RESULTADOS Y DISCUSIÓN Características Fisicoquímicas del

RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Características Fisicoquímicas del Chiltepín
Color
En el Cuadro 1, se observan las características fisicoquímicas del
chiltepín, en este se destaca que el color en la materia prima empleada,
presentó un tono rojo intenso, en este sentido el valor de L*,es comparable a lo
reportado por Montoya et al., (2010), pero los demás valores se observaron
bajos en comparación con este mismo autor. La variación del color en chiles es
función de los cromoplastos que se presentan primero en el exterior de las
venas del chile y posteriormente en las capas exteriores del pericarpio. Los
pigmentos carotenoides asociados con Capsicum se asocian con proteínas
fibrilares (Galicia, 2008). La posible degradación de estos compuestos se puede
deber al mismo manejo y prácticas de cosecha, ya que se ha reportado el
efecto de deterioro debido a la temperatura y manejo (Camacho 2004).Sin
embargo, en base al diagrama del sistema CIELab, representado en la Figura 5,
y los valores de C* y Hue*, los resultados demuestran un color rojo típico del
chiltepín, recién cosechado.
61
Figura 7. Ubicación de chiltepín en la representación esquemática de los rangos
de color de los valores a* , b* , C* y Hue* en el sistema CIELab.
62
Humedad
En el caso del secado de alimentos, el método y condiciones de
operación, así como la naturaleza física del alimento incluyendo composición y
temperatura afectan directamente esta operación; sin embargo, el contenido de
humedad inicial gobierna la velocidad de transferencia de masa en este proceso
(Sablani et al., 2008). Por otro lado, el conocimiento de esta variable determina
la eficiencia del proceso en función del contenido final de humedad en el
alimento. En el caso de la humedad, medida al inicio del estudio, se obtuvo un
valor que osciló en el rango del 50%, valor relativamente bajo en relación a
otros frutos; sin embargo, suficientemente alto como para generar o permitir la
generación de microorganismos y las reacciones de deterioro.
Actividad de agua (aw)
En el caso de la aw inicial, para chiltepín fue de 0.95, la cual es
comparable con la reportada por Chenlo et al., (2005). Generalmente una aw,
permite estimar los posibles mecanismos de deterioro de un alimento. Por otro
lado, con la determinación de aw, es posible entender las posibles
modificaciones durante el procesamiento, transporte y almacenamiento. A partir
de esta variable se pueden estimar las diferentes isotermas de desorción que
son útiles para el diseño de procesos y almacenamiento de los diferentes
productos, ya que con ellas se puede saber el rango óptimo de humedades
para su correcta conservación. En base a esta aw, es factible considerar las
mejores condiciones de secado para mantener su calidad por mayor tiempo que
el que se expende actualmente.
63
Cuadro 1. Características del Chiltepín empleado en el proceso.
Variable
Valor
Color
Rojo
Valor L*
26.2 ±3.2
Valor a*
32.7 ±3.2
Valor b
22.09 ±3.2
Valor C*
39.54 ±3.2
Valor Hue*
34.2 ±3.2
Forma
Esférica
Diámetro
5.5± 0.5 mm
Actividad de agua (aw)
0.95
Humedad Inicial
5 ±5.5%
Humedad final deseable
5 –8%
64
Morfología
El chiltepín en Sonora, se caracteriza por tener forma esférica, aunque
existen diversas formas reportadas para esta variedad de chiles como alargada
o triangular e incluso baya redonda u oblonga. La dimensión principal es su
diámetro el cual en este estudio estuvo en el rango de los 5.5 mm, aun cuando
puede llegar a tener hasta cerca de los 8 mm. Estos datos son similares a los
reportados por Bañuelos et al., (2008) considerando diámetros de 3 a 6 mm.
Este tipo de anatomía ha sido reportada para diferentes frutos como función de
tipo de suelo, precipitación y lugar de crecimiento de las plantas, ya que son
totalmente silvestres y las prácticas comunes agronómicas no son aplicables.
Incluso su composición es altamente afectada por las variables antes descritas.
