SECADO DE CAF PERGAMINO EN SECADORES SOLARES MULTIPROPSITO Y DE TAMBOR ROTATORIO

Jorge Luis Abdala Rodrguez, Susana Fonseca Fonseca, Joel Pantoja Enrquez, Alonso Gen Torres
Centro de Investigaciones de Energa Solar

Se presentan resultados experimentales de ensayos de secado de caf pergamino en dos tipos de secadores solares: multipropsito y de tambor rotatorio. Se realiza el estudio de la cintica del secado para diferentes niveles de carga y desde una humedad inicial de un 50 % hasta una humedad final de un 12 %, as como las pruebas de calidad para las muestras secadas cuyos resultados estn en correspondencia con las cualidades del caf comercializable. Palabras clave: secado, caf pergamino,secadores solares.
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They are presented experimental trial results of drying of parchment coffee in two types of solar dryers: a solar dryer of various use or multipropsito and of rotary drum. It is accomplished the study of the kinetic of the drying for different load levels and from an initial dampness of 50 % until a final dampness of 12 %, as well as the tests of quality for the dried samples whose results are in correspondence with the qualities of the coffee able for the market. Key words: drying, parchment coffee, solar dryers.

Introduccin
El uso de secadores solares para el secado de caf pergamino responde a una tendencia en el desarrollo de tecnologas, que permitan proteger al grano de las condiciones climatolgicas adversas, obtener un grano seco de calidad y lograr el secado en das con radiacin solar difusa. La experiencia y estimados preliminares indican que el secado tiene una importancia decisiva en la obtencin de un grano comercializable de alta calidad. Al secar el grano adecuadamente, se hace fcilmente conservable, al mismo tiempo que se garantiza su buen gusto y aroma. El secado, adems de ser una de las operaciones ms costosas del proceso de beneficio del caf, enfrenta en la prctica productiva de nuestras empresas cafetaleras otra serie de diferentes problemas que gravitan sobre la calidad del grano y el costo de produccin. Entre estas dificultades son frecuentes: Las afectaciones al grano que pueden surgir en el secado en plazoletas por lluvias o excesivo roco nocturno. Para evitar estos problemas se requiere un trabajo manual adicional de recogida y proteccin del grano, que implica un aumento del uso de mano de obra.

La posible contaminacin del caf en los secadores "Guardiola", falta de homogeneidad en el secado y otras. Por aadidura, el secado convencional en este ltimo tipo de instalaciones es fuente de emanaciones de CO2 a la atmsfera en las regiones prximas a las empresas de beneficio. Estos mismos problemas han sido reportados en la literatura tcnica /3/ para otros pases, y justifican todo un movimiento dirigido a la bsqueda de nuevas alternativas de secado para el caf, entre las cuales cobran particular fuerza e inters las opciones solares. As, por ejemplo, pases como Mxico (4to productor del aromtico a nivel mundial) recomiendan que al menos, en una primera etapa el secado se efecte en instalaciones solares, ya que de esta forma se conservan mejor las propiedades del caf /4/; mientras que otras experiencias realizadas en Brasil /2/ demuestran que el secado del caf en instalaciones donde se hace circular aire calentado por bateras de colectores solares reducen el costo de secado en ms de un 6 % con respecto al secado convencional, y reportan un perodo de recuperacin de la inversin menor que cuatro aos.

