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Necesidad
de secado
Tecnicas
de secado de granos
Combustibles empleados en el secado de granos
Eficiencia
termica del secado
El secado de granos se puede definir de distintas maneras, según el enfoque que se desee adoptar. En los estudios más teóricos se pone el énfasis en los mecanismos de transferencia de energía y de materia. Así, el secado se puede definir como un proceso en que hay intercambio simultáneo de calor y masa, entre el aire del ambiente de secado y los granos. En cambio, en los casos generales, se define el secado como la operación unitaria responsable de la reducción del contenido de humedad de cierto producto, hasta un nivel que se considera seguro para el almacenamiento de éste.
Se entiende que es seguro un nivel de humedad por debajo del cual se reduce la actividad respiratoria de los granos y se dificulta el ataque de insectos y hongos. Dicho nivel varia con los distintos tipos de granos, pero, para las condiciones brasileñas y los granos más comunes, abarca una gama entre 10 y 14% de humedad expresada sobre base húmeda.
Se han secado productos agrícolas desde los albores de la civilización. Al comienzo no habÍa preocupación por el almacenamiento, y la disminución de la humedad se producía en el campo mismo. Era un "secado" que se realizaba en las condiciones naturales del ambiente, dictadas principalmente por la energía solar incidente y el movimiento del aire, es decir' por el viento. Más adelante se intentó controlar parcialmente las condiciones del secado, y éste pasó a realizarse en hornos especiales o en recintos calentados. Recién entre la Primera y Segunda Guerras Mundiales se construyeron diversas unidades experimentales de secado. En aquella época sólo funcionaban algunas unidades comerciales, las que se destinaban, fundamentalmente, a la deshidratación de frutas, verduras, heno y al secado de semillas de maíz.
Después de la Segunda Guerra Mundial se hicieron comunes las grandes unidades de secado de granos comerciales, y en las haciendas se empezó a secar grandes cantidades de ellos (Figura 1).
Este aumento en la demanda de secado fue consecuencia del desarrollo de los métodos mecánicos de cosecha. En América Latina, una parte importante de la producción de granos se seca todavía en forma primitiva, es decir, se seca en el campo drante largos períodos. El uso de esta técnica acarrea elevadas pérdidas de producción, puesto que los granos quedan expuestos, durante lapsos prolongados, a condiciones adversas y a la acción de depredadores (Figura 2).
Hay consenso, entre los técnicos del sector almacenados de que el secado de granos a bajas temperaturas presenta buenas perspectivas de aplicación en el país, principalmente ante la necesidad de ampliar la capacidad de airnacenamiento de las haciendas, para lo cual esta tecnología reviste especial interés económico.
El secado a bajas temperaturas viene atrayendo, además, al sector productor de semillas, puesto que con tal sistema se puede mantener la calidad del producto cosechado mejor que con el uso de secadores que funcionan a temperaturas elevadas.
Se espera que este trabajo sirva a los profesionales que se dedican a este campo de la ingeniería agrícola y llene el vacio que significa la dfficultad de encontrar literatura nacional sobre el tema.
Al llegar a la madurez fisiológica, los productos agrícolas y en especial los granos, presentan en la mayoría de los casos, un contenido máximo de materia seca. Seria recomendable cosechar los granos en ese punto de desarrollo, desde el punto de vista del rendimiento máximo de la producción. No obstante, varios factores limitan esa posibilidad, destacándose entre ellos el contenido de humedad de los granos.
Al comienzo de la etapa de madurez fisiológica, los granos presentan, además del contenido máximo de materia seca, un elevado porcentaje de agua. Esta condición acarrea algunas dificultades, pues los granos no resisten los procedimientos mecánicos de recolección y demás operaciones de tratamiento. Es preciso esperar, entonces, que la cosecha se realice "tan pronto" como los granos lo soporten. Esta técnica ofrece algunas ventajas, como son: un mayor porcentaje de materia seca (como ya se mencionó), menor contaminación del producto en el campo, menor pérdida por ataque de depredadores, mayor porcentaje de germinación y vigor y otras.
El mayor inconveniente de la cosecha de productos húmedos es la necesidad de reducir su contenido de humedad a niveles seguros para su almacenamiento, siendo un proceso que exige un gran consumo de energía. En general el secado artificial de granos es una técnica poco difundida en América Latina. En las regiones en que se la conoce, normalmente está mal utilizada. En consecuencia, hay elevadas pérdidas de granos en esos países.