Se ha postulado que el género Capsicum exhibe considerable variación
morfológica relacionada especialmente con la forma, el color y el tamaño del
fruto (Walsh y Hoot, 2001). Lo anterior puede deberse al proceso de
domesticación a lo largo de miles de años de las variedades del conjunto de
taxa, lo que condujo a la dispersión geográfica de diferentes especies en
poblaciones pequeñas, fragmentadas, diseminadas en regiones amplias,
circunstancia que incrementó las posibilidades de flujo genético entre las
poblaciones domesticadas y las silvestres (Walsh y Hoot, 2001). Lo anterior se
vio favorecido por el hecho de que la gran mayoría de taxa del género son
diploides (2n= 24 y unas pocas 2n= 26) y tienen cariotipos similares
(Lippert,1966; Mosconeet al., 1993).
65
Características Ambientales
En cuanto a cuestiones climáticas en la región del río de Sonora se tomo
como región para el estudio la comprendida en las coordenadas de 29°06’30’’
LN, 110°10’30’’ LO y 475 msnm (correspondiente a Mazocahui, municipio de
Baviácora, Sonora). En esta parte del estado se consideró los meses de Julio a
Diciembre y la temperatura promedio en esa región durante estos meses es de
35°C y una humedad ambiental relativa de 40%. Por otra parte se consideró
para efectos de cálculo en las siguientes etapas una incidencia solar de 600
W/m2.
Variables y Condiciones para el Diseño del Secador Solar
Para el diseño del secador se realizaron pruebas de secado para
compararlas posteriormente con la realización de las isotermas de sorción y
finalmente realizar los cálculos de diseño del secador.
Pruebas preliminares de secado
Inicialmente se deshidrataron en un secador comercial aproximadamente
2.5 k de chiltepín, el cual se deshidrato por 14 horas a una temperatura de
45°C. La Figura 8 muestra el comportamiento de la humedad libre (X) con
relación al tiempo (h). A
estas condiciones se obtuvo una humedad en el
equilibrio X* de aproximadamente de 0.15 Kg Humedad/ Kg sol. secos. Aunque
se obtuvieron atributos bastante atractivos del chiltepín, el tiempo de proceso es
relativamente largo y eso implica riesgos en calidad. En base a esto, es que se
66
1.0
X (kg humedad/Kg sol.seco)
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
Tiempo (h)
Figura 8. Velocidad de secado de chiltepín en función de la humedad
libre y el tiempo de secado a 45°C en un horno secador convectivo
67
realizaron las pruebas siguientes consistentes en la elaboración de isotermas
que pudieran predecir en forma más concreta y a diferentes humedades
relativas, el comportamiento de la humedad libre y la humedad equilibrio
respectiva para cada condición en específico.
Isotermas de Desorción
Estas isotermas de desorción fueron establecidas en base a los atributos
de calidad del chiltepín en pruebas preliminares, además se ha reportado por
Prothon et al., (2003) y Ratti (1994), que altas temperaturas en los fenómenos
de desorción pueden causar daño, colapso y encogimiento de la estructura
celular durante la desorción o rehidratación. Preliminarmente se observó que
dicha temperatura es la que afectó en menor grado el color y que el tiempo de
secado era relativamente bajo. Posteriormente y para obtener el contenido de
humedad en equilibrio se grafico la relación de actividad de agua con el
contenido de humedad en base seca, Esto se hizo con el propósito de
corroborar los resultados antes obtenidos de las condiciones preliminares de
secado y establecer posteriormente algún modelo de predicción.
Los resultados obtenidos de las 2 diferentes sales dieron un contenido
de humedad en equilibrio de 0.02 y 0.03 Kg de humedad/Kg de sólidos secos
para 11 y 21% de HR,
ligeramente altos en relación a los reportados por
Chenlo et al., (2005) en pimientos de padrón (capsicum annuum). Los cuales
dieron como resultado una humedad de equilibrio de 0.01 Kg de humedad/Kg
de sólidos secos y donde el comportamiento es muy parecido a esta misma
temperatura.