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Desarrollo
Materiales y mtodos
En el CIES se han proyectado dos tipos de secadores solares que pueden utilizarse para este fin: el secador solar multipropsito y de tambor rotatorio . El secador solar multipropsito (Figura 1) est constituido por una estructura de perfiles metlicos en forma de paraleppedo. Posee doble cubierta de vidrio transparente en la parte superior y laterales flanco Este y Oeste. Los vidrios se fijan con juntas y separadores que garantizan la impermeabilizacin. El secador se ubica con su dimensin mayor (largo) en la direccin Norte-Sur. Para el acceso a la cmara de secado el secador tiene en su interior un tnel metlico ennegrecido con pintura negro mate, el cual capta la radiacin solar incidente y la transfiere al aire del interior de la cmara de secado. Dentro del equipo existen zarandas de ma-

lla metlica sobre las que se coloca la carga. Dentro del secador se efecta el movimiento del aire forzado por tres ventiladores de tiro axial, situados en el espacio comprendido entre la cubierta superior de vidrio y el techo del tnel metlico. Estos ventiladores garantizan el flujo de aire en la direccin transversal, necesario para lograr el secado uniforme del grano. El equipo dispone de pequeas ventanas para la salida del aire hmedo y reposicin de aire fresco del medio en los laterales Norte y Sur. El secador solar de tambor rotatorio (Figura 2) est constituido por una estructura metlica en forma de paraleleppedo, a partir de perfiles angulares soldados entre s. Posee doble cubierta de vidrio transparente (con juntas y separadores de goma) colocadas en la parte superior a dos aguas y en los laterales flanco Este y Oeste. Est orientado en la direccin Norte?Sur, cerrado en ambos extremos con puertas metlicas aisladas trmicamente.

Fig. 1 Secador solar multipropsito.

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Fig. 2 Secador solar de tambor rotatorio.

El tambor colocado en el interior de la cmara de secado est formado por un doble cilindro metlico de chapa de acero perforada, y es el encargado de captar la radiacin solar incidente que atraviesa la doble cubierta de vidrio. En el espacio anular entre los dos cilindros se coloca el producto por secar. Los extremos se han cerrado mediante soldadura de chapa de acero, lo que permite la rotacin de los dos cilindros unidos entre s como un solo cuerpo. El tambor gira a una velocidad de 6 r/min a travs de un mecanismo de motor reductor y transmisin por friccin. El tambor se desplaza sobre rieles en el sentido longitudinal hacia adentro o fuera de la cmara de secado para las operaciones de carga, descarga o mantenimiento. Se dispone de un ventilador auxiliar axial de 120 W que realiza el tiro forzado del aire desde la cmara hacia el interior del espacio anular (lugar donde se colocan los granos de caf para secar) con el propsito de mantener la uniformidad de las propiedades termofsicas del aire en la cmara. El principio de funcionamiento de los secadores solares utilizados se basa en el efecto invernadero. De todo el espectro de la radiacin solar incidente, una parte atraviesa la doble cubierta de vidrio, de ella una fraccin es absorbida por las superficies metlicas absorbedoras, las cuales emiten radiacin infrarroja que no puede atrave-

sar el vidrio, y ste a su vez emite hacia las superficies absorbedoras crendose una trampa trmica. La radiacin absorbida por la chapa metlica se transfiere en forma de calor al aire de la cmara de secado, incrementndose la temperatura del fluido a lo largo del da solar. Para los equipos solares referidos anteriormente se prepar un experimento que consta de una variable independiente (carga unitaria en el secador) a dos niveles (alto y bajo), las variables dependientes sern el tiempo de secado y la humedad final del producto. La carga unitaria se define como la relacin entre la carga hmeda por secar M y el rea de captacin solar Ac del secador, es decir: Me = M / Ac (1)

Seleccin de los niveles Se seleccionaron dos niveles (mnimo y mximo) de la carga unitaria por colocar en el secador, determinados por la cantidad de caf mnima que segn clculos tericos el secador es capaz de secar con la calidad requerida (nivel bajo), y por la capacidad mxima de los prototipos evaluados respectivamente (nivel alto). Esto se resume en la siguiente tabla:

Niveles de densidad de carga kg/m2

Denominacin Secador solar de tambor rotatorio Secador solar multipropsito Bajo 5,65 12,12

