Secado de granos

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El secado de granos es el proceso de secado de granos para evitar que se estropeen durante el almacenamiento . El secado artificial de granos utiliza procesos alimentados con combustible o electricidad que complementan los naturales, como el amontonamiento para secarlos al aire y al sol o el amontonamiento antes de la trilla . ^[1]

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Cientos de millones de toneladas de trigo , cebada , maíz , soja , arroz y otros granos como sorgo , semillas de girasol , colza / canola , avena , etc., se secan en secadoras de granos anualmente. ^[2] En los principales países agrícolas, el secado comprende la reducción de la humedad de aproximadamente 17-30% p/p (peso por persona de agua) a valores entre 8 y 15% p/p, dependiendo del grano. El contenido de humedad final para el secado debe ser adecuado para el almacenamiento. Cuanto más aceite tenga el grano, menor será su contenido de humedad de almacenamiento (aunque su humedad inicial para el secado también será menor). Los cereales a menudo se secan al 14% p/p, mientras que las semillas oleaginosas , al 12,5% (soja), 8% (girasol) y 9% (cacahuetes). El secado se lleva a cabo como un requisito para el almacenamiento seguro, con el fin de inhibir el crecimiento microbiano . Sin embargo, también se recomiendan temperaturas bajas durante el almacenamiento para evitar reacciones de degradación y, especialmente, el crecimiento de insectos y ácaros . Una buena temperatura máxima de almacenamiento es de unos 18 °C.

Los secadores más grandes se utilizan normalmente "fuera de la granja", en elevadores, y son del tipo continuo: los secadores de flujo mixto son los preferidos en Europa, mientras que los secadores de flujo cruzado en los Estados Unidos. En Argentina, ambos tipos son comunes. Los secadores de flujo continuo pueden producir hasta 100 toneladas métricas de grano seco por hora. La profundidad del grano que el aire debe atravesar en los secadores continuos varía de unos 0,15 m en los secadores de flujo mixto a unos 0,30 m en los de flujo cruzado. Los secadores por lotes se utilizan principalmente "en la granja", particularmente en los Estados Unidos y Europa. Normalmente consisten en un contenedor, con aire caliente que fluye horizontalmente desde un cilindro interno a través de una lámina metálica perforada interior, luego a través de un lecho de grano anular, de unos 0,50 m de espesor (coaxial con el cilindro interno) en dirección radial, y finalmente a través de la lámina metálica perforada exterior, antes de descargarse a la atmósfera. Los tiempos de secado habituales varían de 1 h a 4 h, dependiendo de la cantidad de agua que se deba eliminar, el tipo de grano, la temperatura del aire y la profundidad del grano. En los Estados Unidos, se pueden encontrar secadores de contraflujo continuos en las granjas, que adaptan un contenedor para secar lentamente el grano que se alimenta por la parte superior y se retira por la parte inferior del contenedor mediante un sinfín de barrido.

El secado de granos es un área de investigación activa. El rendimiento de un secador se puede simular con programas informáticos basados ​​en modelos matemáticos que representan los fenómenos involucrados en el secado: física, química física, termodinámica y transferencia de calor y masa. Más recientemente, los modelos informáticos se han utilizado para predecir la calidad del producto logrando un compromiso entre la velocidad de secado, el consumo de energía y la calidad del grano. Un parámetro de calidad típico en el secado de trigo es la calidad de panificación y el porcentaje de germinación, cuyas reducciones en el secado están algo relacionadas.

El secado comienza en la parte inferior del contenedor, que es el primer lugar en el que entra en contacto con el aire. El aire seco es llevado hacia arriba por el ventilador a través de una capa de grano húmedo. El secado se produce en una capa de 30 a 60 cm de espesor, que se denomina zona de secado. La zona de secado se desplaza desde la parte inferior del contenedor hasta la parte superior y, cuando llega a la capa más alta, el grano está seco. El grano que se encuentra debajo de la zona de secado tiene un contenido de humedad en equilibrio con el aire de secado, lo que significa que es seguro para el almacenamiento, mientras que el grano que se encuentra encima todavía necesita secarse. Luego, el aire sale del contenedor a través de un respiradero de escape.

