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Modelización de la operación de secado de malta, por aire caliente, en lecho fijo y en capa profunda
Miguel Llorca Marqués
I S B N: 84-89727-64-3 Depósito Legal: S. 54-98
Servei de Publicacions Universitat de Lleida
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AGRADECIMIENTOS
Deseo expresar mi más sincera gratitud a la Dirección de la maltería "LA MORAVIA, S.A." (de Cervezas DAMM, S.A.) que ha hecho posible la realización de estas investigaciones.
A mi compañero y amigo Joan Cecilia Averós por su inestimable ayuda en la resolución de ecuaciones diferenciales.
A todos mis compañeros de trabajo y a los componentes del Departamento de Ingeniería Agroforestal de la E.T.S.E.A. de Lleida por la ayuda y apoyo prestados durante el desarrollo de esta Tesis.
A Antonio López Gómez, Director de esta Tesis, que ha considerado este trabajo como propio aportando sus conocimientos y su tiempo libre.
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A Mari, Miguel, Marian, Mª Emilia y Mima.
ÍNDICE GENERAL
1.- ANTECEDENTES
1.1.- PRODUCCIÓN DE MALTA. SITUACIÓN ACTUAL Y PERSPECTIVAS 1.1.1.- España
1.1.2.- Resto del mundo 1.1.2.1.- Europa
1.1.2.2.- Resto del mundo
1.1.3.- La cebada como materia prima para la fabricación de malta 1.1.3.1.- Evolución de la producción y perspectivas
1.1.3.1.1.- España
1.1.3.1.2.- C.E.E. y resto de Europa 1.1.4.- La cerveza como producto final
1.1.4.1.- Evolución de la producción 1.1.4.2.- Evolución del consumo
1.2.- RELACIÓN ENTRE LA CALIDAD DE LA MALTA Y EL PROCESO DE SECADO 1.2.1.- Parámetros de calidad de la malta
1.2.2.- Influencia de las condiciones de secado sobre la calidad de la malta
1.3.- IMPORTANCIA DEL CONSUMO ENERGÉTICO EN LA FABRICACIÓN DE MALTA 1.4.- PROPIEDADES FÍSICAS Y TÉRMICAS DE LA MALTA
1.4.1.- Dimensiones físicas de la malta 1.4.2.- Calor específico
1.4.3.- Calor latente de vaporización del agua en la malta verde 1.4.4.- Coeficiente de transferencia de calor aire-malta verde 1.4.5.- Densidad de la malta verde
1.4.6.- Contracción del lecho de malta verde durante el secado 1.4.7.- Isotermas de humedad de equilibrio
1.4.7.1.- Introducción 1.4.7.2.- Isoterma de Caurie 1.4.7.3.- Isoterma de Chung-Pfost 1.4.7.4.- Isoterma de G.A.B.
1.4.7.5.- Isoterma de Halsey 1.4.7.6.- Isoterma de Henderson 1.4.7.7.- Isoterma de Oswin 1.4.7.8.- Isoterma de Smith
1.5.- ECUACIONES DE VELOCIDAD DE SECADO DE CEREALES EN CAPA FINA 1.5.1.- Ecuaciones de velocidad de secado
1.5.2.- Constantes de secado
1.6.- MODELOS DE SIMULACIÓN DEL SECADO DE CEREALES EN LECHO PROFUNDO
1.6.1.- Introducción
1.6.2.- Ecuaciones generales del proceso de secado 1.6.3.- Modelos existentes
1.7.- OBJETIVOS 2.- MATERIAL Y MÉTODOS
2.1.- PLAN DE TRABAJO
2.2.- MATERIA PRIMA UTILIZADA EN LAS EXPERIENCIAS 2.3.- MÉTODOS ANALÍTICOS
2.3.1.- Determinación de la calidad de la malta 2.3.1.1.- Extracto
2.3.1.2.- Diferencia fina-gruesa 2.3.1.3.- Proteína total
2.3.1.4.- Proteína soluble
2.3.1.5.- Color
2.3.1.6.- Sobrecoloración 2.3.1.7.- Friabilidad 2.3.1.8.- Vitrosidad 2.3.1.9.- Índice Kolbach
2.3.1.10.- Índice Hartong a 45EC 2.3.1.11.- Viscosidad
2.3.1.12.- Atenuación límite 2.3.1.13.- Índice de Calidad
2.3.2. - Determinación de la humedad de la malta
2.3.3.- Determinación de las isotermas de humedad de equilibrio 2.3.4.- Determinaciones realizadas en secado industrial
2.3.4.1.- Caudal volumétrico del aire 2.3.4.2.- Características del aire de secado 2.3.4.3.- Densidad inicial de la malta verde
2.3.4.4.- Coeficiente de contracción del lecho de secado 2.3.4.5.- Sistema de adquisición de datos
2.3.5.- Experimentación en planta piloto
2.4.- TRATAMIENTO ESTADÍSTICO DE LOS RESULTADOS
2.4.1.- Análisis estadístico aplicado en la determinación de las isotermas de equilibrio 2.4.2.- Análisis estadístico de los resultados de los experimentos de secado en capa fina 2.5.- MÉTODO DE SIMULACIÓN DEL SECADO DE MALTA EN LECHO PROFUNDO
2.5.1.- Ecuación del balance de agua 2.5.2.- Ecuación de velocidad de secado
2.5.2.1.- Ecuación exponencial simple 2.5.2.2.- Ecuación de Page
2.5.2.3.- Ecuación de difusión de la humedad dentro del grano 2.5.3.- Ecuaciones de balance de calor y de transferencia de calor
