Evaluación de dos variables de diseño de un secador solar de fruta.

Abstract

INTRODUCCIÓN.

A. Secado Y secadores solares. 1. Generalidades sobre secado de alimentos. El secado es un proceso utilizado para la preservación de productos agrícolas. En la mayoría de los diversos países productores existe una intensa preocupación por extender y perfeccionar la industria de la fruta desecada.

El secado de un producto consiste en extraerle parte del agua que naturalmente contiene cuando ya ha alcanzado su madurez fisiológica, hasta que solo contenga la humedad que permita almacenarlo durante un período largo en condiciones ambientales ordinarias, y sin que pierda sus propiedades nutricionales y organolépticas.

La masa de agua que se remueve en el proceso de secado puede llegar a ser hasta cinco veces la masa total del producto seco, tal como ocurre con los productos de muy alta humedad inicial. En el producto ya secado, a causa de que cesan casi totalmente sus actividades metabólicas, se dan condiciones desfavorables para el desarrollo de microorganismos. De aquí que la preservación de alimentos por secado está basada en el hecho que los microorganismos y enzimas necesitan agua para estar activos. Al preservar alimentos por este método se busca bajar el contenido de humedad del alimento a un punto donde se inhibe la actividad de los microorganismos responsables de la putrefacción y producción de: toxinas.

Aunque algunos microorganismos mueren durante el proceso de secado, no es el proceso en sí mismo letal para los microorganismos y aún pueden ser recuperados varios tipos de ellos de los alimentos secos, especialmente si se parte de alimentos de mala calidad o no se observan normas de higiene.

En la ausencia de crecimiento de hongos, los alimentos están sujetos a cambies químicos que pueden ser c indeseables. Jay presenta cuatro métodos para minimizar los cambios químicos en alimentos secos: 1) mantener el contenido de humedad tan bajo como sea posible; 2) reducir el nivel de azúcares reductores; 3) si se blanquea, usar agua cuyo contenido de sólidos solubles blanqueados se mantenga bajo. Si no se renueva el agua con que se blanquearon vegetales antes de volver a blanquear una nueva tanda, los azúcares reductores y aminoácidos extraídos anteriormente se impregnan en la superficie del producto tratado en niveles muy altos; 4) el uso de dióxido de azufre.

Los alimentos pueden ser secados a) con aire caliente, b) con vapor supercalentado, c) con vacío, d) con gases inertes y e) mediante la aplicación directa de calor. Sin embargo, aire es el método generalmente empleado industrialmente por las siguientes razones: es más barato y Conveniente de instalar y operar desecadores que utilicen :aire como medio secante; fácilmente se controla y evita el sobrecalentemiento; el aire puede utilizarse para conducir Calor al producto y para conducir la humedad liberada del mismo; el uso de aire permite el secado gradual y así evita pérdidas de jugos por goteo.

Las dos funciones del aire en el secado son la transferencia de calor dél elemento calefactor al producto y la transferencia de humedad a la atmósfera exterior.

Lo que en realidad produce la evaporación es el calor y no el aire. Se requieren 1000 BTU para cambiar una libra de agua a vapor, lo que se conoce como calor latente de vaporización del agua. Sin embargo, se ha mostrado que la velocidad de evaporación del agua de una superficie libre es directamente proporcional a la velocidad del aire si los demás factores se mantienen constantes (Cruess). Esto es debido a que la transferencia de masa se acelera con el movimiento relativo del aire.

La recirculación del. aire en el secado de frutas es un factor importante. Si el aire que ha servido para secar la fruta se deja escapar a la atmósfera, se puede perder una gran cantidad de calor. Por lo tanto, el aire caliente que sale del secador se recalienta y se mezcla con cierta proporción de aire fresco. Sin embargo, la recirculación no se usa en todos los casos, pues solo es ventajosa para las frutas; mientras que para las hortalizas es inconveniente (Bergeret).

Por último se considera la marcha de la deshidratación: la pérdida de humedad es alta en el primer periodo de desecación y desciende a medida que el producto se va deshidratando. Durante el periodo inicial de la desecación, la superficie del producto está húmeda. Se produce una transferencia de la humedad de los tejidos internos al exterior de la fruta a medida que se evapora la humedad de la superficie. Ya cerca del final de la desecación, la difusión de la humedad es lenta, por lo que el aire caliente del desecador tiene dificultad para extraer la humedad del producto (Bergeret).

2. Secado de Frutas. La fruta es un producto eminentemente alterable; después de la cosecha prosigue su ciclo biológico, continuando la maduración con sus reacciones químicas y enzimáticas hasta llegar a la sobremaduración. Por otra parte, la fruta puede ser asiento de bacterias, levaduras, mohos e insectos que la atacan y aceleran su descomposición.

