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IMPORTANCIA DEL SECADO EN LA CONSERVACIÓN DE GRANOS Y SEMILLAS Los granos y semillas de cereales y oleaginosas están constituidas por células vivas, cuyo metabolismo se intensifica después de la cosecha; o sea, al ser cortado o desprendido de su planta madre. Se entiende por metabolismo, el conjunto de procesos físicos y químicos que ocurren dentro de un organismo, mediante los cuales se produce, mantiene y destruye el protoplasma de las células, sustancias de donde se obtiene la energía requerida para el funcionamiento de dicho organismo. Al igual que las células animales, las células vegetales presentan un fenómeno conocido como respiración, que no es más que una reacción bioquímica afectada principalmente por la temperatura y la humedad. La respiración es un proceso oxidativo que absorbe el oxígeno de la atmósfera y descompone los hidratos de carbono contenidos en el gano (principalmente la glucosa, elemento constituyente del almidón), produciendo anhídrido carbónico (CO2), vapor de agua y calor. La siguiente ecuación química, representa en forma esquemática el fenómeno de la respiración: C6H12O6

+

6O2

6CO2 +

6H2O +

Calor

Mientras más alto sea el contenido de humedad del grano, mayor será su respiración originando mayor liberación de vapor de agua y calor. El grano, por tanto incrementará su humedad y temperatura acelerando su proceso de deterioro, a parte de crearse condiciones propicias para el desarrollo de hongos y bacterias perjudiciales al mismo. La función principal del secado es, reducir el contenido de humedad hasta niveles donde el metabolismo del grano se haga mínimo, permitiendo conservarlo durante cortos y largos períodos de almacenamiento sin afectar su calidad. HUMEDAD EN EQUILIBRIO (HE) Los granos y semillas de cereales y oleaginosas son productos higroscópicos, con capacidad de absorber o perder humedad cuando se encuentran bajo condiciones ambientales de alta o baja humedad relativa del aire. Esta absorción o pérdida de humedad, tiene lugar hasta alcanzar un contenido de humedad en equilibrio con la humedad del aire que lo rodea; momento en que finaliza la transferencia de masa.

El contenido de humedad en equilibrio, es aquel donde la presión parcial del agua en el producto es igual a la presión de vapor de agua en el aire. Dicho fenómeno se explica por medio de las isotermas de sorción y desorción, que el método más conveniente para estudiar las propiedades del agua en el grano. Las isotermas de sorción y desorción, es una relación cuantitativa que relaciona el contenido de humedad en equilibrio con la humedad relativa o la actividad del agua a una temperatura específica; las cuales presentan las siguientes características: a) Tienen forma sigmoidal b) Presentan el fenómeno de histéresis La histéresis, es la diferencia en el contenido de humedad de un alimento cuando la curva es obtenida por sorción o desorción. CONTENIDO DE HUMEDAD PARA ALMACENAJE SEGURO El contenido de humedad para el almacenaje seguro es estimado generalmente basándose en el contenido de humedad en equilibrio con una humedad relativa del 70% a una temperatura dada (ver tabla 9). Tabla 9.- Humedad para almacenaje a 25 °C Productos Maíz Trigo Sorgo Millo perlado Arroz Paddy Arroz cargo Maní Semilla algodón Cacao Copra Granos de palma

Contenido de humedad (a 70% HR) 13,5 13,5 13,5 13,5 13,5 15,0 7,0 10,0 7,0 7,0 5,0

Fuente: Conservación de granos almacenados, Universidad de Kansas, E.U.A. 1985.

Cuadro 4.-Contenido de humedad durante la cosecha y Almacenamiento seguro Requerido para almacenaje seguro

Cereal Cebada Maíz Avena Arroz Centeno Sorgo Trigo

Máximo Durante Cosecha

Óptimo a cosecha para pérdida mínima

30 35 32 30 25 35 38

18 – 20 28 – 32 15 – 20 25 – 27 16 – 20 30 – 35 18 - 20

Común a cosecha 10 – 18 14 – 30 10 – 18 16 – 25 12 – 18 10 – 20 9 - 17

1 año 13 13 14 12 – 14 13 12 – 13 13 - 14

2 años 11 10 – 11 11 10 – 12 11 10 – 11 11 – 12

Fuente: Conservación de granos, Universidad de Kansas, E.U.A. 1985. Los contenidos de humedad para el almacenaje a largo plazo (ver cuadro 4), asume que la humedad es uniforme a través de la masa de grano; pero hay que tener cuidado ya que se puede originar humedecimiento del producto por migraciones de humedad debido a variaciones en la temperatura ambiental.