Las técnicas de secado de granos son ampliamente conocidas y utilizadas en paises desarrollados. Esto quiere decir que luego de adaptarlas a las condiciones de cada país, es posible perfeccionar rápidamente las técnicas que se emplean en esos paises. Por lo menos en principio, esta afirmación es valedera; pero dicho perfeccionamiento se ve dificultado por algunos factores: el nivel de instrucción de los productores, los costos de la tecnología de secado importada, el volumen de producción y la disponibilidad de energía eléctrica, son los más importantes.
Un sistema de secado y almacenamiento exige costos de inversión relativamente elevados. La adquisición de tal sistema requiere además el adiestramiento técnico del operador, para que se pueda aprovechar al máximo los beneficios que esa nueva tecnología puede ofrecer, pues las ventajas del sistema dependen del buen manejo. Además de conocer las características del equipo adquirido, el productor debe saber que su capacidad de negociación aumenta en la comercialización. El aprovechamiento correcto de esa capacidad puede llevarlo a maximizar sus utilidades.
Debido a los costos iniciales aludidos, para que el uso de las técnicas de secado y almacenamiento sean económicamente viables, debe haber un nivel de producción mínimo. Con todo, es un error suponer que esta tecnología es recomendablesólo para grandes producciones. Las variaciones de la técnica extienden su utilización a un abanico bastante amplio de producción. Como es natural, a medida que se traten volúmenes mayores, mejor será el tratamiento que ellos podrán recibir, por los refinamientos que se podrán incorporar a los sistemas.
En los métodos de secado más modernos, los intercambios de aire y masa entre granos y ambiente se producen principalmente por convección de aire forzado. Por tal motivo, los secadores de granos están provistos generalmente, de un ventilador, como agente de movimiento del aire. La falta de energía eléctrica para impulsar estos ventiladores es una de las mayores trabas que impide la popularización del sistema de secado y almacenamiento a nivel de predio. Ciertos paises están enfocando sus esfuerzos, con el apoyo financiero del gobierno, en el desarrollo de métodos que hagan técnica y económicamente viable el tratamiento de granos en el propio predio, en reglones que no disponen de energía eléctrica.
Métodos de secado
Los métodos que se emplean para realizar el secado de granos son diversos y se pueden clasificar como sigue:
a. Secado natural
- en el campo
- en asoleaderos
b. Secado artificial
- a bajas temperaturas: con aire natural con aire ligeramente
calentado
- a altas temperaturas: en lecho fijo en flujos cruzados en
flujos concurrentes en flujos contracorriente en cascada (flujos
mixtos)
- en combinación: alta temperatura/baja temperatura
- secado aireación
Los métodos de secado natural no se analizan aquí, pues sus parámetros de secado dependen solamente de las condiciones ambientales. Se les mencionará, en algunos casos, como alternativas.
Se denominan procedimientos de secado a bajas temperaturas, aquellos que usan aire a temperatura ambiente o calentado en 3 a 5°C, como medio de transporte de humedad y energía. En estos procedimientos se emplean bajos flujos específicos de aire (2,0 - 5,0 m3/min.t). Los bajos flujos de aire, junto con las condiciones de éste, hacen que los procedimientos de secado a bajas temperaturas sean típicamente lentos y tarden días o semanas en alcanzar la humedad deseada del producto. En cambio, estos procedimientos son energéticamente eficientes y el producto final es de buena calidad. Se les puede emplear para producciones tanto pequeñas como grandes, y sus puntos limitantes son las condiciones ambientales, la velocidad de cosecha del producto y el posible desarrollo de hongos.
Los procedimientos secado a altas temperaturas se caracterizan por el empleo de aire calentado, por lo menos a 10°C, sobre la temperatura ambiente. Los flujos específicos del aire son mayores que en los casos anteriores y en consecuencia, la velocidad de secado es más alta. Así, el secado de granos a altas temperaturas se emplea en los predios en que hay grandes producciones y la cosecha diaria es de un alto volumen, y en unidades almacenadoras colectaras e intermedias, que reciben los productos húmedos.
Los procedimientos de secado a altas temperaturas exigen un manejo más cuidadoso y con mayor vigilancia, porque el peligro de accidentes, principalmente incendios, es más grande y porque la posibilidad de que se dañe el producta también se acentúa. Aun así, el manejo correcto de los secadores permite que se sequen algunos productos a 400°C, sin alterar su calidad final. Si bien es cierto que no todos los tipos de secadores aceptan esa clase de manejo, el aumento de la temperatura del aire de secado, aunque por un lado exige mayor supervisión, por otro aumenta la eficiencia energética del procedimiento (menor consumo de energía por unidad de masa de agua evaporada). Esta característica de los procedimientos de secado a alta temperatura se debe explorar bien e investigar mejor, especialmente en cuanto a los costos de energía.