El tiempo de almacenamiento permitido es una estimación del tiempo que se necesita para secar el grano antes de que se estropee y para mantener la calidad del grano durante el almacenamiento. En el proceso de almacenamiento de granos, los hongos o mohos son la principal preocupación. Muchos otros factores, como insectos, roedores y bacterias, también afectan las condiciones de almacenamiento. Cuanto más baja sea la temperatura del grano, más largo será el tiempo de almacenamiento permitido. ^[3]

Es posible almacenar los granos de forma segura durante un período prolongado si el contenido de humedad es inferior al 14 % y se almacenan lejos de insectos, roedores y pájaros. La siguiente figura muestra el contenido de humedad recomendado para un almacenamiento seguro. ^[4]

El contenido de humedad del grano está relacionado con la humedad relativa y la temperatura del aire circundante. El punto de equilibrio del contenido de humedad es el punto en el que el grano ya no pierde ni gana agua al entrar en contacto con el aire de secado. El contenido de humedad final del grano depende de la cantidad de humedad en el aire de secado, que es la humedad relativa. La humedad relativa baja significa que el aire está seco y tiene un gran potencial de absorber agua. Cuanto menor sea la humedad relativa, más seco será el aire. En general, la reducción de la mitad de la humedad relativa se debe a un aumento de 20° grados en la temperatura del aire. ^[5]

El aire caliente se puede utilizar en el proceso de secado de granos. No solo puede acelerar la migración de humedad dentro del grano, sino que también puede evaporar la humedad en la superficie. El principal problema del aire caliente para el proceso de secado es la temperatura del grano. El grano puede resultar dañado por temperaturas altas del grano. Por lo general, la temperatura del grano es inferior a la temperatura del aire. Para los diferentes usos del maíz, las temperaturas varían. Por ejemplo, para el maíz para semillas, la temperatura máxima es de 110 °F; para el maíz para alimentación del ganado, la temperatura máxima es de 180 °F.

El proceso de aireación se refiere al proceso de mover el aire a través del grano. El flujo de aire es una medida de la cantidad de aire en pies cúbicos por minuto (CFM). En el proceso de secado de granos, el tiempo de secado depende en gran medida de las tasas de aireación. Sin un flujo de aire suficiente, el grano puede dañarse antes de que se complete el secado. Se utilizan ventiladores para mover el aire a través del grano. ^[6]

El costo de secado se compone de dos partes: el costo de capital y el costo operativo. El costo de capital depende en gran medida de la tasa de secado requerida y del costo del equipo. El costo operativo se refiere al costo de combustible, electricidad y mano de obra. La cantidad de energía requerida para secar un bushel de grano es similar para todos los métodos de secado. Algunos métodos dependen en gran medida del aire natural, mientras que otros pueden usar calor LP o gas natural, lo que hace que el costo de la energía varíe. Básicamente, el combustible y la energía eléctrica son las principales porciones del costo operativo. ^[7] El costo de secado se basa en el consumo de BTU del cambio de temperatura del ambiente al deseado.

^[8]

Métodos de secado durante el almacenamiento

1. Secado a baja temperatura
2. Secado de múltiples capas

Métodos de secado por lotes

1. Secado por lotes en contenedores
2. Secado por lotes en columna

Métodos de secado de flujo continuo

1. Secado de flujo cruzado
2. Secado a contracorriente
3. Secado de flujo concurrente

Los métodos de secado en almacenamiento se refieren a aquellos granos que se secan y almacenan en el mismo contenedor. El secado a baja temperatura, también conocido como secado cercano al ambiente, es uno de los métodos de secado en almacenamiento. Hay cuatro factores principales que influyen en el secado a baja temperatura: la variabilidad del clima, el contenido de humedad de la cosecha, el flujo de aire en el contenedor de almacenamiento y la cantidad de aire caliente. ^[9] La mayoría de los secadores de baja temperatura están diseñados para secar el grano lo más lentamente posible, mientras que al mismo tiempo se deteriora menos el grano. Se sugiere que el sistema de secado a baja temperatura funciona mejor cuando la temperatura diaria promedio está entre 30 °C y 50 °C. En lugar de controlar la temperatura del aire de secado, el secado a baja temperatura se centra en la humedad relativa para lograr un contenido de humedad de equilibrio (EMC) en todas las capas de grano. ^[10] El proceso de secado a baja temperatura generalmente demora de 5 días a varios meses, depende de varias variables importantes: el clima, el flujo de aire, el contenido de humedad inicial y la cantidad de calor utilizado. Entre los cuales, el flujo de aire es el factor clave. Sin una tasa de flujo de aire adecuada, se producirá el deterioro antes de que se complete el secado. Al utilizar aire caliente (calor LP, calor eléctrico y calor solar), la humedad relativa del aire de secado se controla mejor para lograr el contenido de humedad deseado. Por lo general, el secador de aire caliente se utiliza cuando la humedad relativa es mayor del 70%. En los secadores de calor eléctrico, generalmente se coloca un calentador resistente eléctrico antes del ventilador para calentar la corriente de aire. En algunos casos, se utiliza un humidistato para controlar el calentador. En los secadores de calor solar, el aire de secado pasa primero a través del colector solar para calentarse (generalmente un aumento de 10 a 12 °F), luego ingresa al contenedor a través del ventilador y el motor. Las ventajas del secado a baja temperatura en el almacenamiento son el llenado rápido, el producto de alta calidad, la menor necesidad de equipo; mientras que las desventajas son el largo tiempo de secado, la demanda eléctrica si se utiliza calor eléctrico, las altas habilidades de gestión y el contenido de humedad de la cosecha incierto.

