4. Secado de granos a bajas temperaturas

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Principios de secado a bajas temperaturas
Flujos de aire minimos para secado a bajas temperaturas
Ventiladores
Dimensionamiento de los silos para el secado a bajas temperaturas
Calentamiento del aire

Se define como secado de granos a bajas temperaturas el método artificial de secado en que se ocupa aire natural o aire ligeramente calentado (1 a 5°C por encima de la temperatura ambiente). En general, este proceso se realiza en silos secadores almacenadores y, luego del secado, el producto queda almacenado en el mismo lugar.

Para que un silo se preste para el secado a bajas temperaturas, debe presentar ciertas características especiales que no se exigen a los silos que sirven sólo para almacenar. La primera de estas características se refiere al piso, el cual debe ser hecho totalmente de metal, con un 10%, por lo menos, de su superficie perforada, para promover la distribución uniforme del aire, factor importante en la seguridad del proceso. El ventilador debe proporcionar una cantidad de aire suficiente para efectuar el secado de toda la masa de granos sin que haya deterioro. Las dimensiones del silo (diámetro y altura) condicionan la potencia del ventilador que se necesita para realizar el secado.

El secado a bajas temperaturas es un procedimiento lento; puede tardar una semana o, en determinados casos, hasta un mes. Tal lentitud se debe a la pequeña cantidad de aire que se utiliza por unidad de masa de granos por secar y a la dependencia del sistema respecto de la capacidad del aire para evaporar agua, muy inferior a la de los sistemas que emplean temperaturas elevadas. La capacidad del aire para evaporar la humedad del producto, denominada también potencial de secado, determina el contenido final de humedad que alcanzarán los granos al término del proceso. Una región en que haya baja humedad relativa media tendrá mayor potencial de secado que las reglones de alta humedad relativa media, y determinará, por tanto, un menor contenido de humedad final.

Los ventiladores producen calentamiento del aire, normalmente en un rango de 1 a 2°C y reducen la humedad relativa. Se han usado también combustibles, resistencias eléctricas o colectores solares para complementar la energía. No obstante, el uso de una fuente suplementaria de energía debe estar condicionado al potencial de secado de la reglón y al contenido de humedad final que se persigue. En la mayoría de los casos, el potencial de secado del aire natural y el calentamiento que provoca el ventilador son suficientes para obtener el contenido de humedad final recomendado para un almacenamiento seguro. El uso indebido de la fuente suplementaria de energía puede provocar problemas de secado excesivo, especialmente en las capas inferiores. Cabe recordar que el secado excesivo causa perjuicio al usuario, quien venderá un grano de menor peso al no tener el contenido máximo de agua permitido y además habrá gastado más energía en el secado excesivo.

Un sistema de secado a bajas temperaturas, si está debidamente proyectado y manejado, es un método de secado económico y técnicamente eficiente. Cuando se trata de unidades menores, por ejemplo para almacenamiento en el campo, el sistema resulta interesante por la inversión inicial, inferior a la que necesitan los sistemas que emplean temperaturas elevadas. Hay un limite a partir del cual los costos de los sistemas de bajas temperaturas pasan a ser superiores a los de los sistemas de altas temperaturas, porque a mayor cantidad de granos, mayor tendrá que ser el número de silos para realizar el secado. Estudios comparativos de los costos del secado con ambos sistemas, en los Estados Unidos, indican que, si se trata de unidades hasta de 530 toneladas, los costos de los sistemas de secado de bajas temperaturas son menores (CHANG et al., 1979).

Algunos grandes productores de granos para semillas han optado por el secado a bajas temperaturas, debido a la calidad final del producto, la cual es mejor que la que se obtiene con los secadores que emplean aire a temperaturas elevadas, porque la pérdida de humedad es lenta y el producto no sufre choques térmicos; con esto se reduce la presencia de tensiones internas en los granos, las que podrían perjudicar su calidad. Además, en los sistemas de bajas temperaturas el producto sufre menos movimiento, lo que reduce los daños mecánicos.