MIGRACIÓN DE HUMEDAD. Como se señaló en el párrafo anterior, las variaciones de la temperatura ambiental ocasionan migraciones de humedad en la masa de grano sobre todo cuando están almacenados en silos metálicos. Las siguientes situaciones originan el fenómeno señalado (ver figura 1):

Figura 1.-Ilustración del fenómeno de migración de humedad dentro de un silo

FRÍO

CALIENTE

a) Grano caliente y temperatura ambiente fresca. En este caso, la temperatura del aire y del grano decrece cerca de la pared, ocasionando un aumento en la densidad del aire que lo obliga a descender por convección natural. El aire fluye por el piso y luego asciende cerca del centro de la masa de grano; durante este trayecto, el aire absorbe parte de la humedad del producto; el cual puede condensar en la superficie fresca del material ubicado en la sección alta del silo, creándose condiciones propicias para el desarrollo de hongos y bacterias. b) Grano fresco y temperatura ambiente caliente. La temperatura del aire y del grano aumenta cerca de la pared del silo, el aire caliente asciende por disminución de su densidad y al chocar con el techo, comienza a desplazarse hacia abajo cercano al centro de la masa de grano. La humedad agregada al aire a medida que se mueve hacia abajo, se deposita en la superficie del producto almacenado en el fondo del silo. MEDIDA DE LAS PROPIEDADES FÍSICAS DEL AIRE El secado artificial de granos y semillas, utiliza aire húmedo constituido por una mezcla de aire seco (principalmente oxígeno y nitrógeno) y vapor de agua. El

conocimiento de las propiedades físicas del aire, permite tener una mejor visión de la problemática del secado de granos. La gráfica psicrométrica, es una herramienta que simplifica las medidas de las propiedades del aire y elimina muchos cálculos tediosos y complicados. En ella se pueden determinar las siguientes propiedades termodinámicas del aire húmedo a una atmósfera de presión: a) b) c) d) e) f) g)

Temperatura de bulbo seco. Temperatura de bulbo húmedo. Temperatura del punto de rocío. Humedad absoluta. Humedad relativa. Volumen específico. Entalpía.

Definiciones: Presión de vapor: Es la presión parcial ejercida por las moléculas de vapor de agua en el aire húmedo. Cuando el aire está completamente saturado con vapor de agua, su presión es llamada presión de vapor saturado. Temperatura de bulbo seco (Tbs): Es la temperatura del aire húmedo indicada por un termómetro ordinario. Temperatura de bulbo húmedo (Tbh): Es a temperatura del aire húmedo indicada por un termómetro cuyo bulbo está cubierto con una gasa húmeda. Depresión de bulbo húmedo (Dbh): Es el descenso de la temperatura del aire debido a la evaporación del agua del grano. Se expresa a través de la siguiente ecuación: Dbh = Tbs – Tbh Temperatura del punto de rocío (TPR): Es la temperatura a la cual ocurre la condensación del vapor de agua contenido en el aire cuando es enfriado a una humedad absoluta y presión atmosférica constante. Humedad absoluta (HA): Es la razón entre la masa de vapor de agua contenida en el aire y la masa total que tendría el aire completamente seco.

Humedad relativa (HR): Se define como la relación entre la presión del vapor de agua y la presión del aire si estuviese saturado de humedad a la misma temperatura. Se expresa en término de porcentaje o en forma decimal. Volumen específico (Ve): Es el volumen que se obtiene al sumar el volumen que ocuparía el vapor de agua y el aire seco separadamente bajo las mismas condiciones de presión y temperatura. (Ley de Amagat). Se expresa como el volumen de aire húmedo por unidad de volumen de aire seco. Entalpía (h): La entalpía de una mezcla de aire seco y vapor de agua, es el contenido de calor del aire húmedo por unidad de peso sobre cierta temperatura de referencia. Ejemplo: Las temperaturas de bulbo seco y bulbo húmedo del aire son 90 y 70 ºF respectivamente. Determinar:     

Humedad relativa Humedad absoluta Temperatura del punto de rocío Entalpía Volumen específico

Solución: Localice el punto de estado en donde la línea de bulbo seco de 90 ºF intercepta con la línea de bulbo húmedo de 70 ºF en la gráfica psicrométrica     

Humedad absoluta = 0,01102 lb.H2O/lb.as. Humedad relativa = 36% Temperatura del punto de rocío = 60 ºF Entalpía = 34 BTU/lb aire seco Volumen específico = 14.1 pie3/lb. as.

