DISEÑO DE UN EQUIPO PARA DESHIDRATACIÓN DE TOMATES, A ...

DISEÑO DE UN EQUIPO PARA DESHIDRATACIÓN DE TOMATES, A ESCALA DE LABORATORIO, MEDIANTE APROVECHAMIENTO DE ENERGÍA SOLAR Y

ENERGÍA ELÉCTRICA

GUSTAVO ADOLFO SANMARTIN BELEÑO JORDY ANTONIO BUJ ALCALÁ

JULIANA PUELLO MÉNDEZ Ingeniería Química, Magister en Ingeniería Química y Doctora en Ingeniería

Química.

DIRECTORA

UNIVERSIDAD DE SAN BUENAVENTURA SECCIONAL CARTAGENA FACULTAD DE INGENIERIA ARQUITECTURA ARTES Y DISEÑO

PROGRAMA DE INGENIERÍA QUÍMICA CARTAGENA DE INDIAS, 2017.

DISEÑO DE UN EQUIPO PARA DESHIDRATACIÓN DE TOMATES, A ESCALA DE LABORATORIO, MEDIANTE APROVECHAMIENTO DE ENERGÍA SOLAR Y

ENERGÍA ELÉCTRICA

GUSTAVO ADOLFO SANMARTIN BELEÑO JORDY ANTONIO BUJ ALCALÁ

Trabajo de grado presentado como requisito parcial para optar al título de Ingeniero Químico

JULIANA PUELLO MÉNDEZ Ingeniería Química, Magister en Ingeniería Química y Doctora en Ingeniería

Química.

DIRECTORA

UNIVERSIDAD DE SAN BUENAVENTURA SECCIONAL CARTAGENA

FACULTAD DE INGENIERIA ARQUITECTURA, ARTES Y DISEÑO PROGRAMA DE INGENIERÍA QUÍMICA

CARTAGENA DE INDIAS, 2017.

CONTENIDO

Pág.

RESUMEN..........................................................................................................................................5

INTRODUCCIÓN ..............................................................................................................................6

1. PROBLEMA DE INVESTIGACIÓN .......................................................................................7

1.1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ..............................................................................7

1.3. JUSTIFICACIÓN ...................................................................................................................8

1.4. OBJETIVOS ........................................................................................................................ 10

2. MARCO REFERENCIAL ...................................................................................................... 11

2.1. ANTECEDENTES DE INVESTIGATIVOS ..................................................................... 11

2.2. MARCO TEÓRICO. ........................................................................................................... 14

2.3. MARCO LEGAL. ................................................................................................................ 22

2.4. MARCO CONCEPTUAL. .................................................................................................. 23

3. DISEÑO METODOLÓGICO. ................................................................................................ 25

3.1. TIPO DE INVESTIGACIÓN. ............................................................................................. 25

3.2. ENFOQUE ADOPTADO. .................................................................................................. 25

3.3. DISEÑO ADOPTADO. ...................................................................................................... 25

3.4. TÉCNICAS DE RECOLECCIÓN DE LA INFORMACIÓN. ......................................... 26

3.5. HIPÓTESIS. ........................................................................................................................ 26

3.6. VARIABLES. ...................................................................................................................... 26

3.7. OPERACIONALIZACIÓN DE VARIABLES. ................................................................. 27

3.8. PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN. ............................................................... 28

4. RESULTADOS ....................................................................................................................... 30

4.1. CARACTERIZACIÓN DEL TOMATE ............................................................................. 30

4.2. PRUEBA PILOTO Y ANÁLISIS MICROBIOLÓGICO ................................................. 34

4.3. RADIACIÓN SOLAR ......................................................................................................... 38

4.4. DIMENSIONAMIENTO...................................................................................................... 40

4.5. ANALISIS ECONÓMICO. ................................................................................................. 51

4.6. IMPACTO DEL PROYECTO. .......................................................................................... 53

5. DISCUSIÓN DE RESULTADOS ......................................................................................... 55

5.1. CURVA DE SECADO........................................................................................................ 55

5.2. ANÁLISIS MICROBIOLÓGICO ....................................................................................... 55

5.3. DIMENSIONAMIENTO...................................................................................................... 56

6. CONCLUSIONES .................................................................................................................. 61

REFERENCIAS .............................................................................................................................. 63

ANEXOS .......................................................................................................................................... 66

RESUMEN

En el presente estudio se diseña un equipo para deshidratación de productos agrícolas de la región del caribe colombiana haciendo referencia a tomate Lycopersicom esculetumcon, con el fin de aprovechar las fuentes de energía solar y eléctrica mediante de un modelamiento matemático y termodinámico. Se evalúan las condiciones del deshidratador como variables ambientales, de proceso y propiedades fisicoquímicas del producto a secar, identificando el estado actual de las tecnologías para desarrollar mejoras en el diseño mitigando fallas en la eficiencia del secado para ello se genera un esquema bidimensional y modelo 3D facilitando la composición del equipo. Dentro de los análisis y caracterizaciones se identificó el riesgo en la calidad del producto deshidratado asociados con los parámetros estandarizados, las buenas prácticas agrícolas y la incidencia solar por el INVIMA, la NTC e IDEAM refiriéndose a la viabilidad del proceso, por lo tanto esta metodología resulta ser la más adecuada. Dentro de los aspectos importantes se resalta el valor agregado concebido al producto final evitando el deterioro de sus propiedades, el uso de las energías renovables y optimo dimensionamiento del equipo. PALABRAS CLAVES: Equipo, Energía, Producto, proceso, deshidratación, Tomate, Solar, Eléctrico

INTRODUCCIÓN

La producción de tomate en Colombia en gran parte está distribuida por pequeños y medianos agricultores, es una actividad de alto riesgo económico donde se implementa un alto capital en mano de obra e insumos que generan en la mayoría de casos perdidas despues de cosechar por ser un producto perecedero y por la escasa tecnificación en la producción [1] [2] , por esto la importancia en lograr la disminución de pérdidas de producto con el desarrollar de esta tecnología, fortaleciendo las energías renovables, el cuidado al ambiente y logrando un nuevo mercado al darle un valor agregado al producto. Con el fin de generar una alternativa a la necesidad de preservación de los productos agrícolas de la región del caribe colombiano, en el presente proyecto se decide diseñar un dispositivo que remueva la humedad de los alimentos por medio del principio de calor y flujo de aire para reducir la actividad de agua en el producto [3] El secado es uno de los métodos más antiguos que ha utilizado el hombre para conservar sus alimentos, actualmente el secado de frutas y hortalizas es un proceso industrial muy importante en la preservación de la calidad de los productos agrícolas [1]. Con el fin de disminuir la humedad del producto a tal punto de su degradación y su volumen también disminuyan, facilitando así su exportación y contribuyendo a la diversificación de productos provenientes de la agroindustria, gracias a un proceso de valorización. El equipo a diseñar hace uso de energía solar y energía eléctrica, el uso de un sistema hibrido para la deshidratación se hace con el fin de garantizar un buen rendimiento en el proceso de deshidratación, además se diseñó con base a su viabilidad y los objetivos que enmarcan el diseño del equipo, caracterización del producto, propiedades y condiciones de operación. En el presente proyecto se estudiaron las generalidades del diseño, producto a deshidratar (Licopersycum esculentum), procedimiento, factores que determinan la calidad del producto, principales exportaciones e importaciones del país de producto deshidratado, con base a estudios previos realizados. Se realizaron experimentos con los que se determinó la humedad del producto deshidratado, la curva de secado donde se observa la humedad en base seca del alimento y la velocidad del secado. Por otro lado, se evaluó las propiedades básicas y microbiológicas del tomate fresco y deshidratado a partir de un análisis calidad del producto a partir de cuatro parámetros (Determinación de Coliformes Totales, Determinación de Coliformes Fecales, Recuento de Aerobios Mesofilos, Recuento de Mohos y Levaduras).

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DISEÑO DE UN EQUIPO PARA DESHIDRATACIÓN DE TOMATES A ESCALA LABORATORIO, MEDIANTE APROVECHAMIENTO DE ENERGÍA SOLAR Y

ENERGÍA ELÉCTRICA

1. PROBLEMA DE INVESTIGACIÓN

1.1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

La producción de tomate en Colombia está distribuida en gran parte del territorio nacional a cargo de pequeños y medianos agricultores. El cultivo de esta hortaliza se presenta como una activad de alto riesgo económico debido a los altos costos de producción por el uso intensivo de mano de obra e insumos, los altos índices de pérdidas en la poscosecha, por ser un producto altamente perecedero, los problemas fitosanitarios, la escasa tecnificación en la producción, los bajos rendimientos y la carencia de cultivadores nacionales [1][2].

Una alternativa para solucionar estas situaciones es el uso de un deshidratador de alimentos; un deshidratador es un dispositivo que remueve la humedad de los alimentos para ayudar a su preservación por períodos largos. Un deshidratador de alimentos usa una fuente de calor y un flujo de aire para reducir el contenido de agua del alimento, la cual transmite el calor latente de evaporación al producto[3]. Estudios realizados demuestran que con el proceso de deshidratación, la masa entre la materia prima bruta y el producto final disminuye en promedio un 88% [4], y a la vez aumenta el tiempo de conservación[5]. Este proceso también implica la eliminación de desechos y partes no comestibles de los tomates, lo que facilita su incorporación directa en la preparación de comidas o como materia prima en otros procesos. Además, la calidad del producto deshidratado es generalmente superior cuando se selecciona una buena tecnología del proceso. Entre los estudios se encuentra el realizado en 1995 por Milena Alcayaga et al, “Deshidratación de alimentos” publicado en la Universidad Técnica Federico Santa María, en Valparaíso, Chile. [6]. Otro trabajo, desarrollado por Ayensu en 1997 y publicado en la revista Solar Energy realizado en Ghana, “Dehydratation of food crops using a solar dryer with convective heat flow” [7].

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La anterior investigación se complementa con la publicación en Renewable Energy por A. Madhlopa et al, publicado en el año 2002, “A solar air heater with compositive-absorber system food dehydratation” [4]. En el 2007, Monsalve y Machado realizaron un artículo titulado “Evaluación de dos métodos de deshidratación de tomate (Lycopersicom esculentum mil) variedad manzano”, publicada en la revista Multiciencias [3]. Un deshidratador de alimentos consta de una cámara de secado (donde se colocan los alimentos), y un colector solar donde se calienta el aire que absorbe la humedad. La radiación solar es absorbida por el colector, calentando el aire que hay en el interior. Este calentamiento provoca la circulación del aire en el interior, pasando por la zona donde se ubican los productos a secar, para finalmente desplazarse hacia el exterior. La aplicación específica del deshidratador en este trabajo es para la especie Licopersycum esculentum de tomate, cultivado en la región andina y alrededores y en departamento del Atlántico por la Cooperativa de Productores de tomates de Repelón, y en la Guajira por productores y comercializadores de tomates Matitas; en total el departamento del Atlántico para el 2013 producía unas 30 toneladas por hectárea y de la Guajira se producían 16 toneladas por hectárea [8]. La deshidratación hace que el producto (en este caso tomates) disminuya su peso y volumen, lo cual facilita su manejo, manipulación y transporte. A la vez, el alcance de este proyecto contempla la diversificación de productos, aspecto que es considerado en las áreas estratégicas para investigación y desarrollo del Sistema Nacional de Ciencia, Tecnología e Innovación. Con este proyecto se pretende desarrollar una tecnología que de valor agregado a productos poscosecha y que además promuevan el aprovechamiento de energías alternativas. Por esta razón, se hace pertinente el desarrollo de un equipo para cumplir con este objetivo, que en este caso consiste en el diseño de un deshidratador de carácter híbrido que use tanto energía solar como energía eléctrica. 1.2. FORMULACIÓN DEL PROBLEMA

¿Cuál es el diseño apropiado de un equipo para deshidratar, a escala de laboratorio, tomates, en el que se utilicen energía solar del Caribe colombiano y energía eléctrica?

