada labor. Los datos y el análisis que se obtengan a partir de la misma, potencialmente establecerán los lineamientos para la construcción de nuevas normas especializadas y particulares para las PAMC.

Bibliografia

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http://www.icontec.org.co/index.php?section=285.



Oportunidades de gestión energética en el sector agrícola con impacto en la productividad

Omar Prias Caicedo Facultad de Ingeniería eléctrica Universidad Nacional de Colombia

[email protected]

Resumen

Los países con mayor responsabilidad en las emisiones de gases de efecto invernadero por el creciente consumo de los recursos energéticos, tienen indicadores de calidad de vida y desarrollo industrial mayor que la mayoría de población mundial, lo cual refleja un estilo de vida proclive al derroche y el consumismo. Como respuesta a dichos escenarios poco optimistas, en algunas regiones la intensidad energética entendida como la cantidad de energía utilizada por unidad de PBI viene disminuyendo específicamente en el sector industrial con una disminución en la intensidad energética. La mayoría de los países han elaborado programas de eficiencia energética con objetivos y metas de ahorro de energía y en algunos casos relacionados con programas nacionales y metas de reducción de emisiones y promoción de fuentes renovables. En la cadena energética, desde la selección de fuente más adecuada de energía con criterios de renovabilidad y eficiencia hasta el uso eficiente de la misma final de la misma se han generado nuevos conceptos que relaciona la energía y el medio ambiente; es asi como en los proceso térmicos industriales intensivos en el consumo de energía se han convertido en la prioridad de las políticas , los programas y las acciones para sustituir los combustibles fósiles por energías más limpias y eficientes. El proceso de secado en el sector ladrillero y agrícola, por ejemplo, es uno de los de mayor consumo de energía que no está asociado necesariamente a la producción debido a que la mayoría de los casos se considera como preparación de la materia prima para su transformación o en su defecto para la consolidación del producto al final del proceso; sin embargo, es uno de los proceso transversales que puede ser optimizado mediante acciones de gestión energética o por sustitución de combustibles o por el aprovechamiento directo de la energía solar mediante colectores e invernaderos. En este ámbito, los sistemas de gestión energética se constituyen en herramientas claves para lograr incrementos de la eficiencia energética y disminución de gases de efecto invernadero, con nuevos enfoques que rebasan el ahorro de energía como meta final hacia indicadores de consumo de energía por unidad de producto con impacto en la productividad de las organizaciones. La gestión se fundamenta en la innovación en procesos, tecnologías, estructuras, roles, hacia el cambio de la cultura organizacional como decisión estratégica que permita la asimilación de las



buenas prácticas operacionales BPO desde el manejo y operación de equipos en el ámbito de sus procesos, la planeación de la producción y el mantenimiento entre otros factores relacionados con la productividad; como también, permite definir criterios y metodologías para la selección y compra de equipos con criterios de evaluación financiera por su desempeño energético La definición de políticas, la alineación de estrategias y la asignación de recursos y la definición de la estructura organizacional más adecuada, son las primeras acciones del nivel estratégico comprometido con el cambio que debe reflejarse en la gestión del recurso humano en relación con la formación de una cultura organizacional basada en la innovación, el conocimiento y los incentivos, con incidencia en todas la áreas de la organización y en todos sus niveles. Estas acciones estratégicas iniciales son de muy baja inversión y pueden generar impactos de corto plazo en ahorros de energía entre el 5 y 10%. El modelo del Sistema de Gestión Integral de la Energía está constituidos por tres etapas:

Decisión Estratégica, Instalación y Operación. La Decisión Estratégica está enfocada crear las condiciones tanto financieras como técnicas y organizaciones mediante la caracterización energética y organizacional de la empresa para identificar el estado actual y las oportunidades e impactos; el compromiso de la alta dirección con la asignación de recursos y responsabilidades; la alineación de políticas y estrategias de toda la organización y la definición y conformación de la estructura técnica y organizacional de la empresa para la Gestión Energética. Se sugiere en esta etapa realizar diagnósticos, de definir los equipos de trabajo y capacitar al personal, determinar las necesidades de medición y construir los indicadores de desempeño energético con la información histórica y las herramientas de gestión con los paretos y gráficos de control. En esta etapa se pueden identificar oportunidades de ahorro y eficiencia no asociada a la producción que se pueden implementar en el corto plazo por acción de gestión estratégica. En la Instalación del SGIE se crea la estructura organizacional más adecuada para lograr las metas, preparar e involucrar al personal, identificar los programas y planes de acción mediante el establecimiento de los indicadores de desempeño, identificación de variables de control por centro de costo. En la operación del SGIE se ejecutan los programas, se cuantifican los resultados, se ajustan y actualizan los modelos y se realiza la verificación de los presupuestos y potenciales, se realiza seguimiento y divulgación de indicadores de buenas de prácticas, mantenimiento, producción y coordinación. Los sistemas de gestión energética deben adaptarse e integrarse a los sistemas de gestión ambiental y de calidad asociados a las normas ISO correspondientes y también con otros sistemas de gestión de la organización y en el caso de certificarse en la NTC ISO 50001, se requiere total claridad de los nuevos conceptos de eficiencia energética y de los nuevos enfoques en la gestión, con especial cuidado en la definición de los indicadores de desempeño y de la construcción de la línea base energética.



Efecto de la velocidad y la temperatura del aire sobre la contracción del mango en el proceso de secado convectivo

Henry A. Váquiro1*, Renato A. Ferreira Cabral2, José F. Solanilla1, Javier Telis‐Romero2

1Facultad de Ingeniería Agronómica, Universidad del Tolima (Ibagué, Colombia). 2Departamento de Engenharia e Tecnologia de Alimentos, Universidade Estadual Paulista, São José

do Rio Preto (São Paulo, Brasil).

*Facultad de Ingeniería Agronómica, Universidad del Tolima, A.A. 546, Barrio Santa Helena, Ibagué


Resumen

La pulpa de los frutos de mango (Mangifera indica L.) puede llegar a presentar grados de encogimiento mayores al 60% cuando es sometida al proceso de secado por aire caliente, lo cual afecta considerablemente la estructura y calidad del producto final. Este cambio de volumen que experimenta el material puede ser representado en función del contenido de humedad y de las condiciones de operación. Las expresiones matemáticas obtenidas permiten considerar, dentro de los modelos matemáticos que predicen la cinética del proceso, el efecto de la variación del volumen sobre los fenómenos de transporte, especialmente en productos con un alto contenido de humedad como es el caso de las frutas y las verduras. El objetivo del presente trabajo fue estudiar el encogimiento de cubos de mango durante el secado por aire caliente evaluando la variación de volumen a lo largo del proceso en diferentes condiciones de velocidad y temperatura del aire de secado. Los resultados experimentales para el volumen de las muestras, medidos por inmersión en tolueno, fueron representados matemáticamente considerando que la variación respecto al volumen inicial era una función lineal del contenido de humedad del producto. No se encontraron diferencias estadísticamente significativas entre los parámetros del modelo (coeficientes de variación menores al 10%) en el rango de velocidades de aire consideradas en el estudio. Finalmente se realizaron estimaciones usando un modelo matemático en el cual se consideró simultáneamente efecto de la velocidad y la temperatura sobre las cinéticas de contracción. Las estimaciones mostraron buenos resultados respecto al ajuste del modelo a los datos experimentales (coeficiente de determinación mayor al 99%, error medio relativo menor al 5%).

Palabras clave: encogimiento, variación de volumen, deshidratación.

1. Introducción

La pulpa de los frutos de mango (Mangifera indica L.) puede llegar a presentar grados de encogimiento mayores al 60% cuando es sometida al proceso de secado por aire caliente, lo cual afecta considerablemente la estructura y calidad del producto final. Este cambio de volumen que experimenta el material puede ser representado en función del contenido de humedad y de las condiciones de operación. Las expresiones matemáticas obtenidas permiten considerar, dentro de los modelos matemáticos que predicen la cinética del proceso, el efecto de la variación del volumen sobre los fenómenos de transporte (Clemente et al., 2011), especialmente en productos con un alto contenido de humedad como es el caso de las frutas y las verduras (Katekawa & Silva, 2006).



El objetivo del presente trabajo fue estudiar el encogimiento de cubos de mango (Mangifera indica L. var. Tommy Atkins) durante el secado por aire caliente evaluando la variación de volumen a lo largo del proceso en diferentes condiciones de velocidad y temperatura del aire de secado.


Procedimiento experimental

Los frutos de mango maduro (Mangifera indica L. var. Tommy Atkins) utilizados en este estudio fueron obtenidos de un mercado local de São José do Rio Preto (São Paulo, Brasil). De los frutos se prepararon cubos de 25 mm de lado. Una vez cortados, los cubos fueron envueltos en film plástico y almacenados en recipientes herméticos a 5 °C hasta su utilización.

Los cubos de mango fueron deshidratados en un secador convectivo de bandejas perforadas a temperaturas de 40, 50, 60, 70 y 80 °C y velocidades de aire de 1, 2, 3 y 4 m s−1. Las muestras de mango deshidratado fueron tomadas a diferentes condiciones y diferentes tiempos de secado, con el propósito de obtener 15 muestras a diferentes contenidos de humedad durante el proceso.

En cada una de las muestras se determinó el volumen real según el método descrito por Zogzas et al. (1994), en el cual se utiliza un dispositivo para medir el volumen de tolueno desplazado por las muestras. Posteriormente se determinó el contenido de humedad de acuerdo al método oficial 934.06 de la AOAC (1997).

Evaluación del efecto de las condiciones de secado sobre la variación de volumen

Los resultados experimentales para el volumen de las muestras fueron representados matemáticamente, para cada una de las condiciones del proceso, considerando que la variación respecto al volumen inicial era una función lineal del contenido de humedad del producto (Ec. 1) (Katekawa & Silva, 2006).

V W

a bV W0 0

(Ec. 1)

En la Ec. (1) W0 (kg kg‐1 base seca) es el contenido de humedad promedio al inicio del proceso, V0

(m3) es el volumen del producto al inicio del proceso y V (m3) el volumen del producto cuando el proceso se desarrolla hasta alcanzar un contenido de humedad final W.

Con el fin de mejorar las estimaciones, se evaluó un modelo matemático en el cual se consideró simultáneamente efecto de la velocidad y la temperatura sobre las cinéticas de contracción. Para establecer los términos de dicho modelo se utilizó el procedimiento “selección de modelos de regresión” del software estadístico Statgraphics® Centurion XV (Statpoint Technologies Inc., Warrenton, VA, USA). A través de este procedimiento es posible seleccionar los mejores modelos de regresión que incluyen diferentes combinaciones de las variables independientes (temperatura y velocidad del aire de secado) (Telis‐Romero et at., 2011).


El cambio del volumen y la deformación de las muestras cúbicas de mango (Mangifera indica L. var. Tommy Atkins) durante el proceso de secado fue importante, tal como puede observarse en la



Figura 1. Las muestras alcanzaron grados de encogimiento mayores al 60% al final del proceso a diferentes condiciones de velocidad y temperatura de secado.

Los resultados de las estimaciones para el modelo lineal (Ec. 1), que se presentan en la Tabla 1, muestran que dicha ecuación ofrece una precisión limitada en la estimación de los datos experimentales, ya que los valores del coeficiente de determinación ajustado (R2

adj) y del error medio relativo (MRE) presentan un promedio de 0.958 y 4.0%, respectivamente.

Figura 1. Evolución del cambio de volumen en cubos de mango durante el proceso de secado convectivo a 60 °C y 4 m s‐1

Tabla 1. Parámetros identificados y resultados de las estimaciones para el modelo lineal (Ec. 1)

Velocidad (m s‐1) Parámetros*

R2adj MRE (%)

a b

1 0.360 0.640 0.954 4.3

2 0.352 0.654 0.955 4.1

3 0.345 0.660 0.957 4.0

4 0.342 0.648 0.964 3.7

cv (%) 2.4 1.3

* Parámetros estimados simultáneamente para todas las temperaturas (40, 50, 60, 70 y 80 °C)

A partir del análisis de regresión múltiple se pudo establecer un modelo que ofrece una mejor representación de la información experimental. El modelo propuesto (Ec. 2) incluye solo tres parámetros, es función tanto del contenido de humedad inicial (W0, kg kg

‐1 b.s.) y final (W, kg kg‐1 b.s.) del producto como de la temperatura del aire de secado (T, °C) y, al igual que el modelo lineal, no presenta dependencia con la velocidad.

V W W

a b cTV W W0 0 0

(Ec. 2)

Los resultados de las estimaciones para el modelo propuesto (Tabla 2), muestran que la Ec. (2) representa adecuadamente los datos experimentales (R2

adj promedio igual a 0.997 y MRE promedio igual a 1.2%). La correlación entre los datos experimentales y estimados mediante el modelo propuesto se presenta en la Figura 2.



Tabla 2. Parámetros identificados y resultados de las estimaciones para el modelo propuesto (Ec. 2)

Velocidad (m s‐1) Parámetros*

R2adj MRE (%)

a b c

1 0.351 0.995 ‐5.409×10‐3 0.995 1.4

2 0.348 1.002 ‐5.581×10‐3 0.998 1.0

3 0.344 0.994 ‐5.602×10‐3 0.998 1.1

4 0.343 0.945 ‐5.070×10‐3 0.996 1.3

cv (%) 1.2 2.7 4.5 * Parámetros estimados simultáneamente para todas las temperaturas (40, 50, 60, 70 y 80 °C)

Figura 2. Datos experimentales y estimados mediante el modelo propuesto (Ec. 2)

Los coeficientes de variación (cv) menores al 5% indicaron que no existen diferencias estadísticamente significativas entre los parámetros de los modelos (Tablas 1 y 2), en el rango de velocidades de aire consideradas en el estudio, por lo tanto el efecto de la velocidad sobre el cambio del volumen del material podría considerarse despreciable. De este modo, el modelo propuesto podría definirse de forma general calculando el promedio aritmético para cada uno de los parámetros que se presentan en la Tabla 2.

Los resultados son comparables a los obtenidos por Panyawong & Devahastin (2007), en el secado al vacío y secado por vapor sobrecalentado a baja presión de zanahoria, y Katekawa & Silva (2007), en el secado convectivo de banano, donde la variación del volumen presentó una dependencia con la temperatura del proceso y el contenido de humedad del producto.

4. Conclusiones

Los cubos de mango (Mangifera indica L. var. Tommy Atkins), sometidos a procesos de secado con aire caliente entre 40 y 80 °C y entre 1 y 4 m s‐1, presentaron una variación de volumen importante



que alcanzó una variación hasta del 60% respecto al volumen inicial. El cambio de volumen fue modelado satisfactoriamente considerando una función de tres parámetros donde la variación respecto al volumen inicial era una función del contenido de humedad y la temperatura de secado. No se encontraron diferencias estadísticamente significativas entre los parámetros del modelo en el rango de velocidades de aire consideradas en el estudio. El modelo propuesto constituye una ecuación sencilla que puede ser utilizada dentro de los modelos matemáticos que predicen la cinética del proceso para incluir el efecto de la variación del volumen sobre los fenómenos de transporte.

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Tecnología de secado – Poster

Caracterización de plantas aromáticas: tomillo (thymus) y limonaria (cymbopogon)

Juan David Mejia Ciro, Sonia Lucia Rincón Prat, Patricia Cuervo‐Andrade Universidad Nacional de Colombia‐ Bogotá Colombia

Grupo BIOT [email protected], [email protected],[email protected]

1. Introducción

El principal objetivo de secar alimentos es el de preservar su vida útil mediante la extracción del agua que contienen. Esto se logra reduciendo la actividad de agua (Aw) del alimento a un valor que inhibe el crecimiento de microorganismos patogénicos y destructivos. Para caracterizar las diversas plantas aromáticas, se realizan una serie de procedimientos que identifican el comportamiento de éstas en los procesos de secado. ‐Cuando se fija una temperatura del aire circundante y se obtienen los valores de humedad de equilibrio para diferentes humedades relativas se encuentra la curva de sorción. [2] ‐Se entiende por “secado” la disminución de la humedad de un sólido mediante la interacción con un medio de menor humedad. La velocidad de secado se define entonces como la cantidad de agua que se retira por unidad de tiempo ( )

Donde: ΔX es la humedad ganada por cada kg de aire y es la variación en la masa de aire seco. La velocidad de secado no es la misma durante todo el proceso, es decir, que la eliminación de agua se realiza en una serie de etapas en las que la velocidad de secado es diferente. La representación gráfica de la velocidad de secado frente a la humedad del producto o frente al tiempo se denominan “curvas de secado”. ‐Cuando se requiere conocer el contenido de aceites esenciales en una planta aromática se usan diversos métodos, en el caso de este proyecto se usaran los métodos referenciados en la norma NTC 2686. ‐Existen diferentes métodos para medir e identificar el color de cualquier muestra, Utilizando el colorímetro minolta y usando el sistema coordenado L*a*b* y según la norma de referencia DIN 6174, se podrá caracterizar el color de la limonaria y el tomillo antes y después del secado [8].

2. Objetivos

Objetivo general: Realizar la caracterización de las plantas Tomillo (Thymus) y limonaria

(Cymbopogon) en términos de la obtención de: isoterma de sorción, curvas de secado entre 30 y

50 °C, contenido de aceites esenciales, contenido de humedad y medición del color.



Objetivos específicos:

‐Realizar los procedimientos de laboratorio necesarios para la obtención de una isoterma de sorción a la temperatura especificada. ‐Obtener las Curvas de secado de tomillo y limonaria a diferentes temperaturas entre 30 y 50°C. ‐Realizar el montaje experimental para conocer el contenido de los Aceites esenciales presentes en el tomillo y la limonaria antes y después del secado. ‐Conocer el contenido de humedad del tomillo y la limonaria antes y después del secado. ‐Medir el color antes y después del secado del tomillo y la limonaria como parámetros de calidad del producto.

3. Metodología

‐Para obtener las isotermas de sorción, se utilizará el método recomendado por el proyecto COS90, en donde se utilizan unas sales a diferentes concentraciones según la norma (DIN 50008). Estas sales garantizan que a una determinada temperatura darán atmosferas de humedad relativa conocida para la obtención de las curvas. En esta metodología se llevan las muestras a condiciones de Temperatura y Humedad controladas hasta llegar a peso constante; Se realizara el monitoreo del peso del producto. ‐Para la determinación del contenido de aceites esenciales se usarán muestras frescas y secas y se destilara según el método DAB 10, conocido como hidrodestilación, que consiste en calentar una mezcla de agua y el producto a destilar (Planta aromática), para obtener vapor que contenga los aceites esenciales. La medición de contenido de aceite por volumen se define como el aceite esencial por 100 ml g de material seco. Acorde con las unidades % (V/m) [4] ‐Para obtener las curvas de secado se utilizará un horno de convección forzada en el cual se secaran diversas muestras de los productos a temperaturas constantes entre 30 y 50ºC, monitoreando el peso y calculando la humedad de las muestras en cada determinado tiempo ‐Para conocer el contenido de humedad se utilizará el método del horno que consiste en dejar las muestras de tomillo y limonaria a 103 ± 2ºC durante 24 horas, luego se determinará la humedad la cual es la relación entre el peso del agua existente en el producto ( )y el peso de materia seca ( ).

‐Para la medición del color se escogerán muestras frescas y secas y se tomarán las mediciones con el Colorímetro minolta CR400, este equipo realiza la medición del brillo, la tonalidad y la saturación del color y estos tres parámetros del color se representan tridimensionalmente como se muestra en la Figura 2.



Figura 2. Representación tridimensional de parámetros de color. [4]

El sistema coordenado L*a*b* donde L representa el brillo, a y b identifican las coordenadas cromáticas puede ser presentado como se muestra en la Figura 3.

Figura 3. Cromacity diagram a* and b* [4]

Para determinar la diferencia de color se utilizará la norma DIN 6174, teniendo como parámetros de referencia las mediciones de color de hojas frescas. Una vez se tomen los datos se obtiene la diferencia de color (ΔE), éste parámetro muestra los grados de diferencia en el plano de la Figura 3.

Donde (ΔH) es la diferencia de tonalidad. Posteriormente se calcula (h*) ó valor de color el cual se presenta en grados como: 0º (Rojo), 90º (Amarillo), 180º (Verde) y 270º (Azul).

/ 4. Proyección de resultados

El desarrollo de este proyecto tendrá como resultado el conocimiento práctico y teórico del

secado convencional de Tomillo (Thymus) y limonaria (Cymbopogon). Esto con el fin de realizar



proyectos de optimización industrial sobre todo reduciendo costos en cuanto al consumo

energético que tiene el proceso de secado de estas plantas, garantizando calidad y productividad

en dicho proceso.

Actualmente en las industrias existen muchos procesos que se realizan a través de la experiencia

de las empresas y sus operarios en la elaboración de los productos, sin embargo estos procesos al

ser analizados detalladamente pueden revelar información que haga que los procesos industriales

se puedan mejorar.