PRINCIPIOS FUNDAMENTALES DEL SECADO DE GRANOS Y SEMILLAS. Definición del proceso de secado: Se puede considerar el secado como un proceso adiabático, ya que el calor utilizado para la evaporación de la humedad del grano es suministrada solo por el aire sin que exista transferencia por conducción o radiación a los alrededores. El calor sensible del aire se convierte en calor latente debido a la presencia cada vez mayor de vapor de agua en el mismo.

Ejemplo En el secado de arroz húmedo, se utiliza aire ambiental a 82 ºF y 75 ºF temperatura de bulbo seco y húmedo respectivamente. Este aire es calentado hasta 122 ºF (bulbo seco) y luego de pasar por el producto húmedo, sale de la secadora con una temperatura de 95 ºF. Determinar las propiedades físicas del aire en todas las fases del proceso:

Solución: Localice en la gráfica psicrométrica, el punto de estado donde la línea de bulbo seco de 82 ºF intercepta con la línea de bulbo húmedo de 75 ºF

En el punto de estado antes indicado, las propiedades termodinámicas del aire son las siguientes:     

HA1 = 0,0172 lbH2O/lb aire seco. HR1 = 73% TPR1 = 72,5 ºF h1 = 38,6 BTU/lb aire seco Ve1 = 14,1 pie3/lb aire seco.

Durante la fase de calentamiento, en el punto de estado cambia y las propiedades son las siguientes:     

HA1 = HA2 = 0,0172 lb agua/lb aire seco. HR2 = 21% TPR2 = TPR = 72,5 ºF h2 = 49 BTU/lb aire seco Ve2 = 15,1 pie3/lb aire seco.

Después que el aire atraviesa la masa de granos húmedos realizando el secado correspondiente, las condiciones son ahora las siguientes:     

HA3 = 0,024 lb agua/lb aire seco. HR3 = 65% TPR3 = 81 ºF h2 = h3 = 49 BTU/lb aire seco Ve3 = 14,5 pie3/lb aire seco.

Curva típica de secado: En la figura 2, se representa el comportamiento de la velocidad de secado expresado en unidad de masa de agua evaporada por unidad de tiempo y área en función al contenido de humedad del grano (base seca) a medida que avanza el secado del mismo. Al iniciarse el secado del producto, se experimenta un incremento en la velocidad de secado (período AB), que es el ajuste inicial del proceso.

Luego, bajo condiciones muy húmedas donde la superficie del grano está cubierta con una película delgada de agua libre, la velocidad de secado permanece constante período BC), hasta alcanzar el valor HC, denominado humedad crítica, humedad en la que finaliza el período de velocidad constante.

Durante el período CD (ver figura 2 ) se efectúa un secado de superficie de grano no saturado ya que a contenidos críticos de humedad, la película superficial de agua se reduce considerablemente.

Figura 2.- Curva típica de velocidad de secado Movimiento interno de la humedad

Superficie no saturada

C Velocidad de secado (Kg. H2O/m2-h)

B

A D Agua Ligada

E HE

Agua Libre

HC Contenido de humedad en base seca (%

Un secado más avanzado, produce áreas secas en la superficie del producto; las cuales aumentan de tamaño a medida que la evaporación continúa, hasta alcanzar el punto D de la curva que corresponde al tiempo donde toda la superficie del grano está seca. A partir del punto D, la velocidad de secado está limitada por el movimiento del agua dentro del grano, hasta llegar al punto E correspondiente al contenido de humedad en equilibrio (HE), tiempo en que suspende el proceso de secado.

