TCNICAS MODERNAS PARA EL SECADO ESTTICO Y DINMICO DE GRANOS CASO ESPECFICO DE ARROZ CON EQUIPOS PARA CONTROL DE SECADO Y RESULTADOS CIENTFICOS ENCONTRADOS

Presentado a:Ing. Julio Ernesto Ospina, Msc

Integrantes:

Jhon F. Bermdez GonzlezMarlon Y. Perez Alfonso

Universidad Nacional de ColombiaFacultad de IngenieraDepartamento de Ingeniera Civil y AgrcolaPrograma Curricular de Ingeniera AgrcolaBogot, 2014TCNICAS MODERNAS PARA EL SECADO ESTTICO Y DINMICO DE GRANOS CASO ESPECFICO DE ARROZ CON EQUIPOS PARA CONTROL DE SECADO Y RESULTADOS CIENTFICOS ENCONTRADOS

OBJETIVOS

Dar a conocer las tcnicas actuales para el secado de granos ms especficamente para el arroz a nivel industrial como experimental, con el fin generar un conocimiento y/o criterio adecuado para la toma de decisiones en relacin a la seleccin y ejecucin del proceso y su aplicabilidad .

Brindar un esquema general de los equipos de control usados en la actualidad en los procesos de secado

Aplicar los conceptos de Pos-cosecha en el proceso de secado de granos evaluando aspectos relacionados con la calidad a conservar.

Entender los procesos de secado dinmico y esttico en granos junto con los parmetros caractersticos de cada uno.

METODOLOGA

En cuanto al desarrollo de la temtica establecida para el seminario a realizar a lo largo del curso de Pos-cosecha de Granos y Semillas del Programa de Ingeniera Agrcola de la Universidad Nacional de Colombia, la propuesta inicial resulta de la realizacin de un escrito tipo consulta en el que ejecutar una amplia investigacin sobre las temticas establecidas teniendo en cuenta diferentes puntos de vista de los procesos encontrados como de maquinaria empleada junto con un anlisis de los resultados encontrados por distintos autores.

De acuerdo con lo anterior se pretende realizar una comparativa que permitir determinar la aplicabilidad como posibles ventajas y desventajas en cuanto a criterios de calidad para cada uno de los procesos, donde se pretende evaluar aspectos de infraestructura, coste econmico de inversin y operacin, cumplimiento de normas tcnicas tanto nacionales como extranjeras (NTC e ISO), entre otros que se mencionaran ms adelante; permitiendo as una seleccin de uno o varios de procesos que muestren mejores condiciones de llevarse a cabo en el contexto del Agro Colombiano, y posteriormente se complementar con un enfoque prctico, el cual constara de un anlisis a los diferentes procesos que se llevan a cabo en la industria arrocera Colombiana, los cuales brindarn una serie de resultados que se integrara a este trabajo junto con las posibles dudas, sugerencias y/o comentarios realizados durante la presentacin audiovisual al final del curso.

Ya finalizando se presentar una serie de conclusiones generales de lo encontrado a lo largo del desarrollo de este junto con una evaluacin de la metodologa adoptada y de las prcticas hechas para determinar posibles aspectos a mejorar en caso de que sirva como fuente de consulta para profesionales y/o estudiantes enfocados en el rea de la Pos-cosecha de granos y semillas.

SECADO DE GRANOS

1. Conceptos generales, definiciones y caractersticas

Comnmente se puede definir como el secado de granos como uno de los mtodos ms utilizado en la conservacin de alimentos el cual consta principalmente de la remocin de humedad contenida en el grano hasta un nivel que permita garantizar una conservacin adecuada y al mismo tiempo mantener su calidad y minimizar su deterioro por un tiempo especfico, siendo visto como la opcin ms viable en trminos de conservacin de granos por su bajo costo y facilidad de implementacin de la operacin, debido a lo anterior se ha podido instaurar como un proceso estndar para la conservacin de granos a nivel mundial (OSPINA , 2001).Para esto resulta necesario un conocimiento mnimo de distintos parmetros y trminos a tener en cuenta durante un proceso de secado como su clasificacin y/o aplicaciones especficas encontradas, las cuales se explicaran a continuacin de manera breve.Tcnicamente se conoce como un proceso de eliminacin de agua por va trmica en cual consta de una operacin de transferencia de masa que requiere de una activacin previa por una cierta cantidad de energa aportada por una transferencia de calor, donde los mecanismos de movimiento de agua en el interior y exterior del alimento condiciona lo condicionan (MAHECHA GODOY, 2011).El proceso de secado habitualmente se encuentra dividido en tres fases: fase inicial de precalentamiento o acondicionamiento, fase de velocidad constante y finalmente seguido de una fase de velocidad decreciente. Estas son fcilmente apreciables al elaborarse una curva de secado en donde se representan los contenidos de humedad contra el tiempo de duracin del secado.A. Etapa de acondicionamiento: el producto y el agua contenida en l se calientan ligeramente, hasta alcanzar la completa evaporacin del agua presente en la superficie del producto.