2.5.3.1.- Modelo de Nellist
2.5.3.1.1.- Ecuación del balance de calor 2.5.3.1.2.- Ecuación de transferencia de calor 2.5.3.2.- Modelo de Ingram
2.5.3.2.1.- Ecuación del balance de calor 2.5.3.2.2.- Ecuación de transferencia de calor 2.5.3.3.- Modelo de Tuerlinckx
2.5.3.3.1.- Ecuación del balance de calor 2.5.3.3.2.- Ecuación de transferencia de calor 2.5.3.4.- Modelo de Noomhorm y Verma
2.5.4.- Cálculo de las propiedades del aire húmedo
2.5.5.- Cálculo de las propiedades físicas y térmicas de la malta
2.5.6.- Solución del algoritmo de simulación del secado de malta en capa profunda 2.5.6.1.- Procedimiento general
2.5.6.2.- Proceso de rehumidificación
2.5.6.3.- Proceso de recirculación del aire de secado 3.- RESULTADOS Y DISCUSIÓN
3.1.- EVOLUCIÓN DE LAS PROPIEDADES DEL AIRE Y DE LA MALTA DURANTE EL SECADO
3.1.1.- Densidad de la malta y contracción del lecho de secado 3.1.1.1.- Densidad de la malta verde
3.1.1.2.- Contracción del lecho
3.1.2.- Evolución de la humedad de la malta durante el secado en capa profunda 3.1.3.- Isotermas de humedad de equilibrio de la malta
3.1.3.1.- Resultados experimentales
3.1.3.2.- Modelización de los resultados
3.1.4.- Experiencias de secado de malta en capa fina
3.1.5.- Evolución de las propiedades del aire durante el secado 3.1.5.1.- Temperatura y humedad relativa
3.1.5.2.- Presión del aire
3.1.5.3.- Caudal del aire de secado
3.2.- EVOLUCIÓN DE LA CALIDAD DE LA MALTA DURANTE EL PROCESO DE SECADO
3.3.- ALGORITMO DE SIMULACIÓN DEL SECADO DE MALTA EN LECHO PROFUNDO
3.3.1.- Planteamiento
3.3.2.- Implementación del algoritmo en un programa de ordenador 3.3.3.- Resultados de la simulación del secado de malta en capa profunda
3.3.3.1.- Humedad de la malta
3.3.3.2.- Temperatura , humedad relativa y humedad absoluta del aire de secado 3.3.3.3.- Temperatura de la malta
3.3.3.4.- Consumo energético del proceso de secado de la malta 3.3.4.- Comparación de los modelos de secado en capa profunda
3.4.- POSIBILIDADES DE MODIFICACIÓN DE LAS CONDICIONES DE SECADO INDUSTRIAL DE MALTA VERDE
4.- CONCLUSIONES 4.1.- GENERALES
4.2.- ISOTERMAS DE HUMEDAD DE EQUILIBRIO DE LA MALTA 4.3.- ECUACIONES DE VELOCIDAD DE SECADO EN CAPA FINA
4.4.- EVOLUCIÓN DE LA CALIDAD DE LA MALTA DURANTE EL PROCESO DE SECADO
4.5.- COMPARACIÓN DE LOS MODELOS DE SECADO EN CAPA PROFUNDA 4.6.- TRABAJOS FUTUROS
5.- BIBLIOGRAFÍA 6.- ANEJOS
ANEJO Nº 1.- DESARROLLO DETALLADO DE LA RESOLUCIÓN DEL MODELO DE DIFUSIVIDAD DEL AGUA DENTRO DEL GRANO DE CEREAL
ANEJO Nº 2.- PARÁMETROS OBSERVADOS EN LOS SECADOS INDUSTRIALES Nº: 51, 56 Y 224
ANEJO Nº 3.- AJUSTE ISOTERMAS DE HUMEDAD DE EQUILIBRIO
ANEJO Nº 4.- COMPARACIÓN MODELOS PAGE-BALA-EXPERIMENTAL SECADOS CAPA FINA
ANEJO Nº 5.- PARÁMETROS DE CALIDAD DE MALTA OBSERVADOS A LAS DIFERENTES PROFUNDIDADES DEL LECHO DE SECADO
ANEJO Nº 6.- COMPARACIÓN DE LOS MODELOS DE SIMULACIÓN
ANEJO Nº 7.- PROGRAMA DE SIMULACIÓN DEL SECADO INDUSTRIAL DE MALTA
LISTA DE SÍMBOLOS
A área de transferencia de calor, en m2 Ai área del rectángulo i, en m2
aw actividad de agua
Ca calor específico del aire, en kJ/(kg·EC)
Cg calor específico del grano de malta, en kJ/(kg·ºC) Cm calor específico de la malta, en kJ/(kg·EC)
Cp calor específico del producto, en kJ/(kg·C) Cv calor específico del vapor de agua, en kJ/(kg·C) Cw calor específico del agua líquida, en kJ/(kg·EC) d diámetro de partícula, en m
de diámetro efectivo de partícula, en m Def coeficiente de difusividad efectiva dm densidad de la malta seca, kg/m3 dt intervalo de tiempo, en minutos
)Tm diferencia de temperaturas medias entre el fluido y la superfície del grano, en K )z espesor de la capa elemental de malta, en metros
Ea energía de activación de la difusión, en cal/mol G velocidad de flujo másico del aire, en kg/(m2·s) Gv caudal volumétrico de aire, en m3/s
ha coeficiente volumétrico de transferéncia del calor, en kJ/(m3·min·EC) hc coeficiente de transferencia de calor superficial por convección, en W/m2·K hcs coeficiente de transferencia de calor superficial, en kJ/m2·s·K
hcv coeficiente de transferencia de calor superficial por convección, en J/m3·s·K HR humedad relativa del aire, ratio
0vt rendimiento característico de los ventiladores ia entalpia del aire, en kcal/kg a.s.