1.3. JUSTIFICACIÓN El uso de un sistema híbrido para deshidratar tomates, resulta efectivo a la hora de darle valor agregado al producto, y su diversificación, porque permite la obtención de tomate deshidratado para su exportación, y su consumo local; además, al estar deshidratados los tomates, estos ocupan menor volumen, lo cual se traduce en mayor cantidad de producto agrícola, reflejado en la reducción de

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costos de transporte. Sin embargo, el uso de un deshidratador híbrido convencional puede resultar costoso tanto en su compra como en su mantenimiento; es por esto que se requiere de un dispositivo económico que considere los aspectos antes mencionados, para aprovechar la irradiación solar de la región caribe del país, aparte de emplear materiales de fácil acceso: vidrio, aluminio, madera y componentes eléctricos como cables y bombillos para su construcción; de esta manera se plantea el diseño de un dispositivo que proporciona una tecnología sencilla y sostenible al manejar energías alternativas y renovables. Se plantea un deshidratador hibrido y no solar o eléctrico netamente, para el manejo de las energías renovables por una parte, y que a la vez no se vea afectada la eficiencia del equipo por efectos ambientales. Esto con el fin de disminuir la humedad del producto a tal punto que su degradación y su volumen también disminuyan, facilitando así su exportación y contribuyendo a la diversificación de productos provenientes de la agroindustria, gracias a un proceso de valorización. El proyecto es pertinente con las políticas expresadas en el PEB de la Universidad San Buenaventura, cuando se contempla en uno de los puntos del artículo 6° de la ley 30 de 1992 que busca “Desarrollar actividades que promuevan la preservación del medio ambiente y la conservación y fomento del patrimonio cultural”. Y además “La Universidad de San Buenaventura es una comunidad de educación superior que considera fundamentales en su acción, la búsqueda constante de la verdad, la actividad creadora, el análisis serio y objetivo de la realidad, el rigor científico, el valor intrínseco de la ciencia y la investigación, el examen crítico de los conocimientos y la aplicación de los mismos al desarrollo de la comunidad”. El presente proyecto desde el punto de vista disciplinario integra principios de diferentes asignaturas, principalmente Fenómenos de Transporte, Termodinámica, Operaciones Unitarias, Transferencia de Calor y Energías Alternativas. El conocimiento de la disponibilidad de la energía solar es indispensable porque facilita el aprovechamiento adecuado de este recurso energético mediante el uso de sistemas y tecnologías que lo transforman en diversas formas de energía útil. La información que reporta la literatura [8] permite identificar las regiones en Colombia donde la radiación solar incide con mayor intensidad. Una aproximación a la disponibilidad promedio multianual de energía solar por regiones es: Región Guajira 2190 KWh/m2 /Año, Costa Atlántica 1825 KWh/m2 /Año, Orinoquia 1643 KWh/m2 /Año, Amazonia 1551 KWh/ m2 /Año, Andina 1643 KWh/m2 /Año y Costa Pacífica 1278 KWh/m2 /Año[9]. Es factible el proyecto desde la etapa de diseño, porque se cuenta con la disponibilidad de tiempo para realizarlo, los requerimientos económicos son relativamente bajos, se cuenta con información producto del desarrollo parcial de este proyecto con el proyecto de convocatoria interna “DISEÑO CONCEPTUAL DE UN PROCESO DE DESHIDRATACIÓN DE PRODUCTOS AGRÍCOLAS

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MEDIANTE APROVECHAMIENTO DE LA RADIACIÓN SOLAR EN LA REGIÓN CARIBE COLOMBIANA.”, y se cuenta con los conocimientos que se manejan de termodinámica y fenómenos de trasporte, aparte de que proporciona una base para una posible construcción posterior al proyecto, así como la evaluación de la tecnología propuesta, para la deshidratación de diversos productos agrícolas. Teniendo en cuenta la agenda I+D+i del PND 2014-2018, la cual establece que para la región Caribe se encuentran demandas en el área de alimentación y nutrición humana y animal; entre los alimentos presentes se encuentra el tomate, el cual requiere según el mismo documento, diversificación de productos y mejoras en tratamientos de conservación. Además, hay que agregar que con base en esta agenda se encuentra contemplada esta temática en planes de desarrollo Departamental y en convocatorias de investigación de Colciencias. 1.4. OBJETIVOS

1.4.1. Objetivo general Diseñar un equipo para deshidratación de tomates, en el que se combine el aprovechamiento de la energía solar y la energía eléctrica, considerando las condiciones ambientales en el Caribe colombiano, usando modelación matemática y termodinámica.

1.4.2. Objetivos específicos Realizar un diagnóstico sobre el estado de las tecnologías de deshidratación de productos agrícolas. Identificar las variables ambientales y operacionales relacionadas con el diseño del deshidratador. Evaluar las propiedades fisicoquímicas del tomate relacionadas con el diseño del deshidratador. Efectuar un esquema bidimensional del equipo, que permita elaborar un modelo 3D, con el fin de facilitar la construcción, mejorar la visualización y facilitar la comprensión del equipo.

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2. MARCO REFERENCIAL

2.1. ANTECEDENTES DE INVESTIGATIVOS Entre los estudios realizados previamente, Milena Alcayaga et al. [6] en 1995, describen un deshidratador con un secador de laboratorio, junto con las ecuaciones y modelamiento matemático, que les permitieron reportar gráficos y coeficientes correspondientes a cada tipo de medición. A diferencia con el presente proyecto es que maneja solo la energía eléctrica, sin tener en cuenta la energía solar. En otro trabajo, desarrollado por Ayensu [7] en 1997 y realizado en Ghana, se describe el diseño de un deshidratador solar, junto con los datos experimentales obtenidos mediante el uso de este equipo, además de los materiales empleados para su construcción. La anterior investigación puede complementarse con la realizada para el diseño de un deshidratador solar, publicada por A. Madhlopa et al [4], en el 2002, que describe el diseño de un deshidratador solar, y así mismo discute sobre la sostenibilidad asociada al uso de este tipo de equipos en la región de Malawi. Para el 2006 P.Gbaha y colaboradores [10], publican la investigación en la cual, a partir de datos experimentales y teóricos, determinan la eficiencia de un deshidratador solar. En el 2007, Monsalve y Machado [1] realizaron un artículo sobre la deshidratación de tomates empleando dos métodos: uno por deshidratación en espacio abierto, y otra mediante secado en bandejas; ambos métodos fueron comparados con base en su efectividad, temperaturas óptimas de proceso, y un análisis microbiológico, para ambos casos se tuvo buena estabilidad microbiológica y fisicoquímica, y la temperatura óptima para el secador al aire libre fue de 52°C. M.V. En 2008, Ronceros at al [5], realizo publica un trabajo del que se pueden extraer

gráficas de análisis microbiológico en las cuales se emplearon escalas crecientes

de 0 a 15 para expresar la intensidad (0=disgusta, 15=gusta) percibida para cada

atributo organoléptico: apariencia (apa), color (col), aroma (aro), sabor (sab) y

textura (text) [5].

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En la Figura 1 se observa que a los 30 días hubo una mayor presencia de levaduras y hongos. Lo cual puede deberse a la mayor asociación existente entre éstos microorganismos y la actividad de agua (aw). En general, las características sensoriales mostraron un bajo efecto sobre la calidad del producto. Sin embargo, a 20ºC, la textura mostró una presencia importante. La razón puede ser la mayor pérdida de humedad que se alcanza al haber una alta presencia de ésta. En la Figura 2 se observa que las características microbiológicas no presentaron un efecto sobre la calidad del producto y en la Figura 3 se observa que la humedad y las características microbiológicas se mostraron altas a los 90 días de almacenamiento, probablemente debido a la condensación de calor en la superficie del alimento[5].

Figura 1: Efecto de 30 días de almacenamiento a 7( ), 20 ( ) y 30°C ( ) Fuente: Ronceros Betty et al [5].

Figura 2: Efectos de 60 días de almacenamiento a 7°C ( ), 20°C ( ) y 30°C ( ) Fuente: Ronceros Betty et al [5].

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Figura 3: Efecto de 90 dias de almacenamiento a 7°C ( ), 20°C ( ) y 30°C ( ) Fuente: Ronceros Betty et al [5].

Un resultado de este restudio fue la clasificación de las características de calidad del tomate deshidratado, considerando su variabilidad sensorial y microbiológica. Se obtuvieron resultados positivos con respecto a la calidad (sabor y apariencia), del producto. Gracias a estos resultados fue posible generar la predicción del comportamiento del sabor en relación a la presencia de E. Coli, hongo, levaduras y apariencia del tomate deshidratado [5]. Ramana Murthy [11] realizó en 2009 una revisión de las tecnologías y los modelos usados para la deshidratación solar, así como los campos en los que se aplica la deshidratación. Para ese mismo año Atul Sharma [12], junto con otros investigadores presentó una revisión de sistemas de deshidratación, en la que se ilustran las diferentes configuraciones y tipos de deshidratadores solares, así como las temperaturas máximas para algunas frutas y verduras, siendo para el tomate 60°C. Para el 2013, Manna [13] y colaboradores construyeron un deshidratador solar, para solventar los problemas dados por el almacenamiento y el daño a los tomates cosechados en Adrar ciudad de Argelia, que dan como resultado desperdicios. Con el deshidratador solar obtuvo las curvas de deshidratación, las cuales varían de cada especie de tomate a temperaturas superiores a 40°C. Además de la temperatura, el espesor de las rodajas afecta el tiempo de procesado. Bennamoun et al.[14], publicaron en el 2015 un trabajo en el cual comparan los tiempos de procesamiento entre tomates pelados y sin pelar, determinando que los tomates sin pelar tienen un tiempo de residencia en la cámara de deshidratación entre 5 y 10 veces mayor el de que los tomates pelados.

