DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA SECADORA DE GRANOS …
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DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA SECADORA DE GRANOS PARA LA PRODUCCIÓN DE MALTA ARTESANAL CINDY JOHANA GARCÍA ORTIZ UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA BOGOTÁ D.C., 2013
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DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA SECADORA DE GRANOS PARA LA
PRODUCCIÓN DE MALTA ARTESANAL
CINDY JOHANA GARCÍA ORTIZ
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES
FACULTAD DE INGENIERÍA
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA
BOGOTÁ D.C., 2013
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA SECADORA DE GRANOS PARA LA
PRODUCCIÓN DE MALTA ARTESANAL
CINDY JOHANA GARCÍA ORTIZ
TESIS DE GRADO
ASESOR:
MSC. RAFAEL BELTRAN
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES
FACULTAD DE INGENIERÍA
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA
BOGOTÁ D.C., 2013
A LA NENA… PORQUE SOLO DIBUJAR TÚ
SONRISA EN MI MEMORIA ME RECUERDA
QUE TODO EN LA VIDA ES PERFECTO
TABLA DE CONTENIDO
RESUMEN ......................................................................................................... 7
1. INTRODUCCIÓN ........................................................................................ 9
2. OBJETIVO ................................................................................................ 11
2.1 OBJETIVO GENERAL ............................................................................ 11
2.1 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ................................................................... 11
3. JUSTIFICACIÓN ....................................................................................... 12
4. MARCO TEÓRICO ................................................................................... 14
4.1 PRODUCCIÓN DE CERVEZA ................................................................ 14
4.2 LA CEBADA ............................................................................................ 15
4.3 EL MALTEO ............................................................................................ 17
4.3.1 HUMIDIFICACIÓN ............................................................................... 18
4.3.1.1 CANTIDAD DE AGUA DURANTE LA HUMIDIFICACIÓN ............ 19
4.3.1.2 TIEMPO DEL PROCESO DE HUMIDIFICACIÓN ......................... 20
4.3.2 GERMINACIÓN ................................................................................... 20
4.3.3 SECADO .............................................................................................. 21
4.3.3.1 DEFINICIONES ............................................................................. 22
4.3.3.2 Métodos de secado ....................................................................... 24
4.3.3.3 VARIABLES EN EL PROCESO DE SECADO .............................. 25
4.3.3.4 EL PROCESO DE SECADO ......................................................... 28
4.3.3.5 DEFINICIÓN DE PARÁMETROS DEL PROCESO DE SECADO . 30
Finalmente el proceso ................................................................................... 35
5. DESCRIPCIÓN DEL EQUIPO .................................................................. 37
5.1 EL VENTILADOR .................................................................................... 37
5.2 LA RESISTENCIA ................................................................................... 37
5.3 CÁMARA DE SECADO ........................................................................... 37
5.3 SISTEMA DE CONTROL ........................................................................ 37
6. CONSTRUCCIÓN DEL EQUIPO .............................................................. 39
7. RESULTADOS Y ANÁLISIS ..................................................................... 43
7.1 HIDRATACIÓN ....................................................................................... 43
7.2 GERMINACIÓN ...................................................................................... 45
7.3 SECADO ............................................................................................. 49
8. CONCLUSIONES ..................................................................................... 53
9. RECOMENDACIONES ............................................................................. 54
10. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ....................................................... 55
LISTA DE ILUSTRACIONES
Ilustración 1. Semilla de cebada germinada ..................................................... 15
Ilustración 2. Curvas de hidratación de semillas envejecidas y frescas de tres
especies de leguminosas. ................................................................................ 19
Ilustración 3. Diagrama de germinación en cereales. Fuente:
http://www.euita.upv.es/varios/biologia/Temas/tema_17.htm. .......................... 21
Ilustración 4. Diagrama de equilibrio y propiedades térmicas. Fuente:
http://docencia.izt.uam.mx/sgpe/files/users/uami/sho/Secado.pdf. .................. 22
Ilustración 5. Curvas de secado en condiciones constantes. Fuente:
Construcción y puesta en marcha de un secador de bandejas directo para la
obtención de curvas de secado. Angélica del Pilar Cárdenas Gómez. ............ 29
Ilustración 6. Diagrama simplificado del prototipo. Fuente: Autor..................... 30
Ilustración 7. Diseño del prototipo inicial. Fuente: Autor ................................... 39
Ilustración 8. Unidad de secado. Fuente: Autor. ............................................... 40
Ilustración 9. Detalle del sistema de rodamiento. Fuente: Autor ...................... 41
Ilustración 10. Detalle interior de la cámara de secado. Fuente: Autor. ........... 42
Ilustración 11. Equipo final. Fuente: Autor ........................................................ 42
Ilustración 12. Fotografía de semillas en proceso de germinación después de 6
horas. Fuente: Autor. ........................................................................................ 46
Ilustración 13. Fotografía de semillas en proceso de germinación después de
12 horas. Fuente: Autor. ................................................................................... 46
Ilustración 14. Fotografía de semilla en proceso de germinación de 36 horas.
Fuente: Autor. ................................................................................................... 47
Ilustración 15. Proceso de germinación del grano. Fuente: Autor. ................... 49
LISTA DE GRÁFICAS
Gráfica 1. Relación temperatura del aire de secado contenido inicial de
humedad de granos. Fuente:
http://www.fao.org/docrep/x5028s/X5028S06.HTM. ......................................... 27
Gráfica 2. Velocidad de hidratación del grano de acuerdo al porcentaje de agua
agregado. Experimentación 1. Fuente: Autor. .................................................. 43
Gráfica 3. Velocidad de hidratación del grano de acuerdo al porcentaje de agua
agregado. Segunda experimentación. Fuente: Autor. ...................................... 44
Gráfica 4. Velocidad de germinación del grano según su humedad inicial.
Fuente: Autor. ................................................................................................... 48
Gráfica 5. Curva de secado a 50C. Fuente: Autor. ........................................... 50
Gráfica 6. Grafica de secado del periodo estadble. Fuente: Autor. .................. 51
LISTA DE ECUACIONES
Ecuación 1. Humedad absoluta ....................................................................... 23
Ecuación 2. Humedad de saturación. ............................................................... 23
Ecuación 3. Humedad relativa .......................................................................... 23
Ecuación 4. Formula de Calor latente .............................................................. 31
Ecuación 5. Calor necesario para elevar la temperatura del aire ..................... 31
Ecuación 6. Pérdidas de presión debidas a obstáculos. .................................. 32
Ecuación 7. Pérdidas por tubería recta ............................................................ 33
Ecuación 8. Ecuación de Bernoulli ................................................................... 34
Ecuación 9. Potencia necesaria ....................................................................... 34
Ecuación 10. Potencia nominal ........................................................................ 34
Ecuación 11. Ecuación de potencia del ventilador ........................................... 35
Ecuación 12. Velocidad de secado .................................................................. 35
Ecuación 13. Tiempo de secado ...................................................................... 36
Ecuación 14. Tiempo de secado, periodo de velocidad constante ................... 36
RESUMEN
En este documento se registra el trabajo de investigación, diseño, construcción
y puesta en marcha del proceso y producción de la malta. Se hace uso de los
recursos conceptuales y técnicos de la ingeniería mecánica, con el fin de
diseñar y parame trizar el proceso de producción de malta en general, desde la
hidratación hasta el secado.
El contenido de este documento retrata todo el proceso secuencial con el cual
se llevó a feliz término la construcción y posterior puesta en marcha del equipo
de secado anteriormente mencionado. Se llevaron a cabo pruebas de secado
de cebada que confirmaron el proceso de diseño realizado al responder a los
parámetros interpuestos.