6. Referencias

[1] JOACHIM MÜLLER AND ALBERT HEINDL “Drying of medicinal plants”, University of Hohenheim, Institute of Agricultural Engineering, D‐70593 Stuttgart, Germany [2] CAMILO ANDRÉS BAYONA ROA “Modelamiento matemático de un secador solar de plantas aromáticas”, Tesis de Maestría en Ingeniería Mecánica Universidad Nacional de Colombia Facultad de Ingeniería Bogotá, D.C., Colombia 2011 [3] FRANCELI DA SILVA; KIL JIN PARK; PEDRO MELILLO MAGALHÃES; AND MARINA POZITANO “desorption isotherms of calendula officinalis l.” School of Agricultural Engineering, State University of Campinas, [4] SANDRA PATRICIA CUERVO ANDRADE “Quality oriented drying of lemon Balm (Melissa officinalis L.)” Universidad de Kassel, 2010 [5] DANIEL S. CORDEIRO AND WANDERLEY P. OLIVEIRA “drying of medicinal plants: equilibrium moisture content and mathematical modeling of maytenus ilicifolia leaves” Faculty of Pharmaceutical Sciences – University of São Paulo. [6] A. MULERO “tema 6: fundamentos de secado” Escuela de Ingenierías Agrarias, Termodinámica y Termotecnia. [7] NORMA TÉCNICA COLOMBIANA NTC 2686 “Industria agrícola Especias, hierbas y condimentos. Determinación del contenido de aceite volátil. (Método de referencia)” ICONTEC. 1990‐02‐07 [8] DIN: “DIN 6174 :Farbmetrische Bestimung von FarbabstÄanden bei kÄorperfarben nach der CIELAB‐Formel. (Colorimetric evaluation of colour coordinates and colour differences according to the approximately uniform CIELAB colour space) 1979.



Curvas de secado e Isotermas de Sorción para Hierbabuena (Mentha Spicata L.) y Estevia (Stevia Rebaudiana B.)

Oscar Daniel Ballen, Patricia Cuervo‐Andrade, Oliver Hensel

Universidad Nacional de Colombia, Grupo Biot Universidad Kassel‐Alemania

[email protected]

Resumen En la cadena productiva de las plantas aromáticas y medicinales, el proceso de secado es uno de los más importantes, usado principalmente para la preservación. Se caracteriza por su alto costo y por el efecto que este produce en las plantas en términos de calidad. En este trabajo de investigación, se analizó el comportamiento de las plantas aromáticas y medicinales Mentha Spicata L. and Stevia Rebaudiana B. ante el proceso de secado convectivo con aire caliente, para encontrar los parámetros óptimos que permiten obtener productos de calidad con un bajo consumo de energía. Este estudio incluye las curvas de secado, que muestran la relación entre el contenido de humedad en el producto y el tiempo de secado, Evaluar el efecto de los parámetros de secado (temperatura y humedad) sobre el cambio de color en el producto. También se determinaron algunas curvas de isotermas de sorcion que relacionan el contenido de humedad en equilibrio de un producto específico bajo condiciones específicas de temperatura y humedad. Esta información es importante para el planeamiento del proceso de secado, almacenamiento, procesamiento, simulaciones entre otros. A partir de los resultados obtenidos para de la caracterización de plantas aromáticas realizado en el Departamento de Ingeniería Agrícola de la Universidad de Kassel se pudo determinas que para reducir el tiempo de secado los parámetros más convenientes de los casos aquí analizados son 40°C y 12% de humedad relativa en el aire de secado y que la composición química y la estructura del producto tienen un amplio efecto en el tiempo de secado. Los parámetros de secado de la Mentha Spicata L con los cuales se obtiene la menor diferencia de color son de temperatura de 40°C y 20% de humedad relativa. La Stevia Rebaudiana B. es más sensible a cambiar el color que la Mentha Spicata L en el proceso de secado. Palabras Claves:

Secado de plantas aromáticas, Mentha Spicata L, Stevia Rebaudiana, Curvas de secado, Isotermas de Sorción.



Isotermas de sorción y calor isostérico de sorción de raquis de banano

Henry A. Váquiro1*, Harvey A. Villa‐Vélez2, Consuelo Díaz‐Moreno3, Javier Telis‐Romero2 1Facultad de Ingeniería Agronómica, Universidad del Tolima (Ibagué, Colombia).

2Departamento de Engenharia e Tecnologia de Alimentos, Universidade Estadual Paulista, São José do Rio Preto (São Paulo, Brasil).

3Instituto de Ciencia y Tecnología de Alimentos, Universidad Nacional de Colombia Bogotá *Facultad de Ingeniería Agronómica, Universidad del Tolima, A.A. 546, Barrio Santa Helena, Ibagué


Resumen

Entre los residuos de la cadena productiva del banano, el raquis constituye el más importante de los obtenidos durante la etapa de postcosecha. Junto con el vástago de la planta de banano, es uno de los residuos lignocelulósicos de uso potencial en la producción de bioetanol, ya que ha mostrado buen rendimiento durante los tratamientos de hidrolisis para la obtención de azúcares reductores. Para evaluar las condiciones de almacenamiento y los requerimientos energéticos en el secado de este residuo se requiere del conocimiento de las isotermas de sorción y del calor isostérico de sorción. En este estudio, las actividades de agua y los contenidos de humedad de equilibrio de raquis de banano (Musa acuminata AAA cv. Cavendish enano) fueron analizados para determinar las isotermas de desorción a 50, 60 y 70 ºC, mediante el método gravimétrico con sales saturadas. El modelo teórico de GAB y los modelos empíricos de Halsey, Henderson, Oswin y Iglesias & Chirife fueron evaluados para representar las isotermas de desorción experimentales. La ecuación de Clausius‐Clapeyron fue utilizada para estimar el calor isostérico de sorción a partir del modelo de GAB, puesto que este modelo presentó el mejor ajuste entre los datos experimentales y estimados, con un error medio relativo menor al 11% y un coeficiente de determinación ajustado mayor al 99%. Las isotermas de desorción experimentales presentaron una disminución en el contenido de humedad de equilibrio cuando se incrementa la temperatura a una actividad de agua constante, un comportamiento que es comparable al de otros residuos de origen vegetal. Por otra parte, el calor isostérico presentó una disminución cuando el contenido de humedad se incrementa, mostrando valores cercanos a la entalpía de vaporización del agua pura a contenidos de humedad mayores a 0.3 kg/kg b.s. Palabras clave: equilibrio higroscópico, humedad de equilibrio, propiedades físicas.

1. Introducción

Entre los residuos de la cadena productiva del banano, el raquis constituye el más importante de los obtenidos durante la etapa de postcosecha. Junto con el vástago de la planta de banano, es uno de los residuos lignocelulósicos de uso potencial en la producción de bioetanol, ya que ha mostrado buen rendimiento durante los tratamientos de hidrolisis para la obtención de azúcares reductores (Brent‐Hammond et al., 1996; Velásquez‐Arredondo et al., 2010). Para evaluar las condiciones de almacenamiento y los requerimientos energéticos en el secado de este residuo se requiere del conocimiento de las isotermas de sorción y del calor isostérico de sorción (Chayjan et al., 2010).



El modelo teórico de GAB y los modelos empíricos de Halsey, Henderson, Oswin y Iglesias & Chirife son empleados frecuentemente para representar las isotermas de sorción de los productos alimenticios e agroindustriales (Rizvi, 2005). Estés modelos en conjunto con la ecuación de Clausius‐Clapeyron son empleados para estimar el calor isostérico de sorción a los diferentes niveles de humedad de equilibrio e temperatura (Caurie, 2006). Así, el presente proyecto tiene como objetivo principal determinar las isotermas de sorción y el calor isostérico del raquis de banano (Musa acuminata AAA cv. Cavendish enano) en las temperaturas de 50, 60 y 70 °C.


Procedimiento Experimental

El raquis del banano (Musa acuminata AAA cv. Cavendish enano) usado en este estudio fue obtenido por medio de proveedores de la región de São José do Rio Preto, Estado de São Paulo, Brasil. Una vez recibido en el laboratorio, fue removida la suciedad del raquis con agua destilada y se prosiguió con la retirada de la corteza verde para la preparación de las muestras. El raquis sin corteza fue cortado en cubos de 0.5×0.5×0.5 cm3 ± 0.1 cm3, guardado en bolsas plásticas y mantenido a 20°C por 24 horas para posterior uso en la investigación.

El contenido de humedad de equilibrio del raquis fue determinado en triplicado usando el método gravimétrico estático (Jowitt et al., 1987) en temperaturas de 50, 60, 70 °C y rango de actividad de agua de 0.020 a 0.853. Los pesos de las muestras fueron controlados hasta que el contenido de humedad no excediera el 0.1% del peso en base seca, margen asumida como punto de equilibrio (Telis et al., 2000).

Modelamiento de las isotermas de sorción

Las isotermas de desorción del raquis del banano fueron simuladas usando el modelo teórico de GAB (Ec. 1) y los modelos empíricos de Halsey (Ec. 2), Henderson (Ec. 3), Oswin (Ec. 4) e Iglesias & Chirife (Ec. 5). En los modelos, el contenido de humedad fue expresado en función de los parámetros: temperatura y actividad de agua (Anderson, 1946; Chen & Morey, 1989; Iglesias & Chirife, 1976).

m w w wX = X CKa 1 ‐ Ka 1+ C ‐ 1 Ka

(Ec. 1)

1c

wX = ‐exp a + bT lna

(Ec. 2)

1c

wX = ‐ln 1+ a a b + T

(Ec. 3)

1c

w wX = a + bT a 1+ a

(Ec. 4)

w wX = a + bT a 1 ‐ a + c

(Ec. 5)

donde a

w es la actividad de agua; X es el contenido de humedad de equilibrio (kg∙kg‐1, b.s); T es la

temperatura absoluta (K); a, b, y c son las constantes empíricas de los modelos (adimensionales). Los parámetros C y K del modelo de GAB (Ec. 1) pueden escritos como funciones de la temperatura:

0 m nC = C exp H ‐H / RT

(Ec. 6)



0 nK = K exp l ‐H / RT

(Ec. 7)

donde C

0 y K

0 son las constantes del modelo, H

m y H

n son el calor de sorción de la monocapa y

multicapa (kJ∙mol‐1), respectivamente , l es la entalpia de evaporación del agua (kJ∙mol‐1) y R es la constante de los gases ideales (kJ∙K‐1∙kmol‐1).

En la simulación fue empleado el programa estadístico y de análisis de datos Matlab® 7.1 (The MathWorks Inc., USA La bondad de ajuste del modelo a los datos experimentales fue evaluada mediante el coeficiente de determinación ajustado (R2

adj) y el error medio relativo (MRE) (Cárcel et al. 2007).

Determinación del calor isostérico de sorción del agua

El calor isostérico de sorción (Qst, kJ∙mol‐1) fue calculado a través de la ecuación de Clausius‐

Clapeyron (Ec. 8), usando el mejor modelo ajustado a los datos experimentales en las isotermas de sorción.

2w w

st

w

lna aRTQ = λ ‐ R = λ+

1 T a T

(Ec. 8)

De esta forma, derivando la actividad de agua con respecto a la temperatura del mejor modelo, puede ser calculado el Q

st vía analítica en el rango de humedad de equilibrio de estudio (Villa‐Vélez

et al., 2012), evitando así, la linearización entre Ln aw vs. 1/T como es descrito en el método

termodinámico estadístico (Rizvi, 2005).


Los resultados experimentales de las isotermas de desorción del raquis del banano en las temperaturas de 50, 60 y 70 °C son mostrados en la Figura 1. En la figura, pueden ser observadas curvas exponenciales del tipo III (Brunauer et al., 1940) características de productos celulósicos con alto contenido de agua (Rojas & Ortiz, 2011; Xie et al., 2011), donde también es observado que el contenido de humedad de equilibrio disminuye cuando la temperatura incrementa para una actividad de agua constante, indicando baja higroscopicidad por parte del producto (Quiévy et al., 2010; Villa‐Vélez et al., 2012).



Figura 1. Isotermas de sorción experimentales y calculadas empelando el modelo de GAB para las temperaturas de 50, 60 y 70 °C.

El modelo teórico de GAB y los modelos empíricos de Halsey, Henderson Oswin e Iglesias & Chirife fueron ajustados a los datos experimentales de las isotermas de sorción del raquis del banano. Los resultados del modelamiento junto con los límites inferior y superior del ajuste de cada parámetro, con un intervalo de confianza del 95%, son mostrados en la Tabla 1.

Tabla 1. Resultados de la simulación de las isotermas de desorción del raquis del banano

Modelo Parámetro Intervalo de confianza

(95%) R2

adj MRE (%)

GAB

Xm= 4.329×10‐2 kg∙kg‐1 b.s

C0=3.761×10‐5

K0=123.08

Hm=83.115 kJ∙kmol‐1

Hn =55.602 kJ∙kmol‐1

3.239×10‐2, 5.419×10‐2

‐1.781×10‐4, 2.533×10‐4

96.533, 149.63

66.321, 99.909

55.029, 56.174

0.997 10.5

Oswin

a=0.345

b=‐9.057×10‐4 (K‐1)

c=0.796

0.306, 0.385

‐1.020×10‐3, ‐7.911×10‐4

0.765, 0.827

0.995 21.3

Henderson

a=3.034×10‐2 K‐1

b=‐228.5 K

c=0.480

2.054×10‐2, 4.257×10‐2

‐261.85, ‐195.15

0.427, 0.533

0.983 31.6

Halsey

a=1.603

b=‐1.203×10‐2 K‐1

c=0.646

1.177, 2.028

‐1.335×10‐2, ‐1.071×10‐2

0.626, 0.667

0.995 14.0

Iglesias & Chirife

a=0.431

b=‐1.109×10‐3 K‐1

c=‐7.796×10‐3

0.318, 0.543

‐1.448×10‐3, ‐7.707 ×10‐4

‐1.467×10‐2, ‐1.262×10‐3 0.966 21.9



En la simulación, el modelo de GAB fue el que mejor representó los datos experimentales con un R2

adj igual a 0.997 y un MRE de 10.5%. El valor del parámetro Xm (4.329×10

‐2 kg∙kg‐1 b.s) muestra un

contenido de humedad de la monocapa característica de productos celulósicos y altamente higroscópicos (Iglesias & Chirife, 1995; Simbarashe et al., 2007; Xie et al., 2011). Los valores de la entalpia de sorción de monocapa (H

m) y multicapa (H

n) son similares a los reportados por Villa‐

Vélez et al. (2012) para el pedicelo del banano.

El calor isostérico de sorción se determinó a partir de la Ec. 8 usando la derivada parcial analítica de la actividad de agua con respecto a la temperatura del modelo de GAB (Ecs. 9 y 10).

2

mα = C ‐1 K ; β = 2 ‐C 1‐ X X K (Ec. 9)

w ww

w

dα dββa ‐ 1 ‐ αa

a dT dT=T α 2αa + β

(Ec. 10)

Los resultados de los calores isostéricos de sorción del agua del raquis del banano en las temperaturas de 50, 60 y 70 °C, para el rango de humedad de equilibrio entre 0.0 y 1.0 (kg∙kg‐ 1 b.s) son mostrados en la Figura 2.

Figura 2. Calor isostérico de sorción de agua del raquis del banano en función del contenido de

humedad de equilibrio

En la Figura 2 se observa que el calor isostérico disminuye cuando el contenido de humedad de equilibro aumenta, alcanzando valores próximos a la entalpia de evaporación de agua para valores de humedad arriba de 0.6 (kg∙kg‐1 b.s). Los altos valores del calor isostérico en humedades de equilibrio bajas, son indicativos de fuertes interacciones entre los componentes del material en el agua, lo que podría explicarse por la existencia de sitios polares altamente activos en la superficie del material (García‐Pérez et al., 2008; Simal et al., 2007; Timmermann et al., 2001). Estas estimaciones son comparadas con los reportados para materiales similares (Villa‐Vélez et al., 2012).



4. Conclusiones

Fueron obtenidas las isotermas de desorción del raquis del banano para el rango de temperaturas de 50‐70 °C, mostrando una tendencia típica para productos celulósicos. En la simulación de los datos experimentales, el modelo de GAB fue el que mejor se ajustó a los datos experimentales de las isotermas. A través de este modelo, fue calculado el calor isostérico de sorción del agua en función del contenido de humedad de equilibrio y la temperatura. Los resultados obtenidos en esta propiedad termodinámica son similares a los reportados por otros autores para este tipo de materiales.

Referencias

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Evaluación de los efectos en el proceso de secado sobre la calidad de la Stevia (Stevia Rebaudiana B.) y la Hierbabuena (Mentha Spicata) mediante la obtención de los parámetros físico químicos.

Frank J. García N., Sonia L. Rincón P., Patricia. Cuervo‐Andrade. Universidad Nacional de Colombia‐Sede Bogotá

Facultad de Ingeniería‐Grupo BIOT [email protected]

Resumen

En la producción de plantas aromáticas y medicinales como la Stevia Rebaudiana y la Mentha Spicata; el secado se utiliza como medio para preservar las características organolépticas y de calidad del producto, en su almacenamiento y vida útil en general. Dependiendo del uso final, se le dará un valor agregado a la planta. En la actualidad el proceso se está llevando a cabo de manera artesanal, basándose en la experiencia empírica y la inspección visual de los productores sin ningún tipo de control, por lo cual se busca mejorar y tecnificar el proceso de secado artificial con aire caliente, encontrando los parámetros más adecuados que permitan llevar el producto a un mejor estándar de calidad. La propuesta de investigación se plantea para determinar en laboratorio, las isotermas de sorción y la incidencia de cuatro temperaturas de secado (50°C, 60°C, 70°C y 80°C) para la Stevia Rebaudiana y (30°C, 40°C, 50°C y 60°C) para la Mentha Spicata y su influencia en la calidad, medida en las variables de respuesta: contenido de aceites esenciales, compuestos volátiles, análisis microbiológico y la variación del color. Los resultados esperados en este trabajo de grado es evaluar el tratamiento térmico más adecuado para el secado de la Stevia Rebaudiana y la Mentha Spicata; teniendo en cuenta: la menor variación en color, la menor pérdida de aceites esenciales y sus compuestos volátiles y el mejor trato que inhiba la propagación de Mohos y levaduras.

Palabras Clave: Secado, Isotermas, Aceites esenciales,



Proyecto de doctorado: Modelación y simulación del secado por aspersión de jugos de frutas

Alfonso Cubillos Varela*, Alexánder Gómez Mejía*, Aldo G. Benavides Morán** *Universidad Nacional de Colombia – Sede Bogotá, ** Universidad de Antioquia – Medellín

*[email protected], [email protected], **[email protected]

Resumen

El proceso de secado por aspersión (espray drying) se utiliza para convertir un líquido en polvo seco. Se basa en el contacto de las gotas del líquido con un medio secante como por ejemplo aire caliente. Los principales problemas de este tipo de proceso se relaciona con el aglomeración del producto en las paredes del secador y las características del producto al salir del proceso (calidad del producto). La calidad del producto seco se estima a partir de variables como la humedad final, el tamaño y la densidad de las partículas. Estas variables dependen principalmente de las condiciones de operación del proceso como la temperatura y flujo del aire de secado, así como los mecanismos de inyección de la materia prima. En este proyecto se utiliza la dinámica de fluidos computacional (CFD) para modelar y simular las condiciones del aire de secado y su relación con la gotas en el interior de la cámara, con el fin de relacionar las condiciones del proceso con las propiedades de calidad del producto seco. Palabras clave: secado por aspersión, modelación y simulación, dinámica de fluidos computacional (CFD)



A Comparative Review of Empirical Data for the Design of Innovative Maize Drying Systems in Kenya

Isaiah Etemo Muchilwa, Oliver Hensel

University of Kassel, Agricultural Engineering, Germany

Abstract

The economic significance of Maize (Zea mays L) cannot be overstated. It is widely consumed around the globe and forms a significant feed stock not only for human populations but livestock as well. It is rich in starch and oil products that have broad industrial applicability. It is for this reason that the drying characteristics for its preservation have been extensively studied and documented.

Timely and adequate drying is critical for the preservation of Maize at harvest. In the absence of primary data, the prediction of the drying is sometimes based on published empirical formulations. Significant errors in the estimation of the drying time have been reported. This study sought to determine the nature and the significance of the variability in maize drying predictions when cross ‐ border / experiment model applicability is assumed. The published empirical data showed sensitivity to changes in experimental methods, procedures and location, indicating that drying is governed more by local product, environment and process specific conditions. The standardisation of procedures and equipment for rapid on‐site profiling of product drying, as opposed to universal equation modelling, is recommended.