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Misha y colaboradores [15] en el 2015 reportaron resultados sobre el secado directo bajo el sol, y lo compararon con el uso de un secador “solar assisted solid desiccant”. El tiempo de secado que utiliza el secador es menor en un 24% (se redujo el tiempo de secado de 20,75 h a 15,75 h) en comparación con el secado al sol, porque el proceso continúa incluso en ausencia de sol usando el sistema de la secadora. En el 2016 Sekyere, et al [16] publicaron un artículo en el cual se hace uso de la deshidratación solar con un calentamiento de respaldo, y determinan las eficiencias para diferentes tiempos de proceso. El aporte del proyecto es la representación de un punto de partida en la implementación de un equipo hibrido, solar o eléctrico, permitiendo su uso a pesar de los cambios de incidencia solar presente en diferentes departamentos de la región Caribe, contribuyendo a un desarrollo sostenible, sustentable y continuo. 2.2. MARCO TEÓRICO. 2.2.1. Deshidratador: El deshidratador solar o secador solar, es una de las técnicas más antiguas y saludables de conservación de alimentos donde se aprovecha la energía solar para secar alimentos, con resultados similares o superiores de calidad a los obtenidos mediante el secado natural, pero en menor tiempo y en condiciones adecuadas de higiene. En estos equipos se transforma la energía del sol en calor útil mediante efecto invernadero; este calor aumenta la temperatura del aire contenido en la cámara dentro de la cual se encuentran los alimentos. Este proceso de secado se da por convección de aire que pasa por los alimentos, lo cual disminuye el contenido de agua en los mismos, y expulsa la humedad hacia el exterior. Es posible aumentar la calidad, eficiencia y optimización de proceso de deshidratado mediante la combinación de energías, razón por la cual se plantea el diseño de un deshidratador hibrido (solar y eléctrico). De esta manera es posible mejorar la operación del equipo para obtener un producto de calidad. La implementación de esta tecnología permitiría favorecer a la economía de pequeños cultivadores, y también tiene en cuenta el factor ambiental, pues implica el uso de una energía alternativa, hecho que resulta ventajoso en zonas no interconectadas [3]. Para el diseño del proceso, los factores que influyen son las consideraciones económicas, ambientales, sociales y tecnológicas que permitan una sostenibilidad del proyecto durante el tiempo de vida útil y al mismo tiempo un rápido retorno financiero. En los últimos años se han implementado aspectos sociales y ambientales como parte integral del diseño de procesos en las plantas modernas de ingeniería de proceso.

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2.2.2. El Tomate: El tomate (Licopersycum esculentum) es una planta dicotiledónea perteneciente a la familia de las solanáceas de porte arbustivo, puede desarrollarse de forma rastrera, semirrecta o erecta, existiendo variedades de crecimiento determinado y otras de crecimiento indeterminado. El tomate es un fruto carnoso, de gran peso y tamaño, con pulpa gruesa, originaria de Sudamérica. El importante valor nutricional y económico de las frutas y hortalizas frescas es bien conocido por todos los agentes de la cadena alimentaria, ya que presentan un alto contenido de vitaminas, minerales, antioxidantes fenólicos, glucosinolatos y otras sustancias bioactivas. Además, constituye una buena fuente de energía y fibra, siendo consideradas alimentos nutritivos [3]. La valoración nutricional del tomate está compuesto principalmente por agua y su macronutriente mayoritario son los hidratos de carbono. Entre las vitaminas cabe destacar el contenido en vitamina A, en forma de β-carotenos, vitamina C y entre los minerales el potasio. El licopeno es un carotenoide sin actividad provitamínica A, que presenta alto poder antioxidante. También presenta un aporte importante de fitosteroles, que reducen los niveles de colesterol en la sangre al inhibir parcialmente la absorción del colesterol en el intestino [17].

Por último, posee un antibiótico, la tomatina, con propiedades antibacterianas, antimicóticas y antiinflamatorias

Tabla 1 Composición nutricional del tomate.

Por 100g de porción comestible

.

Por unidad media (150g)

Recomendaciones día-hombres

Recomendaciones día-mujeres

Energía (Kcal) 22 31 3.000 2.300

Proteínas (g) 1 1,4 54 4

Lípidos totales(g) 0,11 0,2 100-117 77-89

AG saturados (g) Tr Tr 23-27 18-20

AG monoinsaturados

(g) Tr Tr 67 51

AG poliinsaturados (g)

0,11 0,16 17 13

Colesterol (mg/100Kcal)

0 0 <300 <230

Hidratos de carbono (g)

3,5 4,9 375-413 288-316

Fibra (g) 1,4 2,0 >35 >25

Agua (g) 94 133 2.500 2.000

Calcio (mg) 11 15,5 1.000 1.000

Hierro (mg) 0,6 0,8 10 18

16

Yodo (µg) 7 9,9 140 110

Magnesio (mg) 10 14,1 350 330

Zinc (mg) 0,22 0,2 15 15

Sodio (mg) 3 4,1 <2.000 <2.000

Potasio (mg) 290 409 3.500 3.500

Fosforo (mg) 27 38,1 700 700

Selenio (µg) Tr Tr 70 55

Tiamina (mg) 0,06 0,08 1,2 0,9

Riboflavina (mg) 0,04 0,06 1,8 1,4

Equivalentes niacina (mg)

0,8 1,1 20 15

Vitamina B6 (mg) 0,11 0,16 1,8 1,6

Folatos (µg) 28 39,5 400 400

Vitamina C (mg) 0 0 2 2

Vitamina A: Eq. Retinol (µg)

82,4 116 1.000 1.000

Vitamina D (µg) 0 0 15 15

Vitamina E (mg) 1,2 1,7 12 12 Fuente: Fundación Española de la Nutrición [17]

La calidad del tomate se ve reflejada en el color, firmeza, contenido en sólidos solubles totales, pH, y acidez. Estos son algunos parámetros que se deben tener en cuenta con respecto al diseño del deshidratador, que además repercutirán en el tiempo de deshidratación; se observa en la calidad microbiológica del tomate la presencia de bacterias, mohos y levaduras. Sin embargo, esta microflora puede variar dependiendo de las condiciones ambientales y cercanía de los productos al suelo. Hay factores que favorecen el crecimiento microbiano, entre los que se destacan la temperatura, el pH y la actividad de agua. Dichos parámetros ayudan a determinar la calidad fisicoquímica y la vida útil poscosecha del tomate, encontrando los siguientes:

Siendo el color la propiedad óptica más importante en el alimento, que está relacionada con la cantidad de luz que el material deja pasar a través de él o que se refleja de él. Se puede realizar la medición del color de dos formas: Evaluación visual o por análisis instrumental, Durante la ejecución del proyecto se presenta por método de medición visual, para ello se aprecia el grado de madurez que posea el alimento según el color que esté presente, Existen seis categorías según USDA (Departamento de Agricultura de los Estados Unidos):

Verde: superficie del tomate completamente verde, con una tonalidad de claro a oscuro.

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Rompiente: hay una ruptura del color verde hasta un color amarillo-marrón, rosado o rojo, en no más del 10% de la superficie. Transición: del 10 a 30% de la superficie no es verde, mostrando una coloración amarillo-marrón, rosada o rojo, o una combinación de estas. Rosado: del 30 a 60% de la coloración ya no es verde, mostrando un color rosado o rojo. Rojo ligero: del 60 a 90% de la superficie no es verde y muestra una coloración rojo-rosado o roja. Rojo: más del 90% de la superficie no es verde, mostrando un color rojo. El cambio de color en el tomate se presenta por ser un fruto caroteno- génico, con una síntesis masiva de carotenoides durante su maduración. [17], siendo el color rojo un reemplazo de las clorofilas degradas por los pigmentos carotenoides.

Firmeza: Es un parámetro indicativo de la calidad de los tomates frescos y procesados y está relacionada con la estructura de la pared celular. Lamúa [17] indica que la firmeza de las frutas y hortalizas depende de la turgencia, cohesión, forma y tamaño de las células que conforman la pared celular, la presencia de tejidos de sostén o soporte y de la composición del fruto. Valores de firmeza; blandos: 4-8 N, 25 N para firmes este valor se ve afectado por la madurez del alimento.

Contenido en solidos solubles totales: indica que entre los parámetros químicos que se utilizan para estimar la madurez de los productos de origen vegetal se incluyen las variaciones en el contenido de solidos solubles totales, expresados en grados °Brix, corresponden al porcentaje (peso /peso) de azucares en una solución [18]

La acidez es uno de los principales parámetros de calidad físico-química más comúnmente determinado en la materia prima vegetal; es cuantificable debido a la presencia de diversos ácidos orgánicos, principales: cítrico, málico, tartárico, oxálico, fórmico, entre otros, en proporciones variables.

La temperatura es un factor importante en la reacciones de deterioro de alimentos desde el punto de vista microbiológico, así como la tasa de crecimiento y el tiempo de latencia son altamente dependientes de este parámetro. Por otra parte el pH es un valor que indica si un alimento es acido, neutro o básico. Este controla las diversas reacciones químicas, bioquímicas y microbiológicas que ocurren en el producto. En general, las bacterias crecen con mayor rapidez a pH comprendidos entre 6-8; mientras que las levaduras crecen con mayor rapidez a pH de 4,5-6 y los hongos a pH de 3,5-4. [18]

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La actividad de agua (aw) se refiere al agua que se encuentra en los alimentos, no involucrada o ligada con el soluto. A medida que disminuye la aw, la velocidad de crecimiento disminuye y la fase de latencia aumenta, conservándose mejor los alimentos. Una de las variables que más afecta al diseño del deshidratador es la presencia microbiana y la higiene del tomate (Licopersycum esculentum), de aquí parte el fundamento de este diseño, con el que se busca preservar y extender la vida útil de los tomates. Para este fin se busca analizar el efecto de la temperatura y el tiempo de almacenamiento sobre la calidad del tomate deshidratado; también se deben considerar los parámetros de textura, tales como dureza, fragilidad, elasticidad y cohesividad, las cuales se ven afectadas después del secado. Por esta razón es necesario controlar estos factores para minimizar su impacto sobre la calidad y la vida útil del alimento. 2.2.3. Psicrometría: la psicrometría se emplea en aquellos procesos que involucren aire y sus características como la humedad. Para el desarrollo de la deshidratación se requiere aire; cuando se usa aire caliente para la deshidratación, el agua contenida en el elemento que se va a secar se evapora, y este vapor de agua pasa entonces al aire [19].

Las características del aire que se ven involucradas en el proceso de deshidratación son:

Presión atmosférica: dependiendo de la presión se verán afectadas otras condiciones

Temperatura de bulbo seco: esta es medida del aire con un termómetro donde la punta está expuesta directamente al aire.

Temperatura de bulbo húmedo: a diferencia de la temperatura de bulbo seco, a esta se le incorpora un elemento que permita un constante contacto con agua, por lo general un algodón humedecido, esta temperatura es la que resulta de evaporar agua. [20][21].

Humedad absoluta: expresa la cantidad real que hay de agua en el aire, se mide con higrómetro, si el valor es 100 indica aire saturado. Unidades: masa de agua/ masa de aire seco.

Humedad relativa: expresa la cantidad real en comparación con la máxima que pudiera estar a dicha temperatura. Unidad en porcentaje (%) [21] Estas variables o propiedades son graficadas en lo que se conoce como carta psicrométrica. En algunos casos, las entalpías por unidad de masa de aire seco son incluidas en la misma gráfica. 2.2.4. Radiación solar: la atmósfera genera un cambio en la radiación; se pueden encontrar tres formas de radiación solar:

19

Radiación directa: es la parte de la radiación total que no sufre un cambio en su dirección durante el recorrido a la superficie terrestre,

Radiación difusa: esta se presenta en los días nublados ya que es reflejada por las nubes sin presencia directa del sol.