68
Se construyeron dos isotermas de desorción para
chiltepín, de esta
forma se evaluó la humedad en equilibrio para la temperatura dada de 45°C. En
todos los caso se observa una disminución del contenido de humedad a medida
que disminuye la actividad de agua, siendo este comportamiento común para
prácticamente todos los alimentos, (Iglesias y Chirife, 1982) (Figuras 9 y 10). En
este sentido las isotermas obtenidas pueden ser consideradas tipo III
sigmoidales, según Martínez (1998).
Los resultados derivados de las isotermas de desorción, realizadas en
chiltepín, difieren de los que se obtuvieron a partir de las condiciones
preliminares de secado, donde se emplearon mediciones por aproximadamente
20 días ininterrumpidos hasta obtener un peso constante. En el caso de las
pruebas preliminares se utilizaron 14 h de secado a la misma temperatura pero
con flujo de aire caliente y constante. Es factible considerar que el flujo de aire
es una variable fundamental en el secado y específicamente la duración de este
proceso, por lo que es imperativo considerarlo en el diseño del prototipo.
69
0.4
Humedad Equilibrio (bs)
0.3
0.2
0.1
0.0
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
aw
Figura 9. Humedad en equilibrio obtenida en chiltepín a una temperatura
de 45 °C, empleando una humedad relativa de 11% en el sistema.
70
0.30
Humedad equilibrio (bs)
0.25
0.20
0.15
0.10
0.05
0.00
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
aw
Figura 10. Humedad en equilibrio obtenida en chiltepín a una
temperatura de 45 °C, empleando una humedad relativa de 21% en el sistema.
71
Cálculos de Diseño
Crapiste
y
Rotstein
(1997)
parten
de
considerar
los
datos
experimentales, principalmente los datos de curvas de secado o curvas de
velocidad de secado para definir la siguiente velocidad de secado:
Dónde:
nw = velocidad de secado
ms = masa (Kg)
As = Área externa (m2)
Xm = Humedad promedio
ρs = densidad (Kg/m3)
av = Área por unidad de volumen
dt = 10 H
En nuestro caso y para cálculo se consideró:
ms = 10 (Kg)
As = 15 (m2) = Ap
Xm = 0.16
72
ρs = 417.53 (Kg/m3)
av = 8.06
Con los datos y la ecuación antes citada se obtuvo una velocidad de
secado de: nw = 0.01 Kg/m2-H
Condiciones generales de diseño de la cámara de secado
Para este caso se plantea el establecimiento de condiciones y cálculo de
las diferentes variables involucradas en el diseño del secador para chiltepín. Es
necesario para ello establecer diferentes variables como las que se definen a
continuación en base al tamaño del prototipo.
Flujo másico y Cantidad de calor necesario para realizar el secado de 10
kg de chiltepin
Para esto necesitamos determinar variables, hasta la fecha desconocidas
para este tipo de fruto como es el caso de: calor específico, densidad, área
promedio, volumen, etc.
En el caso de determinación de Cp en base a la humedad del chiltepín
podemos definir como sigue:
Considerando un Xw = 0.16
73
O en el caso de que sea dependiente del contenido de carbohidratos
temperatura sería:
–
Podemos definir una Cp promedio para el chiltepin de Cp = 1.49 KJ/Kg°C
Si se quiere secar 10 kg de chitepín a una velocidad de 0.01 kg/H desde
una humedad máxima de 45 % y llevarlo hasta 5 % con aire a una temperatura
inicial de 35°C y calentado hasta 50°C este mismo fluido, a la entrada de la
cámara de secado y entrando a una velocidad de 0.05 m 3/s = 180 Kg/h
Considerando una densidad del aire de ρ= 1.2 Kg/ m 3
Para calcular el flujo másico de sólidos secos:
Se consideran las ecuaciones de velocidades de flujo y composición en
base seca:
En los balances de masa se obtienen:
Alimento sólido:
–
Aire:
–
Los subídices i y o indican entrada y salida respectivamente
74
F y G son los flujos másicos de aire seco y contenido de humedad
En cuanto a los balances de energía se consideran:
Alimento:
–
–
–
Aire:
–
–
–
Dónde Q = la energía transferida del aire al sólido
Para propósitos prácticos se consideran los calores específicos del agua
líquida, aire seco y vapor de agua, así como el ∆Hv como siguen:
Tr = Temperatura de referencia (25°C)
–
El contenido de agua en base seca sería:
75
Para el caso del aire y a estas condiciones y en base a cartas psicométricas tYi
= 0.008 Kgv/Kgg
El calor necesario para elevar la temperatura de este flujo másico de aire
de 35 a50 °C sería:
–
La velocidad de evaporación y la carga térmica se pueden obtener de la
siguiente manera:
–
–
–
–
En base a los análisis posteriores y a las curvas de secado obtenidas
previamente, es que se decidió obtener un diseño dónde las etapas de secado
sean 3. De inicio se considerarán los mismos flujos de entrada de aire y los
cálculos se harán en esta base.
