RESULTADOS Y DISCUSIÓN. Características Fisicoquímicas del Chiltepín

Transcripción

1 RESULTADOS Y DISCUSIÓN Características Fisicoquímicas del Chiltepín Color En el Cuadro 1, se observan las características fisicoquímicas del chiltepín, en este se destaca que el color en la materia prima empleada, presentó un tono rojo intenso, en este sentido el valor de L*,es comparable a lo reportado por Montoya et al., (2010), pero los demás valores se observaron bajos en comparación con este mismo autor. La variación del color en chiles es función de los cromoplastos que se presentan primero en el exterior de las venas del chile y posteriormente en las capas exteriores del pericarpio. Los pigmentos carotenoides asociados con Capsicum se asocian con proteínas fibrilares (Galicia, 2008). La posible degradación de estos compuestos se puede deber al mismo manejo y prácticas de cosecha, ya que se ha reportado el efecto de deterioro debido a la temperatura y manejo (Camacho 2004).Sin embargo, en base al diagrama del sistema CIELab, representado en la Figura 5, y los valores de C* y Hue*, los resultados demuestran un color rojo típico del chiltepín, recién cosechado. 61

2 Figura 7. Ubicación de chiltepín en la representación esquemática de los rangos de color de los valores a*, b*, C* y Hue* en el sistema CIELab. 62

3 Humedad En el caso del secado de alimentos, el método y condiciones de operación, así como la naturaleza física del alimento incluyendo composición y temperatura afectan directamente esta operación; sin embargo, el contenido de humedad inicial gobierna la velocidad de transferencia de masa en este proceso (Sablani et al., 2008). Por otro lado, el conocimiento de esta variable determina la eficiencia del proceso en función del contenido final de humedad en el alimento. En el caso de la humedad, medida al inicio del estudio, se obtuvo un valor que osciló en el rango del 50%, valor relativamente bajo en relación a otros frutos; sin embargo, suficientemente alto como para generar o permitir la generación de microorganismos y las reacciones de deterioro. Actividad de agua (a w ) En el caso de la a w inicial, para chiltepín fue de 0.95, la cual es comparable con la reportada por Chenlo et al., (2005). Generalmente una a w, permite estimar los posibles mecanismos de deterioro de un alimento. Por otro lado, con la determinación de a w, es posible entender las posibles modificaciones durante el procesamiento, transporte y almacenamiento. A partir de esta variable se pueden estimar las diferentes isotermas de desorción que son útiles para el diseño de procesos y almacenamiento de los diferentes productos, ya que con ellas se puede saber el rango óptimo de humedades para su correcta conservación. En base a esta a w, es factible considerar las mejores condiciones de secado para mantener su calidad por mayor tiempo que el que se expende actualmente. 63

4 Cuadro 1. Características del Chiltepín empleado en el proceso. Variable Color Valor Rojo Valor L* 26.2 ±3.2 Valor a* 32.7 ±3.2 Valor b ±3.2 Valor C* ±3.2 Valor Hue* 34.2 ±3.2 Forma Diámetro Esférica 5.5± 0.5 mm Actividad de agua (a w ) 0.95 Humedad Inicial 5 ±5.5% Humedad final deseable 5 8 % 64