Albedo: es la fracción de la radiación reflejada por la superficie de la tierra; esta es variable de un lugar a otro y de un instante a otro. Básicamente depende de la superficie desde donde se esté reflejando la radiación. Las proporciones de los tres tipos de radiación en una superficie de contacto depende de las condiciones meteorológicas, es decir, en un día nublado la radiación se encontrará una radiación dispersa, mientras que para un día despejado con clima seco sería radiación directa, donde puede alcanzar hasta 90% de la radiación total. Luego se tiene la inclinación de la superficie de contacto al plano horizontal; en una superficie horizontal se recibe la máxima radiación dispersa si no hay alrededor objetos a una altura superior a la de la superficie y se recibe la mínima reflejada. Si se aumenta la inclinación sería el caso contrario, disminuye la radiación dispersa y aumenta la reflejada. Por último se encuentran las superficies reflectantes. Debido a que las superficies claras son las más reflejantes, la radiación reflejada aumenta en invierno por efecto de la nieve, y disminuye en verano por efecto de la absorción de la hierba o del terreno[22] En la deshidratación de frutas y verduras se aplica calor para evaporar el agua y removerla después de su separación de los tejidos del fruto. La energía debe suministrarse para evaporar el agua y removerla en forma de vapor de la superficie del alimento. El calor se puede aplicar al alimento por conducción, radiación o convección. Aunque estos tres mecanismos de transferencia de calor se presentan en la deshidratación, normalmente, dependiendo del producto, uno de estos es el que domina. El método más común para transferir el calor a frutas y verduras, en el proceso de deshidratación, es la utilización de una corriente caliente, donde la convección es el principal fenómeno de transferencia. Una vez que el calor es suministrado a la superficie del alimento en el proceso de deshidratación, este es distribuido a través del alimento por conducción, Esta técnica se puede definir como una operación, en la cual hay una transferencia simultanea de calor y masa, en la que la actividad de agua de un material es reducida a través de la remoción de agua por evaporación, hacia una corriente de gas insaturado libre[23]. 2.2.5. Deshidratación de frutas: Para el diseño del proceso, entre los factores que influyen en el proceso se tienen las consideraciones económicas, ambientales, sociales y tecnológicas que permitan una sostenibilidad del proyecto durante el tiempo de vida útil y al mismo tiempo un rápido retorno financiero.

20

Aplicaciones de los productos deshidratados: A nivel industrial se generan procesos de secado de diferentes productos, como es la industria del cemento. Otra aplicación más frecuente es en la industria de alimentos. En este proyecto se está dando un valor agregado al tomate como fuente de innovación en: almacenamiento, conservación y transporte del producto con lo cual se espera un desarrollo gracias el surgimiento de estos nuevos productos deshidratados. Los productores que han aprovechado la energía solar para deshidratar sus hortalizas han tenido un crecimiento rápido. En el caso de las frutas, se tiene preferencia por frutas tropicales deshidratadas como: piña, banana, papaya y mango como una alternativa para preparar “snacks” bajos o libres de grasas, los cuales causan un impacto positivo al verlos como un alimento saludable [22].

Principales países importadores de fruta deshidratada En la figura 4, se puede apreciar los países que importan fruta deshidratada, además se muestra que Rusia, Alemania y Reino Unido ocupan el 33% de la importación mundial de fruta deshidratada.

Figura 4: Principales países importadores de fruta deshidratada Fuente: Gasca Cesar [22]

Principales países exportadores de fruta deshidratada

En la figura 5 se muestran los países exportadores de fruta deshidratada, de los cuales países como Turquía y Estados Unidos son los que más exportan fruta deshidratada, ocupando el 45% de la exportación mundial.

21

Figura 5: Principales países exportadores de fruta deshidratada Fuente: Gasca Cesar [22]

Equipos de deshidratación La figura 6 muestra los distintos tipos de secadores o deshidratadores, así como su configuración.

Figura 6: Equipos de deshidratación Fuente: Gasca Cesar [22]

Los dos aspectos importantes de transferencia de masa durante la deshidratación, son la transferencia del agua del interior del alimento hasta la superficie de este y la remoción de esta desde la superficie del alimento al medio ambiente. Una forma

22

de evaluar racionalmente este proceso es mediante la obtención de una curva de secado. Una curva de secado relaciona el contenido de humedad del alimento con el tiempo, donde normalmente hay diversas fases: la primera representa un “periodo de acoplamiento” en donde las condiciones de la superficie con el aire caliente; normalmente es un periodo muy corto aunque a veces puede ser significativo. Posteriormente, se encuentra un periodo de velocidad de deshidratación constante y un periodo de velocidad de deshidratación decreciente. Durante el periodo de velocidad de deshidratación constante, el agua está fácilmente disponible en la superficie del producto en proceso de deshidratación y por lo tanto, la velocidad de deshidratación es determinada por la temperatura, la humedad relativa y la velocidad del flujo de aire. Este es un corto periodo al inicio del proceso de deshidratación en el que la pérdida de agua es rápida. Cuando el alimento pierde la mayoría del agua en su superficie, el agua restante debe difundirse del interior del alimento a su superficie para poder ser evaporada; esto da lugar al periodo de velocidad de deshidratación decreciente, en el que se dificulta la pérdida de agua; este periodo corresponde a las últimas etapas del proceso. En este periodo, el factor limitante no es el suministro de calor, sino la disponibilidad del agua en la superficie donde se lleva a cabo la evaporación. El punto de transición entre el periodo de velocidad de deshidratación constante y el periodo de deshidratación decreciente, se le denomina contenido de humedad crítico; por último, en la fase final del periodo a velocidad decreciente, el contenido de humedad correspondiente es llamado contenido de humedad en el equilibrio. Estos periodos son de gran importancia para lograr un proceso rápido, alimentos deshidratados de alta calidad y asegurar la rentabilidad del proceso. Los principales factores que afectan a la velocidad de deshidratación y el tiempo de secado son las propiedades físicas del aire de secado (temperatura, velocidad y humedad relativa), las características del equipo y las propiedades del alimento [23].

2.3. MARCO LEGAL. Iniciando con el decreto 3075 de 1997 se tiene la siguiente definición de alimento: producto natural o artificial, elaborado o no, que ingerido aporta al organismo humano los nutrientes y la energía necesarios para el desarrollo de los procesos biológicos. Quedan incluidas en la presente definición las bebidas no alcohólicas, y aquellas sustancias con que se sazonan algunos comestibles y que se conocen con el nombre genérico de especia y el artículo 19° del mismo que establece que se deben vigilar las operaciones de fabricación en las que se incluye la deshidratación.

23

Posteriormente, en búsqueda de proteger al consumidor, se redacta el decreto 977 de 1998, por el cual se crea el Comité Nacional del Códex Alimentarius y se fijan sus funciones. Y se especifica que corresponde al Gobierno intervenir en la fijación de normas y reglamentos sobre calidad de los productos con miras a defender el interés de los consumidores y de los productores de materias primas, y entre las normas que establece este comité podemos encontrar la norma Codex cac/rcp 5-1971 [24] que incluye la deshidratación al sol como método artificial para reducir humedad de frutas, la presentación es indistinta desde cubos, granulado, rodajas o enteras y en los que se incluye como hortaliza el tomate, indica los requisitos de las materias primas en saneamiento, recolección y transporte y todo lo referente a instrumentación, infraestructura, herramientas y equipos. Para el 26 de enero de 2009 se redacta el estatuto de la Agencia Internacional de Energías Renovables (IRENA), hecho en Bonn, Alemania, con el fin de reforzar el uso sostenible de todas las formas de energía renovable entre ellas la solar, y a facilitar la conservación del medio ambiente, protección del clima y si es posible el crecimiento económico de la sociedad como lo indican su Artículo I; y el gobierno promulga el estatuto IRENA hecho en Bonn con el decreto 332 del 24 de febrero de 2016. La NTC (Norma Técnica Colombiana), haciendo referencia en su decreto 3929 de 2013 establece los requisitos generales, microbiológicos como así los parámetros que rigen productos alimenticios entre ellos fruta deshidratada. La NTC 695 (Norma Técnica Colombiana), haciendo referencia Consejo Directivo de 2013-10-16, establece los términos y definiciones generales de las frutas, las legumbres y las hortalizas procesadas aptas para el consumo humano. 2.4. MARCO CONCEPTUAL.

DESHIDRATADOR: Es un dispositivo que remueve la humedad de los alimentos para ayudar a su preservación por períodos prolongados. Una secadora de alimentos usa una fuente de calor y un flujo de aire para reducir el contenido de agua del alimento.

HIBRIDO: Hace referencia a una mezcla, en este caso hablamos de hibrido del deshidratador (solar y eléctrico). Tecnologías híbridas

Licopersycum esculentum: Conocido comúnmente como tomate, tomatera o jitomate. Es una especie de la familia de las solanáceas originaria de América y cultivada en todo el mundo para su consumo tanto fresco como procesado de diferentes modos (salsa, puré, zumo, deshidratado, enlatado).

24

PROPIEDADES FISICOQUÍMICAS: características de la materia prima y el producto, ej. densidad, humedad, pH, etc.

HUMEDAD RELATIVA: Mide la cantidad de agua en el aire en forma de vapor, comparándolo con la cantidad máxima de agua que puede ser mantenida a una temperatura dada. DENSIDAD: Es la magnitud que refleja el vínculo que existe entre la masa de un cuerpo y su volumen.

PROPIEDADES ORGANOLÉPTICAS: Son todas aquellas que pueden percibirse de forma directa por los sentidos (todos ellos, no sólo la vista), sin utilizar aparatos o instrumentos de estudio. Ej. Color, olor, Sabor, Aspecto, tamaño, entre otras.

DISEÑO DE PROCESO: Es la actividad que planea los pasos que se realizarán de forma secuencial para elaborar productos o servicios (outputs) a partir de determinados inputs.

ENERGÍA SOLAR: Es una energía renovable, obtenida a partir del aprovechamiento de la radiación electromagnética procedente del Sol.

ENERGÍA ELÉCTRICA: Es una fuente de energía renovable que se obtiene mediante el movimiento de cargas eléctrica (electrones positivos y negativos) que se produce en el interior de materiales conductores.

http://definicion.de/cuerpo

25

3. DISEÑO METODOLÓGICO.

3.1. TIPO DE INVESTIGACIÓN. Esta investigación es de carácter proyectivo, que según Hurtado “consiste en la elaboración de una propuesta, un plan, un programa o un modelo, como solución a un problema o necesidad de tipo práctico, ya sea de un grupo social, o de una institución, o de una región geográfica, en un área particular del conocimiento, a partir de un diagnóstico preciso de las necesidades del momento, los procesos explicativos o generadores involucrados y de las tendencias futuras” [25]. Esta investigación se realizará de manera sistematizada, se describirán las necesidades y cómo solucionarlas. También se analizarán, compararán y explicarán las variables a modificar y el problema, para así dar una estimación, así como la probabilidad de que el diseño sea funcional bajo las condiciones a las que se establece. Además la investigación es de tipo explicativa, porque se describen y explican las variables presentes en el proceso, según Hernández “su interés está en explicar porque ocurre un fenómeno y en qué condiciones se da este o por qué dos o más variables están relacionadas” [26].