KEY WORDS: Thin layer modeling, water activity, concentration based diffusivity, Maize drying



Cinéticas de secado de raquis de banano

Henry A. Váquiro1*, Harvey A. Villa‐Vélez2, Consuelo Díaz‐Moreno3, Javier Telis‐Romero2 1Facultad de Ingeniería Agronómica, Universidad del Tolima (Ibagué, Colombia).

2Departamento de Engenharia e Tecnologia de Alimentos, Universidade Estadual Paulista, São José do Rio Preto (São Paulo, Brasil).

3Instituto de Ciencia y Tecnología de Alimentos, Universidad Nacional de Colombia (Bogotá,) *Facultad de Ingeniería Agronómica, Universidad del Tolima, A.A. 546, Barrio Santa Helena, Ibagué


Resumen

La biomasa residual producida en las explotaciones bananeras constituye una fuente importante de materiales lignocelulósicos que pueden considerarse como materia prima para la producción de bioetanol. Dentro de estos materiales el raquis constituye el residuo más importante del aprovechamiento de los racimos de bananos y, al igual que otras partes de la planta, es considerado como un material adecuado para la hidrólisis por sus altos contenidos de celulosa. A causa de alto contenido de agua (superior al 90%), el raquis es altamente susceptible a la degradación por reacciones bioquímicas y microbiológicas. En tal sentido el secado por aire caliente se utiliza como tratamiento previo a la hidrólisis de este material para facilitar su conservación, almacenamiento y transporte. El objetivo de este trabajo fue determinar la difusividad efectiva del raquis de banano (Musa acuminata AAA cv. Cavendish enano) y modelar las cinéticas de secado para predecir la evolución del contenido de humedad del producto durante el proceso de deshidratación. El modelo fue formulado considerando como lámina infinita la geometría del sólido, el transporte de humedad unidimensional por difusión líquida al interior del material y la transferencia de materia por convección forzada como condición de contorno. Fue implementado un algoritmo de optimización en un entorno computacional para identificar la difusividad efectiva, la cual fue evaluada como constante y como una función tipo Arrhenius dependiente de la temperatura.

El modelo fue validado usando curvas de secado experimentales a temperaturas de 50, 60 y 70 °C y velocidades de aire de 0.9 y 2.1 m/s. Los resultados del modelo que considera la difusividad efectiva dependiente de la temperatura mostraron un mejor ajuste a los datos

experimentales con un error medio relativo inferior al 5% y un coeficiente de determinación ajustado superior al 99%. Los parámetros de la difusividad efectiva fueron comparables con los reportados para otros materiales agroalimentarios.

1. Introducción

La biomasa residual producida en las explotaciones bananeras constituye una fuente importante de materiales lignocelulósicos que pueden considerarse como materia prima para la producción de bioetanol (Velásquez‐Arredondo et al., 2010). Dentro de estos materiales el raquis constituye el residuo más importante del aprovechamiento de los racimos de bananos y, al igual que otras partes de la planta, es considerado como un material adecuado para la hidrólisis por sus altos



contenidos de celulosa (Bilbao et al., 1989). A causa de alto contenido de agua (superior al 90%), el raquis es altamente susceptible a la degradación por reacciones bioquímicas y microbiológicas. En tal sentido el secado por aire caliente se utiliza como tratamiento previo a la hidrólisis de este material para facilitar su conservación, almacenamiento y transporte (Mujumdar, 2006; Prachayawarakorn et al., 2002).

El objetivo de este trabajo fue determinar la difusividad efectiva del raquis de banano (Musa acuminata AAA cv. Cavendish enano) y modelar las cinéticas de secado para predecir la evolución del contenido de humedad del producto durante el proceso de deshidratación.


Procedimiento experimental

El raquis del banano (Musa acuminata AAA cv. Cavendish enano) usado en este estudio fue obtenido por medio de proveedores de la región de São José do Rio Preto (São Paulo, Brasil). Una vez recibido en el laboratorio, el raquis fue lavado con agua destilada para remover la suciedad y se retiró la corteza. El raquis sin corteza fue cortado perpendicular al sentido de las fibras en discos de 10 ±0.02 mm de espesor. Posteriormente, los discos fueron cortados en cuadrados usando un sacabocados de acero inoxidable de 25×25 mm2.

Las láminas de raquis de banano (25×25×10 mm3) fueron deshidratadas en un secador convectivo de bandejas perforadas a temperaturas de 50, 60 y 70 °C y velocidades de aire de 0.9 y 2.1 m s−1.

Modelo matemático

La transferencia de materia a través del material fue definida a partir de la Segunda Ley de Fick, considerando que el principal mecanismo de transporte de agua es la difusión líquida, que el material es homogéneo e isótropo, que la difusividad efectiva permanece constante, que el sólido no experimenta deformación durante el secado y que el proceso es isotérmico (Castell‐Palou et al., 2011). Bajo estas consideraciones y asumiendo que la geometría de las muestras de raquis corresponde a una lámina infinita y que el transporte de agua ocurre principalmente en la dirección del espesor, la transferencia de materia unidimensional a través del material puede ser descrita por la Ec. (1) (Crank, 1975), donde Wx es el contenido de humedad local (kg kg‐1 base seca), t es el tiempo (s) y Deff es el coeficiente de difusión efectiva (m

2 s‐1).

2

2x x

eff

W WD

t x (Ec. 1)

Para la solución de la Ec. (1) se consideraron como condiciones iniciales y de contorno que la distribución de la humedad dentro del material al inicio del proceso era uniforme (Ec. 2), que existía simetría en la distribución de la humedad durante el proceso (Ec. 3) y que la humedad que alcanzaba la superficie se transportaba al aire de secado por convección forzada (Ec. 4).

00x t

W W

(Ec. 2)

0

0x

x

W

x (Ec. 3)



( 273.16)m s wx

eff ss

x L

h PMWD

x R T

(Ec. 4)

En las Ecs. 2‐4 W0 es el contenido de humedad inicial (kg kg‐1 b.s.), L/2 es el espesor de la lámina (m), hm es el coeficiente de transferencia de materia por convección forzada (m s‐1), Ps es la presión de saturación del agua pura a la temperatura del aire de secado (kPa), Mw es la masa molar del agua pura (kg kmol‐1), R es la constante universal de los gases ideales (m3 kPa kmol‐1 K‐1), T es la temperatura del aire de secado (°C), ρss es la densidad de la materia seca (kg m‐3), φ es la humedad relativa en equilibrio con el contenido de humedad del material en la superficie y φ∞ es la humedad relativa del aire de secado.

El modelo en derivadas parciales (Ec. 1) conduce a la Ec. (5), al ser resuelto por el método de separación de variables bajo las consideraciones antes descritas y ser expresado en términos del contenido de humedad promedio (Senadeera et al., 2003). En la Ec. (5) W es el contenido de humedad promedio (kg kg‐1 b.s.), We es el contenido de humedad de equilibrio a las condiciones del aire de secado (kg kg‐1 b.s.), Bi es el número adimensional de Biot para transferencia de materia (Ec. 6) y �n son los valores de las raíces positivas de � tan� = Bi.

2 2 2

0 2 2 21

2 exp( / )( )

( )

n eff

e en n n

Bi D t LW W W W

Bi Bi

(Ec. 5)

m

eff

LhBi

D (Ec. 6)

La formulación del modelo matemático fue completada usando relaciones para estimar el contenido de humedad de equilibrio del material, el coeficiente de transferencia de materia por convección forzada y las propiedades físicas del aire húmedo.

Identificación de la difusividad efectiva

La identificación del coeficiente de difusión efectiva, el cual fue considerado como constante (Ec. 7) y como una función tipo Arrhenius dependiente de la temperatura (Ec. 8), fue realizada usando la función “fminsearch” de Matlab® 7.1 (The MathWorks Inc., Natick, MA, USA), la cual emplea un algoritmo de búsqueda basado en el método simplex para encontrar mínimos locales de problemas no lineales, multivariantes y sin restricciones (Castell‐Palou et al., 2012).

constanteeffD (Ec. 7)

0exp273.16

aeff

ED D

R T

(Ec. 8)

El modelo fue validado usando curvas de secado experimentales a temperaturas de 50, 60 y 70 °C y velocidades de aire de 0.9 y 2.1 m s‐1. La bondad de ajuste del modelo a los datos experimentales fue evaluada mediante el coeficiente de determinación ajustado (R2

adj) y el error medio relativo (MRE) (Cárcel et al. 2007).




En la identificación de parámetros de la difusividad efectiva fue empleada información experimental de cinéticas de secado de láminas de raquis de banano a diferentes temperaturas y diferentes velocidades. En la Figura 1 se presentan las curvas de secado experimentales y las simulaciones obtenidas con el modelo cuando la difusividad efectiva se considera dependiente de la temperatura.

Figura 1. Valores experimentales y estimados para la evolución del contenido de humedad

adimensional a velocidades de secado de (a) 0.9 m s‐1 y (b) 2.1 m s‐1.

Los valores identificados para los parámetros del coeficiente de difusión efectiva fueron Deff = 3.6901×10‐10 m2 s‐1, cuando la difusividad se considera constante, y D0 = 4.569×10

‐7 m2 s‐1 y Ea = ‐19.734 kJ/mol, cuando la difusividad efectiva se considera una función de la temperatura (Ec. 8). Los resultados de la identificación de los parámetros del modelo (Tabla 1) muestran que se obtiene un mejor ajuste a los datos experimentales cuando se considera la difusividad efectiva dependiente de la temperatura (MRE promedio igual a 2.8%, R2

adj promedio igual a 0.994) en lugar de considerarla constante (MRE promedio igual a 7.6%, R2

adj promedio igual a 0.952).

De acuerdo a los valores identificados para la Ec. (8), la difusividad efectiva puede cambiar con la temperatura de secado de 2.9513×10‐10 m2 s‐1 a 4.5281×10‐10 m2 s‐1 a temperaturas de secado de 50 y 70 °C, respectivamente. De este modo, la difusividad efectiva se incrementa con la temperatura en el rango de condiciones estudiadas, un comportamiento típico en el secado de materiales de origen biológico (Saravacos & Maroulis, 2001). Adicionalmente, estos valores están dentro del orden de magnitud de los valores obtenidos por Motevali et al. (2012) y Suherman et al. (2012) para la difusividad efectiva en el secado convectivo de Zizyphus jujube Mill y Hibiscus sabdariffa.



Tabla 1. Resultados de la identificación de los parámetros de la difusividad efectiva

V (m/s) T (°C)

Difusividad efectiva constante

Difusividad efectiva dependiente de la temperatura

MRE (%) R2adj MRE (%) R2

adj

0.9

50 11.95 0.860 2.70 0.990

60 1.46 0.997 1.47 0.997

70 6.91 0.981 4.90 0.990

2.1

50 7.03 0.963 3.12 0.993

60 0.46 0.999 0.37 1.000

70 17.74 0.912 4.34 0.995

Al verificar el número de Biot para los valores de la difusividad efectiva y los valores de los coeficientes de transferencia de materia por convección forzada, para el rango de condiciones consideradas para el aire de secado, se concluye que la velocidad del proceso está controlada por los mecanismos de transferencia internos. Por lo tanto, en un nuevo enfoque para la formulación del modelo matemático podría asumirse la simplificación de resistencia externa a la transferencia de materia despreciable, con el propósito de incluir nuevas consideraciones que, cuando no se adoptan, tienen un efecto directo sobre la identificación de difusividad efectiva (Chen, 2007).

4. Conclusiones

Las cinéticas de secado de láminas de raquis de banano (Musa acuminata AAA cv. Cavendish enano) fueron simuladas con precisión usando un modelo difusivo en el cual el coeficiente de difusión efectiva fue considerado como una función tipo Arrhenius dependiente de la temperatura. Los valores para la difusividad efectiva calculada a partir de los parámetros identificados son comparables con los reportados para otros materiales de origen biológico. A partir de los resultados se sugiere que, en el rango de condiciones estudiadas, la resistencia externa a la transferencia de materia puede ser considerada despreciable, con el propósito de incluir nuevas consideraciones en el modelo.

Referencias

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VELÁZQUEZ‐ARREDONDO, H.I.; RUIZ‐COLORADO, A.A.; OLIVEIRA JR, S.: Ethanol production process from banana fruit and its lignocellulosic residues: energy analysis. En: Energy 35 (2010), P. 3081‐3087.


Modelamiento y Simulación ‐ Presentación oral

Simulación Computacional del Secado Solar G. Orlando Porras Rey, I.M., Dr.Sc.

Departamento de Ingeniería Mecánica. Universidad de Los Andes Cra. 1 este No. 19A‐40 Ofic. LM‐441. Bogotá, Colombia

Resumen El secado solar de productos es una técnica muy antigua que se basada en un alto grado de empirismo. Debido a la baja densidad superficial de la radiación solar, los secadores solares son de capacidad limitada y el proceso de secado es lento tomando típicamente varios días. Por otro lado, la energía solar es gratuita y está disponible para todos en cualquier lugar geográfico, en mayor o menor medida, pero siempre aprovechable. El secado solar es un proceso de preservación de bajo impacto ambiental y de bajo costo final en los productos. Se estima que la eficiencia térmica de los secadores solares está limitada por la ausencia de una teoría robusta de diseño que permita su optimización. Varios estudios muestran que los secadores solares desarrollados empíricamente desperdician la energía solar debido a defectos en la captura de la radiación y a fallas en la aerodinámica del aire sobre el producto. Se muestran algunos modelos computacionales del funcionamiento de los secadores solares de grado de complejidad variable pasando de modelos discretos sin efectos espaciales, por modelos unidimensionales pseudo‐estacionarios y terminando en modelos multidimensionales transitorios disponibles para ciertos tipos de secadores. Esto modelos pueden ser aplicados en el mejoramiento sustancial del desempeño de los secadores solares de diversos tipos e incluso a la optimización desde diversos enfoques mediante la generación de una teoría científica de diseño. Finalmente se presenta una serie de problemas relacionados con el secado solar que pueden ser resueltos mediante la simulación computacional.

Palabras clave: secado solar, optimización, modelado, simulación computacional.

1. Introducción

El secado solar de productos agropecuarios e industriales es una alternativa viable para pequeños y medianos productores. La radiación solar está disponible en todas las localizaciones geográficas y en la mayoría de ellas es aprovechable en alguna medida; es una energía renovable, inagotable y gratuita. El secado solar mecánico, i.e. con equipos secadores, es superior al secado directo al sol por cuanto es una operación más rápida, más eficiente en el uso de la energía solar, más efectiva en el nivel de humedad final del producto, provee mejores condiciones higiénicas –el producto es protegido contra la lluvia, el polvo, los insectos y otros animales–, demanda menos mano de obra, es ambientalmente amigable, requiere de una inversión inicial baja y tiene un impacto pequeño en el costo final de los productos. La energía solar en el secado de productos presenta inconvenientes tales como la baja densidad superficial de la fuente –que implica el uso de mayores áreas de terreno– y su naturaleza cíclica que limita la operación durante las horas nocturnas, a menos que se cuente con sistemas de almacenamiento de energía térmica o se utilicen sistemas de calentamiento híbridos con el apoyo



de electricidad, combustión de biomasa, de carbón u otros combustibles que garanticen aire caliente en los momentos que el sol no está presente. A pesar de su alto potencial de aplicación, los secadores solares no han sido ampliamente comercializados y su aplicación se hace mayormente en los países en vía de desarrollo. Una excepción notable de esta situación son los secadores solares tipo invernadero para la deshidratación de lodos generados por procesos de tratamiento de aguas residuales de comunidades de menos de 50,000 habitantes en países industrializados como Francia (Brison, 2010). En términos generales su selección, diseño, construcción y uso no se han estandarizado y se realizan sobre bases empíricas o intuitivas más que sobre un diseño científico y unos cálculos técnicos (Belessiotis & Delyannis, 2011). Sin embargo, algunos investigadores han usado la simulación computacional con diferentes grados de sofisticación para diseñar secadores solares con cierto éxito; aún así, todavía quedan muchos asuntos importantes por resolver.

El propósito de este trabajo es mostrar los resultados de la aplicación de la simulación computacional con modelos de diferente grado de resolución en el diseño y la operación de secadores solares. En particular se presentan algunas aproximaciones propias al problema de la optimización del funcionamiento de los secadores solares mediante simulación computacional y se plantean algunas rutas de investigación pertinentes, especialmente en el contexto de los países en vía de desarrollo.

2. Estado del arte de la simulación computacional del secado solar

La simulación computacional del secado solar se ha realizado con base en diversos modelos físicos donde se pueden identificar varios grados de resolución que van desde modelos discretos, unidimensionales y estacionarios, hasta modelos continuos, tridimensionales y transitorios. Las simulaciones buscan predecir las cinéticas de secado, la distribución de humedad en el producto final de acuerdo con su localización dentro del secador, las implicaciones del uso de diversos tipos de materiales de construcción en el secador, los efectos de variadas formas de ventilación, las distribuciones de velocidad, temperatura y humedad del aire dentro del secador, la influencia de las condiciones meteorológicas en el proceso, etc. En términos generales los modelos para el secado solar buscan describir el comportamiento del aire y del producto a secar en términos de sus intercambios de energía térmica y humedad. Cada tipo de secador tiene una forma ligeramente distinta de establecer estos intercambios. En relación con el mecanismo que genera el movimiento del aire que transporta la humedad evaporada en el producto fuera del secador, los secadores pueden ser de i) convección forzada o ii) natural o libre. Se denominan de convección forzada o activos o híbridos cuando un medio externo, normalmente un ventilador alimentado por energía eléctrica, empuja el aire sobre el producto. Los de convección natural o libre o pasivos usan la energía solar para generar el movimiento del aire a través de la flotación inducida por la reducción de densidad asociada al aumento de temperatura. Por otro lado, en términos de cómo llega la energía térmica al producto para producir la evaporación de la humedad, los secadores solares se pueden clasificar en i) directos o ii) indirectos. En los secadores de tipo directo o integral el producto absorbe la radiación solar sobre su superficie de tal forma que gana energía que produce la evaporación de la humedad; la denominación integral hace referencia a que todos los fenómenos ocurren en el mismo espacio dentro del secador. En los secadores de tipo indirecto o distribuido, el calor requerido para la



evaporación de la humedad es transportado por el aire que ha sido previamente calentado por la radiación solar en un colector independiente a la cámara de secado. Finalmente existe la posibilidad de que un secador funcione con la combinación de los principios de los secadores directos e indirectos; en este caso se denominan de tipo mixto. Una buena reseña de la tipología de la tecnología del secado solar se encuentra en (Ekechukwu et al., 1999). Cada tipo de secador debería ser modelado mediante un conjunto diferente de ecuaciones.

El modelo más sencillo que describe el fenómeno del secado es aquel que supone que el producto se seca uniformemente y se comporta como una capa delgada de material de tal forma que la razón del volumen de aire al volumen de producto es infinita (Ekechukwu, 1999). En tal caso, la variación del contenido de humedad X con el tiempo (la velocidad de secado) es proporcional a un potencial de secado que depende de las condiciones de humedad del aire y del producto (típicamente la presión parcial de la humedad en cada fase pv) e inversamente proporcional a una resistencia a la migración de la humedad dentro del producto debido a su estructura interna (1). Esta resistencia depende de la velocidad del aire sobre el producto, del tamaño y la forma del producto y de la difusividad de la humedad en el producto. En este caso, los datos experimentales del cambio de la humedad del producto en el tiempo son procesados en el computador para obtener mediante el método de mínimos cuadrados una correlación de tipo exponencial ya que la presión parcial del agua en el producto se puede expresar en términos de su contenido de humedad y, por lo tanto, la solución de (1) es una función exponencial. Así se identifica el coeficiente y el exponente de la ecuación que, se presume, serían independientes del contenido inicial de humedad del producto y, por lo tanto, aplicables a otras situaciones para predecir la evolución de la humedad. Este modelo se ha planteado especialmente para secadores de tipo directo o mixto de convección forzada.

(1)

Para secadores de mayor capacidad, como los de tipo tunel invernadero que son típicamente mixtos y activos, los modelos tienen en cuenta que la evolución del contenido de humedad es diferente para porciones de material ubicadas en diferentes posiciones a lo largo del secador (v.g. Condorí et al., 2003). En ese caso los modelos usualmente suelen ser unidimensionales, en el sentido del flujo del aire, y estacionarios a trozos en el tiempo. Esencialmente se usan cuatro ecuaciones: el balance de energía en el aire en la zona del colector, el balance de humedad del aire en la zona de secado, el balance de energía en el producto y un balance de energía en el aire. Estas ecuaciones se sintetizan en un sistema de dos ecuaciones diferenciales parciales para la temperatura y la humedad del aire en función de la posición dentro del túnel. La dependencia del tiempo se logra considerando la variación de la irradiación solar. Las ecuaciones se resuelven numéricamente.