B. Etapa de velocidad constante: se produce una reduccin importante del contenido de agua del producto, eliminndose el agua libre y parte del agua absorbida

C. Etapa de velocidad decreciente: la velocidad de secado se ve reducida debido a la ausencia de agua libre, ya que solamente es posible evaporar una porcin del agua adsorbida la cual realiza una migracin desde el interior del producto mucho ms lenta debido a la obstruccin de poros por solutos, y a una distancia mayor a recorrer hasta llegar a una humedad de equilibrio o que la presin de vapor del agua contenida es igual a la del ambiente

En la Figura 1, es posible apreciar una curva de secado con las respectivas fases identificadas.

Figura. 1. Curva de Secado (MAHECHA GODOY, 2011)Por otra parte como se haba mencionado, el secado resulta condicionado por varios aspectos, entre los cuales se encuentra la capacidad del aire para evaporar el agua de la masa de granos (potencial de secado) la cual es dependiente de la temperatura y humedad relativa del aire (OSPINA , 2001). En cuanto a la clasificacin del secado es posible realizarlo de distintas formas, entre las que podemos encontrar: Secado Natural: el producto se expone a rayos solares y corrientes de aire naturales que retiran la humedad del producto.

Secado Artificial: se realiza por medio del suministro de una corriente de aire caliente proporcionada por un ventilador, la cual debe estar controlada con la finalidad de evitar en mayor nmero efectos negativos sobre el grano que puedan reducir su calidad. Para esto resulta necesario tener en cuenta ciertas condiciones iniciales como:

Temperatura y humedad relativa del ambiente Temperatura del aire de secado Caudal del aire La especie y variedad del grano a secar Los contenidos de humedad inicial, final y de equilibrio del grano. Las prdidas de presinEn el secado artificial debido a la cantidad de variables a controlar para que el proceso resulte eficiente, se requiere del uso de una serie de estructuras para el secado que permitan la realizacin de este proceso, ya sea de manera esttica o dinmica los cuales se basan en el movimiento o no del grano por la estructura y estos deben contemplar tres partes fundamentales (OSPINA , 2001): Un quemador de combustible e intercambiador de calor El ventilador que dar el suministro de aire La estructura es si (silo)En relacin al movimiento o no del grano por la estructura es posible establecer variaciones entre los flujos de aire y producto, los cuales no solamente permitirn el intercambio de humedad del grano sino controlar todas las variables, con el fin de establecer unas condiciones finales y mantener la calidad del grano en su mayor proporcin: Flujo mixto: El aire de secado es suministrado inicialmente de manera perpendicular por medio de caballetes o conductos de V invertida y circula por la capa o columna de grano en distintos sentidos, el cual circulara por gravedad (Vase Figura 2 y 3). Flujo cruzado: Flujo perpendicular (aire) a la columna de grano que circula por gravedad (Vase Figura 2 y 4). Flujo concurrente: Flujo Paralelo (aire y grano), donde el aire y el grano marchan en la misma direccin y en el mismo sentido. Flujo contracorriente: Flujo Paralelo (aire y grano), donde el aire y el grano marchan en la misma direccin pero en sentido contrario.

