Sistema de Secado de Granos en Silos con Bajas Temperaturas - Ing. Agr. Juliana S. Zeymer

POST-COSECHA LATINOAMERICANA 21

Sistema de Secado de Granos en Silos con Bajas Temperaturas

Ing. Agr. Juliana S. Zeymer

Dra. en Ingeniería Agrícola Investigadora de Procer Automaciones y Sistemas juliana.zeymer@procer.com.br

Los granos son materiales higroscópicos formados por agua y materia seca. La suma de estos dos constituyentes representa su masa total. El contenido de agua de un producto agrícola corresponde a la relación porcentual entre la masa de agua y la masa total del producto. Por ejemplo: si una carga de 50 toneladas de grano tiene un contenido de agua del 14%; 7t de la carga son agua; y 43t es materia seca. El agua se encuentra en dos formas básicas en los granos: agua libre, que se elimina fácilmente de los granos mediante el proceso de secado; y agua de constitución, en la que sus moléculas se unen fuertemente a la materia seca, formando parte de la estructura celular. La materia seca, por otro lado, es todo lo que no es agua en el producto, como carbohidratos, lípidos, proteínas y sales minerales.

Uno de los principales propósitos del almacenamiento de granos es mantener la masa de materia seca del producto a lo largo del tiempo. Por ello, se recomienda el proceso de secado, que tiene como objetivo eliminar parte del agua contenida en su estructura. De esta forma se reduce la disponibilidad de agua para el desarrollo de hongos e insectos plaga, evitando la aparición de granos ardidos y micotoxinas; además de disminuir el proceso respiratorio de los granos y la micro biota asociada, lo que provoca pérdida de materia seca y genera calor en la masa intergranular.

El secado de granos en si-

los a bajas temperaturas se caracteriza por el uso de aire de secado natural o ligeramente calentado a un máximo de 10°C por encima de la temperatura ambiente. Otro punto importante de este método es que, para una mejor eficiencia del proceso, el contenido de agua del grano no debe exceder el 20%; ya que cuanto mayor es el contenido de agua del grano y la temperatura de almacenamiento, mayor es el riesgo de deterioro del producto.

Para realizar esta modalidad se utilizan silos de secado con las características técnicas que se muestran en la Figura 1, que incluyen: 1. Sistema de calefacción: normalmente indicado para quemadores de GLP; 2.Ventilador: del tamaño adecuado para proporcionar caudales de aire de 1 a 10m3 de aire.min-1.t-1 de producto; 3.Cámara de plenos: base del silo de secado con una altura mínima de 0,30m; 4. Piso de chapa perforada: tasa mínima de perforación del 15%; 5.Columna de grano: altura inferior a 6m; 6.Salida de aire de escape: 1,0m2 de área de ventilación por cada 300m3 de aire suministrado por minuto.

Figura 1. Configuración de un sistema de secado a baja temperatura

El secado comienza en el fondo del silo y avanza hasta la parte superior. Así, a lo largo del proceso se pueden encontrar tres capas distintas, diferenciadas según el contenido de agua (Figura 1). En la parte inferior, la primera capa está formada por producto seco, que ya ha alcanzado el equilibrio higroscópico con el aire de secado. El segundo, denominado frente de secado, presenta contenidos de agua entre el contenido de agua de equilibrio y el contenido de agua inicial. La última capa está formada por granos húmedos, con un contenido de agua cercano al inicial y una temperatura inferior a la del plenum. A través de esta verificación de los frentes de secado se pone de manifiesto la importancia del correcto dimensionado del sistema de aplicación de aire, para no correr el riesgo de deterioro de las capas superiores de grano.

Dimensionamiento del sistema

Según las especificaciones técnicas de secado a baja temperatura, el caudal de aire utilizado por los ventiladores acoplados a los silos debe estar entre 1 y 10m3 de aire.min-1.t-1. Para seleccionar la potencia ideal de los ventiladores que proporcionará el flujo de aire adecuado, el sistema debe estar correctamente dimensionado. Para ello, es necesario seguir una secuencia de cálculos en diferentes pasos, a saber:

Paso 1) Cálculo del volumen de acondicionamiento del producto en el silo;

Paso 2) Cálculo de la capacidad estática del silo;

Paso 3) Cálculo del flujo de aire;

Paso 4) Determinación de la pérdida de carga en el sistema;

Paso 5) Estimación de la potencia del motor del ventilador.

Los cálculos antes mencionados se pueden encontrar en la literatura especializada. Es importante enfatizar la clara diferencia entre un sistema de secado de granos a baja temperatura en los silos de secado y un sistema de aireación de granos en los silos de almacenamiento. El flujo de aire para la operación de aireación es aproximadamente 10 veces menor que para el secado a baja temperatura. Por lo tanto, antes de iniciar la operación de secado en silos, es de suma importancia asegurarse de que el ventilador tenga las dimensiones adecuadas para la operación a realizar.

Realización de la operación

Para cada combinación de temperatura y humedad relativa del aire, solo hay un contenido de agua del grano que permanece en equilibrio, que se llama equilibrio higroscópico. Como puede verse en el Cuadro 1, para el caso específico del arroz con cáscara; si la temperatura y la humedad relativa del aire de secado son 22°C y 65%, respectivamente; al final del proceso de secado, el contenido de agua restante del grano será del 13%.