El método de secado de múltiples capas se refiere al uso de calor LP o gas natural para secar el maíz. En comparación con los métodos de baja temperatura, el secado de múltiples capas requiere temperaturas más altas, lo que da como resultado un tiempo de almacenamiento permitido más corto. El secado de múltiples capas sin agitación es el método básico de secado de múltiples capas, en el que la corriente de aire ingresa a través de un calentador LP mediante un ventilador. Por lo general, la temperatura aumenta después del quemador LP para evitar el secado excesivo en las capas inferiores del contenedor. Tan pronto como el maíz se seca en el contenedor, el quemador se apaga y el ventilador se utiliza para llevar el maíz a temperatura ambiente. Las ventajas del secado de múltiples capas sin agitación son poca manipulación del maíz y el contenedor se puede usar como secador o almacenamiento; las desventajas son el llenado lento y el secado excesivo en las capas inferiores (Bern y Brumm, 2010). El secado de múltiples capas con agitación no solo puede secar el equilibrio del grano de arriba a abajo, sino que también reduce la resistencia del aire del grano. Además, el uso del sistema de agitación puede evitar el problema del secado excesivo en la capa inferior y dar un contenido de humedad de grano uniforme en todo el contenedor. Una vez finalizado el secado, se apaga el quemador mientras se utilizan el ventilador y el agitador para mezclar el maíz y lograr un contenido de humedad y una temperatura uniformes. Las ventajas de agregar agitación son evitar el secado excesivo y acelerar el secado y la velocidad de llenado permitida; las desventajas del sistema de agitación son los gastos adicionales y la disminución de la capacidad del contenedor.

En los métodos de secado por lotes, primero se coloca cierta cantidad de grano, generalmente de 2 a 4 pulgadas, el lote se seca y se enfría más tarde, luego se detiene el secado y se retira el lote. Los secadores por lotes generalmente funcionan bajo esta secuencia y repiten esta secuencia varias veces. Los métodos de secado por lotes de tolva emplean un piso perforado completo como secador. Sin agitación, hay una gran variedad de equipos disponibles y el lote se puede usar como secador y enfriador, pero puede haber un gran gradiente de humedad de arriba a abajo y pérdida de tiempo en el proceso de carga y descarga. Al agregar un sistema de agitación, se evita el problema del contenido de humedad de equilibrio, sin embargo, el agitador es un gasto adicional. Cuando se usa un secador de techo por lotes de tolva, se puede resolver el problema de pérdida de tiempo. Hay un piso de secado debajo del techo de la tolva y el ventilador y el quemador de secado están instalados en lo alto de la pared de la tolva. Cuando se completa el proceso de secado, el grano se coloca en el piso regular de la tolva, por lo que se reduce el tiempo de descarga. Sin embargo, no hay retención de grano húmedo en los secadores de techo por lotes de tolva y hay más gastos en máquinas.

La columna formada en este tipo de secador está formada por dos láminas de acero perforadas verticales, cada una de aproximadamente 12 pulgadas de espesor. La capacidad de los secadores de lotes de columna es demasiado pequeña para almacenar granos. Las ventajas de los secadores de lecho fijo de lotes de columna son que son fáciles de mover y que el secador se puede usar como enfriador; mientras que las desventajas son la pérdida de tiempo durante el enfriamiento, la carga y la descarga y la distribución desigual de la humedad cuando se completa el secado. Cuando se utiliza un secador de recirculación de lotes de columna, se evita el problema de la variación del contenido de humedad, pero el proceso de manipulación adicional puede provocar el deterioro del grano.