1. INTRODUCCIÓN
La producción de bebidas artesanales fermentadas hace parte de la historia de
la humanidad. En Colombia las bebidas fermentadas históricamente se
fabricaban con plantas nativas como la piña, papá, yuca, quinua, etc. Una de
las primeras bebidas fue la chicha, que se obtiene del maíz habitualmente,
también el guarapo que se obtiene de la caña de azúcar o la piña. Sin embargo
estas no son producidas a nivel industrial, razón por la cual se ha relegado su
consumo al campo, siendo producido generalmente con pésimas condiciones
de higiene y salubridad. Aun así con la llegada de la cebada al país la
producción de la cerveza tuvo inicio a mediados del siglo XIX de forma
artesanal y posteriormente de forma industrial.
Hoy en día la cerveza es una de las bebidas de mayor consumo en Colombia,
no solo la entendemos como una cultura sino que tenemos una industria
nacional dedicada a su producción, siendo esta además una de las más
prospera e importante del país. El consumo per cápita anual es de 44 litros,
mayor que muchos de nuestros países vecinos.
A pesar que la producción industrial es la encargada del mayor porcentaje de
ventas, también existe un pequeño mercado de las bebidas artesanales que
cada vez toma más fuerza. Como veremos más adelante el proceso de
producción de la cerveza se divide en dos grandes etapas, la primera
consistente en la transformación de la cebada en malta y la segunda en la
fermentación y producción en sí del producto. Sin embargo el proceso de
malteo solo lo hacen las cerveceras industriales y dado que la malta es la
encargada de las cualidades finales de la cerveza, el interés de este proyecto
consiste en diseñar y construir un prototipo de secado de granos para la
producción de malta para cerveza artesanal, de fácil uso que permita a los
pequeños productores crear otros tipos de malta para generar nuevas
cualidades en la cerveza producida.
La producción nacional de cebada en Colombia es de 6.070 toneladas, el grano
se produce principalmente en el altiplano Cundi-Boyacence. El cultivo de este
producto es realmente bajo en porcentaje con otros granos, razón por la cual
alrededor del 95% de la cebada consumida en el país es importada. Se están
haciendo grandes esfuerzos por parte del gobierno y de Bavaria para disminuir
el porcentaje de importación he incentivar la producción nacional, sin embargo
es debido a las condiciones económicas y la baja demanda de cebada para la
producción de malta, que de esto no sucede independiente de las condiciones
para su crecimiento, pues según lo encontrado la cebada producida en estos
terrenos es de un alto valor nutricional y condiciones de cosecha ideales.
2. OBJETIVO
2.1 OBJETIVO GENERAL
Diseño y construcción de una secadora de granos para el malteado artesanal.
2.1 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
- Identificar las variables a manejar durante el proceso y definir las
cualidades el dispositivo.
- Caracterizar las variables y establecer los elementos de medición con
los cuales se evaluará no solo el dispositivo sino el producto obtenido.
- Determinar el alcance del proyecto y las variables que se involucraran.
- Diseño de un proceso estandarizado para la producción de malta en
bajas cantidades.
- Diseño de un proceso adecuado de secado que permita obtener el
producto esperado.
- Diseño constructivo del dispositivo de secado.
- Construcción del prototipo y puesta en funcionamiento.
- Caracterización del prototipo y del producto final.
- Generar un listado de condiciones y recomendaciones sobre el uso del
dispositivo.
- Análisis de costo beneficio de la producción artesanal de malta.
3. JUSTIFICACIÓN
El secado es en general la etapa final de los procesos agrícolas referentes a
granos. En general se requiere eliminar el exceso de humedad de los granos
para su almacenamiento y consumo posterior, evitando la producción de
hongos, fermentación o sustancias tóxicas. El proceso de secado se realiza
generalmente en granos recién cosechados y se extrae el exceso de agua que
permite obtener un grano con un porcentaje en peso de humedad de alrededor
del 4%, dependiendo de cada producto. Existe a nivel nacional una industria
dedicada al desarrollo de prototipos de secado de granos, generalmente
desarrollados a un bajo nivel técnico y empírico. Sin embargo los granos más
estudiados son el maíz, café y el cacao.
El proceso del malteo es el tratamiento realizado sobre los granos de cebada
mediante el cual se producen las enzimas encargadas de la fermentación de
los carbohidratos del grano y la producción de cerveza en general. Este
proceso y el tipo de grano, son los responsables principalmente de las
diferentes calidades y cualidades de la cerveza que conocemos
comercialmente.
En Colombia a pesar de que existen grandes productores de cerveza, una
creciente industria artesanal de producción de cerveza y una excelente
condición agrícola para la producción de cebada, no se realiza el proceso de
malteo, por lo tanto la malta es usualmente un producto que se importa para su
consumo.
Este proyecto se ideo con el fin de en un futuro promover la mediana industria
productora de malta a nivel nacional. El proyecto busca en general definir las
tres etapas del malteo, analizarlas dar recomendaciones sobre técnicas
adecuadas para el desarrollo de estas, por otra parte el prototipo que se
entregará como resultado de este proyecto de grado se usará como un banco
de pruebas de secado de cebada, sin embargo como se verá más adelante es
el mismo proceso que se lleva a cabo con granos como el café, la avena, el
trigo, entre otros.
A pesar que la relación de peso del grano disminuye solo en un 20%
generalmente, el valor de la malta es de aproximadamente 4 veces el valor en
peso del grano recién cosechado, a partir de esto este proyecto de grado busca
crear un dispositivo que permita realizar el proceso de secado y generar
algunos estándares para la hidratación y germinación del grano de manera
artesanal y de esta forma no solo disminuir los costos de producción de
cerveza sino mejorar la calidad de esta y aumentar la variedad de sabores,
tipos y aromas del producto.
4. MARCO TEÓRICO
4.1 PRODUCCIÓN DE CERVEZA
Los ingredientes básicos para la elaboración de cerveza son: malta, agua,
lúpulo y levadura. Los carbohidratos del mosto son proveidos por la malta que
usualmente es obtenida de la cebada, sin embargo se pueden usar otros
granos como arroz, avena o sémola de maíz.
La fabricación de la cerveza consiste en producir mediante infusión de la harina
de malta, un mosto endulzado que posterior al lupulado se fermentará con la
levadura.
A partir de esto son dos aspectos los que influyen en la calidad de la cerveza,
en primer lugar el maltero y el segundo el cervecero, aun cuando son
complementarios, una buena materia prima es esencial para una buena
producción cervecera. La cebada para una buena calidad maltera debe tener
buenas características físicas como el tamaño del graso, este debe ser grueso
y redondeado con un tamaño uniforme, de color amarillo claro, con la menor
cantidad de cascara y libre de infección por microrganismos. En cuanto a las
condiciones bioquímicas que debe cumplir son su capacidad de dormición
(debido al tiempo que dura almacenado), capacidad de absorción de agua,
germinación uniforme y rápida. Al cumplir con estas cualidades se aumenta la
cantidad de malta producida por cebada inicial en el proceso, lo cual también
se refleja en la cantidad de cerveza producida por cantidad de malta invertida.
La cantidad de malta necesaria para la producción de un litro de cerveza varia
en relación al grado de alcohol deseado sin embargo para cervezas
comerciales de alrededor de 5% de alcohol, son necesarios 200 gr de malta.