Combustibles empleados en el secado de granos
Hasta el advenimiento de la crisis energética mundial, no había ninguna preocupación por el consumo de combustible en el secado de granos; no era necesario que los procedimientos de secado fueran eficientes energéticamente, debido al bajo costo de los derivados del petróleo, los cuales representaban la mayor fuente de energía para estos tratamientos. Las características importantes de un secador de granos eran entonces: bajo costo inicial, mantención fácil y no causar daños al producto final. Esto hizo que los secadores de flujo cruzado alcanzaran gran popularidad en los países desarrollados, especialmente en los Estados Unidos. En los procedimientos de secado a baja temperatura se usaba la energía eléctrica para accionar el ventilador o como fuente suplementaria de calentamiento del aire.
A partir de 1973 se investigaron nuevas fuentes de energía; en la misma forma, se elaboraron sistemas de secado más eficientes. Esta transformación en el campo del secado de granos señala claramente que la aplicación de nuevas técnicas exige, además de la eficiencia técnica, la seguridad de que se trata de un
sistema económicamente viable. Si bien el desarrollo de tecnologías nuevas se puede realizar a "cualquier" costo, no rige lo mismo para sus aplicaciones. Estas últimas sólo serán posibles una vez que se haya determinado el punto de equilibrio entre costos y beneficios.
A partir de 1981 los subproductos del petróleo quedaron prohibidos en el Brasil para el secado de productos agrícolas. Antes de que su uso fuera vedado, los petróleos pesados y el diesel eran los subproductos del petróleo que más se empleaban con tal fin. En otros países se usa hace tiempo el gas natural o el gas licuado de petróleo. La combustión de estos gases es una manera eficiente de obtener energía, pues el perfeccionamiento de quemadores apropiados, permite la combustión casi completa de los gases. Además, el control del flujo de los combustibles se puede realizar fácilmente con ayuda de dispositivos electromecánicos, lo que facilita la automatización del sistema de secado.
La disponibilidad de energía eléctrica suele ser un factor limitante para la adopción de tecnologías de secado, porque los sistemas llevan uno o varios ventiladores impulsados por electricidad. En el Brasil, por ejemplo, la carencia de una red más extensa de distribución eléctrica es la traba más importante que impide la difusión de los sistemas de secado y almacenamiento a nivel de predio. Como ejemplo, se puede citar el caso del Estado de Paraná, uno de los mejores dotados de energía eléctrica, cuyo gobierno fijó como meta la electrificación de 100 000 a 120 000 predios rurales. Esto da una dimensión del problema a nivel nacional. En vista de esto, se está investigando el secado en instalaciones que no emplean esa fuente de energía. Estos dispositivos se denominan secadores con aire movido por convección natural y pueden tener aplicación entre los pequeños agricultores en reglones de frontera agrícola, y en predios que no puedan disponer de energía eléctrica.
El empleo de la electricidad como fuente suplementaria de calor se ve limitado por su elevado costo. Una reducción de dichos costos podría conducir a una mayor utilización de los sistemas de secado a bajas temperaturas con aire ligeramente calentado. Dichos sistemas son totalmente automáticos y exigen poca vigilancia, pues son de fácil manejo.
La a prohibición del uso de subproductos del petróleo como fuente de calentamiento del aire para el secado de productos agrícolas decretada por el gobierno brasileño, condujo al estudio de alternativas en las fuentes de energía. Entre ellas, las más importantes son la leña, los residuos agrícolas y la energía solar.
El uso de leña como fuente de calentamiento de aire para el secado de granos ha sido a la vez solución y problema. Como solución, se "reciescubrieron" hornos que se habían usado hasta hace poco tiempo, cuando se los reemplazó con quemadores de subproductos de petróleo. El problema se presentó en dos formas principales: una de ellas se vincula a la falta de optimización de los hornos. Como consecuencia inmediata, estos "nuevos" hornos presentan un consumo elevado de leña debido a diversas pérdidas. Se han realizado pocos estudios con el objeto de determinar el tamaño y la forma ideales de los distintos tipos de hornos, la cantidad de aire que se necesita para la combustión completa y un mejor aprovechamiento de la energía disipada a través de sus paredes. (Figuras 3 y 4)
La otra cara del problema se refiere a la distribución de los bosques energéticos en el país. Es cierto que el Brasil dispone de leña suficiente para secar los granos que produce, pero las grandes concentraciones de bosques se encuentran en las reglones norte y centro-oeste, y la mayor parte de la producción de granos tiene su origen en la reglón sur del país. De aquí se han derivado situaciones como la de algunas cooperativas en el oeste del Estado de Paraná, donde la leña que consumen sus hornos se adquiere a más de doscientos kilómetros de distancia y el costo de esa leña se traspasa fatalmente al agricultor, mediante el mayor costo del secado.