5 Morfología El chiltepín en Sonora, se caracteriza por tener forma esférica, aunque existen diversas formas reportadas para esta variedad de chiles como alargada o triangular e incluso baya redonda u oblonga. La dimensión principal es su diámetro el cual en este estudio estuvo en el rango de los 5.5 mm, aun cuando puede llegar a tener hasta cerca de los 8 mm. Estos datos son similares a los reportados por Bañuelos et al., (2008) considerando diámetros de 3 a 6 mm. Este tipo de anatomía ha sido reportada para diferentes frutos como función de tipo de suelo, precipitación y lugar de crecimiento de las plantas, ya que son totalmente silvestres y las prácticas comunes agronómicas no son aplicables. Incluso su composición es altamente afectada por las variables antes descritas. Se ha postulado que el género Capsicum exhibe considerable variación morfológica relacionada especialmente con la forma, el color y el tamaño del fruto (Walsh y Hoot, 2001). Lo anterior puede deberse al proceso de domesticación a lo largo de miles de años de las variedades del conjunto de taxa, lo que condujo a la dispersión geográfica de diferentes especies en poblaciones pequeñas, fragmentadas, diseminadas en regiones amplias, circunstancia que incrementó las posibilidades de flujo genético entre las poblaciones domesticadas y las silvestres (Walsh y Hoot, 2001). Lo anterior se vio favorecido por el hecho de que la gran mayoría de taxa del género son diploides (2n= 24 y unas pocas 2n= 26) y tienen cariotipos similares (Lippert,1966; Mosconeet al., 1993). 65

6 Características Ambientales En cuanto a cuestiones climáticas en la región del río de Sonora se tomo como región para el estudio la comprendida en las coordenadas de LN, LO y 475 msnm (correspondiente a Mazocahui, municipio de Baviácora, Sonora). En esta parte del estado se consideró los meses de Julio a Diciembre y la temperatura promedio en esa región durante estos meses es de 35 C y una humedad ambiental relativa de 40%. Por otra parte se consideró para efectos de cálculo en las siguientes etapas una incidencia solar de 600 W/m 2. Variables y Condiciones para el Diseño del Secador Solar Para el diseño del secador se realizaron pruebas de secado para compararlas posteriormente con la realización de las isotermas de sorción y finalmente realizar los cálculos de diseño del secador. Pruebas preliminares de secado Inicialmente se deshidrataron en un secador comercial aproximadamente 2.5 k de chiltepín, el cual se deshidrato por 14 horas a una temperatura de 45 C. La Figura 8 muestra el comportamiento de la humedad libre (X) con relación al tiempo (h). A estas condiciones se obtuvo una humedad en el equilibrio X* de aproximadamente de 0.15 Kg Humedad/ Kg sol. secos. Aunque se obtuvieron atributos bastante atractivos del chiltepín, el tiempo de proceso es relativamente largo y eso implica riesgos en calidad. En base a esto, es que se 66

7 X (kg humedad/kg sol.seco) Tiempo (h) Figura 8. Velocidad de secado de chiltepín en función de la humedad libre y el tiempo de secado a 45 C en un horno secador convectivo 67

8 realizaron las pruebas siguientes consistentes en la elaboración de isotermas que pudieran predecir en forma más concreta y a diferentes humedades relativas, el comportamiento de la humedad libre y la humedad equilibrio respectiva para cada condición en específico. Isotermas de Desorción Estas isotermas de desorción fueron establecidas en base a los atributos de calidad del chiltepín en pruebas preliminares, además se ha reportado por Prothon et al., (2003) y Ratti (1994), que altas temperaturas en los fenómenos de desorción pueden causar daño, colapso y encogimiento de la estructura celular durante la desorción o rehidratación. Preliminarmente se observó que dicha temperatura es la que afectó en menor grado el color y que el tiempo de secado era relativamente bajo. Posteriormente y para obtener el contenido de humedad en equilibrio se grafico la relación de actividad de agua con el contenido de humedad en base seca, Esto se hizo con el propósito de corroborar los resultados antes obtenidos de las condiciones preliminares de secado y establecer posteriormente algún modelo de predicción. Los resultados obtenidos de las 2 diferentes sales dieron un contenido de humedad en equilibrio de 0.02 y 0.03 Kg de humedad/kg de sólidos secos para 11 y 21% de HR, ligeramente altos en relación a los reportados por Chenlo et al., (2005) en pimientos de padrón (capsicum annuum). Los cuales dieron como resultado una humedad de equilibrio de 0.01 Kg de humedad/kg de sólidos secos y donde el comportamiento es muy parecido a esta misma temperatura. 68