La calidad cervecera de una malta se puede analizar desde dos puntos de vista
el económico y el cualitativo. Como se mencionó anteiorormente el económico
se refiere al rendimiento del extracto en la producción final de cerveza, este
rendimiento esta directamente relacionado a la cantidad de proteínas totales y
las glumas del grano de malta que se hallan desarrollado durante la
germinación del grano la cantidad de enzimas necesarias suficientes para la
fermentación completa del almidón durante la fermentación, es decir la
capacidad de producir un mosto cuya capacidad de fermentación sea la
máxima para que la alimentación de la levadura sea óptima .
Finalmente el mosto debe carecer de cualquier sabor extraño con sustancia
tóxica, esto se evita con un correcto secado posterior a la germinación del
grano, como veremos más adelante.
4.2 LA CEBADA
La cebada es una planta monocotiledónea, o sea poseen un solo cotiledón
organismo encargado de reservar y absorber los nutrientes en la semilla, con el
fin de soportar el desarrollo del germen hasta que este tiene sus hojas y puede
realizar la fotosíntesis por sí solo.
Ilustración 1. Semilla de cebada germinada
Es en este lugar de la semilla donde se están almacenados los diferentes
carbohidratos, proteínas y demás que posteriormente se fermentaran en la
etapa final de la producción de cerveza. El proceso de bloquear el crecimiento
de este organismo se realiza durante el secado y es por esto la importancia de
la estandarización del remojo, los tiempos de germinación y finalmente el
secado, con el fin de tener un desarrollo óptimo del organismo y usarlo de la
mejor forma.
Cotiledón
Pertenece al género Hordeum y son conocidas son especies principalmente la
distichon, que es la empleada en la elaboración de la cerveza y la hexatichon
se usa para alimento animal. En cuanto a la cebada utilizada para la
elaboración de la cerveza se pueden distinguir dos variedades, las que tienen
espigas de seis hileras y las de dos hileras, esta subdivisión es la primera en
identificar los diferentes tipos de cerveza.
Las principales características por las que el uso de la ceba es óptimo son:
- Tiene varias capas aleurónicas que desarrollan gran cantidad de enzimas
- Alto contenido de almidón y carbohidratos (75%)
- Bajos niveles de proteína y aceites.
- La cáscara ofrece protección a la plúmula durante todo el proceso de malteo,
evita su rompimiento y facilita además la manipulación del grano.
Condiciones ideales para el crecimiento de la cebada:
- Temperaturas medias durante su ciclo de vida de 16º C.
- Precipitaciones de 600 a 800 mm por año.
Suelos francos cuya composición química debe ser equilibrada, con tierra que
tengan buena retención de agua y a la vez con buen drenaje y PH entre 5 a 7.
El grano de cebada cervecero debe ser recolectado cuando está maduro y
seco. Como todos los cultivos el producto final está definido no solo por la
forma de sembrarlo sino por los cuidados que se tengan durante su desarrollo,
para este caso es importante que el abono no debe contener altas cantidades
de nitrógeno para disminuir la proporción de proteínas.
Las características de la cebada para la producción de malta son:
- Físicas: tamaño grueso uniforme y redondeado para un proceso de
malteado más fácil. Cascarillas finas, lo que permite un filtrado mejor.
Color amarillo claro y el cultivo debe estar libre de infecciones y plagas.
- Bioquímicas: que tenga una alta y uniforme capacidad de germinación.
Con buena absorción de agua, esto se puede comprobar si es posible
aplastar el grano con la uña.
- Producción: que tenga el mayor rendimiento en malta, esto ocurre
debido a lo anteriormente mencionado, si los granos germinan
uniformemente. . Que la relación porcentual entre el N total de la malta y
el N que ha pasado al mosto, conocida esta relación como
índice de Kolbach, debe ser lo más alta posible.
4.3 EL MALTEO
La producción de malta es un proceso aplicado a diferentes tipos de granos
con el fin de convertir los almidones contenidos en ellos en azucares
fermentables, los cuales posteriormente bajo condiciones impuestas se
convierten en alcoholes y dióxido de carbono. Es a partir de esto que se
producen distintas bebidas, en general alcohólicas, como algunos vinos,
whisky, cerveza sake e hidromiel.
El proceso de producción de estas bebidas se divide en dos etapas
principalmente, la primera es el malteado, la segunda es la fermentación
alcohólica a través de la levadura.
El proceso de maltear se realiza en tres fases principales, la primera es el
llamado remojo o humidificación en el cuál se hidrata el grano. Como resultado
de esto las proteínas dentro del cotiledón se activan y se da inicio al proceso de
germinación que es la segunda etapa. Durante la germinación se produce una
nueva planta a partir del grano, proceso durante el cual se producen las
enzimas que más adelante serán las responsables de la fermentación.
Finalmente se debe realizar el secado, el cual consiste en la remoción del agua
de la malta en forma regulada con el fin de detener crecimientos y
modificaciones, preservar las enzimas y estabilizar las propiedades de sabor y
color y finalmente evitar la formación de compuestos químicos tóxicos o de
sabores desagradables.
En el caso de la cebada para cerveza existen dos tipos de grano que producen
los dos tipos de cervezas lager y ale pero como se mencionó anteriormente el
proceso secado es el responsable del color, aroma y sabor característico de la
cerveza al final del proceso de fermentación.
4.3.1 HUMIDIFICACIÓN
El objetivo de este fase en el proceso de malteo es lograr la humedad dentro
del grano para la solubilización de compuestos orgánicos que optimizan la
velocidad de las reacciones que tendrán lugar en la germinación. El grano se
cosecha con una humedad entre el 12 y el 13,5%. El primer objetivo de este
proyecto consistió en analizar la mejor forma de llevar a cabo este proceso.
Como se puede ver en la ilustración N2. 2 , donde se analiza la velocidad de
humidificación de un grano, con referencia a la edad del grano. En general se
ha observado que la forma de humidificación no es estándar, pero es
importante determinar el tiempo de humidificación necesaria para un mejor y
más eficiente proceso de malteo.
Ilustración 2. Curvas de hidratación de semillas envejecidas y frescas de tres especies de leguminosas.
Es importante ver en las gráficas que dependiendo del tiempo que tiene de
cosechado el grano es mayor la absorción de agua y a mayor velocidad.
Por otra parte el punto hay que encontrar el punto de saturación del grano en el
cual se inicia el crecimiento del cotiledón con lo cual se evita no solo un mayor
tiempo de humidificación, sino también un mejoramiento en el desarrollo de la
plántula. Las variables involucradas en este proceso son entonces la cantidad
de agua de humidificación, el tiempo del proceso y la edad de la semilla.
4.3.1.1 CANTIDAD DE AGUA DURANTE LA HUMIDIFICACIÓN
Según investigaciones iniciales, el requerimiento para la germinación es que el
grano tenga una humedad de alrededor del 50%. Con un grado de humedad
del 30% se inicia la producción y solubilización de hidratos de carbono y
enzimas sin embargo aún no inicia el crecimiento de la raíz principal, después
del 40% se pueden tener las condiciones necesarias para que existan las
reacciones hidrolíticas, sin embargo este porcentaje depende en gran forma del
tipo y la variedad de la cebada. En la segunda parte del proyecto se
determinarán las condiciones en las cuales se debe llevar a cabo la
germinación, sin embargo con el fin de crear las curvas de hidratación se
experimentó con 6 porcentajes de agua inicial (50, 75, 100, 150, 200, 300) y se
observó el desarrollo del proceso, verificando el cambio en el peso de los
granos periódicamente.
4.3.1.2 TIEMPO DEL PROCESO DE HUMIDIFICACIÓN
Como se mencionó anteriormente el tiempo del proceso de humidificación es
otra variable importante a estudiar y definir. En general es importante observar
la velocidad del crecimiento del grano con relación a la cantidad de agua que
recibe, por una parte para hacer más eficiente el proceso y en segundo lugar
para saber en qué momento se debe detener el proceso, lo cual se determinar
al finalizar la experimentación sobre la germinación.