jh factor de Colburn para transferencia de calor K conductividad térmica del aire, en kJ/m·s·K k constante de secado, en min-1
ks factor de profundidad
L calor latente de vaporización del agua, en kJ/kg agua
Li calor latente de vaporización del agua en el material i, en kJ/kg
M(z,t) humedad del cereal en la capa elemental (z, z + *z), en el intervalo de tiempo t Me contenido de humedad de equilibrio (b.s.), en porcentaje
Mh humedad de la malta (b.h.), en porcentaje mh humedad de la malta (b.s.), en ratio
Mh (a,b) humedad de la malta de la capa "a" en el tiempo de secado "b"(b.h.), en porcentaje mh (a,b) humedad de la malta de la capa "a" en el tiempo de secado "b"(b.h.), en ratio
Mis humedad del material i (b.s.), en porcentaje Moh humedad inicial de la malta (b.h.), en porcentaje mos humedad de la malta inicial (b.s.), en ratio Mos humedad inicial de la malta (b.s.), en porcentaje MR ratio de humedad
Ms humedad de la malta (b.s.), en porcentaje ms humedad de la malta (b.s.), en ratio
Ms (a,b) humedad de la malta de la capa "a" en el tiempo de secado "b"(b.s.), en porcentaje ms (a,b) humedad de la malta de la capa "a" en el tiempo de secado "b"(b.s.), en ratio Msup humedad de la superfície del grano (b.s.), en porcentaje
n número de medidas realizadas
N potencia consumida por los ventiladores, en kW
p Presión del aire, en bars
p' presión del vapor de agua en el grano de malta verde, en bars pat presión atmosférica, en N/m2
pdin presión dinámica del aire a la salida de los ventiladores, en mm c.a.
Pest presión estática del aire a la salida de los ventiladores, en mm c.a.
po presión de vapor de saturación del agua a la temperatura del sólido, en Pa po presión de vapor del agua pura a la temperatura del sólido, en bars
ps Presión del vapor saturado, en bars Qc calor transferido por convección, en W R constante de los gases, en J/(K·mol) S área de paso del flujo de aire, en m2
s coeficiente de contracción del lecho de malta, en % Sc sección de la caja del secadero de malta
so máxima contracción posible del lecho de malta, en porcentaje Sp esfericidad
T temperatura absoluta, en K t tiempo, en minutos
Ta temperatura absoluta del aire, en K
Ta (a,b) temperatura del aire de entrada a la capa "a" en el tiempo de secado "b", en EC Ta (z + *z, t) temperatura del aire de salida en la capa elemental (z, z + *z), en el momento t Ta (z,t) temperatura del aire de entrada a la capa elemental (z, z + *z), en el momento t teq tiempo equivalente de secado, en minutos
Tg temperatura del grano de cereal, en K Tm temperatura de la malta, en EC
Tm (a,b) temperatura de la malta de la capa "a" en el tiempo de secado "b", en EC
Tm (z,t) temperatura del cereal en la capa elemental (z, z + *z), en el intervalo de tiempo t Tmo temperatura inicial de la malta verde, en K
u constante ecuación de Page
v volumen molar del agua, en m3/mol
V volumen molar del vapor de agua, en m3/mol vi velocidad media del aire en el rectángulo i, en m/s wa contenido de agua del aire, en kg agua/kg aire seco
wa (a,b) contenido de agua del aire de la capa "a" en el tiempo "b", en kg agua/kg aire seco wa (z + *z, t) humedad absoluta del aire de salida en la capa elemental (z, z + *z), en el momento t wa (z,t) humedad absoluta del aire de entrada a la capa elemental (z, z + *z), en el momento t Wf peso final del recipiente con la muestra, en g
Wi peso inicial del recipiente con la muestra, en g
wm contenido de agua del aire de la mezcla, en kg agua/kg aire seco Wo tara del recipiente, en g
x humedad del producto, en kg agua/kg materia seca Xm contenido de humedad en monocapa
Xs humedad de seguridad del producto, en kg agua/100 kg de materia seca z altura del lecho, en metros
" constante ecuación difusividad
$ constante ecuación difusividad ( constante ecuación difusividad g fracción de huecos
N factor de forma
: viscosidad del aire, en kg•s/m Da densidad aparente del grano, kg/m3 Dm densidad de la malta en base seca, kg/m3 Q humedad relativa del aire, en tanto por uno
1.- Antecedentes
El método convencional utilizado en el diseño de un nuevo secadero o en la mejora de uno existente consiste en realizar toda una serie de experimentos con un secadero prototipo (en planta piloto o utilizando, incluso, el secadero industrial). Este método lleva consigo normalmente un gasto considerable en tiempo y dinero (Nishiyama, 1982).