Figura 2. Flujos en el secado (RODRIGUEZ, 2010) Figura 3-4. Esquema general sentido Flujo aire (RODRIGUEZ, 2010)

2. Avances tecnolgicos en el secadoResumiendo todos los conceptos anteriores, resulta necesario establecer una serie de caractersticas con las que el grano ingresa a un secador especfico y al que se le aplicara un proceso de remocin de humedad hasta llegar a un intervalo que permitir su almacenamiento por el mayor tiempo posible, conservando su calidad. Para esto se han realizado diversos avances cientficos que permitan establecer procesos estandarizados en el mbito de secado de granos teniendo en cuenta ciertas caractersticas: Un menor dao a su estructura Una mayor capacidad de procesamiento. Reducir el coste econmico para la implementacin de dichos procesos, de tal manera que no solamente sea posible su aplicacin para grandes empresas dedicadas a esta labor, sino para pequeos y medianos productores, y de esta manera generar una cierta rentabilidad.Para este caso en especfico, se analizaran los avances encontrados en trminos de secado para el cultivo del arroz debido a ser uno de los tres granos importantes en produccin y consumo mundial y nivel nacional.

2.1 El arroz (Oryza sativa)Resulta ser uno de los cereales de mayor consumo y produccin a nivel mundial, considerndose un alimento bsico para varias culturas por su importante aporte calrico y debido a esto en algunos pases ha resultado ser casi el alimento para las tres cuartas partes de su poblacin. El arroz se clasifica como una gramnea de gran tallo la cual que crece con mayor facilidad en climas tropicales. Originariamente, el arroz era una planta cultivada en seco pero con las distintas mutaciones a lo largo del tiempo se convirti en semi -acutica. Aunque puede crecer en medios bastante diversos, crecer ms rpidamente y con mayor vigor en un medio caliente y hmedo. En cuanto su ciclo de vida generalmente en los trpicos, las variedades de arroz lo completan dentro de un perodo que va de 110 a 210 das, y el modulo cae entre 100 y 150 das. (UNCTAD, 2014)

En cuanto al grano, este se encuentra recubierto por una cascara la cual representa el 20 al 22 % del peso del grano recin cosechado, y es posible clasificarlo en cuanto a caractersticas fsicas como longitud, forma tamao o a sus propiedades de coccin (temperatura de gelificacin) (OSPINA , 2001) .

Su morfologa se encuentra definida en varias partes:

Cascara

Se compone de lemma y palea, la cual presenta un alto contenido en silicio y generalmente se utiliza como abono para incorporar al suelo, posee un bajo contenido en nutrientes pero gran capacidad aislante, buen conductor trmico y alto contenido en minerales (OSPINA , 2001).

Caripside

Se conoce como fruto del arroz o arroz pardo, el cual se compone de las capas exteriores: pericarpio, tegumento o cubierta seminal y nucela, del germen o embrin y del endospermo. El endospermo se compone de una capa de aleurona y un endospermo interior o amilceo.

La capa de aleurona contiene el embrin, esta varia de 1 a 5 capas celulares, las cuales son ms espesas en la parte dorsal que en la ventral y ms gruesas en arroces de grano corto que los de grano largo, estas son ricas en compuestos protenicos y compuestos grasos. En cuanto al endospermo este lo componen clulas de pared delgada las cuales se encuentran envueltas en amiloplastos que contienen grnulos de almidn compuesto. (Rodriguez, 2014). Es posible observar las partes constitutivas en la Figura 5.

Figura 5. Morfologa del Grano de Arroz (Rodriguez, 2014)

2.2 Resultados cientficos encontrados cuanto al Proceso de secado del ArrozEntre los mtodos actuales que estn siendo implementados en la industria arrocera en trminos de secado, se pudieron encontrar los siguientes:2.2.1 SECADO SOLAR

Fabricacin y evaluacin de una Secadora Solar de GranosDebido a que el secado resulta ser la actividad principal en las operaciones de pos cosecha en los granos; para economizar en fuentes de energa y reducir la contaminacin del medio ambiente se desarroll secadores solares de granos, fabricndose y realizando la prueba de funcionamiento de una secadora solar de granos, ya que convencionalmente es realizado este proceso en condiciones desfavorables generando prdidas tanto en cantidad como calidad del producto. Por esto como principal objetivo de la investigacin fue mejorar la calidad del arroz, para obtener ventajas medioambientales y econmicas, y para difundir esta tecnologa a los agricultores.Constituy en la prueba de rendimiento del secador de grano solar, el cual se llev a cabo en el Centro Internacional de Tsukuba (TBIC), Japn, en condiciones normales de tiempo y el uso de la variedad de arroz IR-28. Inicialmente se estableci una masa de arroz destinada para la prueba y su contenido de humedad para cada muestra, utilizando para este caso una duracin de 72 horas de prueba.Se establecieron condiciones como el caudal de aire suministrado por un ventilador, las relaciones entre el cambio de humedad del grano por hora y el contenido promedio de humedad entre el fondo y la superficie del grano; y la relacin entre la temperatura y humedad relativa en el fondo y la superficie de la capa de grano a secar. Otro aspecto mencionable es la rotacin de la muestra 2 veces /(a las 24 hrs. y las 48 hrs.) y se consideraron los promedios de temperatura (36.8 C) y Humedad Relativa de la zona (79.3%), El peso total del solar de secar de cereales es de 115 kg. Los principales resultados de la prueba de rendimiento fueron: El flujo de aire se determina era 0.098 m3 / s con una velocidad de 1,4 m / s,

