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Optimizaci�n del tiempo de secado a trav�s del dise�o� de una secadora de cacao con movimiento rotatorio

 

Optimization of drying time through the design of a rotary movement cocoa dryer

 

Otimiza��o do tempo de secagem atrav�s do projeto de um secador de cacau de movimento rotativo

 

 

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Correspondencia: eugenia.naranjo@espoch.edu.ec

Ciencias t�cnicas y aplicadas

Art�culos de investigaci�n

 

*Recibido: 16 de marzo de 2021 *Aceptado: 22 de abril de 2021 * Publicado: 05 de mayo de 2021

 

                               I.            Mag�ster en Dise�o Mec�nico Menci�n en Fabricaci�n de Autopartes de Veh�culos, Ingeniera Mecanica, Escuela Superior Polit�cnica de Chimborazo, Facultad de Mec�nica, Carrera de Ingenier�a de Mantenimiento Industrial, Grupo de Investigaci�n de Energ�a, Ambiente y Productividad ENAMPROD, Riobamba, Ecuador.

                            II.            Mag�ster en Dise�o Mec�nico Menci�n En Fabricaci�n de Autopartes de Veh�culos, Ingeniero Mecanico, Grupo de Investigaci�n Ciencia del Mantenimiento CIMANT, Riobamba, Ecuador.

                         III.            Investigador Independiente, Riobamba, Ecuador.

                         IV.            Magister en Sistemas de Transporte de Petroleo y Derivados, Ingeniero Mecanico, Escuela Superior Polit�cnica de Chimborazo, Facultad de Mec�nica, Carrera Ingenier�a Mec�nica, Riobamba, Ecuador.

Resumen

En el intento de cambiar la matriz productiva del Ecuador se realiza varias investigaciones en las que se busca obtener una materia prima que sustente la econom�a del pa�s, es por eso que se ha impulsado al sector agr�cola a mejorar los procesos de producci�n, y as� obtener productos que de total aceptaci�n en todos los pa�ses.

El Cacao es un fruto de la zona costera y amaz�nica del Ecuador que en los �ltimos a�os se ha convertido en uno de los productos con mayor exportaci�n, por su aroma y calidad. El desarrollo del proyecto tiene como objetivo dise�ar una secadora rotatoria de caco con una capacidad de 10 lb, y con eso realizar an�lisis en los que se establecer� la temperatura y tiempo de exposici�n al calor del cacao para obtener est�ndares de calidad en el fruto.�

Al desarrollar el proyecto se define que el tiempo de exposici�n al calor recomendado es de 40 a 45 minutos en una temperatura de 80�C a 70�C, alcanzando est�ndares de humedad requerido en un valor de 8% a 6%, con esos valores se asegura obtener un cacao de fino aroma y con est�ndares de calidad aceptables para su exportaci�n. Cuando se establece valores fuera de los rangos sugeridos el cacao presentara problem�ticas como humedad excesiva en el grano o p�rdida del aroma que b�sicamente es lo esencial en el producto.

Palabras claves: Cacao; Temperatura; Humedad.

 

Abstract

In the attempt to change the productive matrix of Ecuador, several investigations are carried out in which they seek to obtain a raw material that sustains the country's economy, that is why the agricultural sector has been encouraged to improve production processes, and thus obtain products that are fully accepted in all countries.

Cacao is a fruit from the coastal and Amazonian area of Ecuador that in recent years has become one of the most widely exported products, due to its aroma and quality. The development of the project aims to design a rotary cocoa dryer with a capacity of 10 lb, and with that to carry out analyzes in which the temperature and time of exposure to heat of the cocoa will be established to obtain quality standards in the fruit.

When developing the project, it is defined that the recommended exposure time to heat is 40 to 45 minutes at a temperature of 80 � C to 70 � C, reaching required humidity standards in a value of 8% to 6%, with those values it ensures to obtain a cocoa with a fine aroma and with acceptable quality standards for export. When values are established outside the suggested ranges, the cocoa will present problems such as excessive humidity in the bean or loss of aroma, which is basically the essential in the product.