La utilización de ciertos residuos agrícolas ha sido objeto de mucha controversia en países desarrollados. Algunos sectores abogan por su empleo en el secado de granos, en especial el que se realiza en el propio predio, con miras a una cuasi independencia energética de los predios rurales. Por otra parte, se discuten los efectos negativos que la remoción de esos residuos causaría en los suelos, facilitando su erosión e impidiendo la circulación de nutrientes. Está a la vista aquí la necesidad de estudios que cuantifiquen lo que queda en el campo y lo que sale de él, para que no se compita por deteriorarlo y al mismo tiempo se permita secar productos agrícolas a precios más compatibles. Por ejemplo, se estima que la cantidad de residuos agrícolas (restos de cultivos y del beneficio de granos) es igual en peso a la materia prima noble producida. As{, en el Brasil se producen hay alrededor de 55 millones de toneladas de residuos agrícolas (procedentes de la producción de granos), con un poder calorífico de 12 500 kJ/kg, aproximadamente, lo que representa 113 de la energía equivalente al petróleo que el Brasil importa anualmente. Aun así, estas cifras se deben mirar sólo como un potencial. El balance adecuado entre las diversas posibilidades de uso de los restos de cultivos debe dictar la política correcta para el sector.
Mucho se ha comentado respecto de la utilización de energía solar en el secado de granos. Se han realizado extensos estudios y algunos puntos se han puesto en tela de juicio. Uno de éstos es el elevado costo inicial de los colectores, por lo que esta forma de energía no resulta gratuita, como muchos creen. Se han hecho intentos de desarrollar colectores más baratos, cuyo costo sea competitivo con el uso de otras fuentes de energía, pero todavía no se ha llegado a resultados satisfactorios. El otro aspecto de suma importancia, que limita en el Brasil la utilización de colectores solares para calentar el aire de secado de granos, es la coincidencia del periodo de cosecha de la mayoría de los cultivos con la época de lluvias. Este periodo en que más se necesita el sol es también la época en que éste se encuentra 'menos disponible'. Esta fuente de energía se debe usar con extremo cuidado.
El consumo de energía en un secador no se debe medir solamante en unidades de combustible usadas en el proceso. Es importante que se relacione este consumo con la cantidad correspondiente de agua evaporada, de ah' la necesidad de definir un elemento que sirva de término de comparación entre
diferentes o incuso entre diferentes secadores. Ese término, bien aceptado ya entre la comunidad científica, es el que aquí denominamos eficiencia térmica de secado y se define así: "relación entre la cantidad de energía destinada al secado y la cantidad de agua evaporada durante el proceso".
Para los efectos de calcular este término no se incluye la energía para mover los granos.
El consumo de energía por unidad de agua evaporada varía con diversos parámetros. De ellos, los más importantes son: la variación de la humedad del producto durante el secado (tasa de secado), las condiciones ambientales y el tipo de secador empleado.
La tasa de secado de cierto tipo de granos, a su vez, es función de la temperatura y del flujo de aire de secado, del contenido de humedad inicial y de equilibrio de los granos, de la temperatura y, cuando corresponda, de la velocidad de los granos dentro del secador.
El tipo de secador que se utilice ejerce gran influencia sobre el rendimiento térmico del secado. Cada producto se seca a una tasa diferente y cada uno presenta exigencias más o menos precisas respecto a la calidad. Existe así la necesidad de perfeccionar diferentes secadores por tipo de grano, pues las condiciones de secado (temperatura, flujo de aire,velocidad del paso del producto por el secador, contenido inicial de humedad, etc.) del arroz son distintas de las del maíz, fréjol o poroto soya, es decir que el secado del maíz en un secador apropiado para poroto soya ya indica que el procedimiento no será térmicamente eficiente.
En vista de los aspectos mencionados, queda en claro la necesidad de realizar extensas investigaciones en el campo, sobre el dimensionamiento y ta optimización de los sistemas de secado de productos agricolas. Es preciso, naturalmente, investigar a fondo el comportamiento de los parámetros de secado y su interdependencia, pues de su dimensionamiento correcto dependerá el éxito final de la empresa. Hay además otros factores que no se han mencionado aquí y y que son de extrema necesidad en los estudios de optimización de secadores para granos: la recirculación de aire de secado, el secado intermitente y la aplicación de conceptos de energía en el análisis de la utilización de las fuentes de energía.