Una de las grandes limitaciones del secado a bajas temperaturas se refiere al contenido de humedad inicial. Sabemos que, cuanto mayor es el contenido de humedad de un producto, más acelerado es su deterioro, mientras no se reduzca la humedad hasta un nivel seguro para el almacenamiento. Esto significa que la necesidad de aire para el secado aumenta, por el mayor riesgo de deterioro y por el hecho de que el producto contiene más humedad que hay que eliminar. Por tanto, para secar un producto con mayor contenido de humedad se necesita un ventilador con motor más potente. Otro factor que hay que considerar es la temperatura media del aire, pues el proceso de deterioro también se acelera con el aumento de la temperatura. En el Brasil se recomienda el uso de secado a bajas temperaturas para contenidos de humedad inferiores al 22%, ya que si se trata de contenidos superiores a éste, la necesidad de aire y, en consecuencia, la potencia de los ventiladores, serian tales que el sistema dejaria de tener viabilidad económica. En paises de clima templado ese limite es más flexible y puede llegar hasta el 28%.

Principios de secado a bajas temperaturas

Contenido de humedad de equilibrio

El secado a bajas temperaturas se parece al secado en el campo. El producto puede perder humedad hasta que se alcance el equilibrio entre la humedad del aire y la del grano. Como ese tipo de secado es lento, al término del proceso casi la totalidad de la masa de granos va a estar en equilibrio térmico e higroscópico con las condiciones psicrométricas medias del aire de la región.

La diferencia entre los dos tipos de secado está en el tipo de movimiento del aire: en el secado a balas temperaturas el aire pasa a través de la masa de granos por acción de un ventilador, en tanto que el secado en el campo se produce por el movimiento natural del aire (viento).

El potencial de secado de una reglón determina el contenido de humedad final que alcanzará la masa de granos, porque hay un contenido de humedad de equilibrio del producto, respecto de cada combinación de temperatura y humedad relativa.

El contenido de humedad de equilibrio varía de un producto a otro. En los cuadros 3, 4, 5, 6, 7 y 8 se presentan los valores de humedad de equilibrio del maíz, soya, trigo, arroz, sorgo y fréjol respectivamente, valores que se calcularon mediante la ecuación de CHUNG-PFOST (ASAE, 1980).

En el secado a bajas temperaturas, la temperatura y la humedad relativa varian durante el proceso. Los valores medios de las temperaturas y humedades relativas, durante el periodo de secado, determinan el contenido de humedad final.

En las tablas presentadas se observa la influencia de la temperatura. Se ve que, con la misma humedad relativa, a medida que aumenta la temperatura disminuye el contengo de humedad de equilibrio. Con la humedad relativa ocurre lo contrario, es decir, que al aumentar la humedad relativa aumenta también el contenido de humedad de equilibrio.

El uso de una fuente suplementaria de energía eleva la temperatura de secado y reduce la humedad relativa del aire. Para estimar el contenido de humedad final, en este caso, se emplean las tablas presentadas y el gráfico psicrométrico (Figura 18). En el Ejemplo 4 se ve el modo de determinar el calentamiento necesario del aire para obtener el contengo de humedad final perseguido.

Cuadro 3 Contenido de humedad de equilibrio del maíz (%)

Cuadro 4 Contenido de humedad de equilibrio de la soya (%)

Cuadro 5 Contenido de humedad de equilibrio del trigo (%)

Cuadro 6 Contenido de humedad de equilibrio del arroz (%)

Cuadro 7 Contenido de humedad de equilibrio del sorgo (%)

Cuadro 8 Contenido de humedad de equilibrio del fréjol (%)

Figura 18 grafico psicrometrico temperaturas normales presion atmosferica 101,325 kpa

EJEMPLO 4. Determinar el calentamiento del aire para secar maíz, si las condiciones medias de la reglón son 20°C y 80% de temperatura y humedad relativa, respectivamente, y el contenido de humedad final que se persigue es de 13%. El ventilador calienta el aire en 1°C.