A pesar de la buena capacidad predictiva del modelo precedente, quedan muchos detalles pendientes que la suposición de parámetros promedio constantes no permite estudiar. Por ejemplo, si las distribuciones de velocidad, temperatura y humedad del aire sobre el producto son uniformes o no y las correspondientes variaciones espaciales de la evolución del contenido de humedad del producto en la dirección transversal al flujo principal de aire. Por otro lado, en los secadores pasivos, la velocidad del aire no es estacionaria y depende fuertemente de la irradiación instantánea.



Para resolver estos asuntos, es posible desarrollar modelos bi y tridimensionales basados en las ecuaciones de la mecánica de medios continuos (balances de masa, cantidad de movimiento y energía) y resolver el conjunto acoplado de estas ecuaciones para todo tiempo y posición del espacio mediante el uso de paquetes comerciales o desarrollados en casa de los métodos de elementos finitos y/o volúmenes finitos.

Como ejemplo se tiene el caso de estudio del efecto del tamaño de la chimenea y su área transversal en el flujo, la humedad relativa y la temperatura del aire en un secador solar pasivo indirecto (Rodríguez et al., 2009). En este estudio bidimensional, se buscó determinar el efecto de la altura de la chimenea y su sección transversal en la velocidad del aire y la estructura del flujo (Figura 1). Las ecuaciones son la conservación de la masa (2), el balance de la cantidad de movimiento (3) y el balance de la energía (4) para el flujo de aire.

Figura 10 Geometría del secador solar pasivo indirecto estudiado. Fuente: Rodríguez et al., 2009.

· 0 (2)

· · (3)

· · (4)

Donde �, V, p, u, T son respectivamente la densidad, la velocidad, la presión, la energía interna y la temperatura del aire. Estas ecuaciones van acompañadas por la ecuación de estado de los gases ideales y la conductividad térmica y la viscosidad cinemática para el aire se expresan en función de la temperatura mediante el modelo de Sutherland. La fuerza externa por unidad de volumen f es la flotación del aire dentro del secador con respecto al aire ambiente. La condiciones iniciales son valores uniformes para todas las incógnitas y las condiciones de frontera son fronteras impermeables al flujo de masa y de calor en todo el cuerpo del secador y condiciones de flujo libre en las áreas de entrada y salida del secador. La irradiación se simula mediante un flujo de calor de magnitud constante en la superficie inferior de la zona denominada colector.



La solución de estas ecuaciones transitorias se realizó mediante el paquete ANSYS‐CFX donde se aplicó el modelo de transferencia de radiación discreta (DTRM). La simulación los resultados que se ilustran en las Figura 2 y 3 donde se observa la distribución de velocidad del aire para dos casos: el secador sin carga y con unas bandejas para el producto.

Figura 11 Evolución temporal y espacial de la temperatura dentro del secador sin carga. Fuente: Rodríguez et al., 2009.

En ambos casos se observa que el flujo de aire ocurre de una forma poco uniforme dentro del secador y, por lo tanto, sobre el producto. Hay formación de vórtices que no ayudan al proceso de secado pues estos disipan la energía cinética del aire y generan zonas frías y saturadas de humedad porque no hay renovación suficiente de la masa de aire. Adicionalmente se descubre que el fenómeno es pulsante. La velocidad y la frecuencia de pulsación dependen de la altura de la chimenea.

El anterior ejemplo, que no incluye un modelo de transporte de humedad, muestra el potencial del modelado fino asistido por el computador. Con estos resultados fue posible proponer un cambio en la geometría que mejorara las deficiencias mencionadas.



Figura 12 Evolución temporal y espacial de la temperatura dentro del secador con bandejas. Fuente: Rodríguez et al., 2009.

3. Áreas de investigación pendientes

Con estas simulaciones computacionales es posible acercase a la optimización de secadores solares. Es muy probable que la optimización demande incluir también técnicas de inteligencia artificial como los algoritmos genéticos y las redes neuronales para determinar las configuraciones ya sea más eficientes, más productivas o con producto final más homogéneo en humedad.

Otras investigaciones han mostrado que los computadores puede ser usados también para establecer una distribución geográfica de potenciales de secado solar, como lo propone el trabajo de Altobelli et al. 2009, pues las condiciones de irradiación solar, temperatura y humedad ambientales establecen condiciones de secado que son mejores en unos lugares que en otros. Esto permitiría la promoción de la tecnología de secado solar allí donde las condiciones son más favorables. Para ello se requiere una descripción adecuada del clima en términos de modelos como el Año Meteorológico Típico (TMY, ).

Algunas ejercicios preliminares muestran que en función de los obstáculos geográficos y del comportamiento promedio de las condiciones meteorológicas, es posible optimizar la orientación de los colectores solares para capturar la mayor cantidad posible de radiación solar en una época determinada del año, durante las cosechas, cuando se requiere aplicar el secado solar más intensamente.

4. Conclusiones

Este artículo muestra algunas técnicas de modelado y simulación computacional de diferentes grados de complejidad para diferentes propósitos. Se lanza la tesis de que la simulación



computacional permite optimizar la eficiencia de los secadores, cuestión importante dada la baja densidad de la energía solar como fuente de estos sistemas. Se proponen algunas líneas relacionadas con la simulación computacional que deberían ser incluidas en el futuro trabajo de investigación y desarrollo.

Referencias

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Ingeniería Mecánica CIBIM9. Las Palmas de Gran Canaria, España, 2009. Vol. 6 Termotecnia –

termodinámica. P. 50‐61.



Control predictivo de secado: aplicación en el secado de arroz paddy

Alfonso Cubillos Varela*, Oscar Barrero Mendoza**

*Universidad Nacional de Colombia – Sede Bogotá, ** Universidad de Ibagué *[email protected], **[email protected]

Resumen Este artículo trata sobre la modelación y control del proceso de secado de arroz Paddy en silo inclinado, usando técnicas de control predictivo. Para esto, se usa un secador a escala 1:10, con capacidad de 25 kilos de grano, totalmente instrumentado donde se puede medir en línea la temperatura y humedad del grano de arroz y del medio ambiente. Además, permite medir y manipular el flujo y temperatura del aire de secado. Con el fin de diseñar el controlador se usa y valida un modelo dinámico basado en el principio de capa delgada. Finalmente se diseña e implementa la estrategia de control predictivo, conocida como DMC (Dynamic Matriz Control) la cual utiliza la respuesta paso y repuesta libre del sistema para estimar la acción de control óptima. Como consecuencia de este proceso se muestran resultados prometedores del uso de este tipo de tecnología en el secado de arroz Paddy, como son: reducir el tiempo de secado y consumo de energía, evitar el sobresecado, garantizar un secado homogéneo y por lo tanto mejorar la calidad del arroz y la productividad de la industria molinera de la Región. Palabras Clave: Arroz Paddy, Control predictivo DMC, Modelo Capa Delgada.

1. Introducción

Este artículo trata sobre la aplicación de una estrategia de control automático con el propósito de mejorar las condiciones del secado de productos agrícolas. Para esto se aplica una estrategia de control predictivo en el proceso de secado de arroz Paddy en silo inclinado. Para validar el modelo y la estrategia de control se utiliza un secador a escala 1:10 con capacidad de 25 kilos de grano, totalmente instrumentado donde se mide en línea la temperatura y humedad del grano de arroz y del medio ambiente. Así mismo, el sistema permite manipular en tiempo real la temperatura del aire de secado.

Como consecuencia de este proceso se obtienen resultados prometedores del uso de este tipo de estrategias en el secado en lechos fijos, como son: a) reducir el tiempo de secado, b) evitar la pérdida de masa por sobresecado, c) garantizar un secado más homogéneo y por lo tanto una mejora en la calidad del producto y la productividad en el proceso de secado.


En el proceso de modelización y diseño de cualquier controlador, es necesario realizar pruebas que permitan verificar el comportamiento real de los mismos. Sin embargo, para el caso del secado de arroz, realizar pruebas y experimentos en un secador industrial con 87.500 kilos de



producto, es costoso, lento y hasta peligroso. Por lo tanto, se hace necesario utilizar un secador a escala que permita realizar estas pruebas de forma rápida y económica.

Por este motivo, la Universidad de Ibagué construyó un secador a escala 1:10, con capacidad para secar 25 kilos de arroz paddy. La figura 1 muestra la geometría principal del secador utilizado para realizar las pruebas.

Figura 1 Modelo del secador y sus sensores (unidades en cm)

El secador recibe aire caliente a temperatura y flujo controlado, y permite registrar la temperatura y humedad del aire ambiente que actúan como perturbaciones del proceso. Así mismo, se miden las condiciones del grano, temperatura y humedad, durante el proceso de secado.

El desarrollo del proyecto se divide en dos fases: definición del modelo de secado y aplicación de la estrategia de control.

Modelo de secado de arroz

Para el análisis de la evolución de las condiciones del aire y del grano (temperatura y humedad) durante el proceso de secado en capa profunda, se han desarrollado diferentes modelos matemáticos. Cada uno de los modelos se basa en un balance de agua elemental: el agua perdida por el grano es igual al agua ganada por el aire.

Thompson (Thompson and Foster, 1968) desarrollaron un modelo matemático semiempírico que puede utilizarse para simular el secado de cualquier grano. El modelo realiza un balance de masa y energía, y considera la masa de granos de una capa gruesa como construida por capas delgadas de un grano de espesor, colocadas una sobre otras. Determinando el secado de una capa delgada, a través de balances de energía y masa, se puede estudiar el secado de la capa gruesa por medio de un proceso iterativo. De esta forma, se considera el lecho profundo de grano como una serie de



capas delgadas de grano superpuestas, donde la temperatura de secado (Ts) y la humedad relativa (HR) del aire a la salida de una capa es la de entrada de la siguiente (ver figura 2).

Figura 2 Simulación del secado de una capa gruesa de grano formado por varias capas delgadas

El secado de una capa delgada se establece por medio de ecuaciones que considera los cambios de

energía, humedad del grano y del aire de acuerdo a la figura 3.

Figura 3 Diagrama esquemático del proceso de simulación (Thompson,1970)

La figura 3 representa el paso de aire a una temperatura (T) y humedad relativa (HR) por una capa delgada de granos de espesor (dx), contenido de humedad (Ch) y temperatura (Tg), durante en intervalo de tiempo, t. En este intervalo de tiempo, cierta cantidad de humedad (∆Ch) se evapora de los granos y es llevada por el aire, que pasa a tener mayor humedad absoluta (HR + ∆HR). Al mismo tiempo, el aire disminuye su temperatura (T − ∆T) en forma proporcional al aumento de temperatura del grano, que va a incrementarse (Tg + ∆Tg). Hay 4 variables dentro del sistema (T, HR, Tg y Ch) y por lo tanto se necesitan al menos 4 ecuaciones para su solución, estas son:



Ecuación de Humedad de equilibrio: La humedad de equilibrio, es la humedad que alcanza un producto cuando se deja un tiempo relativamente largo, expuesto a temperatura y humedad relativa constantes. Este se genera principalmente por el equilibrio de las presiones de vapor del grano y del aire ambiente.

El contenido de humedad de equilibrio ( ), depende principalmente de la temperatura del aire

de secado (T), y la humedad relativa del aire ( ). Las constantes A, B, C, , , … , y se obtienen por experimentación y dependen del tipo de grano. Las siguientes, son las más utilizadas para arroz:

1. La ecuación de Henderson y Thompson es de la forma

M_eq

ln 1 HRA T C

B

100

(1)

2. La ecuación de Chung

M B A ln T C ln HR (2)

3. La ecuación de Roa

M a HR a HR a HR · e HR HR HR HR · T (3)

Ecuación de secado en capa delgada: Intenta definir matemáticamente el comportamiento de secado de una capa de granos basados en los mecanismos de difusión de masa, difusión térmica, flujos capilares y flujos hidrodinámicos.

La mayoría de las ecuaciones de capa delgada, se presentan en función del tiempo de exposición (t), de la humedad relativa ( ), de la temperatura del aire de secado (T), y de algunas constantes experimentales que dependen del tipo de grano, (m, n, . . . s). Otras ecuaciones, también utilizan la presión de saturación ( ), y la presión de vapor ( ). Entre las principales ecuaciones de capa delgada, se encuentran:

3 Fioreze y Roa (1976), para establecer los parámetros de las ecuaciones de secado en capa delgada, implementaron un procedimiento dinámico con el uso de un equipo que proporciona las condiciones deseadas de temperatura y humedad relativa del aire que circula por la cámara de secado.

^ (4)



4 La ecuación de Page basada en un modelo empírico, donde k y h dependen de la temperatura y humedad del aire de secado

^ · (5)

5 La ecuación de Byler, se presenta como

· · · · · · · · · (6)

El parámetro se conoce como relación de humedad y se utiliza para obtener la humedad final del grano (Ch ) conociendo la humedad inicial (Ch ), la humedad de equilibrio (M ) y el tiempo

de secado (t) por medio de la ecuación de Wang‐Singh.

(7)

Calor latente de vaporización: Para el arroz se define como la energía requerida para vaporizar la humedad contenida en el producto. Esta energía no es la misma al inicio y al final del secado, ya que si los contenidos de humedad del grano son bajos costara más extraer el agua del producto. El calor latente de vaporización (L), o entalpía de vaporización del producto, es función de la temperatura del grano (T ) y del contenido de humedad del grano en base seca (Ch ). La

ecuación de calor latente para de vaporización para el arroz determinada a partir de la expresión de Wang (1978) para el arroz es

1795,44 0,811 · · , (8)

Ecuación de Calor Específico: Se define como la cantidad de calor expresada por las kilocalorias para aumentar la temperatura de un kilogramo de producto en un grado centígrado. El calor específico de los alimentos puede ser expresado como la suma del calor especifico de la materia seca y el agua asociada a esta materia seca. El calor específico (Cp) para el caso del arroz, se rige por el contenido de humedad del producto (Ch) en base seca.

0,287 0,0091 (9)

Control predictivo

El control predictivo basado en modelos (MPC ‐ Model Predictive Control), se refiere a la clase de algoritmos que calculan una secuencia de la variable manipulada, con el fin de optimizar el comportamiento futuro del sistema. Este método de control genera estrategias que básicamente poseen la misma estructura y los mismos elementos:

• Uso explícito de un modelo para predecir la evaluación del proceso en los instantes futuros



• Minimización de una función objetivo

• Utilización de un horizonte de control finito y deslizante que implica el cálculo de la secuencia de control para todo el horizonte pero con la aplicación del primer dato de la secuencia

• La repetición de todo el proceso en el siguiente instante de la muestra

El controlador dmc (Dynamic matrix control) usa un modelo de respuesta ante entrada escalón de tal forma que se captura la dinámica del proceso, mientras que las perturbaciones se consideran constantes a lo largo del horizonte. La implementación de la estrategia de control predictivo en el sistema se resume en la figura 4. En esta figura se representan dos funciones de Matlab: “Repuesta Libre” y “Respuesta Paso” que calculan la salida predicha (f) y la matriz dinámica (G), respectivamente, utilizando el modelo no lineal obtenido en la sección anterior y las perturbaciones actuales medidas por el sistema, de esta forma se obtiene el comportamiento lineal del proceso. Es necesario realizar este cálculo en línea con el proceso a fin de tener en cuenta los cambios, generalmente bruscos, de la temperatura y humedad del ambiente que afectan drásticamente el proceso que se asumen como perturbaciones. Con la salida predicha y la trayectoria de referencia, se calcula el error futuro ( ); y con la matriz dinámica G, se utiliza la función “Optimizador” para calcular la siguiente entrada al proceso (u). Este valor de control se envía al “Secador” real y después de un periodo de tiempo específico, se leen de nuevo las señales del sistema perturbaciones) y se calcula la nueva repuesta libre y respuesta paso para repetir el ciclo

Figura 4 Diagrama esquemático del proceso de control predictivo en el secado de arroz


Para definir del modelo de secado es necesario especificar las ecuaciones y las constantes para cada una de ellas. Es así como en la literatura se encuentran diferentes parámetros dependiendo del lugar de origen del producto analizado, por ejemplo: Llanos orientales, Huila, California, Japón, Asia, etc.



Es así como es necesario realizar diferentes pruebas para confirmar la validez de los modelos encontrados. En cada prueba, se seca arroz en el sistema a escala modificando las condiciones del aire de secado, y se registran las variables del grano así como las atmosféricas durante la prueba. Las condiciones del experimento (aire ambiente y aire de secado) son luego alimentadas a los diferentes modelos matemáticos. Cada modelo se crea utilizando una combinación diferente de ecuaciones y constantes (120 en total). El resultado de cada modelo se compara con el obtenido en la planta a escala.

La figura 5 resume el error medio cuadrado (RMSE) obtenido al combinar las diferentes ecuaciones de equilibrio con las ecuaciones de capa delgada. De esta figura se puede concluir que para el sistema a escala construido, el modelo que mejor se ajusta es aquel que utiliza la ecuación de equilibrio de Hernderson y la ecuación de capa delgada de Page.

Figura 5 RMSE de los diferentes modelos a 35°C

Las figuras 6 y 7, muestra el comportamiento de la humedad del grano, utilizando una temperatura de aire de secado de 35°C y 40°C respectivamente. La señal con ruido, representa la humedad del grano registrada por el sensor en la planta (el ruido, es un problema implícito del proceso de adquisición) y la línea discontinua se obtiene del mejor modelo de secado.



Figura 6 Prueba de secado de Arroz a 35°C

Figura 7 Prueba de secado de Arroz a 40°C

Estrategia clásica de secado

La industria molinera actual utiliza como estrategia de secado, aplicar temperatura constante hasta alcanzar la humedad deseada. Este proceso es análogo a un controlador ON‐OFF, el cual es aplicado al sistema a escala de laboratorio.



El resultado se aprecia en la figura 8, donde se evidencia que el tiempo final para obtener la humedad deseada es de 15 horas aproximadamente. Además al realizar el análisis de laboratorio a este grano, se obtuvo un Índice de rendimiento de 55,45.

Figura 8 Respuesta del sistema ante la aplicación del control ON‐OFF

Implementación del controlador predictivo

La figura 9, muestra la respuesta del sistema con una curva de referencia tipo exponencial con tiempo de establecimiento de 10 horas. En esta figura se aprecia como la temperatura de secado, primero aumenta por un corto tiempo para aumentar la velocidad de secado; para luego descender lentamente hasta alcanzar la temperatura ambiente, reduciendo así los cambios bruscos de temperatura. Siguiendo de esta forma las recomendaciones planteadas en el secado para mejorar la calidad del grano y reducir las fisuras generadas en el proceso.

Al aplicar la prueba de calidad de molinería a el grano obtenido por esta estrategia de control, se obtuvo un índice de pilado de 57,2.



Figura 9 Respuesta del sistema a la aplicación del control predictivo

4. Conclusiones

Se demuestra que el control predictivo de secado es una técnica que permite reducir el tiempo de secado y alcanzar la humedad final deseada. Además reduce los efectos de la perturbación debidos a los cambios en la humedad y temperatura del ambiente durante el secado. Esto le permitiría a las empresas que utilizan lechos fijos de secado, mejorar su productividad al reducir tiempo en el proceso de secado, y evitar la pérdida de masa por sobresecado sin afectar las condiciones de almacenamiento del grano. Se presenta de esta forma un modelo y controlador que son implementables en la industria y que demuestra sus potencialidades.

El modelo de secado utilizando el concepto de capa delgada, humedad de equilibrio, transferencia de masa y energía, demuestra ser una estrategia que permite predecir el comportamiento del grano en este tipo secador.

Entre los principales problemas a resolver, esta la determinación y definición de curvas de secado que mejoren la calidad del grano. Pues el presente trabajo generó como referencia diferentes curvas de secado sin estudiar su relación con la calidad final del grano.

Referencias

JIA C.. Mathematical modeling and glass transition mapping for rice drying in a cross‐fow dryer. Transactions of the ASAE, 2002. Paper Number: 02‐6073 pp. 2‐7



KONG, Y.; CHA, C. Y.: NOx adsorption on char in presence of oxygen and moisture. En: Carbon 34 (1996), P. 1027‐1033

CAMACHO, E.F.; BORDONS C.: Model Predictive Control. Ed. Springler‐Verlag, London, 2nd ed. 2004.

ROSSITER J.A.: Model‐Based Predictive control: A practical approach. Ed CRC. Boca Raton, Florida, 1ra ed. ABEL, C.A. Determinación de parámetros y simulación matemática del secado de arroz. Universidad Surcolombiana. Neiva – Huila. Tesis de Grado, 1986.

RAMIREZ J.A.; LOZANO G.A.. Desarrollo de un software para el diseño y evaluación de costos de sistemas de secado estático para granos. Universidad Nacional de Colombia, Bogotá. Tesis de Grado, 1999.

MARQUÉS M.L.. Modelización de la Operación de secado de malta, por aire caliente, en lecho fijo y capa profunda. Universitat de Lleida, Salamanca (España). Tesis de maestría 2000.