3.2. ENFOQUE ADOPTADO. El proyecto se adopta a un enfoque mixto (cuantitativo y cualitativo), por su característica objetiva, secuencial y sistematizada. “Utiliza la recolección y el análisis de datos para contestar preguntas de investigación y probar hipótesis establecidas previamente, y confía en la medición numérica, el conteo y frecuentemente en el uso de la estadística para establecer con exactitud patrones de comportamiento en una población”[27]. Y “utiliza recolección de datos sin

medición numérica para descubrir o afinar preguntas de investigación y puede o no probar hipótesis en su proceso de interpretación” [25]. La investigación oscila entre los esquemas de pensamiento inductivo y deductivo, además de que por parte del investigador necesita un enorme dinamismo en el proceso. 3.3. DISEÑO ADOPTADO. El proyecto se adopta a un diseño experimental, donde se manipula tiempo de deshidratación, temperatura dentro del deshidratador híbrido y velocidad del aire, para controlar el aumento o disminución de esas variables y su efecto en las conductas observadas. Dicho de otra forma, un experimento consiste en hacer un cambio en el valor de una variable (variable independiente) y observar su efecto

26

en otra variable (variable dependiente). Esto se lleva a cabo en condiciones rigurosamente controladas, con el fin de describir de qué modo o por qué causa se produce una situación o acontecimiento particular. Logrando un mayor rendimiento de un proceso por la optimización generada a partir del control de las variables [28]. 3.4. TÉCNICAS DE RECOLECCIÓN DE LA INFORMACIÓN. 3.4.1. Fuentes primarias. La recolección de la información hace uso de fuentes primarias, principalmente asesorías con docentes y expertos tanto en la Universidad San Buenaventura, como en otras instituciones. También se consultarán permanentemente artículos de periódicos, noticias, entre otros. Adicionalmente, la información obtenida a medida que ha avanzado la investigación se ha logrado a partir de actas de congresos, seminarios, ponencias y otros, presenciados por los investigadores e auxiliares, tales como el “EESPI 2015”, el Congreso Interamericano de Ingeniería Química y el libro “The Solar Food Dryer”, trabajos de investigación para asegurar la veracidad de la información, documentos formulados según un acuerdo previo entre organismos, instituciones que definen el procedimiento, características, nomenclatura, etc. 3.4.2. Fuentes secundarias. Para recolectar la información se planea el uso de las fuentes secundarias, como bases de datos de ScienceDirect, y revistas indexadas, como: Renewable and Sustainable Energy Reviews, Renewable Energy entre otras. 3.5. HIPÓTESIS.

Ha. Es posible diseñar un deshidratador híbrido que combine el uso de la energía solar y la energía eléctrica para llevar a cabo de forma eficiente el proceso de deshidratación de tomates, según sus propiedades fisicoquímicas y las condiciones ambientales del Caribe colombiano.

Ho. Con las propiedades fisicoquímicas del tomate y las condiciones ambientales del Caribe colombiano, no es posible diseñar un deshidratador híbrido que combine el uso de la energía solar y la energía eléctrica para llevar a cabo de forma eficiente el proceso de deshidratación. 3.6. VARIABLES. La naturaleza de las variables (independientes, dependientes e intervinientes) se definieron considerando su comportamiento y relación durante el proceso de deshidratación.

27

3.6.1. Independientes.

Tiempo de deshidratación, es establecido como condición para el diseño del equipo.

Temperatura dentro del deshidratador híbrido, es establecido como condición para el diseño del equipo.

Actividad del agua (aw), es un valor fijo, de acuerdo con la naturaleza del producto. 3.6.2. Dependientes.

Densidad del tomate en el proceso de deshidratación, cambia de acuerdo con las condiciones de deshidratación.

Temperatura del ambiente, cambia de acuerdo con las condiciones meteorológicas.

Porcentaje de humedad del tomate, cambia de acuerdo con las condiciones de deshidratación. 3.6.3. Variables intervinientes. Las variables intervinientes son valores fijos, y condicionan el desarrollo del diseño.

Radiación solar

Humedad relativa del ambiente

Velocidad del aire

3.7. OPERACIONALIZACIÓN DE VARIABLES.

Tabla 2: Operacionalización de variables

VARIABLES DEFINICIÓN DIMENSIONES UNIDADES

Tiempo

Magnitud con la que se mide la duración de un determinado fenómeno o suceso

Tiempo en deshidratar.

día

Temperatura

La Temperatura es una propiedad de la materia que está relacionada con la sensación de calor o frío que se siente en contacto con ella. Puede ser medida con

Temperatura del aire entrada Temperatura dentro del deshidratador hibrido

°C

28

un termómetro.

Velocidad

Relación entre longitud y tiempo, e indica cuanto demora un elemento en recorrer una distancia.

Velocidad convectiva del aire. Velocidad forzada.

m/s

Radiación solar Es la radiación electromagnética procedente del Sol.

kWh/m2*año

Densidad

Representa la cantidad de masa de una sustancia sobre su volumen.

Densidad del tomate antes del proceso. Densidad del tomate después del proceso.

Ρ=kg/m3

Actividad de agua

Se refiere al agua que se encuentra en los alimentos, no involucra o ligada con el soluto

Actividad de agua antes de deshidratación. Actividad de agua después de deshidratación.

0 a 1 aw, 0-100%

Humedad relativa

La humedad relativa es la relación entre la humedad presente en el aire, sobre la humedad del aire a máxima saturación.

Humedad relativa del aire

HR de 0 a 100%

3.8. PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN.

Para el procesamiento de la información, es necesario contar con datos cuantitativos que expresen la situación que se está presentando en el diseño del deshidratador hibrido, estos datos serán resultado de las simulaciones realizadas.

Los resultados obtenidos permitirán prever la eficiencia del deshidratador. Para el procesamiento de la información se hace uso de tablas, diagramas y gráficas, con el fin de evaluar la viabilidad y sostenibilidad del diseño al implementarlo a escala laboratorio y el impacto positivo generado a la sociedad. En el proyecto, se observa una serie de actividades mediante las cuales se ordenan y almacenan los resultados obtenidos a partir del análisis de

29

características microbianas, propiedades del tomate y las aplicaciones que puede tener después del proceso, implementando el uso de energías alternativas que generen valor agregado de este producto. A los datos se les realizará un análisis de sensibilidad, con el fin de observar los posibles cambios en la eficiencia del equipo al modificar el conjunto de variables independientes.

30

4. RESULTADOS

4.1. CARACTERIZACIÓN DEL TOMATE

Se realizaron pruebas de humedad para el Tomate con el método de secado en estufa, el cual consiste en la pérdida de peso de la muestra por evaporación del agua. Se empleó un horno con circulación (natural) de aire, a presión atmosférica, cápsulas de porcelana, cuchillos de acero y tablas para cortar. Para realizar las pesadas se empleó una balanza analítica de sensibilidad 0,1 mg. Ahora, para la determinación de la densidad, se utilizaron los mismos materiales además de una bureta para la medición de volúmenes. Aquí, se cortaron trozos de frutas, se pesaron, y luego se sumergieron para observar la cantidad de volumen de agua desplazada. En la prueba se utilizaron 5 crisoles con diferentes pesos tanto para mango como para tomate y todos los resultados fueron promediados. 4.1.1. Pruebas de humedad En la tabla 3 se indican los pesos iniciales para 6 recipientes, tanto del crisol (Masa sin fruta) y el peso tanto de crisol como de la fruta (Masa con fruta)

Tabla 3: Masa de fruta a tratar para cada recipiente

Masa sin fruta (g) Masa con fruta (g)

Recipiente 1 13,661 19,783

Recipiente 2 17,15 20,72



Recipiente 5 16 24,77

Recipiente 6 16 20,551

31

La tabla 4 contiene los balances de materia entrante y saliente para las 6 muestras iniciales, dicha prueba se llevó a cabo en condiciones de temperatura de entrada: 118°C y temperatura de salida: 118°C

Tabla 4: Prueba para determinar humedad 1

Masa Entrada (g) Masa salida (g)

Muestra 1 6,122 2,169

Muestra 2 3,57 1,19

Muestra 3 5,17 2,21

Muestra 4 5,1 0,809

Muestra 5 8,77 3,83

Muestra 6 4,551 0,523

Masa promedio 5,547 1,788

% =𝑀𝑎𝑠𝑎𝐼𝑛 − 𝑀𝑎𝑠𝑎𝑂𝑢𝑡

𝑀𝑎𝑠𝑎𝑖𝑛 × 100

El porcentaje de humedad promedio extraído fue de 67,76% La tabla 5 contiene los balances de materia entrante y saliente para las 6 muestras resultantes de la prueba 1, dicha prueba se llevó a cabo en condiciones de temperatura de entrada: 117°C y temperatura de salida: 118°C



Muestra 1 2,169 0,503

Muestra 2 1,19 0,234

Muestra 3 2,21 0,349

Muestra 4 0,809 0,338

Muestra 5 3,83 0,842

Muestra 6 0,523 0,178


El porcentaje de humedad promedio extraído hasta el proceso 2 fue de 92,65%

32

La tabla 6 contiene los balances de materia entrante y saliente para las 6 muestras resultantes de la prueba 2, dicha prueba se llevó a cabo en condiciones de temperatura de entrada: 118°C y temperatura de salida: 118°C



Muestra 1 0,503 0,352

Muestra 2 0,234 0,222

Muestra 3 0,349 0,30

Muestra 4 0,338 0,318

Muestra 5 0,842 0,524

Muestra 6 0,178 0,162


El porcentaje de humedad promedio extraído hasta el proceso 3 fue de 94% La tabla 7 muestra el cálculo de la varianza y de la variación estándar, desde la primera prueba hasta que se completa la extracción de humedad (tercera prueba)

Tabla 7: Varianza y variación estándar de las pruebas de humedad

masa entrada

masa salida

% humedad extraído

X-%humedad (X-%humedad)^2

Muestra 1

6,122 0,352 94,250245 -0,15961896 0,02547821

Muestra 2

3,57 0,222 93,7815126 -0,62835137 0,39482545

Muestra 3

5,17 0,3 94,1972921 -0,21257191 0,04518682

Muestra 4

5,1 0,318 93,7647059 -0,6451581 0,41622897

Muestra 5

8,77 0,524 94,0250855 -0,38477846 0,14805446

Muestra 6

4,551 0,162 96,4403428 2,0304788 4,12284417

Media(X) 94,409864

33

S2=1,03052362 S=1,01514709 4.1.2. Pruebas de densidad En la tabla 8 se aprecian los datos de volumen, la masa y densidad para 6 muestras y su promedio. Masa de tomate: (masa de tomate + vidrio de reloj)-(masa del vidrio de reloj) Volumen del tomate: (volumen final – volumen inicial) Densidad del tomate = (masa de tomate/volumen de tomate)

Tabla 8: Densidad de fruta para cada recipiente

masa del tomate(gr)

volumen del tomate(ml)

densidad del tomate(gr/ml)

18,16 20 0,91

15,5 16 0,96875

16,326 12 1,3605

13,839 14 0,9885

14,3 15 0,953333333

12,91 12 1,075833333

PROM 15 14,83333333 1,04

Se comparó la densidad promedio del tomate con otras densidades de tomate: 1,6-1,04= 0,56 Tiene un diferencia de 0,56 en comparación a nuestra densidad. 4.1.3. Curva de Secado

La figura 7 muestra la curva de secado, obtenida del proceso de secado con las siguientes condiciones: una masa inicial de 505 g hasta unos 100 g, un área total de muestra de 310 cm2 y de duración de 405,23 min o lo que equivale a 6h 45min y a condiciones de temperatura de entrada de 57°C ± 2 y temperatura de salida de 55°C ± 2

34

Figura 7: Curva de secado Fuente: Autores

En donde X= Kg agua/ Kg de sólido seco (humedad base seca) y W la velocidad de secado (Kg/m2*min)

4.2. PRUEBA PILOTO Y ANÁLISIS MICROBIOLÓGICO

Para la evaluación de las propiedades básicas y microbiológicas del tomate se expuso el alimento a la deshidratación a partir de la incidencia solar, con la ayuda de un prototipo y se realizaron las siguientes pruebas y análisis.