Los secadores de flujo cruzado son uno de los secadores de flujo continuo más utilizados. En el secador de flujo cruzado, la corriente de aire es perpendicular al flujo de grano. Entonces, el grano cerca del aire de secado se seca en exceso, mientras que en el otro lado, el grano se seca por debajo de lo debido. Existe un gradiente de humedad cuando se completa el secado. En realidad, cuanto menor sea la tasa de flujo de aire, mayor será la variación del contenido de humedad del grano entre los dos lados de la columna. ^[11]

En el secador de flujo concurrente, tanto el grano como el aire se mueven en la misma dirección, lo que significa que el grano más húmedo se somete al aire de secado más caliente. Los granos salen de la región de secado a la misma temperatura y con el mismo contenido de humedad. La eficiencia energética es un 40 % mejor en comparación con el secador de flujo cruzado. Sin embargo, la profundidad del lecho debe ser mayor a 12 pulgadas que en el tipo de flujo cruzado. Por lo tanto, los requisitos de potencia del ventilador son altos en este tipo de secador.

En el secador de contraflujo, el grano y el aire se mueven en direcciones opuestas, lo que significa que el grano más seco se somete al aire de secado más caliente. Los granos salen de la región de secado a la misma temperatura y la misma humedad que en los secadores de flujo concurrente. Las temperaturas del aire sugeridas son inferiores a 180 °F porque los granos más secos tienen más probabilidades de resultar dañados por el aire caliente.

El contenido de humedad de conservación de los distintos tipos de girasoles es diferente. Los girasoles oleaginosos se secan mejor hasta alcanzar un 9 por ciento de contenido de humedad, mientras que los girasoles de semillas de pájaros tienen un 10 por ciento de contenido de humedad. En comparación con el secado de maíz, los girasoles se secan más fácilmente y se conservan en un almacenamiento seguro. Además, las altas temperaturas pueden no tener efectos adversos en las semillas de girasol, lo que puede ser la razón de la composición de ácidos grasos. No hubo evidencia de daños cuando el aire se calentó hasta 220 °F durante el secado. Sin embargo, los pelos y fibras finas en la cubierta de las semillas de girasol pueden causar peligro de incendio. Se sugiere eliminar primero las partículas en llamas al calentar los girasoles.

La cubierta de la semilla de frijol es bastante frágil y se daña fácilmente al agrietarse y partirse, lo que puede ocasionar pérdidas al productor. Algunos estudios sobre frijoles sugieren que para evitar el agrietamiento, es mejor mantener el aire de secado por encima del 40 por ciento de humedad relativa. ^[12]

Al secar los granos de maíz es importante tener en cuenta que las grietas y fracturas en el maíz pueden provocar muchos problemas tanto en el almacenamiento como en el procesamiento. El principal problema que se produce por el secado a alta temperatura y el posterior enfriamiento rápido del grano es el agrietamiento por tensión. El agrietamiento por tensión se produce cuando se forman fracturas en el endospermo del maíz. Los granos agrietados por tensión suelen absorber agua demasiado rápido, tienen más probabilidades de romperse y son cada vez más susceptibles a daños por insectos y moho durante el almacenamiento en seco. Para reducir la cantidad de grano que se pierde debido al agrietamiento por tensión, se deben emplear métodos de secado a temperatura media y enfriamiento lento, o aire natural y baja temperatura. ^[13]

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La era en la que millones de toneladas de grano se secan mediante secadoras alimentadas con combustible o eléctricas a escala industrial de manera rutinaria no comenzó hasta la era de posguerra, después de la Segunda Guerra Mundial. Su advenimiento fue necesario para el advenimiento de la cosecha con cosechadoras ubicuas en todas las regiones, incluso las húmedas y las más frías de latitudes más altas, ya que la cosecha no implica un intervalo de tiempo entre la cosecha y la trilla, a diferencia de la cosecha tradicional de granos de cereales, que implicaba sacudir ( apilar ) el grano y dejarlo secar al aire durante semanas en un paso intermedio antes de la trilla. Tan recientemente como en la década de 1930, cuando Cyrus McCormick III escribió su historia seminal de la mecanización de la cosecha de granos ( El siglo de la segadora ), la destreza mecánica del diseño de cosechadoras ya había avanzado sustancialmente, pero la humedad del grano todavía representaba una gran barrera para extender la cosecha a la ubicuidad. El avance general de la manipulación mecanizada de materiales a granel que se produjo a mediados del siglo XX fue coherente con estos otros aspectos interrelacionados de los nuevos sistemas, incluidos los camiones muy avanzados , los equipos de agricultura energética, la construcción de carreteras , la electrificación , la infraestructura de distribución de GLP y fueloil , etc. Todos estos factores actuando en conjunto fueron necesarios para hacer posible la era en la que los seres humanos producen granos en abundancia asequible con una amplia mecanización y muy poca mano de obra por tonelada.