Keywords: Cacao; Temperature; Humidity.

 

Resumo

Na tentativa de mudar a matriz produtiva do Equador, s�o realizadas v�rias pesquisas nas quais se buscam obter uma mat�ria-prima que sustente a economia do pa�s, por isso o setor agr�cola tem sido incentivado a melhorar os processos de produ��o, e assim obter produtos que s�o totalmente aceitos em todos os pa�ses.

O cacau � uma fruta da regi�o costeira e amaz�nica do Equador que nos �ltimos anos se tornou um dos produtos mais exportados, devido ao seu aroma e qualidade. O desenvolvimento do projeto visa conceber um secador rotativo de cacau com capacidade de 10 lb, e com isso realizar an�lises nas quais ser�o estabelecidos a temperatura e o tempo de exposi��o ao calor do cacau para obten��o de padr�es de qualidade na fruta.

No desenvolvimento do projeto, � definido que o tempo recomendado de exposi��o ao calor � de 40 a 45 minutos a uma temperatura de 80 � C a 70 � C, atingindo os padr�es de umidade exigidos em um valor de 8% a 6%, com esses valores garante a obten��o de um cacau de aroma fino e com padr�es de qualidade aceit�veis ​​para exporta��o. Quando os valores s�o estabelecidos fora das faixas sugeridas, o cacau apresentar� problemas como excesso de umidade no gr�o ou perda de aroma, que � basicamente o essencial no produto.

Palavras-chave: Cocoa; Temperatura; Umidade.

 

Introducci�n

En los �ltimos a�os la necesidad de mejorar los procesos de producci�n de materia prima, ha lleva a que varios pa�ses busquen innovaciones tecnol�gicas para obtener una optimizaci�n en distintos procesos.

Ecuador un pa�s que se encuentra en Sudam�rica, que posee una gran variedad de flora y fauna, debido a su prestigiosa ubicaci�n y a sus combinaciones de climas, mismas que se ven alteradas gracias a la cordillera de los Andes, es uno de los pa�ses con mayor exportaci�n de cacao en el mundo, y es por tal raz�n que la econom�a del pa�s tambi�n se fundamenta en la exportaci�n de dicho producto.

En Am�rica el cacao era cultivado por los Mayas antes de la llegada de los espa�oles, es por eso que el cacao ha formado parte de la gastronom�a ind�gena desde tiempos antiguos, pero con la llegada de los espa�oles este fruto fue exportado para Europa convirti�ndose en el principal continente consumidor de cacao.(Guerrero, 2013)

En el Ecuador la producci�n de cacao se origina en la amazonia en la provincia de Zamora Chinchipe, para luego mediante intercambios de productos logr� expandirse por todo el territorio que posee clima c�lido. (Cuidate, 2021)

Al tener un incremento en la producci�n de cacao, se ha realizado varias investigaciones, debido a que por las condiciones clim�ticas no siempre es favorable secar el cacao de la misma manera en todos los lugares del Ecuador que se dedican a esta actividad. Al realizar el secado de cacao en gran escala es necesario automatizar el proceso, para cada uno de los sectores con variaci�n clim�tica, con el objetivo de conservar las caracter�sticas sensoriales del producto y minimizar los riesgos laborales.(Solano, 2017)

Al desarrollar la actividad de secado de cacao se debe considerar varias condiciones para que el producto sea de calidad, entre la m�s destacada es la Humedad; para obtener una humedad de excelencia en el cacao se desarrolla con anterioridad la fermentaci�n del fruto, dicho procesos dura aproximadamente entre dos a tres d�as, obteniendo un porcentaje de humedad entre 55 � 60 %. Luego de esta actividad el cacao se lo procesa en una m�quina secadora. (Vargas, 2016)