SOLUCION. Si la temperatura es de 20°C y la humedad relativa es 80%, el Cuadro 3 señala un contenido de humedad de equilibrio de 16,4%. Como el ventilador produce un calentamiento de 1°C, la temperatura se eleva a 21°C. Mediante el gráfico psicrométrico se obtiene una humedad relativa de 75%. Mediante el Cuadro 3 se obtiene un contenido de equilibrio de 15,3%, superior al que se persigue. Si se aumenta la temperatura en 3°C se tiene 24°C y ta humedad relativa baja al 63%. Según el Cuadro 3 esa condición se deriva de un contenido de humedad de equilibrio del 13%, aproximadamente. Luego, el sistema de calentamiento debe producir un aumento de 3°C de temperatura para que se alcance el contenido de humedad final que se desea.

Los granos pueden ganar humedad si el aire que pasa a través de una masa de granos secos tiene una humedad relativa elevada. Sin embargo, el rehumedecimiento se produce de manera diferente que en el secado, debido al fenómeno de histéresis. Por ejemplo, se puede esperar que una masa de maíz que esté en proceso de rehumedecerse llegue al estado de equilibrio con el aire, con un contenido de humedad de hasta 1 o 2 puntos porcentuales, abajo del contenido de humedad de equilibrio que se presenta en el Cuadro 3. Esto quiere decir que, si tiene capacidad para secar un producto hasta el 18%, el aire puede rehumedecer granos secos hasta un contenido de humedad entre el 16% y el 17%.

Deterioro

En los sistemas de secado a bajas temperaturas, los hongos son una de las causas principales de deterioro de los granos.

El ataque de este tipo de microorganismos puede causar las siguientes pérdidas (SILVA, 1980):

a) disminución del poder germinativo;
b) descoloración parcial o total del grano; c) transformaciones bioquímicas;
d) producción de toxinas que pueden ser dañinas si las consumen animales o seres humanos; y
e) pérdida de peso.

El contenido de humedad es un factor de gran influencia en el desarrollo de hongos. Los productos con elevado contenido de humedad son muy susceptibles al ataque de hongos porque la atmósfera intergranular presenta una humedad relativa alta, factor fundamental para la actuación de los hongos. Se sabe que hay diferentes especies de hongos que atacan los granos. En el Cuadro 9 se presentan las especies más comunes y el contenido de humedad mínimo necesario para que se desarrollen en maíz, sorgo y soya (Figura 19). La temperatura es también un factor que influye en el desarrollo de hongos. El Cuadro 10 presenta las temperaturas mínimas y óptimas para el desarrollo de algunas especies de hongos y permite concluir que en el Brasil, si el contenido de humedad no se mantiene por debajo de los niveles que aparecen en el Cuadro 9, habrá siempre el riesgo de ataque de hongos.

El proceso de respiración causa liberación de energía por oxidación de carbohidratos y otros nutrientes orgánicos. Si esa energía no se disipa, la temperatura de la masa de granos aumenta y favorece aun más el desarrollo de hongos.

Cuadro 9

Contenido de humedad (%) mínimo de los granos de algunas especies para el desarrollo de hongos de almacenamiento

Fuente: CHRISTENSEN, 1974

Cuadro 10

Temperatura mínima y óptima para el desarrollo de algunas especies de hongos

Fuente: CHRlSTENSEN, 1974

Se han realizado algunos trabajos con el objeto de cuantificar las pérdidas provocadas por hongos y por la respiración de los granos. La producción de CO2 por la masa de granos de maíz se ha usado para cuantificar la pérdida de materia seca del producto, considerando el contenido de humedad, la temperatura y los daños mecánicos. En el Cuadro 11 se ve el tiempo que el maíz podría permanecer en determinadas condiciones de humedad y temperatura para que la pérdida de materia seca no pase del 0,5%. Los valores de esta tabla se obtuvieron por medio del modelo matemático de deterioro propuesto por STEELE (THOMPSON, 1972).