Finalmente en cuanto a la edad del grano, no es fácil su determinación debido
a que debe ser comprado en graneros locales donde no se tiene conocimiento
del tema, pero como se observó anteriormente es de gran importancia en la
velocidad de su humidificación, esto se debe principalmente a que los
organismos centrales se encuentran aún activos.
4.3.2 GERMINACIÓN
Como ya se mencionó anteriormente la germinación tiene como objetivo
principal la síntesis de enzimas controladas por hormonas (amilasa, citasas,
gluzonasas, proteasas, almidón, entre otros) y también de las proteínas.
Las condiciones a observar en el proceso de germinación son la humedad
inicial, condiciones ambientales de germinación como la humedad, temperatura
y radiación solar.
Para el desarrollo de este proyecto se hicieron observaciones sobre lo
encontrado en la literatura con respecto a las condiciones ambientales para la
germinación sin embargo no se modificaron con el fin de estandarizarlas,
simplemente se observó la velocidad de germinación, el tiempo óptimo para
este, relacionado con el grado de humedad inicial del grano.
Es importante determinar el tiempo de germinación para evitar que la razíz
principal de la germinación crezca demasiado y consuma las reservas y
proteínas traducido en que después durante el proceso de elaboración del
mosto en la cervecería haya una deficiencia de estos, produciendo menos
cerveza por kilogramo de malta empleado. Se necesita por lo tanto una
modificación en la estructura proteica del grano más no en la del almidón.
Ilustración 3. Diagrama de germinación en cereales. Fuente: http://www.euita.upv.es/varios/biologia/Temas/tema_17.htm.
4.3.3 SECADO
Es la etapa final del proceso industrial de malteo, en este se retira el contenido
de humedad adquirido en las etapas anteriores. Su objetivo principal es detener
la germinación del grano haciendo factible y seguro el almacenamiento de la
malta. También es el encargado de conferir las cualidades finales de sabor y
color característicos para el tipo específico de malta utilizada en la elaboración
de cerveza (tipo pilsen , negra , caramelo, etc.) .
«Se entiende por secado el procedimiento adoptado para eliminar el líquido de
un producto, bien por vaporación, bien por evaporación con ayuda, por lo
general, de calor»
El proceso de secado, es la eliminación de un líquido por cambio de estado en
vapor que se separa de un sólido, involucrando procesos de transferencia de
calor y de masa.
En cuanto al secado de productos bilógicos una de las principales limitaciones
considerar en la selección del método de secado, es la temperatura capaz de
soportar el material sin perder sus capacidades biológicas necesarias para el
proceso que está determinado.
Ilustración 4. Diagrama de equilibrio y propiedades térmicas. Fuente: http://docencia.izt.uam.mx/sgpe/files/users/uami/sho/Secado.pdf.
Este tipo de proceso de secado es necesario realizarlo en do etapas, la primera
llamada comúnmente Presecado, es donde se detiene la germinación del
grano. Es necesaria la inyección de altos volúmenes de aire a temperaturas
relativamente bajas, esto con el fin de evitar la pérdida de enzimas del grano.
Durante este proceso se elimina solo la humedad superficial a través de la
evaporación. La fase de secado final, se caracteriza por el aumento en la
cantidad de calor aplicado para eliminar la humedad en el interior del grano, y
fijar las características de sabor del grano.
4.3.3.1 DEFINICIONES
- Humedad absoluta [Y]: en una mezcla aire-agua la humedad absoluta es
la masa de vapor de agua por unidad de masa de aire seco. Esta
depende de la presión parcial [PA] del vapor de agua en el aire y de la
presión total [P].
Ecuación 1. Humedad absoluta
Donde MA y MB son los pesos moleculares del aire y del agua respectivamente.
- Humedad de saturación [Ys]: El aire satura es aquel en el cual el vapor
de agua está en equilibrio con el agua líquida en condiciones
determinadas de presión y temperatura. Por lo tanto la presión parcial
del vapor del agua en la mezcla es igual a la presión de vapor de agua
para la temperatura establecida.
Ecuación 2. Humedad de saturación.
- Humedad relativa: es la relación de la presión parcial a la presión de
vapor del agua a la misma temperatura
Ecuación 3. Humedad relativa
- Punto de rocío: es la temperatura a la cual cierta mezcla de aire-vapor
de agua debe estar satura y se da inicio a la condensación del vapor de
agua.
- Temperatura de bulbo seco: es la temperatura de la mezcla aire-vapor
expuesta directamente al bulbo seco del termómetro o la termocupla.
- Carta de humedad para mezclas aire-vapor de agua: es una gráfica de
las propiedades de las mezclas aire- vapor de agua a diferentes
presiones atmosféricas. Se grafica la humedad en función de la
temperatura de bulbo seco de la mezcla.
- Temperatura de bulbo húmedo: es la temperatura de estado estable y no
de equilibrio que se alcanza cuando se pone en contacto con una
pequeña cantidad de agua con una corriente de gas continuo. Se
determina sumergiendo el termómetro con un elemento húmedo.
4.3.3.2 Métodos de secado
Existen muchas formas de clasificaciones para el proceso del secado, sin
embargo empezaremos está a través del tipo de proceso térmico:
- Método adiabático: el cambio de estado del líquido contenido se da a
través de vaporización, que ocurre por el aumento de la temperatura
interior del líquido y depende de la presión a la que se encuentre la
sustancia, manteniéndose esta constante durante todo el proceso. El
calor de la vaporización se suministra a través de un gas en contacto
con el material a secar. Se utiliza normalmente para el secado de
proteínas y enzimas.
Secadores que utilizan este método:
Secador de partículas: en el cual el gas se mueve a través de partículas
de tamaño pequeño. La resistencia a la difusión de la humedad es
mínima en comparación con al resistencia debida a la transferencia de
calor. Algunos equipos de estos son: secador atomizador, de lecho
fluidizado, de lecho en movimiento y rotatorios.
Secador de lecho: el gas fluye sobre la superficie del material a secar
que esta sobre un lecho, se controla la vaporización mediante la difusión
de la humedad hacia la superficie. Entre estos secadores esta: secador
de túnel, de platos, de gabinete.
- Método no adiabático: el cambio de estado del líquido se da a través de
evaporización donde este cambia su estado a gaseoso lentamente,
después de tener la energía suficiente para vencer la tensión superficial
de la estructura molecular. La evaporación se produce a cualquier
temperatura y su velocidad aumenta proporcionalmente a la
temperatura. El calor de evaporización se suministra a través de
radiación y por contacto directo con el material a secar. Tipos de
secadores:
Secador de vacío: la difusión de la humedad aumenta con el vació,
mientras el calor es removido. Un ejemplo es el secador de gabinete
rotatorio.
Secador de purga: la remoción del vapor es por medio de un flujo de gas
caliente que cruza a el material a secar. Están los de chaqueta vibratoria
o los rotarios continuos.
Los secadores también se pueden clasificar según su tipo de operación, el tipo
de transferencia de calor o según el tipo de sustancia que se va a secar.
Según el método de operación encontramos los de lotes o continuos. En el
primer caso el secador es cargado con el material a secar y este permanece en
el equipo hasta que obtiene el grado de humedad deseado. En el segundo
caso tanto el material como la corriente de gas entran continuamente a través
del equipo.
Según el tipo de transferencia de calor de acuerdo a la forma de contacto entre
la fuente de calor y el material. En un caso el secado ocurre por convección
debido a que el gas caliente esta alrededor del material a secar proporcionando
en primer lugar y segundo eliminando el vapor formado. En el segundo de
forma indirecta, por conducción a través de materiales externos calentados,
exposición del material a radiación o calentamiento dieléctrico.