 

Metodolog�a

Para el desarrollo del actual trabajo de investigaci�n se lo realiza en dos fases. En la primera fase se determina con una investigaci�n Exploratoria todas las variables como la humedad, temperatura, periodo y carga de semilla, entre otras, mismas que intervienen directa o indirectamente en el proceso de secado de cacao. Adem�s, se analiza libros, art�culos cient�ficos, revistas que contenga informaci�n relacionada al proceso, con el objetivo de conocer las caracter�sticas del fruto. (P�rez & Contreas, 2017)

En la segunda fase con una investigaci�n Experimental se pretende optimizar el proceso de secado, esto se logra aplicando un m�todo deductivo para dise�ar en primera instancia un prototipo de maquina secadora de cacao de bajo costo pero que cumpla con los requerimientos, donde se experimenta el proceso, manipulando variables como temperatura, humedad velocidad de rotaci�n entre otras.

 

Cacao

Fruta considerada en el Ecuador como uno de los rubros m�s importantes en las exportaciones, conjuntamente con el banano, pescado, crust�ceos y las flores. Con una producci�n de 60 a 70 mil toneladas por a�o de cacao fino de aroma el Ecuador es considerado como el primer exportador de este fruto. (Barbecho Guaillas & Loja Juca, 2019)

En el mundo el 61% del cacao fino es ecuatoriano, esto se debe a que existen alrededor de 350000 hect�reas de cacao, acogiendo a un promedio de 500000 personas que trabajan en la producci�n. (Ganader�a, 2013). La producci�n se encuentra en todo el territorio del Ecuador continental, en sus regiones Costa, Amazonia y provincias de la Sierra ubicadas en las estribaciones de la cordillera Occidental. (Rivera Fern�ndez et al., 2012)

En el a�o 2011 en el Ecuador se alcanz� los 530 millones de d�lares en ventas de cacao, es por eso que es considerado uno de los productos con mayor aporte a la econom�a ecuatoriana, dichas ventas se ven influenciadas por los pa�ses consumidores de chocolates de alta calidad.(Vassallo, 2015)

 

Figura 1: Planta de Cacao

Fuente: (P�rez & Contreas, 2017)

 

En el territorio continental del Ecuador existen tres tipos de plantas de cacao:

Criollo: Es un �rbol fr�gil y de poco rendimiento en la producci�n, su grano es de cascara fina y suave sabor arom�tico, su fruto es utilizado para la fabricaci�n de los chocolates finos y exquisitos.� (Bentley, 2014)

Forastero: Es una planta muy fuerte y de gran resistencia, por lo que los productores conf�an en esta planta para sus sembr�os, facilita la recolecci�n, y es la m�s utilizada a nivel mundial para la producci�n de chocolates.(Bentley, 2014)

Trinitario: es una planta creada en la combinaci�n del criollo y forastero con la finalidad de obtener una planta con resistencia a las enfermedades y con un aroma suave. (Bentley, 2014)

 

Metodos de secado de cacao

El secado de cacao es una actividad muy importante ya que de esta acci�n depende mucho que el fruto mantenga sus caracter�sticas como el aroma, humedad, entre otras. Entre los m�todos de secado de cacao se destaca.

Secado Natural. Actividad que consiste en exponer el grano de cacao a los rayos solares, con la finalidad que alcance una temperatura ideal para el secado, esta actividad se lo realiza por un tiempo m�ximo de 5 d�as, y as� se obtiene el grano con un mejor aroma.�

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Figura 2: Secado natural de Cacao

Fuente: (AGRO, 2017)

 

Secado artificial. M�todo utilizado por los agricultores en �poca de invierno. Esta actividad es de f�cil aplicaci�n, pero econ�micamente var�a de acuerdo a la producci�n ya que se utiliza energ�a el�ctrica o combustibles para generar calor.(Jorge Siguencia, 2013)

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Figura 3: Secado artificial de cacao