La reducción del contenido de humedad de la fruta hasta llegar a actividades de agua inferiores a 0.75 (0.70 es el valor usual de la fruta deshidratada) impide la proliferación de bacterias gram negativo y la de la mayoría de las gram positivo con la excepción de cocos, algunos formadores de esporas y lactobacilos. Además del efecto inhibitorio de la reducción de "aw" la actividad antimicrobiana resulta de una interacción combinada del pH, el potencial de óxido-reducción (que cambian por la concentración de los elementos químicos en disolución), los aditivos añadidos y la microflora competitiva (Jay).

Las ventajas que ofrece la desecación de la fruta pueden resumirse en los siguientes puntos: 1) permite aprovechar la fruta cuando el precio es bajo, 2) permite regular el mercado en los períodos de sobreproducción, 3) hace que el consumo se prolongue durante todo el año, 4) se disminuye el peso y el volumen de la fruta, haciendo así más fácil su transporte, 5) su valor alimenticio por unidad de peso es mayor que el de cualquier otra fruta en cualquier otra forma que sea preparada.

La oxidación de las frutas y la reacción continua de las enzimas, provocan el oscurecimiento cuando se cortan y exponen al aire. Si no se trata la fruta para reducir el oscurecimiento y la reacción enzimática, el empardeamiento seguirá durante el proceso y almacenamiento. Esto puede provocar pérdida del sabor y de vitamina A y C.

En relación a los tratamientos químicos aplicados al producto, se mencionan: - Tratamiento con dióxido de azufre que puede lograrse de dos formas; 1) exponiendo la fruta al dióxido de azufre gaseoso o 2) por inmersión de la fruta en una solución de bisulfito de sodio. Cualquiera de las formas de éste 'tratamiento, son las más efectivas para retardar la oxidación y la descomposición

- Blanqueo en almibar (entre 40 y 60% de azúcares). Se mantiene un buen color en la fruta, pero resulta más dulce y de textura más suave que las frutas sulfuradas sulfitadas. Además la pérdida de vitamina A y C es mayor.

- Blanqueo por vapor. Destruye el sabor natural y la textura de la fruta y mucho de la vitamina A y C. Es el ;método menos efectivo para pretratar fruta para secado (De Long).

- Inmersión en ácida ascórbico (vitamina C) para reducir al mínimo la oxidación de la fruta, ya que actúa como antioxidante. Suele utilizarse disuelto en jarabe de azúcar, en proporciones de 0.09 a 0.05%.

3. Principios básicos de captación de energía solar. La forma de captación más importante, tanto desde el punto de vista de su magnitud como desde el punto de vista de su eficiencia, ocurre en las plantas verdes; éstas reciben la luz solar, la captan y luego la aprovechan en el proceso de fotosíntesis mediante el cual la energía luminosa es transformada en energía bioquímica. Los dispositivos hechos por el hombre para captar la energía solar se denominan genéricamente colectores solares. Un colector solar es un equipo diseñado para absorber la radiación solar y transferir la energía a un fluido que circula en su interior y que está en contacto con él. El agua y el aire son los fluidos generalmente empleados en los colectores solares.

Se clasifican los colectores solares en dos tipos: planos y concentradores. Los primeros aprovechan tanto la insolación directa como la insolación difusa; es decir, pueden funcionar tanto en días claros como en dilas nublados. Los colectores concentradores utilizan únicamente la radiación solar directa y tienen la ventaja de que pueden producir temperaturas más altas que las que producen los colectores planos. Los colectores planos pueden instalarse fijos en su posición, aunque a veces pueden ser movidos cada cierto tiempo para ajustarlos según sea la estación del año o la posición instantánea del sol (heliostatos); los colectores concentradores casi siempre se instalan de manera que puedan moverse durante el día o periódicamente, para. seguir el curso del sol.

Existen dos conceptos fundamentales en el estudio de la captación de la energía solar: cuerpo negro y efecto de invernadero.

Si un cuerpo oscuro y ligeramente rugoso se interpone en la trayectoria de la luz, se consigue atrapar parte de la energía transportada por los rayos luminosos. A todo material que atrape energía solar en ésta forma se le llama "Placa negra" o "cuerpo negro". Un "cuerpo negro perfecto" es un ente capaz de absorber toda la energía que incida sobre él.

El mecanismo de captación de energía, en forma simplificada es el siguiente: Los rayos solares (predominantemente de los espectros visible y ultravioleta) al chocar con un cuerpo, ceden parte de su energía a los electrones exteriores de este. Esta energía aumenta la amplitud de la vibración de los átomos del cuerpo y lo calienta progresivamente. El remanente de energía que no es absorbido, es devuelto o reflejado en forma de ondas de mayor longitud (rayos infrarrojos).