Finalmente según la naturaleza del material a secar, en el caso de sólidos
granulares estos contienen la humedad en los intersticios de las partículas o en
poros de ellas mismas pero de poca profundidad, por lo tanto la eliminación de
la humedad ocurre debido a la ruptura de tensiones superficiales y las fuerzas
de gravitación. En el segundo caso, sólidos fibrosos, la humedad está
contenida como parte de la estructura sólida, o en el interior del elemento, esta
es en general la situación de los compuestos orgánicos.
4.3.3.3 VARIABLES EN EL PROCESO DE SECADO
- Temperatura del aire
Una de las principales variables en el secado es la temperatura del aire del
proceso, como es de entender el rendimiento de una secadora depende de
este, a mayor temperatura mayor velocidad de secado, sin embargo como se
mencionó anteriormente para el secado de granos se consideran temperaturas
estimadas ya científicamente con el fin de mantener las condiciones biológicas
y químicas necesarias para cada proceso. El aumento de la temperatura del
aire acelera el proceso de secado ya que reduce la humedad relativa del aire
que adquiere aumentando su capacidad secante.
El aire caliente en el proceso de secado juega un papel doble, en primer lugar
transporta el calor al grano y en segundo lugar arrastra vapor de agua hacia
afuera del dispositivo, es decir, que realiza una doble función de transferencia
tanto de calor como de masa.
Es necesario entonces conocer y controlar tanto la temperatura de bulbo seco,
como la temperatura de bulbo húmedo del aire, con el fin de determinar la
humedad del aire. La primera se determina a través de una termocupla
industrial, la segunda es la temperatura de equilibrio obtenida por una
superficie de agua cuando las velocidades de transferencias de calor y de
masa, antes mencionadas, a la superficie son igualadas.
Según estudios duplicar la temperatura de secado puede resultar en un ahorro
de energía de alrededor del 10% (Miller, 1984), por otra parte con el aumento
de temperatura también se puede reducir el caudal de aire, lo cual permite
disminuir la potencia del ventilador usado, resultado de esto un menor consumo
de energía usada para este.
En la gráfica siguiente se puede ver la relación entre la humedad inicial del
grano y la temperatura del aire de secado sobre el consumo específico de
energía la capacidad de secado de una secadora de flujo cruzado.
Gráfica 1. Relación temperatura del aire de secado contenido inicial de humedad de granos. Fuente: http://www.fao.org/docrep/x5028s/X5028S06.HTM.
- Velocidad del aire
El aire es el en primer lugar es la encargado de transmitir la energía necesaria
para evaporar la humedad, en segundo lugar es el encargada de transportar la
humedad saliente del material. Para cada material existe una velocidad óptima
del aire que mejora el proceso, tal y como se mencionó anteriormente
combinado con la temperatura del aire son los encargados de definir el proceso
de secado.
La velocidad de secado debe regularse dependiendo del tamaño o peso del
grano con el fin de evitar el arrastre de granos. A parte de la capacidad del
ventilador otras maneras de regular la velocidad del flujo del aire es a través de
persianas que obstruyen aire tanto en la boca de aspiración del ventilador
como a la salida, también se se puede usar un variador de velocidad en el
motor del ventilador.
La velocidad del aire es una de las principales características en el momento
de compra de un ventilador, en general el proveedor lo entrega en referencia al
flujo entregado por el ventilador y se conoce como CFM (Cubic Feet per
Minute). Comercialmente se consiguen con una capacidad entre 100 y 30.000
CFM.
Para el secado de granos generalmente se expresan en m³/min y por tonelada
o por m³ de grano, y se obtienen dividiendo los caudales en m³/min por el
volumen de grano en proceso.
- Dirección del flujo de aire
El flujo de aire puede estar orientado en dirección tangencial o transversal al
lecho de secado. Usualmente se usa el flujo tangencial, sin embargo para
elementos granulares o cristalinos se recomienda el flujo transversal. Este
último es el caso de este proyecto.
- Humedad del aire
Es importante la calidad de aire a usar durante el proceso, cuando el aire
contiene una porción pequeña de humedad su capacidad para absorber
humedad, proceso necesario en la transferencia de masa. Si el contenido de
humedad del aire es muy alto y este se encuentra saturado es incapaz de
absorber más humedad y la transferencia de masa no da tiene lugar, limitando
la velocidad de secado.
4.3.3.4 EL PROCESO DE SECADO
El secado se realiza en dos etapas principales, la primera es a temperaturas
bajas pero con un alto caudal de aire con el fin de darle estabilidad a las
enzimas, la idea de este proceso es remover la mayor cantidad de agua en el
grano y conservar la mayor cantidad de enzimas creadas. La segunda fase se
lleva a cabo a temperaturas mayores, se remueven todas las sustancias
indeseables y se alcanza el valor de humedad deseado.
La grafica a continuación describe el comportamiento general de un soólido
húmedo sometido a un proceso de secado en condiciones constantes. Este se
espera sea el comportamiento de la primera etapa de secado del proceso de
malteo.
Ilustración 5. Curvas de secado en condiciones constantes. Fuente: Construcción y puesta en marcha de un secador de bandejas directo para la obtención de curvas de secado. Angélica del Pilar Cárdenas Gómez.
Como se puede ver en la gráfica el proceso de secado en condiciones
constantes se lleva a cabo en tres periodos:
- Periodo inestable: es el periodo en el cual la temperatura del sólido se
ajusta para alcanzar un estado estable con la temperatura del aire. El
estado estable se alcanza cuando la temperatura en la superficie del
sólido es igual a la temperatura de bulbo húmedo del medio de secado.
- Periodo de velocidad constante: después de alcanzar el estado estable,
la velocidad de deshidratación se torna constante. Durante este periodo
la superficie expuesta está saturada de líquido, y es allí donde ocurre la
evaporación y el líquido se remueve por difusión constante. Este periodo
de velocidad constante termina cuando el sólido alcanza el contenido
crítico de humedad, durante el cual la película superficial de humedad se
reduce y se inicia la formación de puntos secos en la superficie del
sólido, aumentando la temperatura del sólido y disminuye la velocidad
de secado.
- Periodo de velocidad decreciente: sucede debido a que la velocidad de
movimiento del líquido a la superficie es menor que la transferencia de
masa desde la superficie. El proceso de secado continúa pero su
velocidad es mucho menor, hasta que se elimina la humedad total
contenida en el grano.
4.3.3.5 DEFINICIÓN DE PARÁMETROS DEL PROCESO DE SECADO
Según lo estudiado anteriormente se define usar un secador rotario, para
eliminar el aglutinamiento de los granos, con flujo transversal por las razones
antes mencionadas. Como se puede ver en la ilustración siguiente la velocidad
lineal del aire requerida para este tipo de secador esta entre 0.9 y 4.6 m/s y la
temperatura deseada allí debe varias entre los 50 y los 120 Celsius.
Ilustración 6. Diagrama simplificado del prototipo. Fuente: Autor.
De acuerdo a esto se procedió a calcular especificaciones del equipo,
referentes a la potencia del ventilador, flujo de salida del aire y capacidad de la
resistencia eléctrica para el calentamiento del aire.
En primer lugar es necesario determinar la cantidad de agua a retirar durante el
primer proceso. La cebada por lo tanto tendrá una humedad inicial de alrededor
del 67% de su peso y al final se quiere obtener un grano con una humedad de
máximo 7%. Debido a que la capacidad del equipo es de 15 kg del grano
húmedo, lo cual quiere decir que al inicio del proceso su contenido de agua es
1
2
de 6 kg y se quiere tener al final un contenido de máximo 0.63 kg de agua. Por
lo tanto es necesario eliminar alrededor de 5.4 Kg de agua.