Fuente: (Solano, 2017)

 

Humedad del cacao

El secado es un proceso que consiste en quitar la humedad que se encuentra en el fruto, en el caso de cacao luego de realizarse el fermentado el contenido de humedad var�a entre el 40 % y 50 % y esto se debe reducir al 6% o 7% para tener un almacenamiento seguro. En caso de no cumplirse con estos valores de humedad dar� como resultado el crecimiento de moho durante el almacenamiento del grano, produciendo una p�rdida de la cosecha. (Movil, 2017)

 

Temperatura de secado

La elecci�n de una temperatura incorrecta para el secado de cacao da paso a la formaci�n de microorganismos, produciendo as� una p�rdida de la cosecha. Para un secado correcto del fruto se debe considerar que el agua posee un punto de ebullici�n de 100 �C, valor por el cual el secado de cacao no se realiza inmediatamente luego de haber sido cosechado, este debe primero pasar por una fase de fermentaci�n. Y es as� que con una buena ventilaci�n y una temperatura m�nima aproximada de 70�C dentro de la secadora se considera que se obtendr� un correcto proceso de secado.�

 

Predise�o

Basados en la trasferencia de calor por convecci�n, mismo que se produce cuando existe una diferencia de temperatura entre un fluido en movimiento y una superficie, se establece el procedimiento de secado adecuado para el proyecto.

El secado de cacao es la disminuci�n de humedad del grano, por lo que en el proceso se debe obtener una buena ventilaci�n y una temperatura adecuada, es por eso que,� para el proceso se considera un secador rotatorio, ya que garantiza un movimiento continuo del grano, mejorando la ventilaci�n, y produciendo una temperatura constante en todo el proceso� (N��ez Solano, 2017)

Para obtener un correcto funcionamiento de nuestra maquina se realiza un pre dise�o con la ayuda de un software, en donde se considera los procesos que debe realizar nuestra m�quina de pruebas, entre lo m�s primordial obtener un proceso rotatorio de secado de grano

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Figura 4: Prototipo de maquina secadora

Fuente: Autores

 

Resultados

Para obtener un secado adecuado, el proceso y la maquinaria deben estar en total operatividad. Para garantizar las exigencias se debe calcular correctamente par�metros influyentes en el proceso.

Para determinar las variantes mec�nicas que interviene en el proceso de secado de caco se considera una masa de 4.5 Kg y una densidad de cacao 775 Kg/m3, y una velocidad angular de 44 rpm.

 

C�lculo de la potencia del motor

Datos:

Se calcula en volumen

El volumen m�nimo de la m�quina para no botar el producto se determina mediante: Vc x 6

V= 0,0348 m³ m�quina

Si se considera una longitud de nuestro prototipo de L=0,35, se calcula en di�metro de tambor para ser construido.

Para que el prototipo funcione adecuadamente y no tener fallas de operatividad es prudente realizar una multiplicaci�n por un factor de seguridad de 1.2

P=0,055 Hp

con la potencia encontrada se calcula el tipo de reducci�n de trasmisi�n y se construye el prototipo

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Figura 5: Maquina secadora con tambor rotatorio

Fuente: Autores

 

Con el prototipo de m�quina se realizan pruebas de tiempo de funcionamiento y humedad alcanzada, donde se var�a el tiempo para ver qu� porcentaje de humedad alcanza.

En la figura 6 se representa los valores correspondientes a la primera prueba con un tiempo de una hora.

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Figura 6. A) Detalle de humedad con un tiempo de exposici�n de una hora. B) Datos estad�sticos de la prueba uno.

Fuente: Autores

 

Posterior se realiza con un tiempo de exposici�n al calor de cincuenta minutos, valores que se encuentran representados en la figura 7.�

 

Figura 7: A) Detalle de humedad con un tiempo de exposici�n de cincuenta minutos. B) Datos estad�sticos de la prueba dos.