La simulación por ordenador representa una herramienta cada vez más potente para realizar estas tareas de diseño y optimización de equipos y operaciones unitarias en la industria agroalimentaria en general. En particular, la simulación por ordenador tendrá gran interés en la optimización de la operación de secado que se lleva a cabo en la fabricación de malta para cerveza (Bala, 1983).
Tal como se detalla a continuación, en los siguientes apartados, la optimización de la operación de secado de malta verde contribuiría a hacer más competitiva la industria española de fabricación de malta, si se logra reducir al mínimo el consumo energético y el tiempo de secado (consiguiendo así disminuir apreciablemente los costes de fabricación). Esto es realmente interesante si se tiene en cuenta que esta industria comienza a exportar parte de su producción de malta favoreciendo así la salida de la producción agrícola de cebada.
En cualquier caso para tratar de modificar las condiciones de secado de la malta verde también es preciso tener en cuenta la influencia de estas condiciones de secado sobre la calidad de la malta, para establecer los límites de actuación en este sentido. En general, sobre la calidad de la malta influirá la calidad de la materia prima, la cebada, y las condiciones de proceso que se utilicen durante la fabricación de malta.
1.1.- Producción de malta. Situación actual y perspectivas 1.1.1.- España
La producción de malta en España ha sufrido un progresivo aumento a lo largo de los últimos años.
Se ha pasado de 312.000 t en 1982 hasta 430.000 t en 1990 (BCEOM, 1992), lo cual supone un incremento del 37.82%, tal como se aprecia en la Figura 1-1. La producción de malta la realizan un total de 13 malterías localizadas en su mayoría en las principales zonas productoras de cebada. Aproximadamente el 40 % de la producción total española de malta se concentra en 4 malterías ubicadas en las provincias de Navarra y Lérida. Entre estas empresas destacan las malterías de Intermalta, S.A. (San Adrián, Navarra) y La Moravia, S.A. (Bell-lloc, Lérida) que cubren aproximadamente el 25% y el 12% respectivamente de la producción nacional actual de malta.
España se presenta prácticamente autosuficiente en cuanto a necesidades de malta para cerveza. En 1990 las importaciones de malta para cerveza fueron inferiores al 5%. Asimismo, las exportaciones de malta han sido nulas en los últimos años (BCEOM, 1992).
1.1.2.- Resto del mundo
1.1.2.1.- Europa
En la década de los 80 la producción de malta a nivel de UE prácticamente estaba estabilizada en torno a los 5 millones de toneladas (Anónimo, 1989). Sin embargo, estimaciones realizadas en 1992 dentro del Programa Thermie (BCEOM, 1992) cifran la producción de malta de los países de la CEE en 6.1 millones de toneladas anuales.
En cualquier caso, es interesante resaltar que desde 1978 hasta 1988 la producción de malta para cerveza en la UE disminuyó aproximadamente un 3%. Este decremento de la producción de malta se dio en los países con más tradición en la producción y consumo de cerveza. Sin embargo, en los países donde la cerveza se está introduciendo como sustituto del vino, la producción de malta y cerveza está experimentando un constante aumento, especialmente en países como Portugal, España y Grecia.
En efecto, para el sector cervecero español la última década ha sido brillante, sufriendo un incremento acumulado del 30% sobre los casi 21 millones de hectolitros producidos en 1981. Sin embargo,
1990 ha marcado un punto de inflexión en el ininterrumpido crecimiento que este sector ha experimentado desde 1984. Concretamente, la producción de 1990 se situó en 27.3 millones de hectolitros cantidad que supone un ligero retroceso respecto a la lograda en años anteriores. Se podría decir que la producción nacional de cerveza se mantiene en los últimos dos años en torno a 24 millones de hectolitros. La Asociación Nacional de Fabricantes de Cerveza (ANFACE) achaca la disminución de la producción en los últimos años a razones exógenas, como la mala climatología y la evolución del turismo (ANFACE, 1994).
Mientras las importaciones de malta son prácticamente despreciables, alrededor del 1%, las exportaciones de la UE suponen aproximadamente el 25% de su producción total de malta. Los principales países exportadores son Francia, Alemania, Reino Unido, Bélgica y Luxemburgo, mientras que los principales países productores son Alemania, Reino Unido, Francia y Bélgica (Figura 1-2, BCEOM, 1992).