El Cuadro 11 se construyó para condiciones constantes de humedad y temperatura del producto. No obstante, conviene recordar que el secado a bajas temperaturas es un proceso dinámico. A medida que el producto pierde humedad, el riesgo de deterioro disminuye, aunque el tiempo durante el cual es preciso realizar el secado resulte mayor que el indicado en las tablas de deterioro del producto

Cuadro 11

Tiempo (en dias) que granos de maíz podrían permanecer en determinadas condiciones para que la pérdida de materia seca no pase del 0,5%

Por otra parte,si se deja la masa de granos dentro de un silo sin ventilación y con elevado contenido de humedad, dicha masa se podrá deteriorar en menos tiempo que el que se señala en el Cuadro 11, pues habrá calentamiento de los granos, debido al proceso respiratorio de los hongos y los granos, lo que acelerará aun más el proceso de deterioro.

Cómo se produce el secado en el silo

El secado a bajas temperaturas comienza en la parte inferior del silo y va subiendo hasta llegar a la superior. Durante el secado se distinguen en el silo tres capas distintas de contenido de humedad, como se ilustra en la Figura 20. La primera capa se compone de granos secos; el producto ya alcanzó el equilibrio higroscópico con las condiciones del aire. En la segunda capa, denominada frente de secado, se realiza efectivamente la transferencia de humedad del producto al aire. El espesor de esta capa varia, en general, entre 30 y 60 cm. La tercera capa se compone de granos húmedos, cuyo contenido de humedad se aproxima al inicial, pues el aire pasa por esa capa con su capacidad de secado agotada. La temperatura de esa capa es normalmente inferior a la del aire que entra al silo, puesto que la evaporación de la humedad, en el frente de secado, enfria el aire.

Como cargar el silo

Hay dos maneras de Ilenar los silos para el secado a bajas temperaturas; en una etapa o en varias etapas.

Figura 20. Bandas de distintos contenidos de humedad durante el secado de granos a bajas temperaturas en un silo.

En el llenado en una etapa, el silo se carga en un lapso de uno a tres días. La ventaja de este sistema está en que la recepción del producto no queda sujeta al adelanto del secado del material que ya está dentro del silo. Durante casi todo el tiempo, las capas superiores del silo permanecerán con su contenido de humedad próximo al inicial. Por tanto, la elección del ventilador exigirá el máximo cuidado, pues habrá que hacer que el frente de secado avance hasta las capas superiores antes de que se produzca deterioro del producto.

En el llenado por capas, la carga del silo depende del contenido de humedad de los granos que ya están dentro del secador. Se agregará una nueva capa solamente cuando la última capa esté parcialmente seca. La ventaja de este sistema es que el secado del producto se inicia poco después de que éste ha entrado en el silo, con lo que se reduce el tiempo que el producto permanece en condiciones de elevado contenido de humedad. El movimiento de aire que proporciona el ventilador es superior al comienzo del secado, por la menor cantidad de producto dentro del silo, lo que favorece el secado a bajas temperaturas, ya que al comienzo de la cosecha el producto se recibe, normalmente, más húmedo y por tanto necesita mayor volumen de aire para secarse. Cuando se trata de una batería de silos, se podrá planificar el llenado con la distribución cíclica del producto dentro de los silos. En el secado por capas la fuerza del aire es inferior a la que se necesitara si se trata de llenado en una etapa.

Cuándo conectar el ventilador

Una de las dudas de todo usuario de sistemas de secado a bajas temperaturas, especialmente cuando recién se adopta el sistema, se refiere a cuándo deben funcionar los ventiladores.

La mejor forma de manejar el ventilador va a depender fundamentalmente del contenido de humedad del producto dentro del silo y del clima del lugar.

Si hay dentro del silo producto cuyo contenido de humedad es superior al 16%, se recomienda mantener el ventilador conectado constantemente. Si el ventilador queda desconectado, la liberación de energía debida a la respiración de los granos y actividad de los hongos, provocará el calentamiento de la masa de granos y acelerará el proceso de deterioro. En las horas de elevada humedad relativa, por ejemplo, durante las noches, el funcionamiento del ventilador mantiene fría la masa de granos y el producto se rehumedecerá, pues el calentamiento

que produce el ventilador (de 1°C a 2°C) reduce la humedad relativa del aire en 5 a 10 puntos porcentuales que no será suficiente para secar el grano, cuando se trata de aire con elevada humedad relativa.