Alto
14,20 14,54

Para realizar el experimento se cargaron los equipos con caf pergamino hmedo procedente de la etapa de lavado del proceso de beneficio (humedad inicial 50-55 %). En todos los casos se utilizaron cerezas frescas procedentes de zonas bajas (El Cujabo). En el secador solar de tambor rotatorio, la carga fue uniformemente distribuida en los cuatro compartimentos o espacios anulares del tam-

bor, el cual se mantuvo rotando durante todo el perodo de secado. La carga del secador solar multipropsito se coloc en las zarandas de malla metlica con un espesor de 2 cm. Durante el secado del grano se midi la irradiancia solar con un piranmetro en posicin horizontal, calibrado por uno patrn de primera clase marca MS-42.

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La determinacin del contenido de humedad del grano durante el proceso de secado se realiz en todos los casos por mtodo gravimtrico, basado en la diferencia de peso debido a la prdida de humedad evaporada. Para ello, cada 4 h se hizo extraccin de muestras de 5 g (segn recomendacin de la norma cubana NC 87-06-77); cada muestra con tres rplicas. Las muestras fueron pesadas en balanza analtica SARTORIUS con precisin de 0,000 1 mg, y secadas a una temperatura de 70 C en una estufa alemana MYTRON hasta obtenerse el peso seco. La prdida relativa de masa debido a la evaporacin de humedad permite conocer la humedad de la muestra a travs de la siguiente expresin: W2 = (Mo - M1 )/Mo * 100, % (2)

secado (para el nivel alto de carga) al Combinado Industrial "Rolando Ayub", institucin acreditada para realizar estas pruebas.

Resultados y discusin
Las figuras 3 y 4 ilustran los perfiles de temperaturas de bulbo seco y bulbo hmedo en el interior de los secadores. Estas curvas siguen una tendencia proporcional a la irradiancia solar, aunque pequeas fluctuaciones de esta variable no afectan de forma inmediata el estado trmico de los secadores por la gran inercia trmica de estos equipos, todo lo cual favorece al proceso de secado. Como se observa, la diferencia de temperatura de bulbo seco y bulbo hmedo (Tbs-Tbh) conserva un mximo valor desde las 10:00 a.m. hasta las 3:00 p.m. (mayor potencial de secado), siendo ligeramente superior este potencial en el secador solar de tambor rotatorio. Tambin puede notarse que el potencial de secado se mantiene algn tiempo despus de la puesta del sol, debido a la referida inercia trmica del equipo que permite que no se enfre inmediatamente que ocurre la puesta del sol, con lo que se consigue un perodo de secado por un tiempo mayor.

donde: Mo , M1 : peso inicial y final de la muestra respectivamente, g. El experimento consider recomendaciones dadas para el secado de caf en el sentido de no tener temperaturas superiores a los 50 o C, y garantizar la humedad final del orden de 12-14 %. Adems, fueron enviadas muestras del producto

60 50 40
oC

30 20 Temp. de bulbo seco Temp. de bulbo humedo 10 0 7 8 9 10 11 12 Hora local 13 14 15 16 17

Fig. 3 Temperaturas del aire dentro del secador de tambor rotatorio.

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60 50 40 C
o

30 20 Temp. de bulbo seco Temp. de bulbo humedo 10 0 7 8 9 10 11 12 Hora local 13 14 15 16 17

Fig. 4 Temperaturas del aire dentro del secador solar multipropsito.

Secador solar de tambor rotatorio

En este secador con una carga de 5,65 kg/m2 el secado para llevar el caf de una humedad del 104,08 % (bs) al 14,94 % (bs) se realiz en 30 h

(figura 5); en cambio a una carga mayor con un valor de 14,2 kg/m2 , el secado para llevar el caf de 104,08 % (bs) al 15,34 % (bs) se realiz en 50 h (figura 6), es decir, al crecer la carga en 2,5 veces el tiempo de secado aument 1,6 veces, o sea, la mayor

140 120 100 80 60 40 20 0 0 5 10 15 20 25 30 35

Humedad (%)

Tiempo (h)
Fig. 5 Curva de secado para el secador de tambor rotatorio (Me = 5,65 kg/m2).