1.1.2.2.- Resto del mundo
En 1987 los principales países fabricantes de malta, exceptuando la CEE, eran: U.S.A. con una producción de 2.150.000 t, Checoslovaquia con 596.000 t, China con 550.000 t, Australia con 540.000 t, Méjico con 345.000 t y Brasil con 240.000 t. El comercio exterior de malta en estos países manejaba anualmente alrededor de 3 millones de toneladas de malta, en promedio para los años 1985-86-87 (Gerson, 1988; Anónimo, 1989). Los principales países exportadores eran Australia, con un volumen de exportación de alrededor de 307.000 t, Checoslovaquia con 235.000 t, Canadá con 160.000 t y U.S.A. con 64.000 t, para el año 1987 (Anónimo, 1989).
1.1.3.- La cebada como materia prima para la fabricación de malta
1.1.3.1.- Evolución de la producción y perspectivas 1.1.3.1.1.- España
La cebada que habitualmente se utiliza en España para la fabricación de malta es la de primavera, que coincide casi en su totalidad con la de dos carreras. La superficie de cultivo de estas variedades, con respecto al total nacional dedicada a la producción de cebada, fue en el año 1992 del 59.62%.
Desde el año 1982 la superficie total dedicada en España al cultivo de cebada ha venido aumentando hasta 1986, experimentando a continuación una cierta saturación, y registrándose desde ese año hasta inicios de los años 90 variaciones inferiores a 150.000 ha, en torno a la cifra de 4.25 millones de ha. En las estimaciones de 1993 y las provisionales de 1994 se aprecia un descenso de la superficie dedicada a cebada.
No obstante, la superficie dedicada a cebada cervecera, ha venido aumentando regularmente desde el año 1983 hasta la actualidad, mientras que se ha producido una tendencia inversa en el cultivo de cebada de invierno, mayoritariamente de seis carreras, que han cedido sitio a las variedades de primavera, de dos carreras, en general más productivas y de mejor calidad (Molina, 1989; Ramo, 1991).
Tal como se observa en las Figura 1-3 y Figura 1-4, existe una gran variabilidad en la evolución de la producción de cebada, tanto en la cervecera como en la de pienso. Estas oscilaciones de producciones son debidas a diferencias climáticas interanuales que provocan grandes variaciones en los rendimientos de cebada por hectárea. La producción total de cebada en el año 1993 ha sido de 9.52 millones de toneladas, de los cuales la cebada cervecera supuso casi el 60%.
1.1.3.1.2.- C.E.E. y resto de Europa
En Europa la superficie cultivada de cebada ha descendido sensiblemente en los últimos diez años, pasando de 20.4 millones de hectáreas en 1978-81 a 18.3 millones de hectáreas en 1987 (Ramo, 1991). Esta disminución podría estar justificada por la tendencia a la reducción global del cultivo de cereales en la UE y por la competencia del trigo de invierno y de ciertas oleaginosas, como la colza de invierno, girasol, etc.
Tradicionalmente los países con producciones medias por hectárea más elevadas son Benelux, Francia, Irlanda, Reino Unido y Alemania. De esta forma, Europa en 1987, con el 23,3% de la superficie mundial de cebada produjo el 38,7% de la cosecha mundial de este cereal (Ramo, 1991).
1.1.4.- La cerveza como producto final
1.1.4.1.- Evolución de la producción
• España
España ha pasado de producir unos 3.3 millones de hectolitros al año, a principios de los años setenta, hasta los 27.3 millones de hectolitros en el año 1990. Este incremento, ha convertido a España en el tercer productor de cerveza de la C.E.E. por detrás de Alemania y Reino Unido (BCEOM, 1992).
La producción de cerveza se encuentra concentrada en grandes compañías, ya que los cinco primeros grupos cerveceros copan más del 90% del mercado nacional. Estas empresas, por lo general, tienen participación de empresas extranjeras, una característica que se ha incrementado en los últimos años.
La producción de cerveza alcanza un máximo en los años 1989-1990 con 27.3 millones de hectolitros, para descender en los últimos años, hasta los 24.3 millones de hectolitros de 1993 (ANFACE, 1994) (ver Figura 1-5).
El comercio exterior de cerveza se ha incrementado en los últimos años, siendo de destacar el aumento considerable en la importación de cerveza (de 296.000 hectolitros en 1984 a los más de 2 millones de hectolitros de 1993), mientras que la exportación de cerveza no ha alcanzado nunca niveles altos (de 81.000 hectolitros anuales en 1984 hasta los 200.000 hectolitros de 1993).
Estimaciones realizadas sobre los primeros siete meses del año 1994 reflejan un incremento en la producción y ventas alrededor del 1.5%, y que vendrían a alterar la tendencia de los últimos años (ANFACE, 1994).
• Europa
La producción de cerveza de la UE en 1990 fue de unos 300 millones de hectolitros anuales, lo que significó un 66% de la producción total europea, y un 26% de la producción mundial (BCEOM, 1992).
La mayor producción de cerveza a principios de los 90 se concentró en los países con un consumo más tradicional, como Alemania (120 millones hectolitros), Reino Unido (60 millones de hectolitros), y con la incursión de España en tercer lugar con 27 millones de hectolitros (Figura 1-6).
La concentración de las industrias cerveceras es importante en la mayoría de los países de la UE, excepto en Alemania. En este país, las cuatro mayores compañías cerveceras representan sólo un 23% de la producción nacional, mientras que en Holanda es el 95%, en Francia el 93% y en el Reino Unido el 58%
(BCEOM, 1992).
