El secado es una operación unitaria fundamental en la preservación de productos agrícolas y en la industria alimentaria. Este proceso implica la remoción de agua o algún otro compuesto volátil por evaporación, lo que permite obtener un producto sólido y alargar su vida útil. Muchas enzimas y microorganismos que causan cambios químicos en los alimentos no pueden crecer y desarrollarse en ausencia de agua.
En el caso de la yuca (Manihot esculenta Crantz), cuyo contenido de humedad varía entre el 60% y el 65%, el secado es crucial para evitar grandes pérdidas de poscosecha. La eliminación de la mayor parte del agua contenida en las raíces de la planta busca obtener un producto seco con un 12-14% de humedad, apto para un almacenamiento prolongado.
Factores Clave en la Cinética de Secado de la Yuca
Diversos aspectos influyen directamente en la pérdida de humedad del material a deshidratar y, por ende, en la cinética de secado. Estos incluyen la geometría y el espesor del producto, así como las propiedades del aire utilizado en el proceso, tales como la humedad relativa, la temperatura y la velocidad del aire. Modelar las curvas de secado de productos biológicos, como la yuca, se convierte en una herramienta esencial para comprender los fenómenos que rigen su comportamiento.
Estudio de la Cinética de Secado de la Variedad CORPOICA M-tai
Una investigación se centró en determinar la cinética y los parámetros cinéticos del secado de la yuca (Manihot esculenta Crantz) variedad CORPOICA M-tai, con el objetivo de proporcionar datos para el diseño de secadores industriales. Para ello, se empleó un secador de bandejas a escala de laboratorio. Las muestras de yuca, con un espesor de 0,2 cm y un diámetro de 0,4 cm, fueron colocadas en el equipo en contacto directo con aire caliente bajo distintas condiciones de operación.
Metodología Experimental
Se evaluó el efecto de la temperatura (35, 45 y 55°C) y la velocidad del aire (1,0, 2,0 y 3,0 m/s) sobre el tiempo de secado y la difusividad efectiva. Para la construcción de las curvas de secado, se realizaron corridas experimentales a estas temperaturas de bulbo seco y velocidades del aire. Se obtuvieron los datos para la construcción de las curvas de humedad en base seca (X) con respecto al tiempo, realizándose tres repeticiones por cada condición operativa para asegurar resultados estadísticamente representativos.
La obtención de las muestras de yuca se realizó utilizando la variedad CORPOICA M-tai en estado fresco, suministrada por la Planta Productora de almidón de yuca "ALMIDONES DE SUCRE S.A.S.". Estas fueron sometidas a tratamientos previos como selección, clasificación, lavado, pelado, corte y pesaje. El peso seco de las muestras y la humedad inicial del producto se determinaron mediante el método de estufa a 105°C durante 24 horas.
Para el control del proceso, se utilizó un secador de bandejas construido en acero inoxidable AISI 304, equipado con:
- Una cámara de secado de 450 x 450 x 450 mm con cuatro bandejas de acero inoxidable.
- Un sistema de control PID de velocidad del aire con un caudal máximo de 3,1 m³/h.
- Nueve resistencias eléctricas de 300 W y un tiristor para el control de potencia.
- Una balanza electrónica con pantalla digital (divisiones de 0,1 g).
- Dos transmisores combinados de temperatura/humedad (escalas de -40 a 60°C y de 0 a 100% de Humedad Relativa).
- Un anemómetro digital (escalas de 0 a 10 m/s).
La pérdida de peso de las muestras se determinó en intervalos de 5 minutos durante la primera hora, 10 minutos para la segunda hora y 15 minutos en adelante, hasta alcanzar un peso constante.
Modelos Cinéticos y Resultados
Los datos obtenidos de las curvas de secado se ajustaron a varios modelos matemáticos, incluyendo el de Newton, el de Dos términos exponencial, el de Wang y Singh, el de Henderson y Pabis modificado, y el de Difusión aproximal. El modelo que mejor describió el comportamiento cinético de las curvas de secado fue el modelo de Difusión aproximal, con un coeficiente de regresión lineal (R²) que varió entre 0,958 y 0,993.
Los resultados indicaron que la temperatura y el flujo de aire tienen una influencia significativa. A una temperatura de 55°C y una velocidad de aire de 3,0 m/s, el tiempo de secado fue de 4,5 horas, alcanzando una humedad final del 4,87%. Se observó que al aumentar la temperatura, se incrementa la velocidad de pérdida de humedad libre. Por ejemplo, a una temperatura constante de 35°C y 3,0 m/s, el tiempo de secado de la yuca variedad M-tai fue de aproximadamente 7,0 horas, un 28,6% menor que a 2,0 m/s y un 71,4% menor en comparación con 1,0 m/s.
