Secado de granos: natural, solar y a bajas temperaturas

El secado de granos se puede definir de distintas maneras, seg�n el enfoque que se desee adoptar. En los estudios m�s te�ricos se pone el �nfasis en los mecanismos de transferencia de energ�a y de materia. As�, el secado se puede definir como un proceso en que hay intercambio simult�neo 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 operaci�n unitaria responsable de la reducci�n del contenido de humedad de cierto producto, hasta un nivel que se considera seguro para el almacenamiento de �ste.

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 brasile�as y los granos m�s comunes, abarca una gama entre 10 y 14% de humedad expresada sobre base h�meda.

Se han secado productos agr�colas desde los albores de la civilizaci�n. Al comienzo no hab�a preocupaci�n por el almacenamiento, y la disminuci�n de la humedad se produc�a en el campo mismo. Era un "secado" que se realizaba en las condiciones naturales del ambiente, dictadas principalmente por la energ�a solar incidente y el movimiento del aire, es decir' por el viento. M�s adelante se intent� controlar parcialmente las condiciones del secado, y �ste pas� a realizarse en hornos especiales o en recintos calentados. Reci�n entre la Primera y Segunda Guerras Mundiales se construyeron diversas unidades experimentales de secado. En aquella �poca s�lo funcionaban algunas unidades comerciales, las que se destinaban, fundamentalmente, a la deshidrataci�n de frutas, verduras, heno y al secado de semillas de ma�z.

Despu�s de la Segunda Guerra Mundial se hicieron comunes las grandes unidades de secado de granos comerciales, y en las haciendas se empez� a secar grandes cantidades de ellos (Figura 1).

Este aumento en la demanda de secado fue consecuencia del desarrollo de los m�todos mec�nicos de cosecha. En Am�rica Latina, una parte importante de la producci�n de granos se seca todav�a en forma primitiva, es decir, se seca en el campo drante largos per�odos. El uso de esta t�cnica acarrea elevadas p�rdidas de producci�n, puesto que los granos quedan expuestos, durante lapsos prolongados, a condiciones adversas y a la acci�n de depredadores (Figura 2).

Hay consenso, entre los t�cnicos del sector almacenados de que el secado de granos a bajas temperaturas presenta buenas perspectivas de aplicaci�n en el pa�s, principalmente ante la necesidad de ampliar la capacidad de airnacenamiento de las haciendas, para lo cual esta tecnolog�a reviste especial inter�s econ�mico.

El secado a bajas temperaturas viene atrayendo, adem�s, 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 ingenier�a agr�cola y llene el vacio que significa la dfficultad de encontrar literatura nacional sobre el tema.

Necesidad de secado

Al llegar a la madurez fisiol�gica, los productos agr�colas y en especial los granos, presentan en la mayor�a de los casos, un contenido m�ximo de materia seca. Seria recomendable cosechar los granos en ese punto de desarrollo, desde el punto de vista del rendimiento m�ximo de la producci�n. No obstante, varios factores limitan esa posibilidad, destac�ndose entre ellos el contenido de humedad de los granos.

Al comienzo de la etapa de madurez fisiol�gica, los granos presentan, adem�s del contenido m�ximo de materia seca, un elevado porcentaje de agua. Esta condici�n acarrea algunas dificultades, pues los granos no resisten los procedimientos mec�nicos de recolecci�n y dem�s operaciones de tratamiento. Es preciso esperar, entonces, que la cosecha se realice "tan pronto" como los granos lo soporten. Esta t�cnica ofrece algunas ventajas, como son: un mayor porcentaje de materia seca (como ya se mencion�), menor contaminaci�n del producto en el campo, menor p�rdida por ataque de depredadores, mayor porcentaje de germinaci�n y vigor y otras.

El mayor inconveniente de la cosecha de productos h�medos es la necesidad de reducir su contenido de humedad a niveles seguros para su almacenamiento, siendo un proceso que exige un gran consumo de energ�a. En general el secado artificial de granos es una t�cnica poco difundida en Am�rica Latina. En las regiones en que se la conoce, normalmente est� mal utilizada. En consecuencia, hay elevadas p�rdidas de granos en esos pa�ses.