9 Se construyeron dos isotermas de desorción para chiltepín, de esta forma se evaluó la humedad en equilibrio para la temperatura dada de 45 C. En todos los caso se observa una disminución del contenido de humedad a medida que disminuye la actividad de agua, siendo este comportamiento común para prácticamente todos los alimentos, (Iglesias y Chirife, 1982) (Figuras 9 y 10). En este sentido las isotermas obtenidas pueden ser consideradas tipo III sigmoidales, según Martínez (1998). Los resultados derivados de las isotermas de desorción, realizadas en chiltepín, difieren de los que se obtuvieron a partir de las condiciones preliminares de secado, donde se emplearon mediciones por aproximadamente 20 días ininterrumpidos hasta obtener un peso constante. En el caso de las pruebas preliminares se utilizaron 14 h de secado a la misma temperatura pero con flujo de aire caliente y constante. Es factible considerar que el flujo de aire es una variable fundamental en el secado y específicamente la duración de este proceso, por lo que es imperativo considerarlo en el diseño del prototipo. 69

10 Humedad Equilibrio (bs) a w Figura 9. Humedad en equilibrio obtenida en chiltepín a una temperatura de 45 C, empleando una humedad relativa de 11% en el sistema. 70

11 Humedad equilibrio (bs) a w Figura 10. Humedad en equilibrio obtenida en chiltepín a una temperatura de 45 C, empleando una humedad relativa de 21% en el sistema. 71

12 Cálculos de Diseño Crapiste y Rotstein (1997) parten de considerar los datos experimentales, principalmente los datos de curvas de secado o curvas de velocidad de secado para definir la siguiente velocidad de secado: Dónde: n w = velocidad de secado m s = masa (Kg) A s = Área externa (m 2 ) X m = Humedad promedio ρ s = densidad (Kg/m 3 ) a v = Área por unidad de volumen dt = 10 H En nuestro caso y para cálculo se consideró: m s = 10 (Kg) A s = 15 (m 2 ) = A p X m =

13 ρ s = (Kg/m 3 ) a v = 8.06 Con los datos y la ecuación antes citada se obtuvo una velocidad de secado de: n w = 0.01 Kg/m 2 -H Condiciones generales de diseño de la cámara de secado Para este caso se plantea el establecimiento de condiciones y cálculo de las diferentes variables involucradas en el diseño del secador para chiltepín. Es necesario para ello establecer diferentes variables como las que se definen a continuación en base al tamaño del prototipo. Flujo másico y Cantidad de calor necesario para realizar el secado de 10 kg de chiltepin Para esto necesitamos determinar variables, hasta la fecha desconocidas para este tipo de fruto como es el caso de: calor específico, densidad, área promedio, volumen, etc. En el caso de determinación de Cp en base a la humedad del chiltepín podemos definir como sigue: Considerando un Xw =

14 O en el caso de que sea dependiente del contenido de carbohidratos temperatura sería: Podemos definir una Cp promedio para el chiltepin de Cp = 1.49 KJ/Kg C Si se quiere secar 10 kg de chitepín a una velocidad de 0.01 kg/h desde una humedad máxima de 45 % y llevarlo hasta 5 % con aire a una temperatura inicial de 35 C y calentado hasta 50 C este mismo fluido, a la entrada de la cámara de secado y entrando a una velocidad de 0.05 m 3 /s = 180 Kg/h Considerando una densidad del aire de ρ= 1.2 Kg/ m 3 Para calcular el flujo másico de sólidos secos: Se consideran las ecuaciones de velocidades de flujo y composición en base seca: En los balances de masa se obtienen: Alimento sólido: Aire: Los subídices i y o indican entrada y salida respectivamente 74

15 F y G son los flujos másicos de aire seco y contenido de humedad En cuanto a los balances de energía se consideran: Alimento: Aire: Dónde Q = la energía transferida del aire al sólido Para propósitos prácticos se consideran los calores específicos del agua líquida, aire seco y vapor de agua, así como el Hv como siguen: T r = Temperatura de referencia (25 C) El contenido de agua en base seca sería: 75