PAGE C.. Factors influencing the maximum rates of air drying shelled corn in thin layers. Purdue University, Lafayette, IN. Tesis de maestría, 1949.



Modelación matemática de secadores de convección forzada Juan Eduardo Rolón Ríos, Sonia Lucia Rincón Prat, Patricia Cuervo‐Andrade

Facultad de Ingeniería Mecánica y Mecatrónica, Universidad Nacional de Colombia

Grupo BIOT [email protected]

Resumen

En la modelación matemática para el secado se tienen dos regiones, el producto y el medio circundante. La transferencia de calor y transferencia de masa pueden considerarse los fenómenos más importantes en el producto, no obstante se involucran también la deformación y el encogimiento del mismo (I.I. Ruiz‐López, 2011). Movimiento del fluido, transferencia de calor y masa (Ecuaciones de continuidad); son los aspectos físicos que se deben tener en cuenta para el medio circundante. Dependiendo del problema se pueden hacer ciertas simplificaciones. Como resultado de plantear las ecuaciones matemáticas que describen los fenómenos físicos involucrados en el secado en tres dimensiones, se obtiene un sistema de ecuaciones diferenciales no lineales. Este sistema de ecuaciones solo tiene solución analítica si se hacen una considerable cantidad de suposiciones y simplificaciones, tales como trabajarlas en una sola dimensión (I.I. Ruiz‐López, 2011). Una forma rápida de evaluar el funcionamiento de un equipo de secado es modelar solo el flujo sin cambios de temperatura o masa de este (Mirade, 2003). No obstante se tienen en cuenta fenómenos como la turbulencia, para ello se usa un modelo adicional compuesto por un grupo de tres ecuaciones diferenciales adicionales llamado k‐epsilon. Aunque no se tiene una descripción completa del fenómeno, se modela un parte importante de este. Debido a que no existe una solución analítica al grupo de ecuaciones que se desea analizar, es necesario buscar una solución numérica. Los métodos numéricos más usados para la solución de sistemas de ecuaciones diferenciales son: diferencias finitas, volúmenes finitos y elementos finitos (Mark Loriot, 1995). Se usó el paquete de librerías OpenFoam®, dichas librerías son de uso libre y abiertas. En estas librerías permiten dar solución a un grupo de ecuaciones lineales mediante el método de los volúmenes finitos. Finalmente la comparación de los flujos, modelados para diferentes geometrías de la cámara de secado, permitió determinara que un secador con flujo cruzado tiene la distribución de flujo más homogénea de las geometrías modeladas.

Palabras claves: Secado,

1. Introducción

Los aspectos físicos que involucra la modelación matemática en secadores se pueden clasificar en: Los que se refieren a el producto a secar y los que se refieren a el medio circundante (en general es mezcla de aire con agua). La transferencia de calor y transferencia de masa pueden considerarse los fenómenos más importantes en el producto, no obstante se involucran también la deformación y el encogimiento del mismo (I.I. Ruiz‐López, 2011). Movimiento del fluido, transferencia de calor y masa (Ecuaciones de continuidad); son los aspectos físicos que se deben tener en cuenta para el medio circundante. No obstante se puede simplificar el modelo dependiendo de las suposiciones, tales como: Tener un producto con propiedades constantes



(conductividad térmica, calor específico y difusividad), sin encogimiento; un medio circundante con flujo laminar, incompresible, entre otras.

Como resultado de plantear las ecuaciones matemáticas que describen los fenómenos físicos involucrados en el secado en tres dimensiones, se obtiene un sistema de ecuaciones diferenciales no lineales. Este sistema de ecuaciones solo tiene solución analítica si se hacen una considerable cantidad de suposiciones y simplificaciones, tales como trabajarlas en una sola dimensión (I.I. Ruiz‐López, 2011).

Una forma rápida de evaluar el funcionamiento de un equipo de secado es modelar solo el flujo sin cambios de temperatura o masa de este (Mirade, 2003). No obstante se tienen en cuenta fenómenos como la turbulencia, para ello se usa un modelo adicional compuesto por un grupo de tres ecuaciones diferenciales adicionales llamado k‐epsilon. Aunque no se tiene una descripción completa del fenómeno, se modela un parte importante de este.

Debido a que no existe una solución analítica al grupo de ecuaciones que se desea analizar, es necesario buscar una solución numérica. Los métodos numéricos más usados para la solución de sistemas de ecuaciones diferenciales son: diferencias finitas, volúmenes finitos y elementos finitos (Mark Loriot, 1995). De estos tres métodos el que más se ha desarrollado en software es el método de volúmenes finitos (tanto en sotfwares comerciales como abiertos (ANSYS®, 2007) (ANSYS®) (OpenFOAM Fundation)), sin embargo en tiempos recientes la modelación de flujos se ha centrado en el método de los elementos finitos y los métodos libres de malla.


El paquete OpenFoam está diseñado para la solución de sistemas de ecuaciones diferenciales. El método numérico empleado por OpenFoam para la solución de dichas ecuaciones es el de volúmenes finitos, este paquete permite que se usen diferentes tipos de malla (estructurada o no estructurada). Se elige este paquete por dos motivos: está escrito en c++ y es de código abierto (OpenFOAM Fundation), permitiendo realizar cualquier modificación al mismo, para así adaptarlo a la simulación del flujo en el interior de cualquier cámara de secado.

A través de OpenFoam se implemento la solución de las ecuaciones de continuidad:

Masa

· 0

Momento

· 0

No se tendrá en cuenta la ecuación de la energía, debido a que lo que se pretende evaluar es la distribución del fluido en la cámara de secado, el término turbulento se resuelve con el método k‐epsilon (En OpenFoam viene incluida la implementación de este método).



Se mostrara a través de la simulación del flujo que el diseño de la cámara de secado, es una variable importante para obtener un secado homogéneo. Se hace la simulación un diseño interno de cámara de secado, en si es un secador de lecho fijo. Es decir en este secador el producto no se mueve, contrario a lo que ocurre en un secador de lecho fluido (Christian Fyhr, 1999) . Se pretende evaluar y mostrar que si no se diseña de forma adecuada este tipo de secadores, estos no funcionan en forma adecuada, y la suposición que el flujo atraviesa el producto no es del todo cierta.


Para un secador dividido internamente en dos (figura 1), el campo de velocidades muestra que el viento no atravesaría le producto a secar, por el contrario secaría solo parte de este y tendería a secar más la parte del producto que se encuentra al final de la cámara de secado (figura 1 y figura 2), por tanto es necesario proponer formas en las que este flujo se pueda distribuir de forma homogénea por toda la cámara de secado.

Figura [1], Campo de velocidades para el secador 2, t=50seg

Figura [2], Campo de velocidades para el secador 2, t=400seg



4. Conclusiones

Es necesario rediseñar la forma de la cámara de secado para que el flujo se distribuya de forma homogénea, es fácil pensar en unos deflectores o en cambios de sección los cuales obliguen a que el flujo atraviese el producto. Además el secado del producto en un secador de este estilo hace que existan gradientes de humedad bastante altos, esto genera dos efectos: No homogeneidad en el producto y pérdida de masa no deseada.

Para una descripción más detallada del proceso es necesario añadir los procesos físicos restantes; es decir incluir la geometría que represente el producto a secar, añadiendo la transferencia de calor y de masa (debe hacerse tanto en el producto como en el aire). No obstante al añadir este tipo de ecuaciones aumenta la complejidad del problema, haciendo que este tipo de simulaciones deban ser hechas en un computador de gran capacidad de cómputo. Así mismo con una simulación que incluya estas ecuaciones, esta se podría validar fácilmente con datos psicométricos o con los balances termodinámicos pertinentes para este tipo de problema (Michael J. Moran, 2006). Fijo

Referencias

ANSYS®. ANSYS 14.0 Capabilities Brouchure. Flow in a Lid‐Driven Cavity. 2007.

Christian Fyhr, Ian C. Kemp. Mathematical modelling of batch and continuous well‐mixed fluidised bed dryers. En: Chemical Engineering and Processing. (1999), 38, págs. 11‐18.

I.I. Ruiz‐López, H. Ruiz‐Espinosa a, P. Arellanes‐Lozada, M.E. Bárcenas‐Pozos, M.A. García‐Alvarado. Analytical model for variable moisture diffusivity estimation and drying simulation of shrinkable food products. En: Journal of Food Engineering. (2011), 108, págs. 427‐435.

Mark Loriot, Lula Fezoui.: FEM/FVM calculations of comprensible flows on Meiko system. En: Future generation Computer System. (1995), Vol. 11, págs. 7‐18.

Michael J. Moran, Howard N. Shapiro. Fundamentals Enginnering Thermodynamics 5th ed. s.l. : John Wiley & Sons, Inc., 2006

Mirade, P.‐S.:Prediction of the air velocity field in modern meat dryers using unsteady computational fluid dynamics (CFD) models. En: Journal of Food Engineering. (2003), 60, págs. 41‐48.

OpenFOAM Fundation. User Guide.


Modelamiento y Simulación‐ Poster

Modelado y simulación de un secador a escala piloto para la deshidratación térmica de uchuva

Juan David Reyes F. a, Rubén Darío Godoy‐Silvab Universidad Nacional de Colombia,

Grupo de Procesos Químicos y Bioquímicos‐ Bogotá, Colombia [email protected], [email protected]

Resumen

Considerando las potencialidades de la uchuva colombiana como producto de exportación y la importancia de optimizar técnicas de conservación para dicha fruta, se estudió el desempeño de una cámara de secado directo a escala piloto utilizando dinámica computacional de fluidos con el modelo de turbulencia estándar κ‐ε. El diseño original del secador no generaba un secado homogéneo fundamentalmente causado por una distribución heterogénea del flujo de aire en la cámara de secado. Se encontró que un arreglo de difusores en serie, con ductos tubulares de 5cm de profundidad y 5mm de diámetro, genera una distribución mucho más uniforme y conveniente del flujo de aire para el secado eficiente de uchuva.

Palabras claves: Diseño conceptual, aire, velocidad, líneas de flujo, turbulencia, control.

1. Introducción En Colombia la uchuva se considera un producto prioritario de exportación [1]; desafortunadamente, su corto período de vida útil demanda el uso de métodos para su conservación. El secado directo con aire es una opción de interés industrial para la conservación de frutas, debido a la familiaridad y a la simplicidad de operación de los equipos [2]; sin embargo, el diseño de éstos es vital para un buen desempeño en el secado y para obtener calidad uniforme del producto procesado. La velocidad del aire al interior de la cámara de secado es una de las variables más importantes de diseño [3]; sin embargo, la determinación experimental de un valor representativo de velocidad puede resultar difícil debido a la compleja distribución de patrones de flujo de aire al interior de la cámara de secado. Para ese propósito la Dinámica Computacional de Fluidos (DCF) se presenta como una poderosa herramienta de análisis [4]. En esta investigación se propone utilizar la DCF para modelar un secador de frutas de escala piloto existente en las instalaciones del Laboratorio de Ingeniería Química de la Universidad Nacional de Colombia, sede Bogotá, y generar propuestas para su optimización.

2. Materiales y Métodos Para la determinación experimental de velocidad se usó un anemómetro de hilo caliente CEM DT‐8880. Para las simulaciones se empleó un computador Dell Precision T5500 que contaba con 8.00 GB de memoria RAM instalada y un procesador QuadCore de 4 núcleos, de 2,66 GHz cada uno. El software de simulación fueAnsys13® y el paquete Fluent®, con el modelo de turbulencia estándar κ‐ε, con el cual se han obtenido resultados representativos en este tipo de aplicaciones [5].



El modelo κ‐ε, se basa en el uso de ecuaciones semi‐empíricas para el cálculo de la energía cinética en régimen turbulento (κ) y la velocidad de disipación de energía (ε), mediante las cuales Ansys® puede realizar las iteraciones de los balances de materia y energía necesarios para el cálculo de las distribuciones de velocidad del aire en el equipo estudiado. Debido a la naturaleza empírica de estas ecuaciones, es necesario ajustar los parámetros de dicho modelo para que represente los valores de velocidad experimentales [6].

3. Resultados y Discusión En la figura 1 se presenta los resultados de una simulación en la que se muestra la distribución de perfiles de velocidad en diferentes zonas del secador piloto. El perfil experimental de velocidad en la entrada de la cámara de secado se muestra en la figura 2. De ambas figuras se deduce que el flujo del aire no es uniforme, como es deseable, y que la bandeja que contiene la fruta, la cual en el arreglo original se ubica a una altura z = 0,05 m, está en una región de mínima velocidad, por lo cual los datos de velocidad de secado, obtenidos a diferentes velocidades promedio, deben ser considerados con precaución. Para generar un secado homogéneo y mejorar la eficiencia del

secador, se estudiaron cambios en la geometría del equipo.

Figura 13. Distribución de velocidad de aire al interior de la recámara experimental de secado sin

difusores en m/s.



Figura 14. Contornos de velocidad a la entrada de la recámara experimental de sacado sin difusores, modelo de turbulencia κ‐ε.

En este trabajo se presenta una propuesta que incluye la instalación de una serie de difusores de aire para generar una distribución más uniforme de la velocidad de aire. Para optimizar el diseño y la distribución de los difusores, se usó la DCF con el modelo de turbulencia κ‐ε. Cada difusor de aire consiste en una serie de ductos tubulares, de un diámetro de 5 mm y una profundidad de 5 cm. Utilizando este arreglo se encuentra una distribución más uniforme y homogénea del flujo de aire, como se ilustra en la figura 3 y 4. Con este nuevo perfil la velocidad del aire que pasa por la bandeja es óptima.

Figura 15. Distribución de velocidad de aire al interior de la recámara experimental de secado con

tres difusores en serie.



Figura 16. Contornos de velocidad a la entrada de la recámara experimental de secado con tres difusores, modelo de turbulencia κ‐ε.

4. Conclusiones

La heterogeneidad del perfil experimental de velocidades al interior de la cámara de secado indica que su diseño es sub‐óptimo y que los datos de secado generados previamente en él deben ser analizados con cuidado si se usan con propósitos de escalamiento.

Mediante modelado por DCF, se determinaron modificaciones a la geometría del secador y las dimensiones óptimas de una serie de difusores que mejoran significativamente el perfil de velocidad al interior de la cámara de secado; las modificaciones propuestas son una alternativa prometedora para mejorar el proceso de deshidratación de uchuva por secado directo que requiere comprobación experimental.

5.Referencias 1. Ministerio de agricultura y desarrollo rural. Apuesta Exportadora Agropecuaria 2006‐2020.

Bogotá D.C. Colombia: Ministerio de agricultura y desarrollo rural: 2006. 2. Kudra T, Mujumdar A. Advanced Drying Technologies: Marcel Dekker, New York, 2002. 4p. 3. Bin X, Da‐Wen S. Applications of computational fluid dynamics (CFD) in the food industry: a

review. Comput Electron Agr. 2002; 34 (1). 5‐24. 4. Smolka J, Nowak AJ, Rybarz D. Improved 3‐D temperature uniformity in a laboratory drying

oven based on experimentally validated CFD computations. J Food Eng. 2010; (3). 373‐383. 5. Amanlou Y, Zomorodian A. Applying CFD for designing a new fruit cabinet dryer. J Food Eng.

2010; 101 (1). 8‐15 6. Yongson O, Badruddin I A, Zainal Z A, Narayana P A. Airflow analysis in an air

conditioningroom. Build Environ. 2007; 42 (3). 1531‐1537


Diseño de equipos – Presentación oral

Diseño y fabricación de secador solar de túnel tipo Hohenheim modificado para secado de almidón de sagú

Carlos Armando De Castro, Orlando Porras Rey

Universidad de los Andes [email protected], [email protected]

Resumen

Con el objetivo de acelerar el proceso de producción de almidón de sagú para la fabricación de achiras para pequeños productores en la región de Pasca, Cundinamarca, se hizo el diseño y fabricación de un secador solar basado en el diseño de túnel de la Universidad de Hohenheim en Alemania, modificado para incluir una chimenea para fomentar el flujo de aire en el interior por convección natural, adicionando además ventiladores para forzar el flujo aprovechando los paneles fotovoltaicos que se tenían en el mismo terreno para otro proyecto. Las medidas y geometrías del diseño se determinaron por medio de modelos matemáticos de los flujos de aire y calor con el objetivo de maximizar la colección de energía y el potencial de deshidratación del aire teniendo en cuenta las isotermas de desorción del almidón; el modelo se utilizó también para reducir las pérdidas de presión y garantizar el flujo de aire interior. El secador se construyó en madera ya que la idea era hacerlo con materiales y técnicas que los beneficiarios del proyecto puedan obtener y replicar fácilmente; una vez construido el secador se hicieron mediciones de temperatura dentro del mismo y pruebas de contenido de humedad de muestras de almidón secadas en la manera tradicional y la nueva, mostrando que en el nuevo diseño las muestras llegaban a menores contenidos de humedad en menor tiempo, acelerando el proceso y mejorando la calidad del producto.

Palabras clave: secador solar, almidón de sagú, modelo matemático

1. Introducción

Con el objetivo de acelerar el proceso de producción de almidón de sagú para la fabricación de achiras para pequeños productores en la región de Pasca, Cundinamarca, se hizo el diseño y fabricación de un secador solar basado en el diseño de túnel de la Universidad de Hohenheim en Alemania, modificado para incluir una chimenea para fomentar el flujo de aire en el interior por convección natural, adicionando además ventiladores para forzar el flujo aprovechando los paneles fotovoltaicos que se tenían en el mismo terreno para otro proyecto. Las medidas y geometrías del diseño se determinaron por medio de modelos matemáticos de los flujos de aire y calor con el objetivo de maximizar la colección de energía y el potencial de deshidratación del aire teniendo en cuenta las isotermas de desorción del almidón; el modelo se utilizó también para reducir las pérdidas de presión y garantizar el flujo de aire interior. El secador final se construyó en madera ya que la idea era hacerlo con materiales y técnicas que los beneficiarios del proyecto puedan obtener y replicar fácilmente; una vez construido el primer prototipo del secador se hicieron mediciones de temperatura dentro del mismo y con el modelo final pruebas de contenido de humedad de muestras de almidón secadas en la manera tradicional y la nueva, mostrando que



en el nuevo diseño las muestras llegaban a menores contenidos de humedad en menor tiempo, acelerando el proceso y mejorando la calidad del producto.

2. Materiales y Métodos En base al secador túnel desarrollado por la Universidad de Hohenheim en Alemania se ideó un diseño con chimenea integrada para inducir un flujo de aire por convección natural en el interior del secador. Se hizo un modelo matemático unidimensional para determinar los parámetros del secador que más afectan el potencial de secado del mismo (determinado en base a la humedad relativa del aire y su temperatura, las cuales afectan las isotermas de sorción‐desorción del producto a secar). Con las medidas se construyó un primer prototipo metálico para pruebas de concepto y por último el diseño final en madera para pruebas de secado con carga de producto.

Figura 1. Prototipo metálico (izquierda) y diseño final en madera (derecha).

Aprovechando las celdas fotovoltaicas de otro proyecto en el mismo terreno se instalaron ventiladores DC a la entrada del secador de madera para ayudar el flujo de aire.

Las mediciones se hicieron con un piranómetro Eppley para la radiación solar, y HOBOs para la medición de temperaturas y humedades relativas.

3. Resultados y Discusión Para el primer prototipo del secador hecho en acero se midieron las temperaturas y la radiación solar con el objetivo de observar la influencia en el potencial de secado. Con eso se hizo el secador definitivo en el cual se midió la humedad de dos tandas de producto comparando con el método tradicional utilizado.



Prototipo 1 ‐ Prueba 1:

Figura 2. Radiación solar y temperatura de la placa colectora.

Prototipo 1 ‐ Prueba 2:

Figura 3. Radiación solar medida.

y = 0,0449x + 26,945R² = 0,97

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 200 400 600 800 1000 1200 1400

Temp. p

laca (°C)

Radiación (W/m^2)

Tp vs Rad

Lineal (Tp vs Rad)

0,0

100,0

200,0

300,0

400,0

500,0

600,0

700,0

0 20 40 60 80 100 120

Rad

iación solar [W

/m^2]

Tiempo [min]

Radiación



Figura 4. Temperaturas medidas.

Figura 5. Humedades relativas medidas.

Prototipo 2 – Prueba 1:

20,0

22,0

24,0

26,0

28,0

30,0

32,0

34,0

36,0

0 20 40 60 80 100 120

Temperatura [°C]

Tiempo [min]

Colector

Salida

Ambiental

0,0

10,0

20,0

30,0

40,0

50,0

60,0

70,0

80,0

90,0

100,0

0 50 100 150 200 250

Humedad

relativa [%]

Tiempo [min]

Colector

Salida

Ambiental



Figura 6. Humedad del almidón, tanda 1.

Prototipo 2 – Prueba 2:

Figura 7. Humedad del almidón, tanda 2.