Sin embargo, es de destacar que, dependiendo de la potencia del ventilador utilizado, solo por el paso del aire a través del equipo, su temperatura puede aumentar de 2 a 4°C, considerándose a menudo el valor de 2°C. Este aumento de temperatura tiene un impacto signi-

ficativo en la humedad relativa del aire, como se ejemplifica en el Cuadro 2.

Así, consultando los Cuadros 1 y 2, se puede ver la importancia de considerar el calentamiento proporcionado por el ventilador en la operación de secado a baja temperatura. Por ejemplo: si el aire ambiente tiene una temperatura de 24°C y una humedad relativa del 80%, el contenido de agua de equilibrio del arroz con cáscara será del 15% (Cuadro 1). Sin embargo, al calentar el aire 2°C adicionales, la temperatura y la humedad relativa cambiarán a 26°C y 71,1% (Cuadro 2). En esta condición, el contenido de agua de equilibrio será del 13,4% (Cuadro 1). Considerando el calentamiento de 4°C proporcionado por el ventilador, los valores de temperatura y humedad relativa serán 28°C y 63,6% (Cuadro

Quadro 1. Balance de los valores del contenido de agua para el arroz con cáscara, en función de la temperatura (° C) y la humedad relativa (%) del aire ambiente.

Quadro 2. Valores de humedad relativa después de calentar el aire ambiente proporcionado por el ventilador.

2); lo que disminuiría el contenido de agua de equilibrio a aproximadamente 12,7% (Cuadro 1).

Si el calentamiento proporcionado por el ventilador no es suficiente para ajustar la temperatura y la humedad relativa del aire, con el fin de proporcionar el equilibrio higroscópico deseado, se puede recurrir a un sistema de calentamiento acoplado a la estructura, como el gas licuado de petróleo (GLP).

4. Modelado predictivo y control de procesos

A partir de datos de temperatura del aire ambiente y humedad relativa; y el contenido final de agua deseado para el producto, a través del modelado predictivo es posible definir el aumento de temperatura necesario, así como definir la estrategia de control del sistema de calentamiento definiendo los límites de operación para las temperaturas y humedades relativas del aire después del calentador y después del ventilador.

En la Figura 2, se destacan algunas variables que se pueden utilizar en el modelado predictivo y el control de sistemas de secado a baja temperatura. Específicamente para el aire, se resaltan las temperaturas y la humedad relativa de: aire ambiente (Tamb, HRamb); aire después del calentador (Tcal, HRcal); aire tras ventilador (Tvent, HRvent); aire intergranular (Tg, HRai); y aire de escape (Tes, HRes). Para el aire de escape, también existe la posibilidad de medir la concentración de dióxido de carbono (CO2), que se puede utilizar para inferir la pérdida de materia seca de la masa de grano.

Al medir la altura de la capa de granos y la pérdida de carga del sistema, es posible predecir la intensidad del flujo de aire, así como definir esta intensidad estableciendo límites de control operacional para la frecuencia, rotación y potencia del motor encargado de accionar el ventilador. Este control operativo se puede realizar mediante convertidores de frecuencia acoplados a los motores, generando importantes ahorros en el consumo de energía eléctrica.

5. Consideraciones finales

Un sistema de secado a baja temperatura correctamente diseñado es un método económico, eficiente y tiene una alta aplicabilidad en las fincas, debido a la menor inversión inicial, en comparación con los sistemas que emplean altas temperaturas; además de dar como resultado una mejor calidad del producto final.

Las principales limitaciones de este tipo de operación son las condiciones climáticas desfavorables y los productos con alto contenido inicial de agua, que pueden conducir a un aumento del tiempo de secado, aumentando también la probabilidad de deterioro. El tiempo de secado, por tanto, es un factor limitante para la calidad final.

Resumiendo la información contenida en el texto, con el fin de obtener las condiciones ideales para el sistema de secado de granos a bajas temperaturas, se deben considerar los siguientes puntos: • Aire de secado a un máximo de 10°C por encima de la temperatura ambiente; • Contenido de agua del grano de aproximadamente el 18%, sin exceder el 20%; • Altura de capa de grano inferior 6m, para evitar la instalación de ventiladores de alta potencia; • Llenado del silo en capas, para preservar la

calidad de los granos en las capas superiores; • Dimensionamiento adecuado del sistema de aplicación de aire (ventiladores), con caudales de aire comprendidos entre 1 y 10m3 de aire.min-1.t-1 de producto; • Dimensionamiento adecuado del sistema de escape, con un área de ventilación de 1.0m2 por cada 300m3 de aire suministrado

por minuto, para evitar la condensación en la cubierta del silo; • Automatización de la activación del ventilador, mediante estrategias y toma de decisiones basadas en la lectura de las condiciones de la masa de grano a través de sensores digitales, las condiciones psicométricas del aire ambiental a través de la estación meteorológica y el contenido de agua de equilibrio adecuado para la realización del proceso; • Uso de convertidores de frecuencia para controlar la potencia del ventilador, en función de la altura de la columna de grano; • Control de procesos mediante modelado predictivo, siendo una herramienta dinámica para optimizar el rendimiento del sistema, reducir el tiempo de secado, pérdida de materia seca en el producto y consumo de energía térmica (GLP) y eléctrica.