Revolucin de ventilador era de 640 rpm y 1650 rpm para el motor.

Antes de secar el contenido medio de humedad en la superficie fue 22,51% y despus del secado era 11,6%, y en la parte inferior el contenido medio de humedad antes del secado fue 22,78% y despus del secado fue de 13,2%, por lo tanto, la tasa media de reduccin promedio de humedad fue 0,84% / h, este valor es superior a la estndar para secadores de mquinas, que es 0,70% / h.

Antes de secar la masa de arroz cscara fue 120,28 kg y despus del secado fue de 105,40 kg, por lo tanto, se elimin 14,88 kg de agua, donde la cantidad de agua que debe ser eliminada de la cantidad total de arroz a secar es el 10%, en este prototipo en estas condiciones fueron de 12,37%.

Antes de secar la relacin entre la temperatura de grano y de la humedad relativa sobre la superficie era 35,5 C (82%), despus del secado era 53,2 C (17%) y esta relacin en la parte inferior fue de 35,3 C (95%), despus del secado fue 35,2 C (63%), estos parmetros son directamente proporcional al proceso de secado, en caso de que la parte inferior la temperatura era casi constante, que es causa de la corriente de aire por eso la humedad relativa no disminuye mucho.

El consumo de combustible del motor diesel durante 12 horas de operacin fue de 2,75 litros.

El coste de Construccin del secador total fue de $167.5 USD

2.2.2 SECADO ESTTICO:Secadora de Tandas para Arroz usando como Combustible Cascarilla de ArrozEl propsito principal del trabajo fue el de dar a los agricultores de una herramienta que les ayudara a cumplir las normas de calidad, de manera que pueda bajar la humedad del producto a un costo mnimo, utilizando combustible barato como la cascarilla de arroz. Esto permitir almacenar y vender su producto en temporadas donde el arroz se comercializarlo a buenos precios.

El secador de lecho fijo o de capa estacionaria se componen de cuatro elementos principales que se observan en la figura: sistema de calentamiento del aire, ventilador, cmara de distribucin del aire y cmara de secado. En este caso el sistema de calentamiento es producto de la combustin de la cascarilla de arroz que aumenta la temperatura del aire que fluye por el intercambiador hasta los lmites recomendados para el producto a secar (arroz). El ventilador, generalmente, es del tipo centrfugo, por la presin esttica que se necesita en este sistema. La cmara de distribucin de aire sirve para transformar la presin dinmica del aire en presin esttica, uniformando la distribucin del aire dentro del secador. La cmara de secado es un recipiente con fondo de plancha de metal perforado, capaz de soportar el peso del producto hmedo. El producto permanece esttico en la cmara de secado, mientras que el aire calentado, impulsado mecnicamente por el ventilador, pasa a travs de la capa de producto y reduce su contenido de humedad.Caractersticas del sistema1. El sistema de transporte es de cangilones (recepcin y secado).

Tipo de elevador: MARTIN B64-141 Capacidad real de transporte de 6 [Ton/Hr] Cangilones tipo AA, dimensiones (6 x 4) [in] Espaciamiento de 13 [in] entre cangiln y cangiln.

2. El sistema Pre-limpieza cuenta con una capacidad de 2.7 Ton/h.3. Sistema de Secado Capacidad de secado de 2.7 ton/h de arroz. Reduccin de humedad del 24 al 12%, en 2 pasos. Temperatura de secado de 65C.