4.2.1. Prueba 1: Se ejecutó para tomates con un peso inicial de 303gr y se obtuvo un peso final de 16gr, obteniendo un resultado favorable retirando la cantidad de agua entre cinco a diez por ciento de la actividad de agua inicial. La tabla 9 muestra los cambios de temperatura de la cámara de secado a diferentes horas del día.

0

0,001

0,002

0,003

0,004

0,005

0,006

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18

W (

Kg/

min

*m2

)

X=Kg agua/Kg sólido seco

w

35

Tabla 9: Prueba Piloto 1

Tiempo de exposición Temperatura

10:56 AM 30,6ºC

11:30 AM 49,1ºC

12:00 AM 59,9ºC

12:30 PM 60,7ºC

13:00 PM 60,7 ºC

13:30 PM 59,7 ºC

14:00 PM 56 ºC

14:30 PM 51,4 ºC

15:00 PM 52,8 ºC

Luego de la deshidratación pasa a una caracterización microbiológica, donde se analiza la calidad del producto a partir de cuatro parámetros:

Determinación de Coliformes Totales.

Determinación de Coliformes Fecales.

Recuento de Aerobios Mesofilos.

Recuento de Mohos y Levaduras. En la tabla 10 se realiza una comparación con valores de referencia otorgados por el Laboratorio de Control de la calidad microbiológica de alimentos de la Universidad de San Buenaventura Seccional Cartagena. (Ver Anexo A)

Tabla 10: Análisis microbiológico para Prueba Piloto 1.

ANALISIS RESULTADOS REFERENCIA

Determinación de coliformes Totales < 3 NMP/gr < 3 NMP/gr

Determinación de coliformes Fecales < 3 NMP/gr < 3 NMP/gr

Recuento Aerobios mesofilos 180 UFC/gr 10000 UFC/gr

Recuento mohos y levaduras 140 UFC/gr 100-300UFC/gr Fuente: Laboratorio de Control de la calidad microbiológica de alimentos, (2016)

4.2.2. Prueba 2: Se ejecutó para tomates con un peso inicial de 186gr y se obtuvo un peso final de 12gr, obteniendo la mayor cantidad de agua retirada del producto deshidratado. La tabla 11 muestra el desarrollo de la práctica a diferentes horas del día, y las temperaturas alcanzadas dentro de la cámara.

36



10:30 AM 34,2ºC

11:00 AM 51,2ºC

11:30 AM 50,5ºC

12:04 PM 54,8ºC

12:35 PM 51,2ºC

13:07 PM 57,1ºC

13:30 PM 59,6 ºC

14:00 PM 64,3 ºC

En la tabla 12 se realizó la comparación de los datos obtenidos de los análisis microbiológicos de la segunda prueba piloto con los datos de referencia:

Tabla 12: Análisis microbiológicos para Prueba Piloto 2






4.2.3. Prueba 3: Se ejecutó para tomates con un peso inicial de 186gr y se obtuvo un peso final de 25gr, obteniendo la menor cantidad de agua retirada del producto deshidratado. En la tabla 13 se puede apreciar los tiempos y las temperaturas alcanzadas.

37



10:30 AM 38,1ºC

11:00 AM 54,8ºC

11:30 AM 56,5ºC

12:00 AM 56,5ºC

12:30 PM 56,2ºC

13:00 PM 56,2 ºC

13:30 PM 57 ºC

14:00 PM 57,5 ºC

En la caracterización microbiológica de esta prueba se realizó una división, presentaba producto deshidratado y otras muestras semi-deshidratadas, la tabla 15 y la tabla 14 muestra los datos de las pruebas para estos casos respectivamente.

.

Tabla 14: Análisis microbiológicos para Prueba Piloto 3A

SEMISECO






Tabla 15: Análisis microbiológicos para Prueba Piloto 3B

TOTALMENTE SECO






38

Con respecto a estos datos, se logró determinar el tiempo de exposición, la actividad de agua, humedad, densidad del alimento y porcentaje de agua retirada. A continuación en la figura 8 se muestran diferentes pruebas deshidratación: Se observa la temperatura alcanzada y el tiempo de exposición del producto.

Figura 8: Proceso deshidratación de alimento (Tomate). Temperatura vs Tiempo de exposición Fuente: Autores

4.3. RADIACIÓN SOLAR

Siendo parte importante de la investigación la radiación solar que no es más que un flujo de energía que recibimos del sol en forma de ondas electromagnéticas de diferentes frecuencias.

La radiación solar genera un gran valor agregado a la región caribe, se puede explotar y lograr su máximo aprovechamiento generando un sistema de energía renovable, lo que la hace una región privilegiada por su ubicación geográfica y alta incidencia solar en la mayoría de los meses del año con un promedio anual aproximado para los diferentes departamentos: Bolívar 4,0 – 5,0 KWh/m2, Atlántico 4,5 – 5,5 KWh/m2 , Magdalena 4,5– 5,0 KWh/m2, La Guajira 5,0 – 5,5 KWh/m2, Córdoba 4,0 – 4,5 KWh/m2, Sucre 4,5– 5,0 KWh/m2, Cesar 5,0 – 5,5 KWh/m2 , valores ilustrados en la figura 9 del documento, mapa de radiación promedio anual priorizando la región caribe.

0

10

20

30

40

50

60

70

10 11 12 13 14 15

Tem

pera

tura

(ºC

)

Tiempo (AM-PM)

Mi: 303gr y Mf:16gr

Mi:186gr y Mf:12gr

Mi:186gr y Mf:25gr

39

Figura 9: Mapa de radiacion promedio anual. Fuente: IDEAM [9]

Para el diseño de un deshidratador solar y eléctrico hay que tener en cuenta la radiación solar con la que se piensa trabajar; la región Caribe se caracteriza por tener altas temperaturas (alta radiación), en comparación con el resto del país, mostrando que a pesar de estar en invierno algunos lugares se mantienen cálidos. Los datos de Radiación solar obtenidos del IDEAM muestran el comportamiento de forma mensual de toda nuestra región caribe presentando mayor incidencia solar: Enero, Febrero, Marzo, Julio, Agosto.

40

Figura 10: Mapas de algunos meses más calurosos del año. Fuente: IDEAM [9]

Se estableció el valor de 5,5 KWh/m2/día, si bien este valor puede ser alto, la mayoría de los meses presentan este nivel de radiación, y en caso de disminuir se cuenta con un sistema de respaldo (back up).

4.4. DIMENSIONAMIENTO

4.4.1. Cálculos energéticos

Para el diseño se tuvo en cuenta que la incidencia solar de 5,5 kWh/m2/día = 19,8

MJ/m2/día [9], la humedad inicial del fruto es Mi=95% y la humedad final a la que

se desea llevar es de Mf=15%, además de trabajar con una masa inicial de

mi=10Kg.

Enero

Marzo

Julio

Agosto

41

Se hizo uso de las siguientes ecuaciones, todas con base a la información

suministrada por Ayensu [7]

𝑄 = 𝑚𝑤 ∗ 𝐿𝑤 = 𝑚𝑎 ∗ 𝐶 ∗ (𝑡𝑐 − 𝑡𝑓)

Donde Q es el calor en el proceso de secado, mw es masa de agua a secar, Lw es

el calor latente de vaporización, ma es la masa de aire usado para secar, tc es la

temperatura dentro de la cámara y tf la temperatura final (salida de la chimenea)

𝑚𝑤 = 𝑚𝑖 ∗𝑀𝑖 − 𝑀𝑓

100 − 𝑀𝑓

Mi y Mf son humedad inicial y final respectivamente; mi es la masa inicial.

𝑚 =𝑚𝑎

𝜏

Ƭ=tiempo (s) y m=rata de aire Kg/s

𝑚𝑎 =𝑚𝑤

𝜑𝑓 − 𝜑𝑖

𝜑= humedad absoluta y se obtiene en tablas psicrometricas en los puntos final (a

la salida de la chimenea) e inicial (en la entrada al equipo)

𝑄 = 𝐴 ∗ 𝜂 ∗ 𝐺

∆𝜌 = (𝜌 − 𝜌′) =𝑃(𝑇𝑖

−1 − 𝑇𝑐−1)

𝑅

42

∆𝑃 = 𝐻 ∗ ∆𝜌 ∗ 𝑔

𝐻 = ℎ1 + ℎ2

[7]

𝑚𝑤 = 𝑚𝑖 ∗(𝑀𝑖 − 𝑀𝑓)

100 − 𝑀𝑓= 10 ∗

95 − 15

100 − 15= 9,41 𝐾𝑔

𝑚𝑎 =𝑚𝑤

𝜑𝑓 − 𝜑𝑖= (

9,41𝐾𝑔

0,02441 − 0,022863) = 6083,88𝐾𝑔

𝑄 = 𝑚𝑤 ∗ 𝐿𝑤 = 9,41𝐾𝑔 ∗ 2,7 𝑀𝐽/𝐾𝑔 = 25,41𝑀𝐽

El proceso se llevará a cabo en 3 días, los valores de 5,5 KWh/m2*día se

convierten al multiplicarse por la conversión 3,6 en los valores de 19,8 MJ/m2*día

[9]

𝐺 = 𝐼 ∗ 𝜏 = 19,8𝑀𝐽

𝑑𝑖𝑎 ∗ 𝑚2∗ 3𝑑𝑖𝑎𝑠 = 59,4

𝑀𝐽

𝑚2

𝐴 =𝑄

𝐺 ∗ 𝜂=

25,41𝑀𝐽

59,4𝑀𝐽𝑚2 ∗ 30%

= 1,43𝑚2

4.4.2. Cálculos de presión

Después de los cálculos de área se realizaron cálculos para la caída de presión.

𝐻 = 1,3 + 1,2 = 2,5𝑚

∆𝜌 = 𝑃 ∗𝑡𝑖

−1 − 𝑡𝑐−1

𝑅= 101350 ∗

306,15−1 − 318,15−1

290𝐽

𝑘𝑔∗ 𝐾

= 4,31 ∗ 10−2𝐾𝑔

𝑚2

43

∆𝑃 = 𝐻 ∗ ∆𝜌 ∗ 𝑔 = 2,5𝑚 ∗ 4,31 ∗ 10−2 𝐾𝑔

𝑚2 ∗ 9,8𝑚

𝑠2

La figura 11 muestra los modelos 2D (dos dimensiones), realizados con el

software AUTOCAD, en el Anexo B se detalla el equipo.

Figura 11: Diseño 2D del equipo de deshidratación. Fuente: Autores

Haciendo uso de Solid Works y las dimensiones del modelo 2D se obtuvo el modelo en tres dimensiones (3D), que se aprecia en la figura 12 el cual se detalla en el Anexo C.

44

Figura 12: Diseño 3D del equipo de deshidratación. Fuente: Autores

4.4.3. Requerimientos eléctricos. El calor suministrado por el colector, es con base en los requerimientos para evaporar el agua, así igualmente se hará para la selección del calor suministrado por las bombillas. Las bombillas incandescentes son conocidas por ser de mayor consumo esto es porque la energía que utilizan se transforma más en calor que en luz (85-90% calor 15-10% luz) [29][30].