Se considerará para esta etapa un tamaño de secador basado en la
carga inicial de chiltepín húmedo para 10 Kg de chiltepín, distribuido en 10
76
charolas de 1.5 m de L por 1 m de ancho, con una profundidad de 1.5 cm. En
base a los experimentos realizados se observó que el comportamiento en tres
períodos de secado. Inicialmente el chiltepín tiene una humedad crítica
considerada del Xi = 0.354 kgw/kgs Xo = 0.27 , densidad ρs = 417.53 (Kg/m3).
Xcr = 0.21 Xm= 0.35, Xe=0.02
En el caso de la difusividad térmica, esta se estimó en los últimos dos
períodos de secado a partir del comportamiento del secado convectivo del
chiltepín, y obteniéndose: Para el período de la región húmeda: D eff = 1.37 x 109
m2/s y para el caso del período seco Deff = 8.62 x 10-10 m2/s
Primera Etapa De Secado
En base a lo anterior el área expuesta (AP) del producto se puede
considerar como
Ap = n L w
n = 10 charolas
L = 1.5 m
W=1m
Ap = 15 m2
Área efectiva del producto es de puede considerarse 80%, equivalente a 12 m 2
Ag =10 (0.1 -0.015) 1
77
Ag = 8.5 m2
La carga del producto en base seca (L) es:
L = ρbApb
ρb = 417.53 (Kg/m3)
Ap = 15 m2
b = 0.015
L = 93.94 kg
Carga total del producto (Ft), en base seca:
A partir de las condiciones de entrada del aire en el secador, se puede
considerar las siguientes propiedades del aire:
Yi = 0.008
ρ = 1.2 kg/m3
η = 2 x 10 -5 m2/s
k = 3 x 10 -5 KW/m2 °K
Pr = 0.7
78
Con esto obtenemos el flujo de aire en base seca sobre las parrillas dado
por:
–
(Tg –Twb) = 50 - 27
hg = Calculada a partir de los diferentes números adimensionales para este
caso son:
79
–
Segunda Etapa De Secado
En esta segunda etapa asumimos que el chiltepín está en forma de capa
delgada (thin-layer)
Aplicando la fórmula:
–
av área por unidad de volumen= 8.06
∆X =0.33
Deff = 1.37 x 10-9 m2/s
En base a un Bi = 8.2 obtenemos λ1 = 1.4
b = 3.9 x 10 -4
80
El tiempo de secado en esta etapa sería calculado en base a:
–
–
–
–
Tercera Etapa De Secado
En esta etapa de secado la efectividad de la difusividad es menor que en
la zona húmeda
A partir de aquí el nw esta dado por:
–
81
A partir de los cálculos de tiempo de secado de esta etapa se puede obtener a
partir de:
–
–
–
Sumando todos los tiempos de proceso podemos obtener:
A partir de estos balances, cálculos y con las consideraciones dadas en
la metodología, específicamente la cantidad inicial de 10 Kg de chiltepín, es
factible modelar un prototipo de cámara de secado. En base a que
potencialmente este prototipo se utilizará a la intemperie y a condiciones
climáticas, relativamente extremas se puede considerar lo siguiente para su
construcción:
82
Emplear lámina galvanizada con dimensiones de 1 metro de largo por 1.5
metros de ancho, 10 charolas de acero inoxidable de 1.5 metros de largo por un
metro de ancho y con 1.5 cm de profundidad, fibra de vidrio como aislante de
2.5 cm de espesor y un recubrimiento nuevamente de lámina galvanizada, la
puerta de la cámara completamente sellada al cerrarse. Un flujo de aire con una
velocidad de 0.05 m3/s (180 kg/h), y un una temperatura de entrada de 50°C.