Con el fin de determinar la cantidad de calor necesaria para este proceso se
utiliza la siguiente ecuación:
Ecuación 4. Formula de Calor latente
Donde:
Q, es el calor necesario para la evaporación a una temperatura constante
m, es la masa de agua
Le calor latente de ebullición
Debido a que la sustancia es agua Le tiene un valor de 2,26 KJ. Por lo tanto
son necesarios 12189 KJ. Para completar el proceso de secado completo.
Según lo estudiado en la literatura la velocidad a través del grano debe estar
entre 0.9 y 4.6 m/s, con el fin de usar la resistencia mínima y hacer más
eficiente el proceso, será la velocidad de salida del aire la que se varíe para
mejorar el proceso.
Ecuación 5. Calor necesario para elevar la temperatura del aire
Donde:
Q, es el calor necesario para elevar la temperatura de un fluido
m, flujo másico de aire
C, calor específico a presión constante
ΔT, cambio de temperatura
Por lo tanto igualando el calor necesario para elevar la temperatura del aire
variando el cambio de temperatura y la velocidad del aire obtenemos:
A partir de esto se utilizó una velocidad de 1.5 m/s alrededor del eje central del
secador, con un área de contacto de 0.12 m2
Por lo tanto se tiene un flujo másico de 0.18 m3/s en la parte interna del tambor
del área de secado.
- Ventilador:
El ventilador se compone de dos elementos principales, el primero es el motor
el segundo la hélice rotativa. Para este caso es necesario un ventilador de
presión. Para el cálculo de la capacidad de este se supone el caso más
exigente, el cual ocurre cuando el aire se humidifica y se mueve
transversalmente sobre el lecho de partículas, se asume que la velocidad y
densidad del aire se mantiene constante a lo largo del eje del equipo.
Este tiene un diámetro de 10 cm y para cumplir con lo antes requerido el flujo
másico debe ser de 0.18 m3/s, y una velocidad lineal del aire de 22.9 m/s.
Perdidas del ventilador:
- Pérdidas debido al paso a través de las resistencias del calentamiento:
Ecuación 6. Pérdidas de presión debidas a obstáculos.
Donde:
h, pérdida en m
K, coeficiente de pérdidas
V, velocidad en m/s
g, gravedad 9.8 m/s2
Para el caso de la caída de presión debido al paso por la resistencia se
asumió que el coeficiente de pérdidas k era igual a 0.55 según literatura
encontrada al respecto. Por lo tanto las perdidas por este ítem son de
14.7 m.
- Perdidas por tubería recta:
Ecuación 7. Pérdidas por tubería recta
Dónde:
h, pérdida en m
f, factor de fricción de Darcy
L, longitud del tramo en m
V, velocidad en m/s
D, diámetro de la tubería
g, gravedad 9.8 m/s2
Con un factor de fricción de Darcy de 0.07 por las características del
flujo y por este factor hay una pérdida de 10.30 m.
- Perdidas por el cambio de dirección del flujo
Con la ecuación 3 se calcularon las pérdidas por el cambio de dirección del
flujo al final del ducto, usando un coeficiente de pérdida de 1.25. La pérdida
calculada por esto es de 33.44 m.
De acuerdo a los tres valores anteriormente calculados tenemos que las
pérdidas son en total de 58.44 m.
De acuerdo a la ilustración 4 la ecuación de balance de energía de Bernoulli
es la siguiente:
Ecuación 8. Ecuación de Bernoulli
Donde
V, velocidad del aire en m/s
g, gravedad 9.8 m/s2
Z altura en m
P, presión en Pa
Γ, peso específico del aire en N/m3
Ʃf, sumatoria de pérdidas a lo largo del sistema en m
hp, en m.
El balance da como resultado la siguiente ecuación:
De acuerdo con lo cual hp= 58.72 m.
La potencia necesaria para el proceso es :
Ecuación 9. Potencia necesaria
El motor que acciona un ventilador conviene que tenga una potencia nominal
alrededor del 30% superior a la potencia requerida por el ventilador, para que
posea una reserva suficiente de potencia.
Por lo tanto se define la eficiencia como n y tiene un valor del 70%:
Ecuación 10. Potencia nominal
La potencia del ventilador se define entonces por el valor nominal multiplicado
por el flujo másico.
Ecuación 11. Ecuación de potencia del ventilador
- Resistencia eléctrica:
Para la resistencia eléctrica se uso la ecuación 2, como se puede ver a
continuación:
Las condiciones de entrada del aire son los estándares de Bogotá,
temperatura promedio 20C y una humedad absoluta de 0.011.
Finalmente sobre el proceso de secado y las curvas de secado se tiene lo
siguiente:
Finalmente el proceso
Ecuación 12. Velocidad de secado
Donde:
Ss, masa del sólido seco en Kg
X, contenido de humedad de un sólido Kg de agua/Kg de sólido seco
A, área de la superficie expuesta en m2
Ɵ, tiempo en segundos
N, velocidad de secado en Kg/m2s
Para obtener el tiempo de secado es necesario separar la variable y
posteriormente integrar:
∫
Ecuación 13. Tiempo de secado
Se evaluará el periodo de velocidad constante por lo tanto la ecuación 2 da
como resultado:
Ecuación 14. Tiempo de secado, periodo de velocidad constante
5. DESCRIPCIÓN DEL EQUIPO
5.1 EL VENTILADOR
De acuerdo a lo mencionado anteriormente se requiere de un motor de 0.2 Hp
y un ventilador que produzca un flujo másico de 0.18 Kg/s.
Se consiguió un ventilador de la bomba de aceite de una tracto mula tiene ¼ de
caballo de potencia y un flujo másico de 0.2 Kg/s, medidos en laboratorio.
Comercialmente se pide con referencia a CFM s que para este caso son 400.
5.2 LA RESISTENCIA
Se mandó a fabricar una resistencia de 5.4 KW, con una longitud aproximada
de 3 m de tubo y un consumo de alrededor de 20 A. Se fabricó como helicoidal
para disminuir el tamaño.
5.3 CÁMARA DE SECADO
La cámara de secado es en forma de tambor, fabricada en acero 304 tipo
alimento, para que pueda ser usado para el consumo en un futuro. Todos los
accesorios instalados están también fabricados en el mismo tipo de acero. El
eje principal es hueco por donde ingresa el aire caliente, el eje descansa sobre
una cama de rodamientos por un lado y una platina con una pera que se ajusta
a un sistema de piñones con cadena. Se instaló un moto reductor y se hizo una
reducción de 1:24, permitiendo que el tambor gire finalmente a alrededor de 5
RPM.
La cámara de secado tiene una compuerta de carga y descarga, y en la base
tiene una lámina que permite deslizar hacia un solo lado el grano en el
momento de la descarga.
Tiene una capacidad de 0.02 m3 y 14 Kg.
5.3 SISTEMA DE CONTROL
El proyecto en sus inicios pretendía tener un sistema de control que permitiera
al usuario simplemente ingresar curvas deseadas de secado y que el equipo
por si solo las ejecutara. Sin embargo durante la construcción y puesta en
marcha se pudo observar que solo el sistema de control era un proyecto por si
solo, es aconsejable tener varios puntos de control e integrar no solo el
encendido de la resistencia eléctrica, sino un variador de velocidad en el motor
del ventilador, un regulador de energía en la resistencia y sistematizar la
regulación de la entrada del aire al ventilador.