Se seleccionaron bombillos incandescentes de 200W, y un tiempo de operación de 8h/día.

Como 𝑄 = 𝑃 ∗ 𝑡 donde Q está en Joule (J), P en Watts (W) y t en segundos (s)

𝑡 = 3𝑑𝑖𝑎𝑠 ∗8ℎ

𝑑𝑖𝑎∗

1ℎ

60 𝑚𝑖𝑛∗

1𝑚𝑖𝑛

60𝑠𝑒𝑔= 86400𝑠

Sabiendo que no toda la potencia se convierte en calor, la ecuación de calor anterior nos queda como:

45

𝑄 = 𝑃 ∗ 𝑡 ∗ 𝑒𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 =200𝑊

𝑏𝑜𝑚𝑏𝑖𝑙𝑙𝑜∗ 86400𝑠 ∗ 0,85 =

14688000𝐽

𝑏𝑜𝑚𝑏𝑖𝑙𝑙𝑜= 14,688

𝑀𝐽

𝑏𝑜𝑚𝑏𝑖𝑙𝑙𝑜

Para comparar el calor suministrado por una bombilla y el calor suministrado por el colector y así determinar el número de bombillas a las que equivaldría tenemos que:

𝐺𝑏𝑜𝑚𝑏𝑖𝑙𝑙𝑜 =𝑄

𝐴=

14,688𝑀𝐽


1,426𝑚2= 10,3

𝑀𝑗

𝑚2/𝑏𝑜𝑚𝑏𝑖𝑙𝑙𝑜

Donde A es el área del colector resultante de los cálculos energéticos. Como ya se determinó, el valor de G para 3 días es de 59,4 Mj/m2 con lo cual.

𝑁𝑢𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑏𝑜𝑚𝑏𝑖𝑙𝑙𝑜𝑠 =𝐺3

𝐺𝑏𝑜𝑚𝑏𝑖𝑙𝑙𝑜=

59,4𝑀𝑗𝑚2

10,3𝑀𝐽𝑚2


= 5,767 𝑏𝑜𝑚𝑏𝑖𝑙𝑙𝑜𝑠 ≈ 6 𝑏𝑜𝑚𝑏𝑖𝑙𝑙𝑎𝑠

4.4.4. Consolidado de datos obtenidos

La tabla 16 muestra: Los datos obtenidos del dimensionamiento específicamente el área del colector, los demás valores se obtuvieron de apreciaciones simétricas y con base en la literatura [4][7].

Tabla 16: Consolidado de Dimensiones

Equipo Unidad Magnitud Dimensiones

Placa Colectora

Área 1,43 m2

Largo 1,43 m

Ancho 1 m

Vidrio Área 1,43 m2

Planchas de madera (Colector)

Área 1,43 m2

Chimenea Altura 1,3 m

Alto x Ancho 0,17x0,17 m2

Cámara Alto x Ancho x

Largo 0,8x0,7x1 m3

4 Bandejas Ancho x Largo

(c/u) 0,7x1 m

46

Las medidas de las bandejas se hicieron con una aproximación superior al valor resultado de disponer una masa de tomate con un espesor de 1cm y con 3 réplicas se determinó el promedio de Área/masa de tomate de un valor de 0,30298 m2/Kg. Para la construcción del equipo se requieren los siguientes materiales:

Madera: la madera puede ser de roble, una madera resistente a un precio accesible. Es empleada en la construcción de la chimenea, cámara y sus soportes, patas del equipo, y el túnel de acceso del aire (colector)

Vidrio: Usado para el colector.

Malla: Ya sea de acero inoxidable o de polímero.

Aluminio: Placa para el colector

Pintura negra mate: Usada para pintar la placa de aluminio y así aumentar la absorción de la radiación solar.

Sellador de madera.

Thinner: Diluyente de pintura

Misceláneas: Perillas, pomos y accesorios para las compuertas. Tornillos, pegamento, clavos. Los componentes eléctricos son los siguientes:

Bombillos incandescentes de 200W (6 Unidades) [31]

Rosetas de bombillos (6 unidades) [31]

Leds para el panel de control (6 unidades)

Cableado top Flex v-k H05v-k y H07v-K [31]

Sensor-controlador de temperatura con pantalla led (3 unidades)

Extractores de aire (2 unidades) Los sensores se dispondrán de la siguiente forma: 1 en la salida de aire por la chimenea, 1 en la cámara de secado, 1 en la entrada del colector.

47

4.4.5. Efectos de variables en los requerimientos del colector. Para las tablas 17, 18, 19, 20 los valores graficados, son por debajo y por encima del punto de operación (punto rojo). La tabla 16 consolida las variables iniciales en el diseño del deshidratador, las siguientes variables afectan los requerimientos del colector, se tomó inicialmente un colector con 30% de eficiencia (punto de operación), al cambiar las variables observamos cómo se puede necesitar un colector con mayor o menor eficiencia.

Tabla 17: Consolidado valores de diseño inicial.

Masa inicial (mi) Tiempo (t) Radiación (g') Área (A) Eficiencia(n)

10 3 5,5 1,42602496 30,00%

La masa inicial es en Kg, el tiempo en días, el área en m2, g’ en KWh/m2. Se evaluaron los efectos en la eficiencia requerida del colector manteniendo las variables constantes, exceptuando la masa inicial, la tabla 18 muestra los valores que son graficados en la figura 13.

Tabla 18: Cambios de la Eficiencia requerida con respecto a la Masa inicial

Masa inicial (mi) Eficiencia requerida (ƞ)

2,5 7,50%

5 15,00%

10 30,00%

15 45,00%

20 60,00%

25 75,00%

30 90,00%

35 105,00%

48

Figura 13: Cambio de la Eficiencia requerida con respecto a la Masa inicial. Aumentar la masa inicial para los mismos valores de Área, Tiempo de procesado y valores de radiación, implica implementar un colector más eficiente. En la tabla 19 se muestra el cambio de la eficiencia al variar el tiempo, la figura 14 representa esos datos.

Tabla 19: Cambio de la Eficiencia requerida con respecto al Tiempo

Tiempo (t) Eficiencia requerida (ƞ)

0,5 180,00%

1 90,00%

2 45,00%

3 30,00%

4 22,50%

5 18,00%

6 15,00%

7 12,86%

0,00%

20,00%

40,00%

60,00%

80,00%

100,00%

120,00%

0 5 10 15 20 25 30 35 40

ƞ(%

)

mi(g)

Eficiencia requerida (ƞ) vs Masa incial(mi)

49

Figura 14: Cambio de la Eficiencia requerida con respecto al Tiempo El disminuir el tiempo de trabajo, se puede lograr si se consigue un colector con mayor eficiencia, por el contrario si se aumenta el tiempo de operación, los valores de eficiencia requerida son menores, manteniendo área, radiación y masa inicial en los valores iniciales de diseño.

Tabla 20: Cambio de la eficiencia requerida con respecto a la Radiación

Radiación (g') Eficiencia requerida (ƞ)

4 41,25%

4,5 36,67%

5 33,00%

5,5 30,00%

6 27,50%

6,5 25,38%

7 23,57%

7,5 22,0%

0,00%

20,00%

40,00%

60,00%

80,00%

100,00%

120,00%

140,00%

160,00%

180,00%

200,00%

0 1 2 3 4 5 6 7 8

ƞ(%

)

t(dias)

Eficiencia requerida (ƞ) vs Tiempo (t)

50

Figura 15: Cambio de la Eficiencia requerida con respecto a la Radiación Si se trabaja en tiempos donde la radiación solar que influye es menor, el colector requiere mayor eficiencia, por el contrario si se trabaja en días con radiaciones por encima de las del diseño, se puede emplear colectores menos eficientes.

Tabla 21: Cambio de la Eficiencia requerida con respecto al Área

Área(A) Eficiencia requerida (ƞ)

0,5 85,56%

1 42,78%

1,42602496 30,00%

1,5 28,52%

2 21,39%

2,5 17,11%

3 14,26%

3,5 12,22%

0,00%

5,00%

10,00%

15,00%

20,00%

25,00%

30,00%

35,00%

40,00%

45,00%

3 4 5 6 7 8

ƞ(%

)

g'(kWh/m2*dia)

Eficiencia requerida (ƞ) vs Radiacion (g')

51

Figura 16: Cambio de la Eficiencia requerida con respecto al Área Aumentar el área del colector implica mayor área de transferencia de calor, por ende se puede emplear un colector menos eficiente, que cubra los mismos requerimientos de calor. Pero si se cuenta con un colector más eficiente, se puede usar menos material, menos área.

4.5. ANALISIS ECONÓMICO.

La tabla 22 muestra el tiempo de cosecha típico de tomates en el departamento del atlántico (5 meses) y de la Guajira (6 meses) [32] y la cantidad producida para esos 6 meses de acuerdo a su producción anual [8].

Tabla 22: Producción de tomates

Periodo Departamento tonelada/año Temporada de cosecha

(meses) tonelada/mes

2013-2014

Atlántico 1560 5 312

2013-2014

Guajira 3238 6 539,666667

La tabla 23 muestra el valor del Kwh se tiene para los estratos 1 2 y 3 [33] y el consumo se realizó de acuerdo a aproximaciones de tiempo de uso durante el periodo de deshidratación, como los periodos de cosecha coinciden con las condiciones climatológicas no se hace mucho de los bombillos.

0,00%

10,00%

20,00%

30,00%

40,00%

50,00%

60,00%

70,00%

80,00%

90,00%

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4

ƞ(%

)

A(m)

Eficiencia requerida (ƞ) vs Área (A)

52

Tabla 23: Costo electrico

Valor $/Kwh Componente Consumo Kwh/mes

Costo Total

173 Extractor 144,00

$ 24912

$ 37368 Bombillos

72,00

$ 12456

La tabla 24 muestra los valores de tomate tanto fresco como deshidratado y la cantidad correspondiente a dicho valor.

Tabla 24: Costos de productos

Producto Valor (TIENDAS JUMBO)

Cantidad (gr)

Tomate Deshidratado

$ 17.230 100

Tomate Fresco $ 1.240 500

La tabla 25 muestra la producción de tomate fresco y su equivalencia en tomate deshidratado. Es decir 10Kg de tomate fresco (10000 gr) y cuanto seria esa misma cantidad en tomate deshidratado.

Tabla 25: Producción de tomate fresco y deshidratado

Producción del deshidratador

Producto Cantidad (gr)

Tomate Fresco 10000

Tomate Deshidratado

588,2352941

La tabla 26 muestra el valor por cada gramo de producto, las ganancias obtenidas al vender las cantidades mostradas anteriormente y los costos adicionales a la producción de tomate fresco (costos de deshidratación) y el rendimiento obtenido de la venta de tomate deshidratado en comparación al tomate fresco.