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productividad del secador de tambor en el tiempo se logra utilizando el nivel alto de carga unitaria, ya que para secar 14,2 kg/m2 se requieren 5 d. Para

secar esta misma carga se necesitaran 9 d si se utilizara el nivel bajo de carga, siendo los parmetros de calidad satisfactorios en ambos casos.

120 100 80 60 40 20 0 0 10 20 30 Tiempo (h) 40 50 60

Humedad (%)

Fig. 6 Curva de secado para el secador de tambor rotatorio (Me = 14,2 kg/m2).

El nivel de carga unitaria alto (14 kg/m2 ) es aproximadamente el 50 % de lo normado para el secado de caf en plazoletas de hormign, y es factible realizar el secado durante 5 d continuos. Lo anterior quiere decir que para secar la misma cantidad de caf que se seca en las plazoletas en 7 d claros, se requieren 10 d en el secador solar de tambor, con la ventaja de que este equipo protege al grano de la lluvia, roco, animales y no hay que remover el producto durante el perodo de secado. Las curvas de velocidad de secado vs humedad (figuras 7 y 8) presentan un comportamiento similar en ambos casos, siendo mayor el perodo de calentamiento en el caso de mayor carga unitaria, como es natural. Pongamos por ejemplo, la curva de velocidad

de secado vs humedad con la carga de 5,65 kg/m2 (figura 7). Si se analiza dicha curva, se puede describir su comportamiento ajustndolo a cuatro zonas definidas por el comportamiento de las pendientes a la curva en las diferentes etapas. En la zona de calentamiento del material, la humedad vara muy lentamente, y la curva presenta una pendiente mayor, luego se presenta un perodo de velocidad de secado constante, al finalizar el cual puede encontrarse el primer punto crtico a una humedad de 75 % (bs). Luego est el perodo de velocidad de secado descendente en el que pueden distinguirse dos zonas de pendientes diferentes. Entre estas dos ltimas zonas puede ubicarse un segundo punto crtico a una humedad de 27 % (bs) aproximadamente.

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12

2)

10 8

Velocidad de secado (Kg/hr m

6 4

2 0 0 20 40 60 Humedad (%) 80 100 120

Fig. 7 Curva de velocidad de secado vs humedad para el secador de tambor rotatorio (Me = 5,65 kg/m2).

5 4,5
2)

Velocidad de secado (Kg/hr m

4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 0 20 40 60 Humedad (%) 80 100 120

Fig. 8 Curva de velocidad de secado vs humedad para el secador de tambor rotatorio (Me = 14,2 kg/m2).

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Secador solar multipropsito

Las curvas de secado y velocidad de secado en el secador solar multipropsito presentan un comportamiento similar a los descritos anteriormente. Las curvas de secado de caf muestran que en este equipo el secado de 12,12 kg/m2 de caf de una humedad de 104,08 % (bs) a 14,29 % (bs) se realiza en 30 h (figura 9), que representan 3 d efectivos de secado, en tanto que a mayor carga, 14,54 kg/m2 , el secado de una humedad de 104 % (bs) a 15,61 % (bs) se realiza en 50 h (figura 10), que representan 5 d efectivos de secado. El comportamiento de las curvas de velocidad de secado vs humedad (figuras 11 y 12) en estos secadores es similar al comportamiento en el secador solar de tambor rotatorio, diferencindose slo en la ubicacin del primer punto crtico a una humedad de 63 % (bs) para la carga de 12,12 kg/m2 y 83 % (bs) con la carga de 14,54 kg/m2 . En las experiencias realizadas con ambas cargas, el segundo punto crtico puede ubicarse, a un valor de humedad de 17 % (bs) aproximadamente con la menor carga y 26 % aproximadamente con la carga mayor.