• Estados Unidos de América
La producción de cerveza de USA en volumen es comparable a la de la CEE, con unos 239 millones de hectolitros anuales en 1989. La distribución de las industrias cerveceras presenta una mayor concentración que en la CEE, con un tamaño medio de 1.47 millones de hectolitros en USA, frente a los 168.000 hectolitros en la CEE. Este volumen de producción mayor de las plantas de fabricación de cerveza se observa en la existencia de 29 industrias en USA que superan los 5 millones de hectolitros, en cambio en los países de la CEE sólo dos plantas alcanzan este volumen (BCEOM, 1992).
1.1.4.2.- Evolución del consumo
El sector cervecero español situó su consumo en 1993 en los 26.33 millones de hectolitros lo que representa por tercer año consecutivo un ligero descenso con respecto al máximo alcanzado en 1990, que marcó un consumo de 71.92 litros per capita. La evolución favorable hasta el mencionado año y el descenso subsiguiente se señala en la Figura 1-7. Las causas que el sector atribuye a esta ligera evolución negativa son las ya indicadas para la producción y los aumentos de la presión fiscal sobre el producto.
El consumo de cerveza en España se sitúa exactamente en la media europea en el consumo per capita con 67.1 litros/habitante/año.
1.2.- Relación entre la calidad de la malta y el proceso de secado 1.2.1.- Parámetros de calidad de la malta
El proceso de malteo trata fundamentalmente de solubilizar el almidón, proteínas, productos de degradación enzimáticos, vitaminas, minerales, componentes responsables del color y del aroma, y enzimas (Narziss, 1976; Broderick, 1977; Briggs et al., 1981). En este sentido para Bellmer (1975) la calidad de la malta será adecuada si presenta: (1) bajo contenido en proteína, (2) buena modificación, (3) gran poder enzimático, (4) extracto alto y (5) alto contenido en sustancias reductoras.
Para Enari (1975) la clave de la calidad de la cerveza está en cuál sea la composición de la malta y en su fermentabilidad, la cual viene medida por la atenuación límite. Esta viene condicionada principalmente por los contenidos que tenga el mosto de carbohidratos, componentes nitrogenados y nutrientes minerales para las levaduras (Yoshida, 1968; Enari et al., 1970; Kirsop y Brown, 1972). En efecto, el contenido en azúcares y la atenuación límite de un mosto son parámetros importantes de la calidad de la malta, aunque una alta atenuación límite no implica necesariamente que el almidón haya sido suficientemente modificado durante el malteo (Schur et al., 1978; Schur, 1979). También influyen en la fermentabilidad la variedad de cebada y las condiciones climáticas (Healy y Armitt, 1986; Ramo, 1991).
En malteo el término modificación quiere decir solubilización progresiva, parcial y catalizada enzimáticamente del endospermo almidonoso, que se consigue a costa de una reducción de barreras físicas (Briggs, 1978; Gjertsen y Hartlev, 1980; Briggs et al., 1981). Gjertsen y Hartlev (1980) indican que es importante para la calidad de la malta que tenga una modificación buena y regular para que las barreras físicas estén rotas y pueda haber una adecuada movilidad y acción enzimática. Para estos autores serán menos importantes los altos niveles de actividad amilásica. Kirsop (1975) también define la modificación como la alteración de las estructuras físicas y químicas del endospermo que se produce durante el proceso de malteado.
Generalmente los estudios de modificación del endospermo se han centrado principalmente sobre los cambios que tienen lugar en las paredes celulares (Briggs, 1972; Morrall y Briggs, 1978; Smith y Briggs, 1979; Gibbons, 1980; 1981; Fretzdorff et al., 1982), pero los procesos de desagregación de los gránulos de almidón y la matriz proteica de las células también son importantes (Briggs, 1972; Fretzdorff et al., 1982;
McGregor y Matsuo, 1982).
Según Briggs y McDonald (1983) el proceso de modificación viene influido por la morfología del grano y la localización de los tejidos generadores de enzimas. En este sentido se ha puesto de manifiesto que al principio de la germinación la rápida desagregación de las paredes celulares, catalizada por las enzimas del escutelo, parece estar asociada a la mayor permeabilidad de esta región del grano.
Para Drost et al. (1980) una mala modificación de la malta estaría caracterizada por una degradación parcial de las paredes celulares del endospermo. Además la matriz proteica de los granos pequeños de almidón permanecería intacta en su mayor parte, por lo que estos serían inalcanzables por los enzimas amilolíticos. De esta forma una buena modificación da lugar a endospermos amorfos, mientras que una mala modificación muestra endospermos vítreos. En efecto, los gránulos de almidón pequeños son menos atacados que los grandes. La razón no está en la estructura de la amilosa y la amilopectina, sino en la diferente proporción de proteína presente en la malta (Goering y De Haas, 1974). La matriz proteica estará más intacta conforme aumente el contenido proteínico de la malta, de tal manera que al formarse una película proteica alrededor de los gránulos de almidón se inhibe la amilolisis (Slack, 1979).