4. Conclusiones El secador desarrollado muestra una mejora sustancial respecto al método tradicional de secado del almidón, llegando al mismo valor de humedad del método tradicional en 25% menos del tiempo, y con humedad final en base húmeda de 25% en el método tradicional y 18% con el secador solar nuevo.

18,0%

20,0%

22,0%

24,0%

26,0%

28,0%

30,0%

3/10/2012 6:00 3/11/2012 6:00 3/12/2012 6:00

Humedad

base húmeda

Fecha y hora muestra

Secador solar

Tradicional

15,0%

20,0%

25,0%

30,0%

35,0%

Humedad

base húmeda

Fecha y hora muestra

Secador solar

Tradicional



Estos resultados muestran que la aplicación de los métodos de diseño y las tecnologías de secado solar ayudan a los procesos productivos del campo colombiano y tienen un amplio margen de aplicación. En particular, estos secadores son replicables por parte de los productores campesinos y no necesitan mano de obra calificada para ser construidos, por lo que la tecnología está al alcance de todos.

Referencias BALA, B.K. Solar Drying Systems: Simulations and Optimization. Udaipur, India. Agrotech Publishing Academy. 1998.

R. CORVALAN, M. HORN, R. ROMAN, L. SARAVIA (editores). Ingeniería del secado solar. CYTED‐D.

MORENO, P. Transferencia de tecnología de secado solar a productores de almidón de sagú en la región de Pasca, Universidad de los Andes, Departamento de Ingeniería Mecánica, Proyecto de Grado, 2010



Diseño de un horno de secado con condiciones controladas

P. Burgos Camacho, R. Baldión Bonilla, S. L Rincón Prat, P. Cuervo‐Andrade Universidad Nacional de Colombia

Grupo BIOT [email protected], [email protected]

Resumen

El proceso de secado es de vital importancia para la conservación y adecuación de diferentes productos para diversas aplicaciones. El secado se hace con el fin de remover en cierta medida el contenido de agua de estos productos, para evitar el crecimiento de microorganismos que degraden o afecten de manera indeseada las propiedades fisicoquímicas del mismo. De ahí la importancia en llegar a conocer las condiciones del proceso de secado óptimas a partir de las cuales se obtiene la mejor calidad de un producto o materia prima con propiedades específicas requeridas y deseadas por y para la industria. La determinación de las curvas de secado indica la cinética del proceso a la cual se consiguen diferentes propiedades y calidades de un producto, permitiendo establecer diferentes parámetros del proceso que garanticen la obtención de una calidad óptima. Por esta razón el grupo BIOT como grupo de investigación emprende un proyecto para establecer curvas de secado para distintos productos bajo diferentes condiciones de humedad, temperatura y flujo de aire en el proceso. En un comienzo se plantea tan solo para plantas aromáticas, pero con miras también a poderlo aplicar sobre otros productos, no solamente alimenticios. En la actualidad se encuentra una gran diversidad de hornos diseñados para secar productos, pero debido a su elevado costo de adquisición y la desventaja de no cumplir con algunos requerimientos de ingeniería deseados, se plantea el diseño y la construcción de un horno secador con fines investigativos con cualidades muy específicas. De esta forma se pueden comparar las características de un producto en función de la calidad obtenida bajo condiciones diferentes del proceso, determinando a la vez las condiciones ideales para alcanzar dicha calidad.

1. Introducción El grupo BIOT con el propósito de generar nuevos campos de investigación y desarrollo dentro del área de secado de productos agrícolas, aromáticos principalmente, se dio a la tarea de plantear un proyecto a partir del cual se pudiera experimentalmente establecer e identificar diferentes calidades de producto en función de las condiciones a las cuales se realizara el proceso de secado. Por tanto se planteó el desarrollo de un horno secador en el que las condiciones de operación (temperatura, flujo y humedad relativa del aire) fuesen controladas e invariantes en el proceso, a partir de las cuales se pudiese establecer experimentalmente las condiciones a las cuales un producto en particular, presenta la mejor calidad. Los resultados obtenidos en la investigación y experimentación tienen como objeto, poder ser extrapolados, escalados e implementados en procesos industriales en donde las cantidades de producción son mucho mayores. Consecuentemente es importante hacer notar que el hecho de identificar las condiciones óptimas del secado de un producto específico no quiere decir que sean las mejores en términos de rentabilidad y productividad al tratarlas de implementar en la industria, debido a los tiempos de secado, los costos energéticos en función de garantizar las condiciones de operación y en el tiempo requerido para el proceso. Sin embargo el hecho de establecer tales condiciones es un



primer paso a partir del cual se pueda mejorar la calidad de diferentes productos agrícolas con miras a ser más competitivos internacionalmente. A partir de los resultados obtenidos experimentalmente también se desea poder proponer modelos matemáticos de secado para productos específicos, de tal forma que puedan ser extrapolados, con cierto error, para productos con características y propiedades muy similares; lo que facilitaría la identificación de las condiciones de operación óptimas a las cuales se puede obtener la mejor calidad posible. Adicionalmente como requerimiento de diseño se planteo la posibilidad de mejorar el proceso en términos energéticos al hacer recircular el aire hasta que se sature o no modifique las condiciones del producto. Actualmente el proyecto se encuentra en la etapa final de diseño próxima a la fabricación del equipo en la que se siguió la metodología propuesta basada en el libro “Diseño y desarrollo de productos” de Karl Ulrich se definieron los requerimientos que el horno secador debe cumplir en estado de operación. Para ello fue necesario identificar y definir las entradas que se requieren desde el punto de vista de materias primas, energía y otros parámetros y restricciones de entrada que en conjunto a las salidas deseadas del prototipo permitiera adentrarse en la definición de las funciones principales que se deben satisfacer y garantizar. Lo anteriormente mencionado, se realizó con miras a proponer, evaluar y seleccionar la mejor combinación de tecnologías, conocimientos y dispositivos que en conjunto dieran la mejor solución a las necesidades y funciones de desempeño del equipo sujeto y restringido bajo los requerimientos del cliente. De esta forma se llegó a definir tal combinación que satisface de mejor manera la necesidad particular a partir de la generación de conceptos viables tecnológica y económicamente. Todo esto con miras a entrar en detalle en la selección y definición de equipos evaluando su factible implementación según criterios de manufactura, funcionalidad, ensamblabilidad y costos. El diseño de producto está orientado a solucionar necesidades particulares en áreas muy específicas del conocimiento, y por tanto se debe realizar un análisis del problema desde un ámbito teórico para luego poder plasmar una solución óptima y eficiente en la realidad. La forma adecuada para realizar este análisis de problemas siguiendo la metodología de generación y evaluación de conceptos, da las pautas que permiten visualizar el problema y descomponerlo con miras a tratarlo por componentes específicos, funciones o subsistemas y no como un todo, aunque en definitiva las diferentes soluciones a tales componentes se deben complementar y compenetrar para abarcar y cumplir la solución global definitiva a la necesidad planteada.

2. Métodos (Acondicionamiento y Principales funciones) Es de gran importancia mencionar que en un proceso de secado con condiciones controladas uno de los factores más importantes es el acondicionamiento de aire, y es por tanto que antes de entrar en detalle a hablar de los métodos empleados para garantizar los requisitos de diseño del horno que se debe hacer una breve explicación de las principales etapas que conforman el acondicionamiento. Según las condiciones de humedad relativa y temperatura ambiente, así como las condiciones deseadas a las que se quiere realizar el proceso que se identifica si se debe humidificar o deshumidificar el aire. En otras palabras si la humedad específica deseada es menor a la ambiente



lo que se debe hacer es deshumidificar el aire; si por el contrario la humedad específica deseada es mayor lo que se debe hacer es humidificar el aire. Adicionalmente, el calentamiento es otra etapa indispensable para garantizar condiciones de temperatura para llegar al punto de operación requerido. El trabajo conjunto entre deshumidifcación–calentamiento o humidificación–calentamiento es el que garantiza las condiciones finales del aire que yo quiero suministrarle o poner en contacto con el producto. Un proceso de enfriamiento también puede ser conveniente en el caso en que se desee secar con frío (temperaturas inferiores cercanas a la ambiente) aunque dentro del proyecto se rechazó esta opción debido a que el rango de operación del horno no aumentaba en gran medida y por el contrario los costos si lo hacían de gran manera. Adicionalmente el consumo energético haciéndolo con condiciones de frío no es práctico y tampoco factible de ser implementado dentro de la industria, siendo un factor determinante para dejar la opción de enfriamiento de lado. Otra condición de rechazo son los tiempos tan elevados del proceso al realizar el secado con condiciones a bajas temperaturas debido a la baja capacidad de absorción del aire a esas condiciones. Al centrarse en las principales funciones y requerimientos a garantizar, se identificaron las principales etapas del proyecto como se muestra a continuación:

‐ Diseño y construcción del horno secador. ‐ Determinación de curvas de secado de productos agrícolas a diferentes condiciones de

operación. ‐ Identificación de las condiciones óptimas de operación que ofrecen una calidad

superior. ‐ Proposición de modelos matemáticos.

‐ Determinación de la medida en que se puede aprovechar el aire al hacerlo recircular en el proceso.

2.1 Diseño y construcción del horno

Como punto de inicio en el desarrollo del proyecto, se identificaron los requerimientos, funciones y restricciones necesarias que el horno debe satisfacer. Los principales y el método o forma en que se llevarán a cabo son:

Control del flujo de aire A través de un ventilador centrífugo con variador de frecuencia se caracteriza el flujo de aire que ofrece en función de las revoluciones. Se tiene como limitante que dentro de la cámara de secado y más específicamente en las cercanías al producto a secar no se

desarrollen velocidades superiores a 1 en vista de que a mayores velocidades puede

haber material a secar en suspensión lo cual afectaría la medida de pérdida de peso (humedad) del producto.

Control de humedad y temperatura Cuando se requiera deshumidificar se optó por hacerlo por medio de secado con aire comprimido, dado que el control se facilita, el consumo es menor. Para esta fase se pretende adquirir un equipo secador por compresión desarrollado por la empresa Atlas



Copcos, el cual cuenta con un control de humedad y flujo. Este equipo baja la humedad ambiente más sin embargo no modifica la temperatura del aire, siendo la temperatura a la salida prácticamente igual a la de la entrada. Luego de bajar la humedad a la requerida le sigue un proceso de calentamiento el cual me garantiza el punto de operación deseado de temperatura y humedad relativa. En el caso de que se requiera humidificar el control se da en conjunto con el calentamiento en una planeación de las condiciones intermedias del proceso a partir de las cuales el control de humedad se da garantizando una condición de temperatura, luego una condición de saturación del aire seguida por otro calentamiento que da el punto final deseado de temperatura final y humedad relativo. La siguiente figura muestra más claramente el proceso llevado a cabo.

El control de humedad para el caso en que se requiere humidificar se da garantizando un flujo continuo de agua (tamaño de gota de menos de 100µm) mayor al que se requiere para saturar el aire a condiciones críticas de operación dentro del horno. El control de temperatura se da implementado sensores, valga la redundancia, de temperatura y el sistema de control es tipo On/Off.

Flujo paralelo entre las bandejas de producto Es una condicionante espacial que se satisface fácilmente geométricamente. Es una requerimiento importante en la medida que se busca mantener lo más homogéneas posibles las condiciones del producto dentro de la cámara de secado.

Figura 1 – Diagrama proceso de calentamiento y humidificación (Carta sicrométrica) (1) Condición inicial (ambiente) (2) Condición parcial calentamiento (3) Condición parcial humidificación (saturación) (4) Condición final – calentamiento final



Adquisición de datos en tiempo real El horno debe tener su sistema de control con sus respectivos sensores bien localizados que midan y registren condiciones de humedad y temperatura en puntos de interés donde se desea evaluar el desarrollo del proceso según vayan cambiando en el tiempo bajo parámetros propios del secado. Para ello se tienen sensores de humedad y temperatura de los cuales se registra su medición a través de una tarjeta de adquisición de datos, un computador.

Censado de tiempo real de peso del producto A partir de celdas de carga se desea medir la pérdida de peso en tiempo continuo con una gran precisión sin necesidad de que el operario tenga que manipular las bandejas del producto. La precisión se debe dar en el orden de 0.5g dado que es indispensable para escalar los resultados a nivel industrial.

Recirculación de aire:

Se garantiza por medio de Dampers movidos por motores a través de los cuales se permite cerrar el paso de aire haciéndolo circular por un mismo camino. En conjunto con los sensores y programación se da la salida o recirculación de aire en función de que se dé la saturación del aire o que la humedad del aire permanezca constante durante cierto tiempo o que no haya más pérdida de peso. Si se cumple alguna de las condiciones el Damper permite la salida del aire al ambiente y la entrada del aire acondicionado.

2.2 Determinación de curvas de secado de productos agrícolas a diferentes condiciones de operación. Como se mencionó anteriormente el proceso de censado de pérdida de peso se da a partir de celdas de carga (una por cada bandeja (3)). El equipo censa y registra cada cierto tiempo la medida y grafica el proceso llevado hasta el momento. Dada la sensibilidad de la celda de carga es indispensable hacer un tratamiento de datos dentro de un rango de tiempo al cual se le promedia y se establece la medida para un tiempo determinado. En etapas anteriores se evaluó la posibilidad de implementar celdas de carga en la medición en donde no se tuvieran errores en la medición mayores a 1g que se podrían dar por vibraciones por el paso de aire a través o en las cercanías del producto. Bajo los flujos que el horno manejará y la precisión requerida de la medida, se evidenció que la implementación de celdas de carga se puede dar sin ningún inconveniente para tales flujos. Es importante hacer notar que para mayores flujos (10 veces o más al permitido) la medición si se veía afectada en gran manera.

3. Resultados y Discusión En el proceso de diseño debido a las diferentes variables involucradas, algunas con correlación directa entre sí y otras de manera indirecta, así como restricciones geométricas y tecnológicas, condicionaron a que el diseño implementara dentro de sí ciertas características y equipos. La interrelación entre la funcionalidad de los diferentes sistemas del horno junto al objetivo de garantizar la función principal del horno fue la que permitió pasar de un planteamiento teórico a plasmar una solución física al proyecto. Teniendo en cuenta lo dicho anteriormente se tuvieron las



siguientes consideraciones dentro de los diferentes subsistemas del horno, principalmente los de acondicionamiento de aire, de tal forma que se facilitará la ensamblabilidad, funcionalidad, operación individual o conjunta, y el cumplimiento de los requisitos de diseño. En cuanto a la selección de equipos y tecnologías disponibles se tuvieron muchas relaciones a favor y en contra entre sí que luego de un proceso bastante extenso de evaluación, dio como resultado la escogencia de los siguientes equipos en el diseño según la función a cumplir. A continuación se muestran las principales consideraciones a tener en cuenta según etapa o subsistema y los equipos seleccionados: Calentamiento – debido a restricciones por parte de los sensores de humedad en cuanto a su capacidad de resistir altas temperaturas el diseño tuvo que ser acomodado a que el acondicionamiento de aire en etapas intermedias se diera en dos etapas y no en una etapa como lo muestra la figura 1. De esta forma no se alcanzan temperaturas tan elevadas y es posible implementar sensores de humedad y temperatura menos costosos e ideales para tal aplicación. Los sensores fueron un factor que condicionaron a que se tomara tal decisión, sin embargo no fue la única razón; el tiempo de acondicionamiento (calentamiento y humidificación) era mejor alargarlo de tal forma que se garantizará que el aire alcanzará condiciones de temperatura y humedad específicas que eran improbables que se lograsen en una sola etapa. Para el calentamiento se decidió hacerlo a través de resistencias eléctricas de superficie extendida por su alta eficiencia.

Humidificación – al igual que el calentamiento la humidificación se da en dos etapas de tal forma

que la absorción del agua

pulverizada o saturación del aire se

dé más fácilmente al manejar un

menor caudal de agua al que

requeriría una sola etapa.

Adicionalmente en las etapas de

humidificación se debe procurar

bajar la velocidad del flujo al

aumentar el área transversal del

paso de aire y también se debe

procurar que la disposición de la

aspersión se dé de tal forma que

sea en la misma dirección y sentido

Figura 2 – Resistencia eléctrica de superficie extendida

Figura 3 – Instalación típica de sistema de humidificación por aspersión



del flujo, para que las velocidades relativas entre el aire y el flujo de agua sean menores de tal forma que el agua tenga mayor tiempo de ser tomada. La opción seleccionada para realizar la humidificación fue por medio de aspersión tipo venturi por medio de aire. Deshumidificación ‐ se utiliza para lograr ambientes con humedades específicas menores a la de referencia, para ello se usa un compresor de tornillo, debido a su alta eficiencia pese a su alto consumo energético. El hecho de secar aire con aire comprimido es más eficiente que a través de un ciclo de refrigeración convencional debido que al aumentar la presión del aire, aumenta la temperatura de rocío, disminuyendo la energía necesaria requerida para condensar el contenido de agua en el aire del ambiente. El rango de operación del horno es altamente restringido para humedades menores, debido a las bajas temperaturas de rocío de estos puntos que producen una alta cantidad de agua solidificada. Para el sistema de deshumidificación se optó por la adquisición de un equipo secador de aire comprimido que seca a través de un sistema de refrigeración. Los equipos seleccionados previamente están sujetos a trabajar entre sí o complementarse para garantizar el acondicionamiento de aire a condiciones deseadas de operación a las cuales se quiere que el aire entre en contacto con el producto que se encuentran dentro del rango de operación que se muestra en la figura 5.

Figura 5 – Rangos de operación para el horno secador a 2600msnm (Bogotá). (1) DB: 16°C HR: 40 %.(2) DB: 16°C HR: 70%.(3) DB: 50°C HR: 70%,(4) DB: 100°C HR: 70%

Figura 4 – Secador de aire comprimido



(5) DB: 100°C HR: 0.7%.(a) Condiciones ambiente promedio para Bogotá DB: 17 HR: 66 (DB: Temperatura de bulbo seco)

4. Conclusiones

El sistema de pesado requiere una calibración periódica del sistema de censado de peso y de flujo de aire que garanticen obtener datos fiables.

El equipo no requiere de supervisión continua y dispone de tres mediciones de pérdida de peso en cada proceso de secado.

El sistema de deshumidificación representó el mayor porcentaje de costo y dificultad para definir dentro del proyecto. Se seleccionó finalmente el sistema de deshumidificación por refrigeración de aire comprimido, debido a que los otros sistemas no garantizaban su funcionalidad y estabilidad en parámetros de operación, tal era el caso del sistema por ciclo de refrigeración que requería un control critico en cuanto a lo que se refería a la producción de escarcha en los evaporadores que alteraba completamente la operación del equipo.

El equipo requiere un alto consumo de energía en las distintas etapas de calentamiento y el proceso de deshumidificación pues en el sistema de deshumidificación se requiere un compresor de alta capacidad. Adicionalmente al compresor, debido al filtraje de aceite y condensación de aire comprimido es indispensable el uso de filtros y trampas de condensado.

Referencias

- Handbook of industrial Drying, Taylor and Francis 2006, Chapter 26

- Drying Technologies in food Processing, Xia Dong Chen. Blackwell publishing 2008. Chapter 1

- Fundamentals of engineering Thermodynamics. Moran Shapiro 5 th edition Wiley. Pages

635‐660

- Diseño de Producto, Métodos y Técnicas, Alcalde Jorge, Universidad Politécnica de Valencia:

Alfaomega, 2004.

- Diseño y Desarrollo de Productos, Enfoque Multidisciplinario, Ulrich Karl, McGraw Hill

Interamericana, 2004.

- CYT PscyChart Software (sicrometría)

- Coolpack software (refrigeración)

- Statgraphics (manejo estadístico)



Diseño, construcción y puesta a punto de un secador dual solar – biomasa para plantas aromáticas

Martinez Olarte Wilmer A., Rincón Prat Sonia L., Cuervo‐Andrade Patricia

Universidad Nacional de Colombia‐ Bogotá Grupo BIOT

[email protected], [email protected], [email protected]

Resumen

Alrededor del mundo existen diferentes tipos de secadores que usan energías renovables para extraer la humedad de varios productos y así obtener características que faciliten el almacenamiento, el transporte, la extracción de aceites esenciales y la venta de esos productos. Colombia por su posición geográfica, su clima y su alta actividad agrícola es un país que permite realizar investigaciones en el campo del secado por lo cual en base a experiencias internacionales se diseña un secador solar indirecto tipo túnel y un equipo de calentamiento de aire por intercambio de calor con gases de combustión de cascarilla de café. Es de suma importancia controlar las condiciones del proceso para obtener buenas características del producto secado. Como premisas, el secador no debe permitir la contaminación del producto, debe facilitar la transferencia de energía entre los diferentes factores que intervienen y debe facilitar la manipulación del producto. Teniendo en cuenta que la fuente de energía solar no esta disponible continuamente durante el día siendo nula en las noches y que en Colombia la cascarilla es un subproducto del secado de café siendo de fácil consecución, se diseña una cámara para la combustión de cascarilla y un intercambiador de calor para el calentamiento del aire de secado cuyo fin fundamental es convertir la energía química de la biomasa en energía térmica en los momentos en que la energía solar no cumpla con la intensidad necesaria para realizar el proceso de manera adecuada. El equipo diseñado se instala en una planta de deshidratado de plantas aromáticas en la cual se cultivan y procesan diferentes tipos de dichas plantas, siendo un lugar apropiado para la realización de pruebas y estudios sobre el comportamiento del proceso en el secador diseñado y sobre el aprovechamiento de la energía tanto solar como la obtenida a partir de biomasa.