Tecnicas de secado de granos

Las t�cnicas de secado de granos son ampliamente conocidas y utilizadas en paises desarrollados. Esto quiere decir que luego de adaptarlas a las condiciones de cada pa�s, es posible perfeccionar r�pidamente las t�cnicas que se emplean en esos paises. Por lo menos en principio, esta afirmaci�n es valedera; pero dicho perfeccionamiento se ve dificultado por algunos factores: el nivel de instrucci�n de los productores, los costos de la tecnolog�a de secado importada, el volumen de producci�n y la disponibilidad de energ�a el�ctrica, son los m�s importantes.

Un sistema de secado y almacenamiento exige costos de inversi�n relativamente elevados. La adquisici�n de tal sistema requiere adem�s el adiestramiento t�cnico del operador, para que se pueda aprovechar al m�ximo los beneficios que esa nueva tecnolog�a puede ofrecer, pues las ventajas del sistema dependen del buen manejo. Adem�s de conocer las caracter�sticas del equipo adquirido, el productor debe saber que su capacidad de negociaci�n aumenta en la comercializaci�n. El aprovechamiento correcto de esa capacidad puede llevarlo a maximizar sus utilidades.

Debido a los costos iniciales aludidos, para que el uso de las t�cnicas de secado y almacenamiento sean econ�micamente viables, debe haber un nivel de producci�n m�nimo. Con todo, es un error suponer que esta tecnolog�a es recomendables�lo para grandes producciones. Las variaciones de la t�cnica extienden su utilizaci�n a un abanico bastante amplio de producci�n. Como es natural, a medida que se traten vol�menes mayores, mejor ser� el tratamiento que ellos podr�n recibir, por los refinamientos que se podr�n incorporar a los sistemas.

En los m�todos de secado m�s modernos, los intercambios de aire y masa entre granos y ambiente se producen principalmente por convecci�n de aire forzado. Por tal motivo, los secadores de granos est�n provistos generalmente, de un ventilador, como agente de movimiento del aire. La falta de energ�a el�ctrica para impulsar estos ventiladores es una de las mayores trabas que impide la popularizaci�n del sistema de secado y almacenamiento a nivel de predio. Ciertos paises est�n enfocando sus esfuerzos, con el apoyo financiero del gobierno, en el desarrollo de m�todos que hagan t�cnica y econ�micamente viable el tratamiento de granos en el propio predio, en reglones que no disponen de energ�a el�ctrica.

M�todos de secado

Los m�todos 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 combinaci�n: alta temperatura/baja temperatura
- secado aireaci�n

Los m�todos de secado natural no se analizan aqu�, pues sus par�metros de secado dependen solamente de las condiciones ambientales. Se les mencionar�, 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 energ�a. En estos procedimientos se emplean bajos flujos espec�ficos de aire (2,0 - 5,0 m3/min.t). Los bajos flujos de aire, junto con las condiciones de �ste, hacen que los procedimientos de secado a bajas temperaturas sean t�picamente lentos y tarden d�as o semanas en alcanzar la humedad deseada del producto. En cambio, estos procedimientos son energ�ticamente eficientes y el producto final es de buena calidad. Se les puede emplear para producciones tanto peque�as 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 espec�ficos del aire son mayores que en los casos anteriores y en consecuencia, la velocidad de secado es m�s alta. As�, 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 h�medos.

Los procedimientos de secado a altas temperaturas exigen un manejo m�s cuidadoso y con mayor vigilancia, porque el peligro de accidentes, principalmente incendios, es m�s grande y porque la posibilidad de que se da�e el producta tambi�n se acent�a. Aun as�, 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 supervisi�n, por otro aumenta la eficiencia energ�tica del procedimiento (menor consumo de energ�a por unidad de masa de agua evaporada). Esta caracter�stica de los procedimientos de secado a alta temperatura se debe explorar bien e investigar mejor, especialmente en cuanto a los costos de energ�a.