Fuente: Autores

 

Se procede a tomar datos de humedad con un tiempo de exposici�n de cuarenta y cinco minutos como se muestra en la figura 8.

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Figura 8: A) Detalle de humedad con un tiempo de exposici�n de cuarenta y cinco minutos. B) Datos estad�sticos de la prueba tres.

Fuente: Autores

 

Como la humedad se acerca a lo requerido se toma datos con un tiempo de exposici�n al calor de cuarenta y tres minutos y se los representa en la figura 9.

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Figura 9: A) Detalle de humedad con un tiempo de exposici�n de cuarenta y tres minutos. B) Datos estad�sticos de la prueba cuatro.

Fuente: Autores

 

En la figura 10, se representa datos de humedad con un tiempo de exposici�n al calor de cuarenta minutos

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Figura 10: A) Detalle de humedad con un tiempo de exposici�n de cuarenta minutos. B) Datos estad�sticos de la prueba cinco.

Fuente: Autores

 

Como los porcentajes de humedad est�n variando fuera del rango se toma una medici�n m�s como se lo representa en la figura 11, con un tiempo de variaci�n de 30 minutos

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Figura 11: A) Detalle de humedad con un tiempo de exposici�n de treinta. B) Datos estad�sticos de la prueba seis.

Fuente: Autores

 

Al encontrarnos con valores de humedad fuera del rango requerido para que el producto sea total mente aceptable seg�n los est�ndares de exportaci�n no se realiza m�s pruebas.

En la figura 12. se muestra el resultado de las pruebas en un tiempo de diez y cincuenta minutos de secado, con una concentraci�n de humedad de 2% y 4% respectivamente.

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Figura 12: A) Cacao al 2% de humedad. B) Cacao al 4% de humedad.

Fuente: Autores

 

El cacao con una consentraci�n de 7% a 5 % es ideal para que el fruto no pierda sus propiedades y aroma es por eso que en la figura 13 se observa grano con esos rangos de humedad.

 

Figura 13: Cacao con humedad al 7%.

Fuente: Autores

 

An�lisis de resultados

Para el prototipo de m�quina se establece un motor de 0.5 Hp mismo que con la ayuda de una banda trapezoidal tipo A #29, cumple con los par�metros de funcionamiento de secado de cacao.

En un tiempo superior a los 45 minutos de exposici�n al secado, el cacao baja considerablemente su humedad a porcentajes que oscilan entre los 5% a 2 %,

En un tiempo de exposici�n de 40 a 45 minutos el cacao presenta una humedad de 8% a 6%�

Para un tiempo menor a los 40 minutos los porcentajes de humedad en el fruto son excesivos.

 

Conclusiones

�         Una secadora de cacao rotatorio con calentamiento longitudinal, con capacidad de 10 libras funciona con una potencia calor�fica influenciada por GLP, con un motor de 0.5 HP y a una relaci�n de trasmisi�n de 50 rpm en el tanque rotatorio, conducida por una banda trapezoidal tipo A #29

�         Para que el cacao alcance una humedad entre el 8% a 6%, debe considerarse una velocidad de rotaci�n de 50 rpm, y una temperatura dentro del tanque que oscile los 80�C y 70�C, adem�s un tiempo de exposici�n de 40 a 45 minutos.

�         Con una temperatura de 80�C a 70�C y una velocidad de rotaci�n de 50 rpm, el fruto no se puede exponer m�s de los 45 minutos, es considerable la disminuci�n de humedad, pero el fruto que se obtiene pierde totalmente todas las propiedades especialmente el aroma.

�         El fruto con un tiempo de exposici�n menor a los 40 minutos presenta un alto porcentaje de humedad

 

Referencias

1.                AGRO, B. (2017). Importancia del secado de semillas de cacao. https://blog.agromaquinaria.es/la-importancia-del-secado-de-semillas/

2.                Barbecho Guaillas, A. F., & Loja Juca, J. C. (2019). Desarrollo de un prototipo de m�quina h�brida de secado de granos de cacao con sistema de control autom�tico de temperatura.