Palabras Claves: Túnel de secado, biomasa, energía solar, plantas aromáticas.

1. Introducción

Las hierbas aromáticas son plantas que concentran ciertas sustancias químicas en sus diferentes tejidos y órganos para aprovechamiento por parte del hombre [1]. Cuentan con una esencia o aceite bien sea en sus ramas, hojas o flores que las hacen desprender un aroma. En Colombia se producen y comercializan unas 156 especies de plantas medicinales y aromáticas [1].

El secado es un proceso basado en la disminución de la actividad acuosa de los alimentos para prolongar el período de vida útil de estos [2]. Consiste en extraer la humedad contenida en las partes útiles de la planta de una manera adecuada según las diferentes especies de tal forma que



no se pierdan o eliminen las sustancias aprovechables de la planta, además de facilitar su almacenamiento y comercialización.

Dentro del proceso productivo de las plantas aromáticas el secado es considerado critico ya que durante éste, se consume la mayor parte de la energía utilizada en la transformación del producto entre el 30 – 50% del costo total del procesamiento lo cual implica un continuo desarrollo en los procesos que conlleve al cumplimiento de estrictas normas para que las plantas aromáticas y medicinales cumplan las exigencias del mercado mediante el uso razonable de energía teniendo en cuenta la eficiencia energética del proceso y la influencia que el mismo tiene sobre el medio ambiente.

Colombia cuenta con agentes favorables para la producción de las plantas aromáticas y medicinales debido a la capacidad de producir permanentemente gracias a la diversidad climática y fácil adaptación de las especies foráneas de alto valor comercial [3]. Así mismo, en Colombia los cultivos están concentrados en sitios cercanos a las grandes ciudades, representando así una cercanía a aeropuertos y puertos marítimos que facilitan la búsqueda de mercados internacionales [1].

El crecimiento en la exportación de plantas aromáticas en Colombia, según exportaciones certificadas por el ICA (Instituto Colombiano Agropecuario) en el 2006 se exportaron 300 Toneladas de hierbas aromáticas y en el 2007 se obtuvo un crecimiento del 330% en las exportaciones llegando a 1379 Toneladas por un valor de un millón ochocientos mil dólares principalmente a Estados Unidos, Canadá y la Unión Europea [4].

Entre las diferentes formas de energía que son usadas por los equipos para el proceso de secado, sobresalen aquellos secadores que hacen uso de la energía solar y la combustión de biomasa como cascarilla de café, cascarilla de arroz, cascarilla de palma, entre otros, ya que además de favorecer y cumplir con el proceso de secado, ayudan a la conservación del medio ambiente y a la no dependencia de los combustibles fósiles.

Entre los distintos equipos de secado encontramos el llamado secador tipo túnel, el cual puede ser adaptado para usar los dos tipos de energía descritos anteriormente, alrededor del mundo existen varios prototipos de éste equipo que usan principalmente la radiación solar lo cual facilita la obtención de buena información para hacer el estudio necesario para el diseño. El diseño del secador dual solar – biomasa esta basado en la experiencia de la Doctora Patricia Cuervo Andrade1 en el secador tipo túnel de la universidad de Kassel – Alemania. Este tipo de secador presenta la ventaja de un secado uniforme sobre el producto total cargado en el secador lo cual no se presenta en otros tipos de secadores y genera mejor operatividad y menor personal durante el proceso de secado para lograr un buen producto final.

El secador dual solar ‐ biomasa para plantas aromáticas tiene un sistema de calentamiento de aire con combustión de biomasa. Se toma como combustible la cascarilla de café debido a que en la planta donde se construye el secador, se ha trabajado y adquirido durante varios años este tipo de biomasa y en Colombia es abundante y asequible.

1 Cuervo‐ Andrade Sandra Patricia. Dr.agr. Universidad de Kassel – Alemania. Ing. Agricola Universidad Nacional de Colombia




Se realiza una revisión bibliográfica de los procesos de secado y de las variables que se relacionan con el mismo, tomando como base el secador tipo túnel de la Universidad de Kassel ‐ Alemania. El funcionamiento del secador de plantas aromáticas posee fuentes renovables de energías como la radiación solar y la biomasa. En el equipo de combustión, el motor del tornillo alimentador de biomasa y el ventilador centrífugo que ingresa el aire al túnel son conectados a la red eléctrica nacional.

El secado involucra diferentes variables y parámetros que se deben controlar durante el proceso para obtener un producto de buena calidad y con buenas propiedades teniendo en cuenta que cada clase de planta aromática tiene unas condiciones de secado diferentes. Dentro de las variables que influyen directamente el proceso de secado se encuentra el circuito del aire de secado, la temperatura de secado, el flujo másico o caudal del aire, la humedad y temperatura del aire de secado, la ubicación del producto a secar, el tiempo de secado, humedad final requerida, las condiciones ambientales del sitio de operación, entre otros.

Existen curvas que ayudan a observar el comportamiento del proceso. Se identifican y se estudian las principales curvas que se relacionan con el proceso de secado y se observan los comportamientos en diferentes tipos de plantas.

Figura 1. Curvas de cinética de secado (Izq.) e Isotermas de adsorción (Der.) [6].

Con base en la bibliografía [5] consultada se realizan los balances de energía entre los elementos que conforman el secador tipo túnel y con ayuda de herramientas computacionales se simula el comportamiento de las variables involucradas en el secado obteniendo algunas tendencias del comportamiento del colector solar de acuerdo a variables de entrada pre establecidas.



Figura 2. Simulación colector solar. Gráficas Temperatura Vs Flujo másico de aire


Figura 3 Diseño final Secador dual solar – biomasa para plantas aromáticas

El secador diseñado esta basado en el secador tipo túnel Hohenheim de la universidad de Kassel. El secador dual solar‐biomasa usa dos fuentes de energía renovables, por una parte la energía solar es usada para producir energía eléctrica a través de un arreglo fotovoltaico y alimentar los 3 ventiladores axiales que ingresan el aire de secado al secador, esto implica una especie de autocontrol debido a que si la temperatura es elevada los ventiladores aumentan su flujo y disminuyen el tiempo de permanencia del aire en el secador para evitar que el producto se sobre caliente o queme. Debido a la radiación y a la transferencia de calor por convección forzada el aire



aumenta su temperatura al pasar por la superficie del colector de tal manera que al finalizar los 8 metros de longitud del colector solar, adquiere una temperatura que se debe ser la apropiada según el tipo de planta aromática, así pues ésta temperatura se debe monitorear y controlar en los puntos de contacto con el producto, es decir a lo largo de la cámara de secado donde se realiza la extracción la humedad del producto. La sección de la cámara de secado cuenta con 30 bandejas para la ubicación del producto y compuertas laterales para el cargue y descargue del material a secar. A su vez las compuertas tienen la función de permitir el flujo de aire en los casos que la temperatura al interior de la cámara de secado sea muy elevada y pueda dañar el producto. El quemador de cascarilla de café es el sistema alterno al uso de la energía solar cuando esta última tenga baja intensidad o en las noches para realizar un proceso continuo.

Tabla 1 Especificaciones del secador dual solar‐biomasa

Longitud 18

Ancho 2 Área de colector 16 Área de secado 20 Capacidad 2 – 10 / Flujo de aire 1000 CFM

El equipo se ensambla y se instala en la planta de deshidratado de una empresa comercializadora de plantas aromáticas ubicada en El Rosal – Cundinamarca.

Figura 4. Secador tipo túnel dual solar – biomasa instalado en El Rosal – Cundinamarca (Colombia)



Tabla 2. Consumo de energía

Elemento Potencia eléctrica Fuente

3 ventiladores axiales 180 W Energía solar – sistema fotovoltaico

Motor del tornillo alimentador 90 W Red eléctrica

Ventilador centrifugo 1,1 kW Red eléctrica

Finalmente de realizan pruebas con el producto cosechado en la misma planta, el objetivo es observar el comportamiento del secador con las condiciones ambientales de ese lugar y observar diferencias entre el producto secado en los equipos actuales de la planta y el producto secado en el secador dual solar ‐biomasa.

Figura 5. Producto secado con proceso actual (Izq.) Vs Producto secado en secador dual solar – biomasa (Der.)

Se observa claramente la diferencia en la calidad de los productos secos comparados. El producto secado con el proceso actual presenta gran pérdida de color y de estabilidad estructural debido al uso de temperaturas elevadas y no controladas obteniendo un producto quebradizo. El producto secado en el túnel dual solar – biomasa presenta mejores condiciones estructurales y de color lo cual mejora su comercialización y aprovechamiento.

4. Conclusiones El uso del secador tipo túnel dual solar – biomasa es una buena alternativa para el secado

de productos ya que brinda la posibilidad de obtener un producto con mejor calidad. El proceso representa bajos impactos al ambiente haciendo uso de energías renovables

como la energía solar y energía obtenida a partir de combustión de biomasa. La configuración del secador permite que el producto mantenga sus características

estructurares y de color. Se hace necesario incentivar la investigación para implementar nuevos procesos que usen

energías renovables como fuentes de funcionamiento y así reducir los daños causados al medio ambiente por los procesos de generación actuales.



Referencias CLAVIJO PORRAS, J. F. Producción de hierbas aromáticas. En: Primer congreso colombiano de horticultura. Bogotá, 2006, P. 219‐245. GARCÍA, S.; SCHMALKO, M.; TANZARIELLO, A.; Isotermas de adsorción y cinética de secado de

ciertas hortalizas y aromáticas cultivadas en misiones. En: Instituto Nacional de Tecnología

Agropecuaria. (2007).

OZCAN, M.; ARSLAN, D.; UNVER, A.; Effect of drying methods on the mineral content of basil. En:

Journal of food engineering. (2004).

INSTITUTO COLOMBIANO AGROPECUARIO.Pagina Web.

http://www.ica.gov.co/Noticias/Agricola/2008/Ultimos‐dias‐para‐que‐exportadores‐de‐hierbas‐

arom.aspx.Revisado: 15 de Marzo de 2011.

DUFFIE, J.A.: BECKMAN, W. A.: Solar engineering of thermal processes. Madison, Wisconsin,1980


Diseño de equipos – Poster

Diseño y construcción de una cámara experimental de secado

Juan C. Mahecha‐Godoya, Juan E. Rincón Pardob, Javier F. Rivera Hoyosc, Universidad Nacional de Colombia‐ Bogotá, Colombia.

Grupo de Investigación en Diseño de Máquinas – GIDMAQ [email protected], [email protected], [email protected]

Resumen

La deshidratación es una de las formas de conservación de productos hortofrutícolas más usadas. Sobre esta existen, en el momento, una gran cantidad de investigación enfocada sobre todo en la determinación de parámetros de secado. El propósito de este artículo es mostrar los pasos necesarios para el diseño detallado de una cámara de secado. Para cumplir con este, se dividió el problema en subproblemas de diseño y se identificó en cada uno el parámetro esencial, sobre el cual debieron aplicarse una serie de cálculos. Con estos datos se escogieron los equipos que componían la cámara experimental. Después de terminada la selección y comparar el rendimiento de la cámara contra las especificaciones iniciales se concluye que se optimizaron los conceptos claves y se eliminaron los conceptos que no aportaban al diseño.

1. Introducción La deshidratación es un tema con mucha investigación en este momento y uno de los métodos de conservación más populares. El agua constituye entre el 80 y 90 porciento del peso total de cualquier producto hortofrutícola [1]. Para que un producto pueda considerarse deshidratado o secado debe tener un porcentaje de agua con relación a su peso cercano al 2 o 3 porciento [2]. El secado más utilizado se realiza a través de convección, debido a que es el tipo de secador más simple y versátil disponible. Puede aceptar productos desde 1 a 50 milímetros de diámetro [3]. El propósito principal de las cámaras experimentales de secado es la variación de los parámetros principales del secado: la temperatura, la humedad y la velocidad del aire. El propósito del trabajo es evaluar la viabilidad para la construcción, hacer los diseños y manufacturar una cámara experimental de secado con capacidad para un kilogramo de muestra. La cámara debe ser capaz de alcanzar temperaturas hasta 100ºC, humedades relativas de hasta el 80% y velocidades de aire de hasta 5m/s.

2. Materiales y Métodos Para la evaluación de viabilidad y el diseño de los diferentes subsistemas de la cámara de secado se usó la metodología de diseño utilizada por el departamento de Ingeniería Mecánica y Mecatrónica de la Universidad Nacional de Colombia, documentada por Arzola de la Peña, Nelson [4]. El método requiere una serie de pasos para clasificar todos los problemas de diseño y poder encontrar aquellos que requieran especial atención. Dentro del desarrollo del método de diseño se generaron varias instalaciones experimentales, todas enfocadas en hacer mejoras a algunos componentes, dentro del diseño detallado del proyecto. Se realizaron pruebas de velocidad de aire para evaluar cómo debía ser la geometría de la entrada de



aire a la cámara de secado, y pruebas para evaluar la potencia necesaria para calentar aire dentro de sistema. Todo esto apoyado con simulaciones en software de elementos finitos. Para la construcción de la cámara experimental de secado se decidió utilizar materiales que no solamente fueran resistentes a la corrosión del aire caliente y húmedo, sino que fueran compatibles con la manipulación de alimentos. Se emplearon materiales tales como acero galvanizado y acero inoxidable para los componentes en contacto con el producto o el aire. Para la estructura encargada de sostener todas las piezas en posición se escogieron diferentes perfiles de acero estructural, referencia ASTM 36. En la Figura 1 se muestra el proceso de modelamiento de la cámara experimental de secado y el proceso de construcción de la misma.

Figura 17. (Izquierda) Imagen obtenida del modelador en 3D Inventor, y (derecha) proceso de construcción. Fuente: LOS AUTORES.

3. Resultados y Discusión Dado que uno de los objetivos del proyecto es que la cámara experimental fuera modular, uno de los resultados más importante arribó con la división de la maquina en partes individuales, en las cuales se aplicó por separado el diseño detallado. Los subsistemas de diseño son: Calentamiento, Humidificación, Deshumidificación, Impulso y Transporte de Aire, Soporte Estructural y Re‐cámara de Secado. Para cada uno de estos subsistemas era importante encontrar un parámetro de cálculo que permitiera escoger un equipo que se ajustara a las necesidades de la cámara experimental. Podemos ver un resumen de esta información en la tabla 1. Basados en estos resultados se escogieron los equipos necesarios para el correcto funcionamiento de la cámara experimental.



Tabla 1. Parámetros a calcular para algunos subsistemas de diseño y resultados obtenidos.

Subsistema Parámetro a Calcular Metodología Usada Resultados

Sistema de Deshumidificación

Potencia necesaria para llevar el aire a punto de rocío

Psicometría y Transferencia de

Calor [5] 5.49 kW

Sistema de Humidificación

Longitud necesaria para disolver una gota de agua en un torrente de aire

Trasferencia de masa y energía [6]

16 cm

Sistema de Calentamiento:

Número de resistencias necesarias para calentar aire a temperatura ambiente

hasta 120º Celsius

Transferencia de Calor [5]

3 Resistencias

Sistema de Impulso y Transporte de

Aire: Potencia de Ventilación

Perdidas en ductos y uniones [7]

0.55 kW

Para los subsistemas de soporte estructural y recamara de secado, no se realizó ningún cálculo, pues carecen de componentes mecánicos que los necesiten. Estos sistemas fueron diseñados intentando emular estructuras y recamaras de secado existentes en otros equipos.

Figura 18. Resultados de la construcción de la cámara experimental de secado. Fuente: LOS

AUTORES.

4. Conclusiones Después del diseño y la selección de los diferentes componentes mecánicos hace falta comparar como es el rendimiento de la maquina diseñada comparada con los requerimientos del cliente que se tuvieron en cuenta al inicio del proyecto. Las especificaciones iniciales fueron superadas dándole a la cámara de secado muchas más posibilidades para la investigación. Esto se debe en gran parte al uso del método de diseño que permitió discriminar de manera correcta los conceptos para potenciar



los más importantes y eliminar aquellos que no aporten al diseño. Esto explica el cambio radical de algunos conceptos, como el de evaporación.

Referencias

1. Sánchez‐Moreno, Concepción. Nutritional Value of Fruits de Handbook of Fruits and Fruit

Processing. Primera Edición. Ames, Iowa. Blackwell Publishing. 2006. 587 p. 2. Barta, Josef. Fruit Drying Principles de Handbook of Fruits and Fruit Processing. Primera Edición.

Ames, Iowa. Blackwell Publishing. 2006. 587 p. 3. Mujumdar, Arum. Handbook of Industrial Drying. Tercera Edición. Boca Ratón, Florida. Taylor and

Francis Group. 2006. 1286 p. 4. Arzola de la Peña, Nelson. Metodología de Diseño para Ingeniería. Primera Edición. Bogotá,

Colombia. Unidad de Publicaciones de la Facultad de Ingeniería, Universidad Nacional de Colombia. 2011. 469 p.

5. Incropera, Frank. Transferencia de Calor. Tercera Edición. New York. 2005. 873 p 6. Bird, Byron. Transport Phenomena. Segunda Edición. 905 p 7. Departamento de Ingeniería Mecánica y Construcción, Universitat Jaume. Sistema de

distribución del aire. Cálculo de conductos. Universidad Jaume. [PDF] [Citado 07 de Agosto de 2011]. Disponible en: http://www.emc.uji.es/asignatura/obtener.php?letra=9&codigo=29&fichero=10825404419

Prof. Dr. Oliver Hensel

[email protected]

A Comparative Review of EmpiricalData for the Design of Innovative

Maize Drying Systems in KenyaIsaiah Etemo Muchilwa

[email protected]

Isaiah E. Muchilwa, Oliver Hensel

Introduction

• Maize is a staple food in Kenya witha percapita consumption of 98 kilograms

• Aflatoxin contamination of maize is arecurrent problem

• They are produced by the fungiAspergillus flavus and Aspergillusparasiticus and are carcinogenic .

• Aflatoxin risk is enhanced during

growth by prolonged moisture and nutrientstress conditions and also by exposure tohigh humidity and temperature in theharvest/post harvest period

• Timely and adequate drying is critical

for the minimization of food spoilage.

Prediction of the maize drying issometimes based on published empiricaldata. The objective of this study was todetermine the nature and the significance

of the variability when cross - border /experiment model applicability isassumed.

Materials and methods

Experimental data for the dryingcharacteristics of shelled and fully exposedmaize ears (Table 1 and Table 2) wascompiled

The selected drying models

• represented research on original maizesamples

• reported sufficient accuracy inreproducing the drying dynamics of thestudied samples in their stated range ofapplication.

Drying and moisture diffusivity curves for

shelled maize and fully exposed ears (with

a specific surface of 784 and 92 sq. meters

/ cu. meter respectively) were reproduced

in the range 35 - 60 oC.

Key findings

• Significant differences in the wateractivity representations wereobserved.

• An accurate drying time prediction

is not always indicative of precisedrying process dynamics asdetermined by the variable productdiffusivity.

• Standardisation of equipment and

procedures for rapid on-siteprofiling of product drying isimportant for the design andoptimisation of safe drying andstorage systems.

Selected references

Erbay, Z., & Icier, F. (2010). A reviewof thin layer drying of foods: theory,modeling, and experimental results.Critical Reviews in Food Science

and Nutrition, 50(5), 441–464.

Hawkins, L. K., Windham, G. L., &Williams, W. P. (2005). Effect ofdifferent postharvest drying

temperatures on Aspergillus flavussurvival and aflatoxin content in fivemaize hybrids. Journal of FoodProtection, 68(7), 1521–1524.

Results

The graphical representations of theobtained model comparisons are as shownbelow.

Figura 1. Configuración del proceso de secado por aspersión

DESCRIPCIÓN DEL PROCESO El proceso de secado por aspersión (espray drying) se utiliza para convertir un líquido en polvo seco. Se basa en el contacto de las gotas del líquido con un medio secante como por ejemplo aire caliente. La Figura 1 muestra la configuración común de este tipo de proceso.

OBJETIVO Y METODOLOGÍA Este proyecto busca analizar las condiciones de operación del proceso que definen la calidad del producto seco. La Figura 2 presenta un diagrama que resume las variables que influyen en la calidad del producto.