Combustibles empleados en el secado de granos

Hasta el advenimiento de la crisis energ�tica mundial, no hab�a ninguna preocupaci�n por el consumo de combustible en el secado de granos; no era necesario que los procedimientos de secado fueran eficientes energ�ticamente, debido al bajo costo de los derivados del petr�leo, los cuales representaban la mayor fuente de energ�a para estos tratamientos. Las caracter�sticas importantes de un secador de granos eran entonces: bajo costo inicial, mantenci�n f�cil y no causar da�os al producto final. Esto hizo que los secadores de flujo cruzado alcanzaran gran popularidad en los pa�ses desarrollados, especialmente en los Estados Unidos. En los procedimientos de secado a baja temperatura se usaba la energ�a el�ctrica para accionar el ventilador o como fuente suplementaria de calentamiento del aire.

A partir de 1973 se investigaron nuevas fuentes de energ�a; en la misma forma, se elaboraron sistemas de secado m�s eficientes. Esta transformaci�n en el campo del secado de granos se�ala claramente que la aplicaci�n de nuevas t�cnicas exige, adem�s de la eficiencia t�cnica, la seguridad de que se trata de un

sistema econ�micamente viable. Si bien el desarrollo de tecnolog�as nuevas se puede realizar a "cualquier" costo, no rige lo mismo para sus aplicaciones. Estas �ltimas s�lo ser�n posibles una vez que se haya determinado el punto de equilibrio entre costos y beneficios.

A partir de 1981 los subproductos del petr�leo quedaron prohibidos en el Brasil para el secado de productos agr�colas. Antes de que su uso fuera vedado, los petr�leos pesados y el diesel eran los subproductos del petr�leo que m�s se empleaban con tal fin. En otros pa�ses se usa hace tiempo el gas natural o el gas licuado de petr�leo. La combusti�n de estos gases es una manera eficiente de obtener energ�a, pues el perfeccionamiento de quemadores apropiados, permite la combusti�n casi completa de los gases. Adem�s, el control del flujo de los combustibles se puede realizar f�cilmente con ayuda de dispositivos electromec�nicos, lo que facilita la automatizaci�n del sistema de secado.

La disponibilidad de energ�a el�ctrica suele ser un factor limitante para la adopci�n de tecnolog�as de secado, porque los sistemas llevan uno o varios ventiladores impulsados por electricidad. En el Brasil, por ejemplo, la carencia de una red m�s extensa de distribuci�n el�ctrica es la traba m�s importante que impide la difusi�n de los sistemas de secado y almacenamiento a nivel de predio. Como ejemplo, se puede citar el caso del Estado de Paran�, uno de los mejores dotados de energ�a el�ctrica, cuyo gobierno fij� como meta la electrificaci�n de 100 000 a 120 000 predios rurales. Esto da una dimensi�n del problema a nivel nacional. En vista de esto, se est� investigando el secado en instalaciones que no emplean esa fuente de energ�a. Estos dispositivos se denominan secadores con aire movido por convecci�n natural y pueden tener aplicaci�n entre los peque�os agricultores en reglones de frontera agr�cola, y en predios que no puedan disponer de energ�a el�ctrica.

El empleo de la electricidad como fuente suplementaria de calor se ve limitado por su elevado costo. Una reducci�n de dichos costos podr�a conducir a una mayor utilizaci�n de los sistemas de secado a bajas temperaturas con aire ligeramente calentado. Dichos sistemas son totalmente autom�ticos y exigen poca vigilancia, pues son de f�cil manejo.

La a prohibici�n del uso de subproductos del petr�leo como fuente de calentamiento del aire para el secado de productos agr�colas decretada por el gobierno brasile�o, condujo al estudio de alternativas en las fuentes de energ�a. Entre ellas, las m�s importantes son la le�a, los residuos agr�colas y la energ�a solar.

El uso de le�a como fuente de calentamiento de aire para el secado de granos ha sido a la vez soluci�n y problema. Como soluci�n, se "reciescubrieron" hornos que se hab�an usado hasta hace poco tiempo, cuando se los reemplaz� con quemadores de subproductos de petr�leo. El problema se present� en dos formas principales: una de ellas se vincula a la falta de optimizaci�n de los hornos. Como consecuencia inmediata, estos "nuevos" hornos presentan un consumo elevado de le�a debido a diversas p�rdidas. Se han realizado pocos estudios con el objeto de determinar el tama�o y la forma ideales de los distintos tipos de hornos, la cantidad de aire que se necesita para la combusti�n completa y un mejor aprovechamiento de la energ�a disipada a trav�s de sus paredes. (Figuras 3 y 4)

La otra cara del problema se refiere a la distribuci�n de los bosques energ�ticos en el pa�s. Es cierto que el Brasil dispone de le�a 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 producci�n de granos tiene su origen en la regl�n sur del pa�s. De aqu� se han derivado situaciones como la de algunas cooperativas en el oeste del Estado de Paran�, donde la le�a que consumen sus hornos se adquiere a m�s de doscientos kil�metros de distancia y el costo de esa le�a se traspasa fatalmente al agricultor, mediante el mayor costo del secado.