Tabla 26: Ganancias de tomate fresco y deshidratado

Valor/gr Ganancias de venta

Gastos Comparativa de ganancias

Rendimiento

Total Solar Eléctrico Total

53

Tomate Deshidratado

$ 172,30 $ 101.352,94

0 $ 32.020 $ 69.333,10 280%

Tomate Fresco

$ 2,480 $ 24.800,000

0 0 $ 24.800,000

4.6. IMPACTO DEL PROYECTO.

Entre los impactos obtenidos en la realización del proyecto se encuentran: Redacción de artículo científico: El proyecto permitió el desarrollo de un artículo científico, “DESIGN OF AN APPARATUS FOR SOLAR DRYING OF FARM PRODUCTS”, por los autores Gustavo Sanmartin, Jordy Buj, con la asesoría de la Doctora Juliana Puello. Jornada de socialización: Se llevó a cabo una jornada de socialización, donde se dio a conocer a cultivadores de Malagana – Bolívar, la tecnología de deshidratación, los equipos de deshidratación que podían emplear, degustación de productos deshidratados como mango, tomates, entre otros; generando el interés deseado, así como un primer acercamiento para futuros desarrollos investigativos. (Ver anexo D) Inter-institucionalidad: El proyecto fue apoyado por el Proyecto de Convocatoria Interna de la Universidad de San Buenaventura “DISEÑO CONCEPTUAL DE UN PROCESO DE DESHIDRATACIÓN DE PRODUCTOS AGRÍCOLAS MEDIANTE APROVECHAMIENTO DE LA RADIACIÓN SOLAR EN LA REGIÓN CARIBE COLOMBIANA”, y este a su vez contó con el apoyo financiero tanto de la Universidad de San Buenaventura, como de la Fundación Universitaria Tecnológico Comfenalco. Proyección para nuevos proyectos: El mismo desarrollo del proyecto generó proyección para el desarrollo tecnológico del secado de cacao, con el cual se planea llegar a beneficiar a cultivadores del sur de bolívar. Apoyo estudiantil: En el desarrollo del proyecto se contó con el apoyo en el desarrollo experimental y generación de contenido impreso, datos de caracterización de frutas (densidad y humedad) y la colaboración en la elaboración de una cartilla de divulgación respectivamente; por parte de los estudiantes del curso de termodinámica I de los semestres 2015-II, 2016-I y 2016-II

54

Presentación en eventos: El proyecto fue presentado a través de un poster en el evento II ENCUENTRO INTERNACIONAL DE EXPERIENCIAS SIGNIFICATIVAS EN PROCESOS INDUSTRIALES (EESPI 2015) (Ver anexo E)

55

5. DISCUSIÓN DE RESULTADOS

5.1. CURVA DE SECADO

El secado se da de manera casi constante, por lo que se puede asumir que el proceso se da en la fase o periodo ante-critico, lo que indica velocidad constante. La velocidad de secado es inversamente proporcional a la masa de agua en el interior: El proceso de secado es lento debido a la alta humedad contenida en el fruto.

5.2. ANÁLISIS MICROBIOLÓGICO

Durante el análisis microbiano se realizaron distintas pruebas para establecer la calidad y eficiencia del producto con relación al proceso. En la figura 17 se muestra el acumulado de las diferentes pruebas microbiológicas, para la prueba 1, 2, 3A y 3B Pruebas obtenidas de los análisis microbiológicos:

Figura 17: Análisis microbiológicos de tomates. Pruebas a producto deshidratado para determinación de coliformes totales, fecales, aerobios mesofilos, mohos y levaduras.

En la prueba 1 los resultados obtenidos de la caracterización microbiológica del tomate deshidratado comparando con el tomate fresco, se logró la disminución de los microorganismos contenido en el tomate fresco con una humedad del 75% en

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

1 2 3 4

Coliformes Totales (NMP/gr)

Coliformes Fecales (NMP/gr)

Aerobios Mesofilos (UFC/gr)

Mohos-Levaduras (UFC/gr)

56

peso de muestra. En el caso especial de los resultados obtenidos de la caracterización microbiológica del tomate deshidratado comparando con el tomate fresco, se logró la disminución de coliformes totales, coliformes fecales y recuento de mohos-levaduras y se presentó una contaminación posterior al proceso debido a que se conservó gran cantidad de agua que favoreció el crecimiento de los microorganismos contenido en el tomate deshidratado. Como se ve en la figura 13, hay un alto valor de aerobios mesofilos, para la prueba 2, las condiciones en las que se trabajó, como la cercanía a un lago (agua estancada) y posibles fallas en la manipulación pudo generar este valor, a pesar de ello, los demás datos mantienen una tendencia a estar por debajo de los límites.

5.3. DIMENSIONAMIENTO

5.3.1. Efectos de variables en la eficiencia de trabajo del colector.

Tabla 27: Consolidado valores de diseño inicial

Masa inicial (mi) t g' A Eficiencia de trabajo (ƞ’)

10 3 5,5 1,42602496 100,00%

Si se decide continuar trabajando con el mismo colector la eficiencia del mismo se vería afectada de la siguiente manera, sabiendo que el colector de 30% de eficiencia trabaja al 100% de la capacidad para la que fue diseñado.

Tabla 28: Cambio de la Eficiencia de trabajo con respecto a la Masa inicial

Masa inicial (mi) Eficiencia de trabajo (ƞ’)

2,5 400,00%

5 200,00%

10 100,00%

15 66,67%

20 50,00%

25 40,00%

30 33,33%

35 28,57%

57

Figura 18: Cambio de la Eficiencia de trabajo con respecto a la Masa inicial. La eficiencia de trabajo del colector es inversamente proporcional a la cantidad de masa con la que se trabaja.

Tabla 29: Cambio de la Eficiencia de trabajo con respecto al Tiempo

Tiempo (t) Eficiencia de trabajo (ƞ’)

0,5 16,67%

1 33,33%

2 66,67%

3 100,00%

4 133,33%

5 166,67%

6 200,00%

7 233,33%

0,00%

50,00%

100,00%

150,00%

200,00%

250,00%

300,00%

350,00%

400,00%

450,00%

0 5 10 15 20 25 30 35 40

ƞ'

mi (Kg)

Eficiencia de trabajo (ƞ') vs Masa inicial(mi)

58

Figura 19: Cambio de la Eficiencia de trabajo con respecto al Tiempo. La eficiencia de trabajo del colector es directamente proporcional al tiempo de procesado el cual se mide en días.

Tabla 30: Cambio de la Eficiencia de trabajo con respecto a la Radiación

Radiación (g') Eficiencia de trabajo (ƞ)

4 72,73%

4,5 81,82%

5 90,91%

5,5 100,00%

6 109,09%

6,5 118,18%

7 127,27%

7,5 136,36%

0,00%

50,00%

100,00%

150,00%

200,00%

250,00%

0 1 2 3 4 5 6 7 8

ƞ'

Tiempo (días)

Eficiencia de trabajo (ƞ') vs Tiempo (t)

59

Figura 20: Cambio de la Eficiencia de trabajo con respecto a la Radiación. La eficiencia de trabajo del colector es directamente proporcional a la radiación incidente en el mismo, los días con menos radiación son los días donde el colector tendrá menos eficiencia en el proceso.

Tabla 31: Cambio de la Eficiencia de trabajo con respecto al Área

Área (A) Eficiencia de trabajo (ƞ’)

0,5 35,06%

1 70,13%

1,42602496 100,00%

1,5 105,19%

2 140,25%

2,5 175,31%

3 210,38%

3,5 245,44%

0,00%

20,00%

40,00%

60,00%

80,00%

100,00%

120,00%

140,00%

160,00%

3,5 4 4,5 5 5,5 6 6,5 7 7,5 8

ƞ'

g' (kWh/m2*dia)

Eficiencia de trabajo (ƞ') vs Radiación (g')

60

Figura 21: Cambio de la Eficiencia de trabajo con respecto al Área. La eficiencia de trabajo de colector es directamente proporcional al área del mismo, aumentar el área aumenta la eficiencia de trabajo del colector.

0,00%

50,00%

100,00%

150,00%

200,00%

250,00%

300,00%

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4

ƞ'

A (m)

Eficiencia de trabajo(ƞ') vs Área (A)

61

6. CONCLUSIONES

Se logró cumplir con el objetivo de general de desarrollar el dimensionamiento de un equipo híbrido para la deshidratación de tomates, el cual emplea tanto energía solar como eléctrica con base en las propiedades fisicoquímicas de los tomates, así como las condiciones climatológicas (humedad del aire e intensidad de radiación solar), con lo cual se determinó un área de 1,42m2,y una altura total de 2,5m, con una eficiencia de el mismo de 30% y 6 bombillos incandescentes de 200W para su uso en caso que las condiciones climáticas no sean las adecuadas. El proceso de deshidratación se ve afectada por la variación climática. En este caso, la locación aumento el tiempo de exposición solar debido a la alta humedad relativa (80%) que esta presenta.

A pesar de ser una tecnología sencilla y desarrollada, y de tener las ventajas económicas que supone el uso de las energías renovables, la deshidratación de productos agrícolas es una práctica no muy desarrollada en nuestro país. Los cambios de masa tienen un efecto potencial en la eficiencia, de tal manera que los primeros valores tienen una gran influencia en la eficiencia, pero a medida que se aumenta el contenido de masa, la diferencia en los valores son menores Otro factor que influye es el tamaño del colector, por cada metro de colector la eficiencia aumenta un 70,3% y por cada día de operación la eficiencia se ve afectada un 33%. La dispersión calculada presento un valor aproximado de ± 1% en los datos de humedad, indicando que los valores están cercanos entre sí, además la humedad reportada en literatura es de 95% un punto porcentual por encima del obtenido experimentalmente. Durante la prueba piloto y el proceso de deshidratación solar directa, se logró extraer 87-95% de humedad del fruto, con tiempo de operación que va desde 3-4 horas logrando una temperatura promedio de 56 ± 3°C dentro del secador. La deshidratación es preferible hacerla en una zona despejada, evitando obstáculos, además los cuerpos de aguas estancados pueden ser focos de contaminación. Al retirar el producto de la cámara de secado, almacenarla de acuerdo con las condiciones necesarias y en el menor tiempo posible, evita que se rehidrate a causa del ambiente y evita que el alimento se víctima de contaminación.

62

Para evitar un gran deterioro de las propiedades del producto (Color, sabor, vitaminas, etc.) expuestos a la deshidratación, se debe mantener una temperatura ideal dentro de la cámara (menor a los 60°C) Realizar un pre-tratamiento a los materiales de trabajo, como cuchillos, evita que se produzca contaminación del producto, limpiar con cloro es una de las posibles medidas de sanidad. La eficiencia del colector varía con respecto al material de la placa, en este caso de aluminio, para mejorarla se puede aplicar una pintura negro mate, tanto a la placa como a las paredes del colector. Se recomiendan realizar análisis microbiológicos periódicos que permitan generar control de calidad al producto terminado. Se sugiere realizar un análisis organoléptico que permita determinar la calidad del producto.

63

REFERENCIAS [1] J. Monsalve y M. Machado, “Evaluación de dos métodos de deshidratación del

tomate (Lycopersicom esculentum mill) variedad manzano”, Multiciencias, vol. 7, no 3, pp. 256–265, 2007.

[2] J. Jaramillo, V. P. Rodríguez, M. Guzmán, M. Zapata, y T. Rengifo, “Manual

técnico: buenas prácticas agrícolas en la producción de tomate bajo condiciones protegidas”, Editor. CTP Medellín Colomb., 2007.

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.

66

ANEXOS

Anexo A

69

Anexo B Modelo 2D con uso de la herramienta AutoCAD

70

Anexo C Modelo 3D con uso de la herramienta SolidWorks

71

Anexo D Listas socialización de proyecto.

73

Anexo E Poster presentado en evento EESPI 2015

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