Por el momento el sistema de control, está compuesto por una termocupla tipo
j, conectada a un contactor en serie con un disparador artesanal. La termocupla
se encuentra instalada a la salida del cañón justo antes de entrar al tambor
rotativo o cámara de secado.
El actuador se puede programar a cualquier temperatura y tiene una precisión
de +-3 C. Este se encarga de enviar la señal al contactor que enciende y apaga
la resistencia.
De esta forma se controla la temperatura de entrada a la cámara de secado,
esta es la variable más determinando en el proceso de secado.
6. CONSTRUCCIÓN DEL EQUIPO
La construcción del equipo se llevó a cabo de acuerdo al cronograma por el
proyectista y con ayuda de técnicos locales. El tiempo de construcción fue de
alrededor de dos meses, incluida la puesta en marcha.
Se dio inicio con el prototipo mostrado a continuación, sin embargo el primer
gran cambio que se debió realizar fue en el tamaño de la resistencia, pues en
el momento en el que se supo la capacidad exacta necesaria, se pudo observar
que el tamaño superaba el esperado, como se verá más adelante fue
necesario aumentar el tamaño del equipo y modificar el sistema de giro de la
cámara de secado para poder adaptar la resistencia eléctrica.
Ilustración 7. Diseño del prototipo inicial. Fuente: Autor
Muchos de los componentes utilizados son reciclados, como el ventilador, el
moto - reductor y los piñones.
Como se mencionó anteriormente en la ilustración 6 se puede ver el tambor
rotativo o unidad de secado que descansa sobre una base metálica, en los
estandartes verticales están embebidos dos rodamientos que permiten el giro
libre por un lado del eje. Como se puede observar también la salida del aire es
perpendicular la entrada del aire y la densidad de agujeros internos para la
entrada y externos para la salida es igual, con el fin de evitar la saturación del
sistema.
Como se puede ver la siguiente ilustración del otro lado del tambor hay un
sistema de eje instalado a través de una pera con pernos, sobre esta luego se
soldó el piñón pequeño que posteriormente se completó con el sistema de
cadena instalada al moto reductor.
Ilustración 8. Unidad de secado. Fuente: Autor.
En la ilustración final se puede observar la composición del eje interno, a través
del cual se encuentra el flujo de aire caliente, como se puede ver, soldado a
este se encuentran unas aletas que permiten realizar el mezclado del material
constantemente para evitar el aglutinamiento del material a secar.
En la ilustración 9, se puede ver el equipo en su totalidad. Debajo del tambor se
instaló una lámina en forma de U para que el material que salga se deslice y se
pueda recoger fácilmente, todo el prototipo se instaló y sujeto a la base de
madera que allí se puede observar con el fin de ayudar a la movilidad del
equipo.
Finalmente se recubrió con fibra de vidrio el cañón que contiene la resistencia
para evitar accidentes y perdidas por transferencia de calor con el exterior.
Ilustración 9. Detalle del sistema de rodamiento. Fuente: Autor
Ilustración 10. Detalle interior de la cámara de secado. Fuente: Autor.
Ilustración 11. Equipo final. Fuente: Autor
7. RESULTADOS Y ANÁLISIS
De acuerdo a lo evaluado en el marco teórico la etapa de experimentación
también se dividió en tres.
7.1 HIDRATACIÓN
Para determinar las condiciones óptimas de hidratación se inició observando la
velocidad de hidratación de 3 muestras diferentes de 100 gr de cebada
sumergidos en 200, 250 y 300 gramos de agua. Según lo estudiado la cebada
se cosecha generalmente con una humedad del 13%, así que se supuso esta
como la humedad inicial, a partir de la cual se empezó a observar la velocidad
de hidratación, pesando la muestra cada 6 horas durante 48 horas y
observando su comportamiento. Como resultado se obtuvieron las siguientes
curvas de hidratación.
Gráfica 2. Velocidad de hidratación del grano de acuerdo al porcentaje de agua agregado. Experimentación 1. Fuente: Autor.
Como se puede ver en la gráfica 1 la velocidad de humidificación al iniciar el
proceso, para los tres casos es igual, sin embargo en la segunda parte del
proceso la curva con un 300% de agua de más tiene una velocidad de
absorción mucho mayor. A partir de lo observado en esta primera aproximación
se decidió realizar de nuevo la experimentación con una metodología diferente.
Para el segundo caso se tomaron muestras de 20 gramos de cebada y se
sumergieron en 50, 75, 100, 150, 200 y 300 % de cantidad de agua. Se
tomaron medidas de humedad cada 4 horas y se observó el comportamiento
durante 60 horas.
Gráfica 3. Velocidad de hidratación del grano de acuerdo al porcentaje de agua agregado. Segunda experimentación. Fuente: Autor.
De acuerdo a lo observado en la segunda experimentación realizada, en el
caso de agregar 150 y 200 % de agua, se comportan de forma muy similar, el
caso de mayor velocidad de hidratación es con 300% de agua, y el de menor
es el de 50%. Sin embargo en este último al final de las primeras 24 horas se
dio inicio a la germinación sin haber alcanzado la humedad deseada, quedando
muchos de los granos sin germinar al final del proceso.
El proceso de humidificación requiere que el grano tenga alrededor de un 65%
de humedad, como se puede ver en la gráfica 2, esto sucede entre las 9 y las
11 horas de tiempo para cualquiera que sea la cantidad de agua adicionada. Es
importante aclarar que en casos con igual o menor cantidad de agua que de
cebada, la geometría del recipiente en el cual se hace la humidificación es
realmente importante con el fin de permitir que todos los granos estén en
contacto con el agua.
Por otra parte es importante mover los granos cada 2 horas para que todos los
granos y la superficie de ellos en su totalidad estén en contacto con el agua.
En conclusión para una humidificación eficiente se puede agregar un 75% del
peso de la cebada en peso del agua, durante 12 horas, removiéndolo cada dos
horas.
7.2 GERMINACIÓN
El objetivo de esta etapa como se mencionó anteriormente es definir las
mejores condiciones para que el proceso de germinación no solo sea más
rápido sino también se produzca la mayor cantidad de granos germinados. Esto
depende esencialmente de la calidad del grano y del cultivo, en promedio
alrededor del 25% de los granos no germinan, esta es una de las principales
características que aseguran el rendimiento de la malta al final del proceso.
Con el fin de determinar la humedad requerida al final del proceso de
humidificación, se estudió el periodo de germinación en cuatro diferentes
estados de humedad inicial.
El procedimiento que se realizó fue tomar muestras de 100 granos y contar
cada 6 horas el progreso en el crecimiento del cotiledón de la semilla. Como se
puede observar en la ilustración a continuación el nacimiento del cotiledón se
da como un punto blanco en el lado abultado de la semilla, desde ese punto se
cuenta como una semilla germinada, si bien es cierto según la literatura el
punto óptimo para detener la germinación a través del secado es cuando el
cotiledón o la raíz alcanzan el tamaño del grano, en grandes cantidades de
granos se hace casi imposible controlar esta característica, razón por la cual se
estipula más adelante un procedimiento referente al tiempo como elemento
principal para determinar el momento en que se debe iniciar el proceso de
secado.
Ilustración 12. Fotografía de semillas en proceso de germinación después de 6 horas. Fuente: Autor.
Ilustración 13. Fotografía de semillas en proceso de germinación después de 12 horas. Fuente: Autor.
Como se puede ver en la ilustración anterior después de doce horas en
proceso de germinación el crecimiento de la raíz es absolutamente disparejo
para semillas con el mismo tratamiento.