3.                Bentley, A. (2014). origen y los tipos de cacao. http://alicebentleychocolates.com/index.php?route=pavblog/blog&id=12

4.                Cuidate. (2021). cacao @ cuidateplus.marca.com. https://cuidateplus.marca.com/alimentacion/diccionario/cacao.html

5.                Ganader�a, M. de agricultura y. (2013). Presentaci�n del proyecto de Reactivaci�n del cafe y cacao nacional fino de aroma. https://www.agricultura.gob.ec/proyecto-de-reactivacion-de-cafe-y-cacao-nacional-fino-de-aroma-realizara-jornada-de-trabajo-conjunto-con-agricultores-del-canton-junin/

6.                Guerrero, G. (2013). Cacao Ecuatoriano su Historia. Www.Revistalideres.Ec. http://www.revistalideres.ec/lideres/cacao-ecuatoriano-historia-empezo-siglo.html

7.                Jorge Siguencia. (2013). Evaluaci�n de un secador solar inclinado con absorbedor de zeolita para granos de cacao.

8.                Movil, C. (2017). El secado del cacao. https://www.cacaomovil.com/

9.                N��ez Solano, S. J., Moscoso J�come, R. E., & Rivas Tufi�o, A. E. (2017). Automatizaci�n De Los Procesos De Secado Y Selecci�n Del Cacao Ecuatoriano Conservando Las Caracter�sticas Sensoriales Y Previniendo Riesgos Laborales. In Industrial Data (Vol. 20, Issue 2). https://doi.org/10.15381/idata.v20i2.13953

10.            P�rez, M., & Contreas, J. (2017). Gu�a de buenas pr�cticas de cosecha, fermentaci�n y secado para la producci�n de cacaos especiales. Coexca Cacao Fino y de Aroma, 22�41. https://www.swisscontact.org/fileadmin/user_upload/COUNTRIES/Colombia/Documents/Guia_de_buenas_practicas_de_poscosecha.pdf

11.            Rivera Fern�ndez, R. D., Barrera �lvarez, A. E., Guzm�n Cede�o, �. M., Medina Quinteros, H. N., Casanova Ferr�n, L. M., Pe�a Galeas, M. M., & Nivela Morante, P. E. (2012). EFECTO DEL TIPO Y TIEMPO DE FERMENTACI�N EN LA CALIDAD F�SICA Y QU�MICA DEL CACAO (Theobroma cacao L.) TIPO NACIONAL. Ciencia y Tecnolog�a, 5(1), 7�12. https://doi.org/10.18779/cyt.v5i1.77

12.            Solano, N. (2017). Automatizaci�n De Los Procesos De Secado Y Selecci�n Del Cacao Ecuatoriano Conservando Las Caracter�sticas Sensoriales Y Previniendo Riesgos Laborales. Industrial Data, 20(2), 21. https://doi.org/10.15381/idata.v20i2.13953

13.            Vargas, M. (2016). Proyecto de investigaci�n, previo a la obtenci�n del T�tulo de Ingeniero Mec�nico. https://repositorio.uta.edu.ec/bitstream/123456789/23076/1/Tesis I.M. 336 - Vargas Robles Marcos Teodoro .pdf

14.            Vassallo, M. (2015). Cadena del cacao en Ecuador. In Journal of Chemical Information and Modeling (Vol. 53, Issue 9). https://editorial.iaen.edu.ec/wp-content/uploads/2016/06/Cadena-del-cacao-en-Ecuador.pdf

 

 

 

� 2020 por los autores. Este art�culo es de acceso abierto y distribuido seg�n los t�rminos y condiciones de la licencia Creative Commons Atribuci�n-NoComercial-CompartirIgual 4.0 Internacional (CC BY-NC-SA 4.0)

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