Difusividad Efectiva y Energía de Activación
La difusividad efectiva (Df) de la yuca varió entre 1,26 x 10⁻¹⁰ y 4,14 x 10⁻¹⁰ m²/s. Este coeficiente se determinó a partir de la aplicación de la segunda ley de difusión de Fick, graficando el logaritmo de la razón de humedad en función del tiempo. La energía de activación (Ea) varió entre 33,66 y 16,16 KJ/mol, calculada mediante la ecuación de Arrhenius a partir de los valores de Df.
Sistemas de Secado de Yuca
Tradicionalmente, el secado de yuca en la costa atlántica colombiana se realiza mediante procesos de secado natural en piso, lo que resulta en largos tiempos de secado y dependencia de las condiciones climáticas. Por esta razón, se han investigado y desarrollado técnicas de secado más eficientes y de bajo costo, incluyendo sistemas que combinan diferentes fuentes de energía.
Secador Solar Híbrido-Biomásico
Evaluación de Secado Híbrido en Yuca Variedad Venezolana
Se realizó un estudio de secado de 5 kg de yuca variedad venezolana utilizando un sistema híbrido de calentamiento de aire por combustión de biomasa y radiación solar. El proceso se llevó a cabo en tres modos de operación: solar, híbrido y combustión de biomasa. La humedad inicial de la yuca era del 62% y se buscó alcanzar una humedad final del 12%.
Secado en Modo Solar
Para las pruebas en modo solar, la temperatura de secado se estableció en 50°C. El tiempo de secado fue de 19 horas y 15 minutos, distribuidos en seis días. La velocidad de secado obtenida fue de 0,147 kg de agua por hora. La temperatura en el interior del secador osciló entre 40°C y 61°C, con un promedio de 47 ± 3,44°C, y una eficiencia de los colectores solares de aproximadamente el 43,91%.
La curva de tiempo de secado en este modo mostró una línea casi recta con pendiente negativa, indicando la presencia de un período de velocidad de secado constante hasta que la humedad de la yuca alcanzó el 12%.
Secado en Modo Híbrido
En el modo híbrido, que combinó energía solar y combustión de biomasa (cascarilla de arroz), el tiempo de secado fue de 16 horas y 45 minutos, distribuidos en tres días. La temperatura de secado se fijó en 70°C, y la velocidad de secado fue de 0,169 kg de agua por hora. Este modo presentó un consumo de cascarilla de arroz de 4,5 kg por kg de yuca húmeda. La temperatura del aire dentro del secador varió entre 36°C y 97°C, con un promedio de 57 ± 11,55°C. La eficiencia del componente solar fue del 43,91% y la del quemador de biomasa del 36,72%, resultando en una eficiencia total del sistema del 16,12%. La textura de la yuca obtenida en este modo fue agradable.
Secado en Modo de Combustión de Biomasa
El modo de combustión de biomasa, operando también a 70°C, registró un tiempo de secado de 16 horas y 50 minutos, similar al modo híbrido, con una velocidad de secado equivalente de 0,169 kg de agua por hora. Sin embargo, el consumo de combustible fue mayor, con 7,56 kg de cascarilla de arroz por kg de yuca húmeda. La temperatura del aire en el interior del secador varió entre 27°C y 98°C, con un promedio de 52 ± 15,09°C. La eficiencia térmica del quemador y del sistema fue del 28,18%. A diferencia de los otros modos, el producto obtenido presentó suciedad superficial debido a los gases de combustión.
Comparativamente, las eficiencias de los colectores solares en los modos solar e híbrido fueron aproximadamente iguales (43,91%).
Otros Aspectos de Transferencia de Calor y Preservación
Difusividad Térmica del Masato de Yuca
Otra investigación se propuso determinar la difusividad térmica del masato (masa de yuca fermentada diluida) en un rango de humedades del 74,36% al 95%. La difusividad térmica es una propiedad clave para entender cómo el calor se propaga a través de un material. La humedad de la masa de yuca fermentada obtenida tuvo un valor promedio de 74,36% con una desviación estándar de ± 0,19%. La densidad promedio fue de 1,07387 ± 0,001 g/ml, y los sólidos solubles de 21,83 °Brix con una desviación estándar de ± 0,7638 °Brix.
Efecto de la Temperatura en el Almacenamiento
La yuca es un tubérculo altamente perecedero que puede sufrir de estriado vascular, manifestándose como haces negro-azulados en el parénquima. Para mitigar esto, se estudió el efecto de la temperatura de conservación y el tiempo entre la recolección y el procesado sobre la calidad de la yuca entera. Se evaluaron temperaturas de 25, 10 y 5°C durante periodos de 18 horas o 2 días + 18 horas (66 horas), demostrando la importancia del control térmico para la preservación de la calidad poscosecha.
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