Principios fundamentales del secado con aire forzado. Las funciones del aire en el secado: El aire usado en el secado de granos y semillas cumple dos funciones: a) Suministrar el calor necesario para la evaporación de la humedad del grano. Por ejemplo, la energía requerida para evaporar el agua libre en maíz a 19% de humedad (base húmeda) se aproxima a la energía requerida para evaporar el agua pura (570 cal/g de agua) a una atmósfera de presión. b) Transportar el vapor de agua proveniente del grano fuera del equipo. Flujo de aire recomendado para el secado de grano. Cuando una corriente de aire, atraviesa una masa de granos en condición húmeda, durante el recorrido, el aire va cediendo calor y absorbiendo humedad; lo que equivale a una disminución de su capacidad de absorción hasta el punto en que eventualmente pudiera saturarse y dejar de secar e incluso ceder agua al grano ubicado al final de su recorrido. Para prevenir este fenómeno y secar con mayor eficiencia, existen recomendaciones de flujo mínimos de aire según el sistema de secado a usar y tipo de grano a procesar.

El cuadro 5, presenta los flujos de aire recomendados en diferentes sistemas de secado.

Cuadro 5.- Flujo de aire para diferentes sistemas de secado Sistema Aeración Secado con aeración Aire natural sin calentar Aire caliente Fuente: Drying Cereal Grain 1975

Flujo de aire (M3/h-M3) 0,96 – 48,2 24,1 – 48,2 96,4 - 241 1446 - 4820

Efecto de la dirección del aire: El aire de secado puede ser suministrado en tres formas a la corriente de material:

a) En contracorriente al flujo de granos. b) En paralelo al flujo de granos c) Perpendicular a la corriente de granos.

El aire se moviliza en sentido contrario al flujo de producto, entrando en contacto con el grano en la parte baja de la torre del equipo. En ese punto, el grano se encuentra en su condición más seca; lo cual origina un incremento en su temperatura física que conlleva un aumento en su fragilidad.

El aire es suministrado en la parte alta de la torre del equipo y se moviliza en sentido paralelo al flujo de material que desciende por gravedad. En ese punto, el aire se pone en contacto con el grano cuando este posee su mayor contenido de humedad, aprovechando eficientemente el calor suministrado por el aire cuando se encuentra en su máxima capacidad de absorción de humedad. Como se ilustra en la foto 10, la corriente de aire es suministrada en forma perpendicular al flujo de granos. La sección interna de la secadora posee unos bafles o caballetes en forma de V invertida.

Los caballetes se colocan en hilera y cada hilera cruzada a 90 ºC con la que está situada inmediatamente encima o debajo. El aire entra a los caballetes a través de las aberturas, atraviesa el lecho de granos de un cierto espesor específico y sale por los caballetes situados arriba a 90º de la entrada de aire.

Foto 10.- Circulación de aire en la cámara de secado

Factores que afectan la velocidad de secado: Los principales factores que afectan la velocidad de secado son: Características del grano: Las principales características del grano que afectan la velocidad de secado es su coeficiente de transferencia de humedad; la cual a su vez depende de varios factores: a) Nivel inicial de humedad: Mientras mayor sea el nivel de humedad, habrá mayor cantidad de agua libre que se evapora fácilmente y el secado será más rápido.

b) Composición química del grano. Los granos y semillas están compuestos principalmente por hidratos de carbono, proteína y aceite, siendo variable la proporción de ellos. Puesto que el aceite repele el agua, los granos y semillas de oleaginosas, liberan más fácilmente la humedad y se secan más rápido que los granos amiláceos o proteicos amiláceos. c) Tamaño del grano: Mientras menor sea el tamaño del grano, habrá mayor superficie específica donde condense el vapor de agua. Los espacios Inter. granos serán más pequeños, limitando el movimiento del agua y haciendo más lento el secado. d) Contenido de impurezas: Cuando el producto contiene excesiva cantidad de granos partidos, descascarados; así como piedras, tierra, semillas de malezas, etc, la presión estática será mayor y ello reducirá la cantidad de aire que suministra el ventilador. Las condiciones del aire de secado: Las condiciones del aire que afectan la velocidad de secado son: a) Humedad relativa: Mientras menor sea la humedad relativa, el aire tendrá mayor capacidad de absorción de humedad y el aire es potencialmente más rápido. b) Temperatura del aire: La temperatura tiene dos funciones: disminuir la humedad relativa del aire y proveer calor para la evaporación del agua del grano. Por lo tanto, mientras mayor sea la temperatura del aire, mayor será la velocidad de secado. c) Flujo de aire: Debido que el aire es el medio que suministra calor al grano y de absorber la humedad liberada por este, a mayor flujo de aire se obtendrá un eficiente transporte del vapor de agua generado que aumenta la velocidad de secado.