Analizando el comportamiento del secador solar multipropsito con las diferentes cargas experimentadas, se puede determinar que la mayor productividad del secador en el tiempo se logra con el nivel bajo de carga, ya que seca 12,12 kg/m2 en 3 d, en tanto que los 14,5 kg/m2 los seca en 5 d, es decir, en 24 d de secado, con carga de 12,12 kg/m2 se pueden secar aproximadamente 96,96 kg/m2 de humedades de 104,08 % (bs) a 14,29 %(bs), en tanto que con carga de 14,5 kg/m2 solamente es posible secar 72,7 kg/m2 , por lo que resulta ms conveniente trabajar el equipo con carga de 12,12 kg/m2 . Si se analiza el funcionamiento de ambos secadores solares comparativamente se obtienen los siguientes resultados: para secar 100 kg/m2 de humedades del 51 al 13 % (bh), el secador solar de tambor rotatorio trabajando con carga de 14,2 kg/m2 requiere 35 d, en tanto el secador solar multipropsito trabajando con carga de 12,12 kg/m2 lo hace en aproximadamente 25 d, es decir, con este secador se logra mayor productividad que con el secador solar de tambor rotatorio.

120

100

Humedad (%)

80

60

40

20

0 0 5 10 15 20 25 30 35 Tiempo (h)

Fig. 9 Curva de secado para el secador multipropsito (Me = 12,12 kg/m2)

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120 100 80 60 40 20 0 0 10 20 30 Tiempo (h) 40 50 60

Humedad (%)

Fig. 10 Curva de secado para el secador multipropsito (Me = 14,54 kg/m2)

12

Velocidad de secado (Kg/hr m )

10 8 6 4 2 0 0 50 100 150

Humedad (%)

Fig. 11 Curva de velocidad de secado vs humedad para el secador multipropsito (Me= 12,12 kg/m2)

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Velocidad de secado (Kg/ hr m )

8 7 6 5 4 3 2 1 0 0 20 40 60 80 100 120

Humedad (%)

Fig. 12 Curva de velocidad de secado vs humedad para el secador multipropsito (Me= 14,5 kg/m2)

Pruebas de calidad
Los ndices de calidad determinados experimentalmente se muestran en correspondencia con las cualidades normadas que debe poseer el caf pergamino cultivado en zonas bajas. El tamao del grano en los diferentes casos muestra un comportamiento similar, estando el mayor % de granos entre las cribas N o 17 a 15. Ellos representan el 74 % en el caf secado en el secador solar de tambor rotatorio y el 75 % en el caf secado en el secador solar multipropsito. Se puede deducir por tanto que la utilizacin de los equipos solares no ha

producido ningn efecto negativo en la calidad del grano seco.

Conclusiones
1. El secado solar del caf es factible, desde el punto de vista tcnico, en cualquiera de las variantes tecnolgicas ensayadas. 2. En el secador solar multipropsito es posible secar 12,12 kg/m2 en 3 d efectivos de sol, equivalentes a 4,04 kg/m2 .da, y en el secador solar de tambor rotatorio 14 kg/m2 en 5 d efectivos, equivalentes a 2,9 kg/m2 .d. En ambos casos la calidad del producto es satisfactoria.

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Bibliografa
1. Fonseca F., S., Anlisis de alternativas de utilizacin de secadores solares en el proceso de beneficio de caf, Tesis de Maestra en Ingeniera de Procesos, Universidad de Oriente, 1998. 2. Roa, G., Secado de productos agropecuarios por energa solar, Informe interno grupo de energa solar de la Universidad de Campinas, Brasil,1990. 3. Twidell, J. W. et al ., The strathelyde solar crop drier, Air heater, Photovoltaic fan and dessicant, Procceedings, ISES Solar World Congress, Budapest, 1993. 4. Tamez Reina, G., Secado de caf con energa solar, Centro de investigacin en energticos y desarrollo, Mxico, 1992.

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