La calidad del extracto y la modificación enzimática del endospermo viene evaluada por distintos parámetros tales como Extracto Congress, Diferencia Fina/Gruesa, Extracto Hartong 45EC, Índice Kolbach (relación nitrógeno soluble/nitrógeno total), Atenuación límite, Viscosidad del mosto (normal o 70EC.), Niveles enzimáticos, Nitrógeno soluble total, Friabilidad, y otros como Tiempo de Sacarificación, Extracto en agua caliente, Índice de modificación, Longitud del acróspiro, Nitrógeno-amino, test de modificación con azul de metileno y Calcoflúor, etc. (Recomended Methods of Analysis of the American Society of Brewing Chemist, 1976; Institute of Brewing, 1986; European Brewing Congress, 1987; de Clerk, 1957; Wood y Fulcher, 1978; Munck et al., 1981; van Eerde, 1983; Morgan et al. 1984; Ulmer et al., 1985; Seward, 1986;
Aalbers y van Eerde, 1986; Cooper, 1986; Moll y Flayeux, 1986; Martin y Cantrell, 1986; Post y Duijnhouwer, 1986; Ramo, 1991; Ramo et al., 1993).
La proteína de la malta puede tener un papel controlador de la actividad enzimática de ciertas- amilasas, por lo que puede condicionar el nivel de modificación amilolítica (Swenson et al., 1986). Por otro lado, altos contenidos en proteína y niveles bajos de modificación de la malta pueden dar lugar a una baja fermentabilidad (Gromus, 1980). Sin embargo, una malta con elevada proporción de proteína comunica buenas características a la espuma de la cerveza (Archibald, 1988). En efecto, los productos de la degradación de las proteínas influyen favorablemente sobre la estabilidad de la espuma, aunque no haya de momento ningún parámetro analítico que prevea esa estabilidad (Unkel, 1987).
Así pues, la malta deberá poseer unas adecuadas características que den lugar a una buena estabilidad coloidal de la cerveza. Esta se puede conseguir mediante una modificación óptima de la proteína y un relativamente alto contenido de compuestos tanoides en la malta. De esta forma una baja proporción en proteína, con máximos de 10.5%, y un índice Hartong a 45EC, de 38-40% garantizarán una suficiente modificación de la proteína (Erber, 1980). Investigaciones de Chapon (1963, 1968, 1979, 1980) han puesto de manifiesto la influencia de la modificación de la proteína sobre el contenido en compuestos tanoides, de tal manera que el contenido de éstos en mosto y cerveza aumenta conforme se incrementa el nivel de modificación proteolítica. Al aumentar la proteína los tanoides decrecen de forma no deseada (Kretschmer, 1978). En este sentido unos índices Hartong a 45EC bajos indicarán baja estabilidad coloidal (Erber, 1980).
También se han establecido correlaciones entre la proteína de la malta y (1) la proteína del mosto (Narziss y Reiner, 1972), (2) tanoides en malta (Isebaert y Rotti, 1954; Moll, 1979), (3) taninos, antocianógenos y aroma de la cerveza (Narziss y Reiner, 1972).
Según Jones (1974) la composición de aminoácidos del mosto también juega un importante papel en la consecución de la calidad final de la cerveza. Afecta principalmente a tres aspectos fundamentales de esta, como son: aceptación organoléptica, color y estabilidad biológica. El 50-70% de los aminoácidos libres del mosto ya estaban libres en la malta (Jones y Pierce, 1967; Barret, 1971; Mikola et al., 1971; Mikola et al., 1972; Narziss y Lintz, 1975).
El contenido en nitrógeno total de la malta también aparece correlacionado con la friabilidad de la misma. Sin embargo, el nitrógeno soluble no se observa correlacionado con la friabilidad de la malta (Giarratano y Thomas, 1986).
Mientras que la viscosidad es un índice de la uniformidad de la destrucción de las paredes celulares del endospermo de la cebada, la diferencia fina-gruesa indica la modificación media de todo el grano de malta (Enari, 1980; Drost et al., 1980). Para Schildbach (1972) el parámetro que mejor predice las variaciones de rendimiento en cervecería no es el extracto sino la proteína cruda de la cebada y la diferencia fina-gruesa del mosto de malta, aunque el parámetro diferencia fina-gruesa puede sufrir variaciones en su determinación analítica si se presentan problemas de filtración de mosto (Chapon et al. 1980; Maule y Grabb, 1980). También, Pierce y McKenzie (1952), Narziss (1980) y Martin y Bamforth (1980) han observado que en el malteado de una mezcla de variedades de cebada, la viscosidad y la diferencia fina- gruesa dan más información acerca de la calidad final de la malta que cada uno de esos parámetros por separado. Además, distintos autores (Esser et al., 1972; Scott, 1972; Bärwald, 1974; Narziss et al., 1978;
Schur, 1979; Narziss, 1980; Bourne, 1982) han encontrado cierta correlación entre la diferencia fina-gruesa, la viscosidad del mosto obtenida según el método Congress y el nivel de-glucanos. Concretamente el contenido de -glucanos aumenta proporcionalmente con la viscosidad del mosto de malta (Aastrup, 1979;
Eyben y Hupe, 1980; Palmer, 1985; Willmar, 1987).