Si no hay en el silo producto cuyo contenido de humedad sea superior al 16%, y la humedad relativa media es inferior al 75%, el ventilador deberá permanecer conectado constantemente hasta el término del secado, porque si el ventilador funciona solamente durante el día, se pueden producir problemas de secado

excesivo. En reglones más húmedas, cuya humedad relativa es superior al 75%, el ventilador deberá permanecer conectado solamente durante las horas de humedad relativa más baja, generalmente durante el día.

Aumento del movimiento del aire o aumento de la temperatura del aire

Hay dos maneras de disminuir la duración del secado a bajas temperaturas:

a) aumentando el caudal del aire, y
b) aumentando la temperatura del aire.

La elección de uno de los dos métodos se debe basar en el potencial de secado de la reglón en que se instalará el silo secador.

En general, el calentamiento del aire se recomienda solamente en reglones en que el potencial de secado del aire natural es insuficiente para que se alcance el contenido de humedad final que se busca. El calentamiento del aire no aumenta, prácticamente, la velocidad de desplazamiento del frente de secado, e interesara únicamente durante los períodos de alta humedad relativa del aire, ya que no habría detención del desplazamiento del frente de secado.

El aumento del caudal de aire tiene más influencia sobre el tiempo de secado, pues la velocidad de desplazamiento del frente de secado es directamente proporcional al flujo de aire por unidad de masa del producto que hay que secar. En lugares donde la humedad relativa del aire es alta, el aumento del caudal del aire no es suficiente para lograr el secado, pues esa variable no influye en el potencial de secado del aire.

En la Figura 21 se comparan los efectos del aumento de la temperatura del aire y del aumento del movimiento del aire, sobre el secado de maíz, en Viçosa-MG, en 1979. Estos datos se simularon mediante el modelo matemático de Morey (MOREY et al., 1976). El contenido de humedad inicial admitido fue de 22% y el contenido máximo de humedad final fue de 15%. Se escogió este último limite, en lugar del 13%, porque a partir del 15% el riesgo de deterioro del producto es reducido y el ventilador se podría mantener conectado sólo a intervalos, cuando las condiciones climáticas permitieran que se alcance una humedad final del 1396. En 1979 se pudo comprobar que tanto el aumento de la temperatura como el del movimiento del aire determinaron una reducción en el tiempo de secado. En cambio, el uso de una fuente suplementariade energía provocó un mayorconsumo de energía además de ocasionar problemas de secado excesivo del producto. Entre los casos estudiados, el menor consumo de energía se registró cuando se empleó menos movimiento de aire sin ocupar una fuente suplementaria de energía para calentar el aire. Esto se debe al hecho de que en talos condiciones se aprovecha mejor el potencial de secado del aire.

Figura 21. Comparación de los efectos del aumento del flujo y de la temperatura del aire de secado de maíz a bajas temperaturas, en 1979, en Viçosa-MG, Brasil.

Figura 22. Comparación de los efectos del aumento del flujo y de la temperatura del aire de secado de maíz a bajas temperaturas, en 1982, en Vicosa-MG, Brasil.

En la Figura 22 se comparan las influencias del aumento del flujo de aire y de la temperatura del aire en el secado de maíz, en Viçosa-MG, en 1982. Como ese año presentó condiciones desfavorables para el secado a bajas temperaturas, el aumento del movimiento del aire no bastó para eliminar el deterioro del producto. En estas condiciones, el uso de una fuente suplementaria de energía, para calentar el aire en 2,5°C, eliminó el riesgo de deterioro del producto, pues aumentó el potencial de secado del aire.

Analizando en conjunto los resultados de las Figuras 21 y 22, se observa que las condiciones climáticas son una de las variables de mayor importancia para el éxito del secado. En 1979, el secado del maíz con 22% se podia realizar con flujos del aire incluso inferiores a los que se utilizaron; en cambio en 1982 el secado con aire natural no fue posible y hubo que recurrir al uso de una fuente suplementaria de energía para calentar el aire. En reglones donde hay, ocasionalmente, años de elevada humedad relativa del aire durante el periodo de secado, conviene disponer de una fuente suplementaria de energía para usarla en dichos perlados.

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