16 Para el caso del aire y a estas condiciones y en base a cartas psicométricas tyi = Kg v /Kg g El calor necesario para elevar la temperatura de este flujo másico de aire de 35 a50 C sería: La velocidad de evaporación y la carga térmica se pueden obtener de la siguiente manera: En base a los análisis posteriores y a las curvas de secado obtenidas previamente, es que se decidió obtener un diseño dónde las etapas de secado sean 3. De inicio se considerarán los mismos flujos de entrada de aire y los cálculos se harán en esta base. Se considerará para esta etapa un tamaño de secador basado en la carga inicial de chiltepín húmedo para 10 Kg de chiltepín, distribuido en 10 76

17 charolas de 1.5 m de L por 1 m de ancho, con una profundidad de 1.5 cm. En base a los experimentos realizados se observó que el comportamiento en tres períodos de secado. Inicialmente el chiltepín tiene una humedad crítica considerada del X i = kg w /kg s X o = 0.27, densidad ρ s = (Kg/m 3 ). X cr = 0.21 X m = 0.35, Xe=0.02 En el caso de la difusividad térmica, esta se estimó en los últimos dos períodos de secado a partir del comportamiento del secado convectivo del chiltepín, y obteniéndose: Para el período de la región húmeda: D eff = 1.37 x 10-9 m 2 /s y para el caso del período seco D eff = 8.62 x m 2 /s Primera Etapa De Secado En base a lo anterior el área expuesta (A P ) del producto se puede considerar como A p = n L w n = 10 charolas L = 1.5 m W = 1 m A p = 15 m 2 Área efectiva del producto es de puede considerarse 80%, equivalente a 12 m 2 A g =10 ( ) 1 77

18 A g = 8.5 m 2 La carga del producto en base seca (L) es: L = ρ b A p b ρ b = (Kg/m 3 ) A p = 15 m 2 b = L = kg Carga total del producto (Ft), en base seca: A partir de las condiciones de entrada del aire en el secador, se puede considerar las siguientes propiedades del aire: Y i = ρ = 1.2 kg/m 3 η = 2 x 10-5 m 2 /s k = 3 x 10-5 KW/m 2 K Pr =

19 por: Con esto obtenemos el flujo de aire en base seca sobre las parrillas dado (T g T wb ) = h g = Calculada a partir de los diferentes números adimensionales para este caso son: 79

20 Segunda Etapa De Secado En esta segunda etapa asumimos que el chiltepín está en forma de capa delgada (thin-layer) Aplicando la fórmula: a v área por unidad de volumen= 8.06 X =0.33 D eff = 1.37 x 10-9 m 2 /s En base a un Bi = 8.2 obtenemos λ 1 = 1.4 b = 3.9 x

21 El tiempo de secado en esta etapa sería calculado en base a: Tercera Etapa De Secado En esta etapa de secado la efectividad de la difusividad es menor que en la zona húmeda A partir de aquí el nw esta dado por: 81

22 A partir de los cálculos de tiempo de secado de esta etapa se puede obtener a partir de: Sumando todos los tiempos de proceso podemos obtener: A partir de estos balances, cálculos y con las consideraciones dadas en la metodología, específicamente la cantidad inicial de 10 Kg de chiltepín, es factible modelar un prototipo de cámara de secado. En base a que potencialmente este prototipo se utilizará a la intemperie y a condiciones climáticas, relativamente extremas se puede considerar lo siguiente para su construcción: 82

23 Emplear lámina galvanizada con dimensiones de 1 metro de largo por 1.5 metros de ancho, 10 charolas de acero inoxidable de 1.5 metros de largo por un metro de ancho y con 1.5 cm de profundidad, fibra de vidrio como aislante de 2.5 cm de espesor y un recubrimiento nuevamente de lámina galvanizada, la puerta de la cámara completamente sellada al cerrarse. Un flujo de aire con una velocidad de 0.05 m 3 /s (180 kg/h), y un una temperatura de entrada de 50 C. Algunas de estas especificaciones que son factibles utilizar en la cámara de secado se muestran en el Cuadro 2 y Figura