Las condiciones del proceso son las que se pueden ajustar durante la operación de secado. Estas dependen de la materia prima, configuración del equipo y las condiciones de calidad deseadas. La Figura 3 muestra las principales condiciones del proceso y su efecto sobre la calidad del producto.

PROYECTO DE DOCTORADO: MODELACIÓN Y SIMULACIÓN DEL SECADO POR ASPERSIÓN

DE JUGOS DE FRUTAS MSc, Ing. Alfonso Cubillos Varela, Universidad Nacional de Colombia – Sede Bogotá, [email protected]

Dr.-Ing. Alexánder Gómez Mejía, Universidad Nacional de Colombia – Sede Bogotá, [email protected]

PhD, Aldo G. Benavidez Morán, Universidad Antioquia, [email protected]

Ventajas del proceso

Es la más utilizada en la industria de alimentos

Es un proceso rápido y de bajo costo de implementación

Fácil manipulación de las variables del proceso

Maximiza el contracto entre las gotas y el aire

Desventajas o problemas del proceso

Dificultad para especificar las condiciones de operación del proceso – Calidad del proceso El material seco se puede pegar a las paredes del secador – Rendimiento del proceso y formación de depósitos

En este proyecto se utiliza el CFD para modelar y simular las condiciones del aire de secado y su relación con la gotas en el interior de la cámara, con el fin de relacionar las condiciones del proceso con las propiedades de calidad del producto seco. DINÁMICA DE FLUIDOS COMPUTACIONAL - CFD

La dinámica de fluidos computacional (CFD) es un herramienta que permite predecir el comportamiento del aire al interior de la cámara resolviendo las ecuaciones que gobiernan el movimiento del fluido. Para simular el secado por aspersión se resuelve la ecuación de movimiento para cada gota/partícula acopladas a las ecuaciones de flujo. La Figura 4 presenta los modelos que normalmente se utilizan en CFD para simular el secado por aspersión.

RESULTADOS Y CONCLUSIONES

Como resultado de la modelación y simulación se puede obtener un perfil de la velocidad y temperatura del aire en el interior de la cámara de secado. Así mismo, se puede tener una aproximación del desplazamiento de cada partícula en la cámara, desde que ingresa por el atomizador hasta que sale del secador. Esto permite determinar su “historia” de secado y definir así el tamaño, densidad, humedad de la partícula y otras propiedades que especifiquen la calidad de la misma.

BIBLIOGRAFÍA

Calidad del producto

se determina por las propiedades del producto :

- Humedad

- Densidad

- Pegajosidad

depende de:

- Propiedades de la materia prima

- Características del equipo

- Condiciones del proceso

se puede aproximar usando:

- Modelos empíricos

- Dinámica de Fluidos Computacional- CFD

Figura 2. Condiciones que afectan la calidad del producto seco

- Temperatura del aire de secado: Define principalmente la rapidez con que se secan las gotas, así como su calidad final por degradación térmica.

- Flujo del aire de secado: Define la distribución del aire en el interior de la cámara de secado e influencia del tiempo que residencia las partículas en la cámara.

- Inyección de la materia prima (jugo): Define el tamaño de las gotas y la velocidad con que ingresan a la cámara de secado.

Figura 3. Condiciones del proceso que afectan la calidad del producto

CFD para el secado por aspersión

Dinámica del aire: calcula el movimiento del aire en la cámara de secado

Ecuaciones de Navier Stokes

Modelos de turbulencia

Dinámica de secado de gota: representa el comportamiento de las gotas durante el secado

Trayectoria

Temperatura

Humedad

Tamaño

Figura 4. Modelo CFD utilizado para simular el secado por aspersión

- Application of computational fluid dynamics (CFD) in the food industry: a reiew. Bin Xia, Da-Wen Sun. 2002. Computers and Electronics in Agriculture 34 (2002) 5–24 - Computational dynamics (CFD) applications in spray drying of food products. Rinil Kuriakose , C. Anandharamakrishnan. 2010. Trends in Food Science & Technology 21 (2010)

Figura 5. Simulación de la trayectoria del aire durante el secado

“CARACTERIZACIÓN DE PLANTAS AROMÁTICAS: TOMILLO (THYMUS) Y LIMONARIA (CYMBOPOGON)”

Proyecto de Grado

MARCO TEÓRICO1El principal objetivo de secar alimentos es el de preservar su vida útil mediante la extracción del agua que contienen. Esto se logra reduciendo la actividad de agua (Aw) del alimento a un valor que inhibe el crecimiento de microorganismos patogénicos y destructivos. Para caracterizar las diversas plantas aromáticas, se realizan una

de éstas en los procesos de secado.

OBJETIVOS

GENERAL

ESPECÍFICOS

2Realizar la caracterización de las plantas Tomillo (Thymus) y limonaria (Cymbopogon) en términos de la obtención de: una isoterma de sorción, curvas de secado entre 30 y 50 °C, contenido de aceites esenciales, contenido de humedad y medición del color.

Realizar los procedimientos de laboratorio necesarios para la obtención de una isoterma de sorción a la temperatura

La isoterma de sorción relaciona la actividad de agua en el contenido de agua de la mezcla agua-material a una cierta temperatura y presión, este contenido de humedad de equilibrio, se determina experimentalmente controlando las condiciones de humedad y temperatura del aire en contacto con el producto. Para obtener la isotermas de sorción existen diversos métodos, uno de los más comunes se trata de usar probetas con contenidos de sales que caracterizadas según la norma DIN 50008.

Cuando se requiere conocer el contenido de aceites esenciales en una planta aromática se usan diversos métodos, en el caso de este proyecto se usaran los métodos referenciados en la norma NTC 2686. Según la norma se

sustancia arrastrada por vapor y expresada en mililitros por 100 g de producto seco

color de cualquier muestra. Usando el sistema coordenado L*a*b* y según la norma de referencia DIN 6174, se podrá caracterizar el color de la limonaria y el tomillo antes y después del secado

-Para obtener las curvas de secado se utilizará un horno de convección forzada en el cual se secarán diversas muestras de los productos a temperaturas constantes entre 30 y 50ºC, monitoreando el peso de las muestras y calculando la humedad en cada determinado período de tiempo.

- Para obtener las isotermas de sorción, se utilizará el método recomendado por el proyecto COS90, en donde se usan diversas sales a diferentes concentraciones como se observa en la Tabla 1.

Obtener las Curvas de secado de tomillo y limonaria a diferentes temperaturas entre 30 y 50°C.

Realizar el montaje experimental para conocer el contenido de los Aceites esenciales presentes en el tomillo y la limonaria antes y después del secado.

-Para la determinación del contenido de aceites esenciales se usarán muestras frescas y secas para su comparación de acuerdo con el método DAB 10, conocido como hidrodestilación, este método consiste en calentar una mezcla de agua y el producto a destilar (Planta aromática) y calentarlo para obtener vapor que contenga los aceites esenciales. La medición de

aceite esencial por 100 ml g de material seco. Acorde con las unidades % (V/m)Se usará el siguiente montaje experimental:

Se escogerán muestras frescas y secas y se tomarán las mediciones con el dispositivo mostrado en la Figura 1. Este equipo realiza la medición del brillo, la tonalidad y la saturación del color

El sistema coordenado L*a*b* donde L representa el brillo, a y b la tonalidad y la saturación. El color puede ser presentado como se muestra en la Figura 3.Para determinar la diferencia de color se utilizará la norma DIN 6174, teniendo como parámetros de referencia las mediciones de color de hojas frescas. Una vez se tomen los datos se obtiene la

muestra los grados de diferencia en el plano de la Figura 3.

Medir el color antes y después del secado del tomillo y la limonaria como parámetros de calidad del producto.

METODOLOGÍA Y PROYECCIÓN DE RESULTADOS

3

Tabla 1. Soluciones de sal saturada y su humedad relativa estandarizada para la medición de la humedad de equilibrio a 25, 30, 40, 45 and 50 ºC. [5]

Se entiende por “secado” la disminución de la humedad de un sólido mediante la interacción con un medio de menor humedad.

agua que se retira por unidad de tiempo mw = m a X

mw )(

Figura 1. Montaje experimental para obtención de aceites esenciales volátiles

Figura 2. Representación tridimensional de parámetros de colorFigura 3. Cromacity diagram a* and b*

Posteriormente se calcula (h*) ó valor de color el cual se presenta en grados como: 0º (Rojo), 90º (Amarillo), 180º (Verde) y 270º (Azul).

h*=tang(b*/a*)

-Para conocer el contenido de humedad se utilizará un horno convencional dejando las muestras de tomillo y limonaria en el horno a 103 ± 2ºC durante 24 horas. Simultáneamente se registrará el contenido de humedad usando la balanza Sartorius ma150.

variación en la masa de aire seco. La eliminación de agua se realiza en una serie de etapas en las que la velocidad de secado es

velocidad de secado frente a la humedad del producto o frente al tiempo se denominan “curvas de secado”.

m a

Figura 1. Colorímetro Minolta CR-400 y cámara de color

El desarrollo de este proyecto tendrá como resultado el conocimiento práctico y teórico del secado convencional de Tomillo (Thymus) y limonaria (Cymbopogon). Esto con el

realizar proyectos de optimización industrial sobre todo reduciendo costos en cuanto al consumo energético que tiene el proceso de secado de estas plantas, garantizando calidad y productividad en dicho proceso.

DIRECCIÓN DEL PROYECTODirectoraSonia Lucía Rincón Prat Ing. PhD Universidad Nacional de ColombiaTel. 3165000 Ext. 14109Email. [email protected]

Co-directora:Patricia Cuervo AndradeIng. PhD Universidad Nacional de ColombiaTel. 3165000 Ext. 13337Email. [email protected]

Autor:Juan David Mejía CiroEstudiante Ingeniería MecánicaUniversidad Nacional de ColombiaEmail. [email protected]

Frank J. GARCIA N., Sonia L. RINCÓN P., Claudia P. Pérez R., Patricia CUERVO A.

Introducción

Materiales y métodos Las muestras de material vegetal de Stevia Rebaudiana provendrán de los invernaderos de la facultad de Agronomía de la Universidad Nacional de Colombia, y la Mentha Spicata de la empresa Morenos Ltda. Los tratamientos establecidos se definen en función de las siguientes cuatro Temperaturas; (50°C, 60°C, 70°C y 80°C) para la Stevia Rebaudiana y (30°C, 40°C, 50°C y 60°C) para la Mentha Spicata . Por cada tratamiento térmico se harán tres réplicas de las cuales se obtendrá:

4. Contenido de aceites esenciales

El contenido de aceites esenciales se determinará mediante la técnica de hidrodestilación al inicio (en fresco) y final (seco); a partir de un peso conocido de material vegetal, recolectando el aceite esencial en un tubo graduado. De acuerdo al método de referencia para la determinación del contenido de aceite volátil, norma NTC-2686.

5. Análisis de la calidad microbiológica

Se medirá el efecto que tiene el proceso de secado en la actividad microbiana presente en las muestras, siguiendo la metodología de acuerdo a la Norma NTC4132. Practicas que se llevarán acabo en el laboratorio de microbiología de suelos en la Facultad de Agronomía de la Universidad Nacional de Colombia.

2. Isotermas de sorción

Las isotermas de sorción se determinarán usando el método gravimétrico con solución salina. Ésta, se preparará según la norma DIN 50008 de 1981. Los datos obtenidos en el experimento, se ajustarán a los modelos propuestos por BET (1984), GAB (2001), Halsey (1985), Oswin (2007) , Peleg (2001), Henderson (1984) and Chung & Pfost(1983).

1. Curvas de secado

Los ensayos de secado se llevaran a cabo utilizando un horno de convección forzada, para el cual se dispondrán muestras uniformes de 350 g en tres bandejas perforadas. Las curvas de secado, se construirán midiendo la pérdida de peso a través del tiempo de cada producto, en intervalos de media hora; cuando la muestra alcance su peso contante se detendrá la medición.

Fig, 1 - Horno FD-24

Equipos a usar: Horno BINDER FD-24. Balanza OHAUS Pioneer, sensibilidad de ±0,001g. Balanza determinadora de humedad Sartorius MA 150. Data Logger Track-It™ Temperature & RH.

3. Color

Evaluar el tratamiento térmico más adecuado para el secado de la Stevia Rebaudiana y la Mentha Spicata; teniendo en cuenta: la menor variación en color, la menor pérdida de aceites esenciales y sus compuestos volátiles y el mejor trato que inhiba la propagación de Mohos y levaduras.

Resultados Esperados

Para el material vegetal en fresco y seco se tomarán cinco muestras aleatorias por cada bandeja cuantificando la variación del color; teniendo en cuenta el tratamiento térmico correspondiente. La medición se realizará bajo el espacio de color CIE 1976 (L*a*b*) o CIELAB. El aparato de medición a utilizar será el colorímetro Konica Minolta El espacio CIELAB (Métrica) permite especificar estímulos de color en un espacio tridimensional. El eje *L es el de luminosidad que va de 0 (negro) a 100 (blanco). El a* y b*, representan variación entre rojizo-verdoso, y amarillento-azulado, respectivamente.

En la producción de plantas aromáticas y medicinales como la Stevia Rebaudiana y la Mentha Spicata; el secado se utiliza como medio para preservar las características organolépticas y de calidad del producto, en su almacenamiento y vida útil en general. Dependiendo del uso final, se le dará un valor agregado a la planta. En la actualidad el proceso se esta llevando a cabo de manera artesanal, basándose en la experiencia empírica y la inspección visual de los productores sin ningún tipo de control, por lo cual se propone mejorar y tecnificar el proceso de secado artificial con aire caliente, encontrando los parámetros más adecuados que permitan llevar el producto a un mejor estándar de calidad.

6. Cromatografía de gases volátiles

La cromatografía de gases es tal vez la más importante al analizar los aceites esenciales, por su rapidez y confiabilidad. En el caso de la Stevia Rebaudiana se busca que el tratamiento térmico no afecte significativamente los principios activos como el Esteviósido y el Rebaudiósidos y para la Mentha Spicata el Mentol.

Fig. 2 - colorímetro Minolta

Fig.4 - Destilador

Equipos a usar: Aparato de destilación Balón de fondo redondo Sistema de condensación Vaso florentino Balanza analítica

Universidad Nacional de Colombia Grupo BIOT [email protected]

Reactivos: Xileno Acetona Detergente liquido

Fig. 3 - CIELAB

PROYECTO DE TESIS DE MAESTRIA: Evaluación de los efectos en el proceso de secado sobre la calidad de la Stevia (Stevia Rebaudiana Bertoni) y la Hierbabuena (Mentha Spicata) mediante la

obtención de los parámetros físico químicos.

MODELADO, SIMULACIÓN Y ANÁLISIS DE UNSECADOR A ESCALA PLANTA PILOTO PARA LA

DESHIDRATACIÓN TÉRMICA DE UCHUVA(Physalys Peruviana L.)

Juan David Reyes Fernándeza, Rubén Darío Godoy Silvab

a Ingeniero Químico de la Universidad Nacional de Colombia, Bogotá, [email protected]

b Ingeniero Químico, MSc, PhD, Profesor Asistente-ExclusivaUniversidad Nacional de Colombia, Bogotá, Colombia

[email protected]

INTRODUCCIÓN

En Colombia la uchuva se considera un productoprioritario de exportación. El secado directo conaire es una opción de interés industrial para laconservación de frutas, debido a la familiaridad ya la simplicidad de operación de los equipos(Kudra & Mujumdar, 2002).En esta investigación se propone utilizar la DinámicaComputacional de Fluidos (Bin & Da-Wen, 2003) pa-ra modelar un secador de frutas de escala pilotoexistente en las instalaciones del Laboratorio de In-geniería Química de la Universidad Nacional de Co-lombia, sede Bogotá, y generar propuestas para suoptimización.El diseño original del secador no generaba un seca-do homogéneo, lo cual es causado fundamentalmen-te por una distribución heterogénea del flujo de aireal interior de la cámara de secado.

RESULTADOSVelocidad (m/s)

Se encontró que un arreglo de difusores en serie, conductos tubulares de 5cm de profundidad y 5mm de diá-metro, genera una distribución mucho más uniforme yconveniente del flujo de aire, aumentando así la eficien-cia en el secado de la uchuva, de tal modo que se logróaumentar hasta en un 34% la velocidad por encima de labandeja.

CONCLUSIONES

Velocidad (m/s)

Figura2. Contornos de velocidad a la entrada de la recámara experimental de secado

Figura 3.

MATERIALES Y MÉTODOS

REFERENCIASKudra T, Mujumdar A. (2002) Advanced Drying Techno-logies: Marcel Dekker, New York, 4p.Bin X, Da-Wen S. (2003)Applications of computationalfluid dynamics (CFD) in the food industry: a review.Comput Electron Agr.; 34 (1). 5-24.

Para las simulaciones se empleó un computador DellPrecision T5500 que contaba con 8.00 GB de memo-ria RAM instalada y un procesador QuadCore de 4núcleos, de 2,66 GHz cada uno. El software de si-mulación fueAnsys13® y el paquete Fluent®

Para la determinación experimental de velocidad seusó un anemómetro de hilo caliente CEM DT-8880,la cual se desarrollo discretizando el campo de velo-cidad como se muestra en la figura 1.

Figura1. Definición del dominio espacial para la toma de datos experimentales

AGRADECIMIENTOSSe presentan agradecimientos al grupo de diseño de má-quinas GIDMAQ, al grupo de diseño de procesos quími-cos y bioquímicos de la Universidad Nacional de Colom-bia-Sede Bogotá y al proyecto de Colciencias estrategiaspara selección de indicadores tecnológicos en procesosde deshidratación de frutas y hortalizas utilizando herra-mientas de automatización y control.

Curvas de secado e Isotermas de Sorción para Hierbabuena (Mentha Spicata L) y Estevia (Stevia Rebaudiana B).

Oscar Ballén Cantor, Patricia Cuervo, Sonia Rincón, Oliver Hensel [email protected]

Introducción

En la cadena productiva de las plantas aromáticas y medicinales, el proceso de secado es uno de los más importantes, usado principalmente para la preservación. Se caracteriza por su alto costo y por el efecto que este produce en las plantas en términos de calidad. En este trabajo de investigación, se analizó el comportamiento de las plantas aromáticas y medicinales Mentha Spicata L. y Stevia Rebaudiana B. ante el proceso de secado convectivo con aire caliente, para encontrar los parámetros óptimos que permiten obtener productos de calidad con un bajo consumo de energía. Este estudio incluye las curvas de secado, que muestran la relación entre el contenido de humedad en el producto y el tiempo de secado y evaluar el efecto de los parámetros de secado (temperatura y humedad) sobre el cambio de color en el producto. También se determinaron algunas curvas de isotermas de sorcion que relacionan el contenido de humedad en equilibrio de un producto específico bajo condiciones específicas de temperatura y humedad. Esta información es importante para el planeamiento del proceso de secado, almacenamiento, procesamiento, simulaciones entre otros.

Materiales y Métodos

Para las Isotermas de sorcion se utilizó la metodología recomendada por el proyecto COST 90. COST significa “European Cooperation in scientific and technical Research” Cooperación europea en investigación técnica y científica. La metodología usada en este trabajo para las curvas de secado se basó en los procedimientos desarrollados por Cuervo S. de acuerdo al documento “Quality oriented drying of Lemon Balm (Melissa officinalis L.)” (Cuervo-Andrade S., 2011). Se utilizó un gabinete de secado INNOTECH

Resultados

Las siguientes graficas y tablas muestran los resultados obtenidos para las curvas de secado e isotermas de sorcion de losproductos analizados.

Conclusiones: Para reducir el tiempo de secado los parámetros más convenientes son 40 C y 12% de humedad relativa en el aire de secado. La composición química y la estructura del producto tienen un amplio efecto en el tiempo de secado. Los parámetros de secado de la Mentha Spicata L con los cuales se obtiene la menor diferencia de color son de temperatura de 40 C y 20% de humedad relativa. La Stevia Rebaudiana B. es más sensible a cambiar el color que la Mentha Spicata L en el proceso de secado.

Figura 1 Curvas de secado para tallos delgados de Mentha Spicata L.

Figura 2 Curva de secado para ramas gruesas de Stevia Rebaudiana B.

Figura 3 Isotermas de desorción Mentha Spicata L.

Figura 4 Isoterma de desorción Stevia Rebaudiana B.

Tabla 1 Análisis estadístico de la diferencia de color

Memorias

Seminario Internacional Secado de Productos Agrícolas SPA 2012 Impreso en el mes de Octubre de 2012

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Fuentes: Univers, Calibri, Times New Roman

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Térmica de Procesos

Facultad de Ingeniería

Universidad Nacional de Colombia

Bogotá - Colombia

Tel: +57-1-316500 Ext. 14109. Fax. +57-1-3165333

[email protected]

seminario internacional spa 2012 - col

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