Por otra parte, los materiales transparentes (vidrio, plástico) permiten el paso de las ondas luminosas visibles y ultravioleta, pero no el de todas las radiaciones infrarrojas. Por eso, si una cámara cerrada tiene paredes transparentes, y en el fondo un absorbedor, la luz ingresa a través de las paredes y es parcialmente absorbida por aquél, en tanto que los rayos no absorbidos se reflejan como ondas infrarrojas que no pueden salir de la cámara, ya que las paredes no lo permiten. Estas ondas infrarrojas quedan atrapadas y calientan el aire del ambiente del interior de la cámara. Este es el llamado efecto de invernadero.

Un colector solar está integrado por diferentes componentes:

- La cubierta transparente: consiste en una ^ varias placas transparentes de vidrio o de material plástico. Su función es triple: 1) provocan el efecto invernadero, 2) reducen las pérdidas de calor del aire encerrado y 3) protegen al absorbedor de los efectos de la intemperie.

- El absorbedor: capta energía y cambia la longitud de onda de los rayos incidentes que resultan reflejados de su superficie. Suele construirse con uno de los siguientes materiales: placas metálicas, plástico negro, arena, rocas, cemento, etc. (aplicaciones de Energía Solar). Los secadores solares en general, pueden clasificarse como directos, indirectos mixtos. Cada una de estas clasificaciones pueden subdividirse en activos y pasivos. Son directos cuando el producto a secar está expuesto directamente a los rayos del sol, recibiendo un calor' adicional, al que le proporciona el aire circundante . Son indirectos, cuando solamente el aire le transfiere energía calorífica al sólido, estando éste en una cámara adyacente al colector, suyas paredes son opacas a la luz del sol y le impiden todo contacto con el sólido. Son mixtos, cuando se combinan los dos mecanismos anteriores. Son pasivos cuando el movimiento del aire es provocado únicamente por los cambios de densidad y las diferencias de presión entre el interior y el exterior del aparato.

Son activos cuando el movimiento del aire se produce por la acción de ventiladores u otros mecanismos que incrementen la velocidad del aire dentro del secador.

B. El Sol, fuente de energía.

El sol es la estrella más cercana a nuestro planeta. Dentro de él se producen reacciones de fusión nuclear que Liberan inmensas cantidades de energía. Las altas temperaturas alcanzadas en su superficie (5900 a 6300°C) permiten <lúe emita hacia - el espacio, en forma de ondas electromagnéticas, la energía liberada por los procesos nucleares. Aunque a la Tierra solo llegan unas dos billonésimas partes de ésta energía, a ella se puede atribuir casi la totalidad de los procesos meteorológicos y biológicos que se desarrollan en la Tierra. El espectro visible e infrarrojo cercano constituyen un 96% de la energía solar que llega a la atmósfera y se ve sujeta a reflexiones, refracciones, absorciones y a irradiación hacia el espacio (por nubes, gases, polvo). Debido a la variabilidad de la energía en diferentes Puntos de la tierra, se llegó a establecer la llamada Constante Solar. Esta representa la cantidad de mayor de calor teóricamente aprovechable por unidad de área y por unidad de tiempo, medida fuera de la atmósfera terrestre. La constante solar es: 1.94 cal/cm²-min = 1353 vatios/m² = 429 BTU/pie²-hora. La insolación es la cantidad de energía solar recibida por la unidad de área en la unidad de tiempo. Existen varios tipos de insolación: -La insolación directa es toda aquella radiación que llega en línea recta desde la fuente (el sol). Se caracteriza porque forma sombras fuertes y bien delimitadas. -La insolación difusa es aquella radiación que no procede directamente de la fuente porque ha sufrido refracciones o reflexiones en objetos distantes. No produce sombra y parece provenir de todo el cielo. En días claros no se puede considerar que el 20% de la insolación es difusa y en días nublados la insolación es totalmente difusa. -La insolación reflejada es la que llega rechazada por Superficies de cuerpos sólidos cercanos (edificios, rótulos, etc.) o por superficie terrestre (nieve, lagos, asfalto, etc.). La insolación es una energía de baja intensidad, por lo que se requieren superficies relativamente extensas para captarla. Además su intensidad es variable- e intermitente pues sólo está disponible en horas del día.

Hay factores que afectan el grado de insolación como el número de horas sol, que es el tiempo que dura la iluminación solar, expresado en horas, y el ángulo de incidencia. La insolación óptima es aquella que es perpendicular a la superficie considerada. Estos factores dependen directa o indirectamente de condiciones tales como: latitud, configuraciónn orográfica, época del año, nubosidad, altitud, contaminación atmosférica y otros. Por último cabe mencionar las ventajas de la energía solar: a) es la más "limpia" de todas las formas de energía: no produce contaminación b) es abundante en casi todo el mundo y no está sujeta a restricciones de origen humano c) es gratuita