Algunas de estas especificaciones que son factibles utilizar en la cámara de
secado se muestran en el Cuadro 2 y Figura 11.
83
Cuadro 2. Dimensiones y materiales utilizados en la cámara de secado
Partes del
secador
Cantidad
Material
Dimensiones
Cámara de
secado
1
Lámina Galvanizada
1m de largo x 1.5 m
de ancho
Charola
10
Acero Inoxidable
1.5 m de largo x 1 m
de ancho y
1.5 cm de profundidad
Aislante
1
Fibra de vidrio
2.5 cm de espesor
84
Figura 11. Dimensiones y componentes factibles para la cámara de secado
85
Cálculos Involucrados En El Diseño Del Colector
En lo que correspondió al diseño del colector solar de placa plana
primeramente se hace una suposición de la temperatura de la placa de
absorción, en este caso la temperatura supuesta fue de 60°C.
Ecuaciones de transferencia de calor:
-
De la placa a la cubierta
-
De la cubierta al firmamento
86
Se realizo la corrección del coeficiente de transferencia por convección
natural entre placas paralelas inclinadas a 45° en donde el calor fluye hacia
arriba, donde se obtuvo:
Coeficiente de transferencia de calor referente al viento sobre una placa plana:
Por lo tanto el coeficiente global de transferencia de calor en la superficie fue
de:
87
Una corrección de la temperatura de la cubierta nos dio como resultado:
Se empleo una Tc = 41.65°C para la siguiente iteración
88
Debido a que la diferencia entre los resultados en Tc prácticamente
fueron iguales, se prosiguió a continuar con los cálculos de los coeficientes
globales de transferencia del fondo y de los lados donde se obtuvo:
Finalmente el coeficiente total de transferencia de pérdidas de calor en
conjunto, del fondo, la superficie y de los lados fue de:
1.57 + 5.023 + .288
89
Se obtuvo el producto de transmitancia – absortancia donde el resultado fue de:
La energía útil del colector fue de:
Por todos los resultados anteriores se obtuvo una eficiencia del colector de:
Valores del coeficiente global de pérdidas térmicas entre (4 – 5) W/m2 °C,
indican que los colectores solares son de buena calidad térmica, según lo
establecido en estándares internacionales, en base a esto, el resultado obtenido
90
en esta investigación, fue mayor a lo esperado, probablemente debido a los
materiales que se utilizaron para los cálculos.
Con este colector solar, la cámara de secado cumple los requerimientos
necesarios para lograr la temperatura y velocidad de secado necesarias para el
proceso de deshidratación del chiltepín.
En cuanto al resultado obtenido en la eficiencia térmica, este indica que
está dentro de lo reportado por Nandwani, (2005) para colectores solares
planos, los cuales llegan a tener una eficiencia del 40 al 60%. Para la obtención
de una eficiencia aceptable se tomo en cuenta que el colector solar tuviera una
dimensión de 1 metro de de ancho por 2
metros de largo de lámina
galvanizada, una cubierta de acrílico de .97 m de ancho por 1.975 m de largo y
1 cm de espesor, un adsorbente de acero inoxidable con pintura negra de 5 mm
de espesor, una capa de aislante de fibra de vidrio de 2.5 cm de espesor, una
temperatura ambiente en la entrada del colector de 35°C. Algunas de estas
especificaciones se muestran en el Cuadro 3 y Figura 12.
91
Cuadro 3. Dimensiones y materiales factibles para el Colector solar
Partes del
Colector
Cantidad
Material
Dimensiones
Cámara del
colector
1
Lámina Galvanizada
1 m de ancho x 2 m
de largo
Cubierta
1
Acrílico
.97 m de ancho x
1.975 m de largo y 1
cm de espesor
Aislante
1
Fibra de vidrio
2.5 cm de espesor
Capa absorbente
1
Acero Inoxidable con
pintura negra
5 mm de espesor
92
Figura 12. Componentes y materiales del colector solar
93