Entre las observaciones realizadas la más importante es la cantidad de agua
que debe tener la semilla para la germinación. Siempre debe permanecer
húmeda y bajo la luz, en la noche la velocidad de crecimiento decrece, debido
al frío y la oscuridad, por lo que se hace necesario iluminar con luz artificial.
Como se puede ver en la ilustración a continuación el tamaño final de la raíz
varía entre todos los granos, por lo tanto se decidió iniciar el proceso de secado
como se mostrara más adelante, en relación con el tiempo de germinación.
Ilustración 14. Fotografía de semilla en proceso de germinación de 36 horas. Fuente: Autor.
Finalmente en la gráfica 3, se puede observar cuatro diferentes curvas que
representan la velocidad de germinación de granos de acuerdo a la humedad
con la que se terminó el proceso de humidificación.
De acuerdo a lo que se observó la curva con mayor velocidad fue la del 68% de
humedad inicial, también fue la que obtuvo un mejor rendimiento del grano, en
la etapa inicial la de mayor humedad presentó una velocidad mayor, sin
embargo durante el proceso se fermentó mucho más rápido.
Fue importante observar esto último pues a mayor porcentaje de humedad, las
enzimas dan inicio a la fermentación aun sin presencia de levadura mucho más
rápido, razón por la cual se infiere que es mejor una menor cantidad de
humedad no solo por la tardanza en la fermentación sino también por la
eficiencia del proceso.
Gráfica 4. Velocidad de germinación del grano según su humedad inicial. Fuente: Autor.
En conclusión se aconseja una humedad final de alrededor del 65% en el
proceso de humidificación, teniendo en cuenta una humedad inicial del grano
de 13% y un tiempo de germinación de 48 horas, a partir de las cuales, no solo
no germinan más granos, sino que algunos de ellos ya tienen un tamaño de
raíz muy grande y otros inician su proceso de fermentación.
Es importante que la germinación se realice bajo la luz, y a una temperatura
ambiente de 18 C, también es importante el material de la superficie sobre la
cual se ubique el grano. Esta no debe ser absorbente, se debe mantener la
humedad constantemente por lo tanto se aconseja rociar constantemente agua
y mezclar el grano.
Como se puede ver en la ilustración a continuación de esta forma se llevo a
cabo el germinado de los granos que posteriormente fueron secados en el
equipo.
Cada carga consistía en 14 kg de cebada, que inicialmente eran alrededor de 9
kg de cebada comprada, ocupando un volumen de 0,2 m3. Por lo tanto se
ubicaban en sacos de carga, cuyo material es el ideal para esto y con las
medidas justas de 0.7X0.45 dando un espesor mínimo del grano y permitiendo
un germinado parejo.
Ilustración 15. Proceso de germinación del grano. Fuente: Autor.
7.3 SECADO
Después de determinar las condiciones de humidificación y germinación se
procedió a poner en marcha el equipo y determinar las condiciones de secado.
Según lo estipulado en la literatura la temperatura del aire dentro de la cámara
debía ser de 50 C. Debido a que la termocupla se encuentra al final del cañón
donde se encuentra la resistencia eléctrica, se calcularon las pérdidas de
velocidad y temperatura y el regulador debía programarse en 80 C.
Se realizaron diferentes pruebas, según la carga del equipo, sin embargo en la
que se logró mejor rendimiento fue cuando el equipo se encontraba en su
carga máxima, se llegó a la conclusión que esto es debido a la menor cantidad
de perdidas debido al escape del aire caliente en los intercisos desocupados
cuando el equipo no está cargado en su totalidad.
Gráfica 5. Curva de secado a 50C. Fuente: Autor.
Como se puede ver en la gráfica anterior el tiempo de secado fue de alrededor
de 4 horas. Sobre el tema hay literatura diversa, en la cual hay algunos autores
que estipulan tiempo de secado de más de 8 horas y otros de tan solo 2 horas.
Para el periodo estable tenemos una velocidad secado de de 39 g H2O/min.
Valor que se obtuvo de la gráfica a continuación.
Para el periodo estable la resistencia estuvo encendida el 50% del tiempo de
secado intercalándose en periodos de 3 minutos.
Para la puesta en marcha fue necesario un periodo de estabilización del
equipo, en primer lugar se encendió la resistencia hasta que esta alcanzó una
temperatura de 120 C, a partir de esto se encendió el ventilador y
posteriormente se puso a girar el tambor de secado.
Gráfica 6. Grafica de secado del periodo estadble. Fuente: Autor.
El tiempo para que la resistencia llegue a esa temperatura es de alrededor de
minutos sin ventilador.
Posterior a esto como se puede ver en la gráfica 5 el tiempo de estabilización
del sistema es de 35 minutos, esto se debe a la alta perdida de volumen en los
primeros minutos, que después se va estabilizando.
Para las pruebas se realizó el mismo protocolo siempre. En cada carga se
ubicaron varias bolsas de malla que contenían 100 gramos de granos antes de
humidificarla, a partir de esto a cada lote te le medía la humedad con la que
terminaba el proceso de humidificación, posterior a la germinación se pesaban
de nuevo estas eran las que servían para medir la humedad durante el
proceso de secado, se detenía el movimiento rotario de la máquina para
extraerlas, se pesaban y se volvían a insertar en el equipo.
Las mediciones se realizaron cada 15 minutos y de esta forma se formarón las
gráficas antes sitadas.
8. CONCLUSIONES
- A pesar de que la cebada es un producto que puede producirse y con
una alta calidad dentro del país, es difícil de conseguir debido a el
producto que se consume internamente es todo importado.
- El grano importado que generalmente se consigue, ya viene con un
proceso de pre secado para su almacenamiento y no es posible
germinar el grano.
- Es necesario comprar semilla nacional para la producción de malta.
- Para una humidificación eficiente es suficiente agregar 75% del peso de
la cebada en peso del agua, durante 12 horas, removiéndolo cada dos
horas. Con esto se obtiene una humedad del grano alrededor del 65%,
suponiendo una humedad inicial del 13%, que es por lo general la
humedad con la que se cosecha el grano.
- El proceso de germinación debe realizarse con luz, y a una temperatura
ambiente de 18 C, se debe mantener la humedad constantemente por lo
tanto se aconseja rociar constantemente agua y mezclar el grano,
ubicarlo sobre una superficie no absorbente.
- El tiempo de germinación necesario es de 48 horas, a partir de las
cuales se puede iniciar el proceso de secado.
- El secador fabricado permite el secado de granos en general, sin
embargo la optimización de este depende de las condiciones
ambientales sobre el que se trabaje.
- El proceso de secado a pesar de tener una temperatura de secado ideal
(50 C), permite grandes variaciones, sin contar también con el proceso
de fijación de sabores que no alcanzó a ser estudiando.
- Durante las pruebas realizadas fue importante observar la mayor
capacidad del equipo, en cuanto a la alta eficiencia de la resistencia
eléctrica.
9. RECOMENDACIONES
- El equipo tiene una deficiencia para la carga y descarga del grano, se
recomienda incluir otra puerta de carga y descarga.
- Es importante implementar un sistema de control más completo que
incluya tres sensores de lectura.
- De igual forma el sistema de control que se implemente debe incluir un
inicio retardado por parte del ventilador, un variador de velocidad para
este mismo y un regulador de voltaje sobre la resistencia eléctrica para
controlar todas y cada una de las variables.
- El poder controlar las variables anteriormente mencionadas, es posible
diseñar procesos de malteo tecnificados que produzcan nuevos tipos de
malta, aun no comerciales.
- A pesar de la facilidad para conseguir la malta, el alto costo de esta
permite seguir con el desarrollo del prototipo pues tiene una buena
relación costo-beneficio.
10. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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