La utilizaci�n de ciertos residuos agr�colas ha sido objeto de mucha controversia en pa�ses 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 energ�tica de los predios rurales. Por otra parte, se discuten los efectos negativos que la remoci�n de esos residuos causar�a en los suelos, facilitando su erosi�n e impidiendo la circulaci�n de nutrientes. Est� a la vista aqu� la necesidad de estudios que cuantifiquen lo que queda en el campo y lo que sale de �l, para que no se compita por deteriorarlo y al mismo tiempo se permita secar productos agr�colas a precios m�s compatibles. Por ejemplo, se estima que la cantidad de residuos agr�colas (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 agr�colas (procedentes de la producci�n de granos), con un poder calor�fico de 12 500 kJ/kg, aproximadamente, lo que representa 113 de la energ�a equivalente al petr�leo que el Brasil importa anualmente. Aun as�, estas cifras se deben mirar s�lo como un potencial. El balance adecuado entre las diversas posibilidades de uso de los restos de cultivos debe dictar la pol�tica correcta para el sector.

Mucho se ha comentado respecto de la utilizaci�n de energ�a solar en el secado de granos. Se han realizado extensos estudios y algunos puntos se han puesto en tela de juicio. Uno de �stos es el elevado costo inicial de los colectores, por lo que esta forma de energ�a no resulta gratuita, como muchos creen. Se han hecho intentos de desarrollar colectores m�s baratos, cuyo costo sea competitivo con el uso de otras fuentes de energ�a, pero todav�a no se ha llegado a resultados satisfactorios. El otro aspecto de suma importancia, que limita en el Brasil la utilizaci�n de colectores solares para calentar el aire de secado de granos, es la coincidencia del periodo de cosecha de la mayor�a de los cultivos con la �poca de lluvias. Este periodo en que m�s se necesita el sol es tambi�n la �poca en que �ste se encuentra 'menos disponible'. Esta fuente de energ�a se debe usar con extremo cuidado.

Eficiencia termica del secado

El consumo de energ�a 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 t�rmino de comparaci�n entre

diferentes o incuso entre diferentes secadores. Ese t�rmino, bien aceptado ya entre la comunidad cient�fica, es el que aqu� denominamos eficiencia t�rmica de secado y se define as�: "relaci�n entre la cantidad de energ�a destinada al secado y la cantidad de agua evaporada durante el proceso".

Para los efectos de calcular este t�rmino no se incluye la energ�a para mover los granos.

El consumo de energ�a por unidad de agua evaporada var�a con diversos par�metros. De ellos, los m�s importantes son: la variaci�n 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 funci�n 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 t�rmico del secado. Cada producto se seca a una tasa diferente y cada uno presenta exigencias m�s o menos precisas respecto a la calidad. Existe as� 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 ma�z, fr�jol o poroto soya, es decir que el secado del ma�z en un secador apropiado para poroto soya ya indica que el procedimiento no ser� t�rmicamente eficiente.

En vista de los aspectos mencionados, queda en claro la necesidad de realizar extensas investigaciones en el campo, sobre el dimensionamiento y ta optimizaci�n de los sistemas de secado de productos agricolas. Es preciso, naturalmente, investigar a fondo el comportamiento de los par�metros de secado y su interdependencia, pues de su dimensionamiento correcto depender� el �xito final de la empresa. Hay adem�s otros factores que no se han mencionado aqu� y y que son de extrema necesidad en los estudios de optimizaci�n de secadores para granos: la recirculaci�n de aire de secado, el secado intermitente y la aplicaci�n de conceptos de energ�a en el an�lisis de la utilizaci�n de las fuentes de energ�a.

Indice - Precedente - Siguiente