2.2.3 SECADO DINMICO:Secadores de lecho fluido pulsante:La fluidificacin es el estado que se produce en un slido disgregado cuando, atravesado por una corriente de aire en flujo cruzado, ste se expansiona, burbujea y las partculas quedan en suspensin, sin llegar al transporte neumtico. La fuerza de empuje del aire equilibra el peso de las partculas atravesadas por la corriente; el slido pasa comportarse como si fuera un lquido.

El fenmeno de la fluidificacin permite el mayor intercambio trmico posible, ya que el producto flota en una corriente de aire. El caudal de aire de secado atraviesa las partculas y permite que stas mantengan una temperatura constante y una completa transferencia de energa, garantizando el proceso deseado.

Descripcin del equipo El lecho fluido estndar est formado por un cajn estanco, separado en dos zonas por una solera de fluidificacin consistente en una chapa metlica perforada, aunque dependiendo de la aplicacin se puede utilizar otro elemento. El cajn de soplado inferior puede dividirse en compartimentos para adaptar las velocidades y temperaturas del aire al proceso requerido en el producto, dependiendo de los cambios fisicoqumicos que pueda tener ste. Una de las zonas puede reservarse, al final del tratamiento, para el enfriamiento del producto.

Descripcin del proceso El producto se alimenta por la parte superior del equipo gracias a una canaleta inclinada. Al inyectarlo con un ventilador dentro del cajn de soplado, el aire de proceso (fro o caliente) se distribuye de forma homognea gracias a la solera perforada dispuesta en el lecho, producindose la fluidificacin del producto. La parte superior del lecho est compuesta por una campana de la que se aspira con un ventilador de extraccin, el aire de proceso contaminado con finos del producto, que adems se encarga de equilibrar la presin dentro del lecho fluido. El proceso puede regularse modificando la altura dela capa fluidificada, el tiempo de estancia, as como la actuacin sobre el resto de equipos auxiliares.

Lecho fluido vibrante o esttico Cuando el producto a manipular presenta una granulometra muy heterognea o con partculas gruesas es preciso incorporar, al lecho fluido, una vibracin continua, con objeto de: Evitar la formacin de burbujas en la capa de producto fluidificada. Evitar la disgregacin del producto. Facilitar la fluidificacin de las partculas ms pesadas y el completo vaciado del equipo. Rangos de aplicacin de la tecnologa de secado-enfriamiento por fluidificacin Temperatura de aire de secado hasta 400C Granulometra del producto a tratar entre 0,3 y 75 mm, dependiendo del producto. Capacidad hasta 40 t/h para procesos de secado.

Ventajas de los lechos fluidos respecto a otros sistemas

Menor cantidad de energa trmica necesaria para el proceso en cuestin, es decir, alto rendimiento energtico. Solucin compacta de proceso. Reduccin y optimizacin de espacio. Alta disponibilidad, reducidos intervalos de mantenimiento, mximo rendimiento de produccin. Obtencin de bajas humedades de producto en procesos de secado y bajas temperaturas de producto en procesos de enfriamiento. Posibilidad de incorporar agua en los procesos de enfriamiento, para control de la humedad final.

BIBLIOGRAFA:MAHECHA GODOY, J. C. (2011). DETERMINACIN DE LOS PARMETROS PARA LA SIMULACIN MATEMTICA DEL PROCESO DE DESHIDRATACIN DE LA UCHUVA (Physalis Peruviana L.). BOGOTA D.C.: UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA.Moyano, D., Aguilar, F., Cardenas, M., & Espinosa L., M. (2012). Diseo de una Secadora de Tandas para Arroz usando como Combustible .OSPINA , J. (2001). Secado. En J. E. OSPINA, Caractersticas Fisico mecnicas y Anlisis de la calidad de granos (pg. 153). Bogot D.C.: Universidad Nacional de Colombia.RODRIGUEZ, J. (2010). Secado a Alta Temperatura. Recuperado el 13 de 05 de 2014, de http://ecaths1.s3.amazonaws.com/cerealicultura/965458159.4.%20Secado%20de%20los%20granos.pdfRodriguez, M. (26 de 05 de 2014). Determinacin de la Composicin Qumica y Propiedades Fsicas y Qumicas del Pulido de Arroz (Oryza sativa L.) . Obtenido de http://cybertesis.uach.cl/tesis/uach/2007/far696d/doc/far696d.pdfUNCTAD. (26 de 05 de 2014). Arroz Descripcion. Obtenido de http://r0.unctad.org/infocomm/espagnol/arroz/descripc.htm