24 Cuadro 2. Dimensiones y materiales utilizados en la cámara de secado Partes del secador Cantidad Material Dimensiones Cámara de secado 1 Lámina Galvanizada 1m de largo x 1.5 m de ancho Charola 10 Acero Inoxidable 1.5 m de largo x 1 m de ancho y 1.5 cm de profundidad Aislante 1 Fibra de vidrio 2.5 cm de espesor 84

25 Figura 11. Dimensiones y componentes factibles para la cámara de secado 85

26 Cálculos Involucrados En El Diseño Del Colector En lo que correspondió al diseño del colector solar de placa plana primeramente se hace una suposición de la temperatura de la placa de absorción, en este caso la temperatura supuesta fue de 60 C. Ecuaciones de transferencia de calor: - De la placa a la cubierta - De la cubierta al firmamento 86

27 Se realizo la corrección del coeficiente de transferencia por convección natural entre placas paralelas inclinadas a 45 en donde el calor fluye hacia arriba, donde se obtuvo: Coeficiente de transferencia de calor referente al viento sobre una placa plana: Por lo tanto el coeficiente global de transferencia de calor en la superficie fue de: 87

28 Una corrección de la temperatura de la cubierta nos dio como resultado: Se empleo una Tc = C para la siguiente iteración 88

29 Debido a que la diferencia entre los resultados en Tc prácticamente fueron iguales, se prosiguió a continuar con los cálculos de los coeficientes globales de transferencia del fondo y de los lados donde se obtuvo: Finalmente el coeficiente total de transferencia de pérdidas de calor en conjunto, del fondo, la superficie y de los lados fue de:

30 Se obtuvo el producto de transmitancia absortancia donde el resultado fue de: La energía útil del colector fue de: Por todos los resultados anteriores se obtuvo una eficiencia del colector de: Valores del coeficiente global de pérdidas térmicas entre (4 5) W/m 2 C, indican que los colectores solares son de buena calidad térmica, según lo establecido en estándares internacionales, en base a esto, el resultado obtenido 90

31 en esta investigación, fue mayor a lo esperado, probablemente debido a los materiales que se utilizaron para los cálculos. Con este colector solar, la cámara de secado cumple los requerimientos necesarios para lograr la temperatura y velocidad de secado necesarias para el proceso de deshidratación del chiltepín. En cuanto al resultado obtenido en la eficiencia térmica, este indica que está dentro de lo reportado por Nandwani, (2005) para colectores solares planos, los cuales llegan a tener una eficiencia del 40 al 60%. Para la obtención de una eficiencia aceptable se tomo en cuenta que el colector solar tuviera una dimensión de 1 metro de de ancho por 2 metros de largo de lámina galvanizada, una cubierta de acrílico de.97 m de ancho por m de largo y 1 cm de espesor, un adsorbente de acero inoxidable con pintura negra de 5 mm de espesor, una capa de aislante de fibra de vidrio de 2.5 cm de espesor, una temperatura ambiente en la entrada del colector de 35 C. Algunas de estas especificaciones se muestran en el Cuadro 3 y Figura

32 Cuadro 3. Dimensiones y materiales factibles para el Colector solar Partes del Colector Cantidad Material Dimensiones Cámara del colector 1 Lámina Galvanizada 1 m de ancho x 2 m de largo Cubierta 1 Acrílico.97 m de ancho x m de largo y 1 cm de espesor Aislante 1 Fibra de vidrio 2.5 cm de espesor Capa absorbente 1 Acero Inoxidable con pintura negra 5 mm de espesor 92

33 Figura 12. Componentes y materiales del colector solar 93