Según Bärwald (1972) y Crabb y Bathgate (1973) la viscosidad del mosto es debida a los polisacáridos no almidonosos y a la presencia de -glucanos y gomas. La viscosidad del mosto está muy relacionada con la viscosidad de la cerveza, que junto con el contenido en -glucanos permiten la predicción de la proporción de cerveza filtrada.
Zucher et al., (1980) han puesto de manifiesto que la composición de la malta puede afectar decisivamente el aroma de la cerveza, aunque sólo se han podido obtener conclusiones acerca de la relación entre la diferencia fina-gruesa y algunos componentes aromáticos (alcoholes superiores y esteres principalmente).
Por otro lado Steiner (1980) ha estudiado la relación entre los distintos parámetros de calidad de la malta y la calidad de la cerveza. Así ha encontrado una correlación positiva entre: (1) extracto fino y rendimiento cervecero, (2) índice de Hartong a 45EC y color de la cerveza, (3) color del mosto molturación fina y color de la cerveza, (4) diferencia fina-gruesa y viscosidad de la cerveza, y (5) entre el nivel de
modificación de la malta, expresado por los índices Hartong a 45EC y Kolbach, y el nivel de antocianógenos en mosto. Por el contrario este mismo autor ha encontrado una correlación negativa entre: (1) extracto y proteína de la malta, (2) índice de Kolbach y estabilidad de la cerveza, y (3) entre el nivel de antocianógenos del mosto obtenido según el método Congress y el nivel de turbios en la cerveza centrifugada y la estabilidad en frío de la misma. Gromus (1980) también ha observado que el índice de Hartong a 45EC es el factor que más influye sobre la mayor o menor fermentabilidad del mosto.
Así pues existen aparentes contradicciones en los requerimientos de calidad de la malta exigidos por los fabricantes de cerveza. Por una parte se demanda una buena modificación del endospermo, mientras que por otra se quiere poca modificación proteica. Por otro lado se exige un bajo índice de Kolbach a la vez que un alto índice de Hartong a 45EC y bajos niveles de nitrógeno soluble (Gromus, 1988). Estas son las razones, entre otras, por las que los métodos normalizados de análisis de la malta no acaban de contentar a los fabricantes de cerveza a la hora de predecir el comportamiento en cervecería (Munck et al., 1981). Por ello distintos autores han intentado encontrar otros parámetros de calidad de la malta más relacionados con la calidad de la cerveza correspondiente (Palmer, 1975; Hyde y Brookes, 1978; Aalbers, 1980; Drost et al., 1980; Eyben y Hupe, 1980; Maule y Crabb, 1980; Lie et al., 1981; Munck et al., 1981; Bourne, 1982;
Webster, 1981; Vargas et al., 1983; Moll y Flayeux, 1986; Hudson, 1986).
1.2.2.- Influencia de las condiciones de secado sobre la calidad de la malta
El secado estabiliza la malta verde (permitiendo su almacenamiento hasta su uso en la fabricación de cerveza) debido a la desnaturalización de las proteínas y disminuyendo considerablemente la actividad de los enzimas. Durante este proceso de deshidratación controlada, que tiene lugar normalmente a temperaturas bien especificadas, se desarrolla el color deseado y el aroma de la malta (Palmer y Bathgate, 1976; Briggs et al., 1981; Bemmet, 1985; Seaton, 1987; Brown y Claperton, 1978).
Como el secado ha de preservar los enzimas necesarios en la obtención del mosto, y los enzimas son mas resistentes cuanto más baja es la humedad de la malta, el programa de temperaturas del aire de entrada al lecho de secado ha de ser creciente desde 40-50EC iniciales hasta 80-100EC en las horas finales. Se aconseja no someter al producto a temperaturas de mas de 50EC hasta no alcanzar la malta el 10% de humedad (Palmer, 1989).
Esto explica que dentro del lecho de malta, se observe más concentración de enzimas en la parte inferior, a pesar de sufrir las temperaturas mas altas durante el secado. En la zona inferior del lecho el descenso rápido de la humedad del grano preserva a las enzimas. En cambio, en las zonas superiores el aire no es tan caliente pero la malta tiene un alto contenido de humedad durante la mayor parte del proceso.
También en pruebas de secado con una temperatura inicial alta, se aprecian pérdidas importantes de enzimas, sobre todo en las zonas mas bajas del lecho, ya que se somete el grano a altas temperaturas con altas humedades (Lloyd, 1987; Palmer, 1989).
El secado a temperatura alta puede traer problemas, ya que la malta puede resultar vítrea y dura, de difícil extracción en el braceado. También hay el peligro de que el almidón gelifica a los 60EC (Kim et al., 1993).
* Color y formación de melanoidinas
El gusto que la malta confiere a la cerveza proviene de una serie de reacciones que tienen lugar entre los componentes de la malta a temperaturas altas durante el tostado, y sobre todo los productos de desdoblamiento. La principal reacción es la llamada reacción de Maillard, o formación de melanoidinas por combinación de azúcares reductores con aminoácidos. Las melanoidinas son coloides de alto poder reductor, de color rojo-marrón, que comunican un aroma típico. La estructura del pigmento marrón formado por la reacción de Maillard no se conoce exactamente, pero es probablemente un polímero de alto peso molecular, insoluble en agua y soluble en la mayoría de disolventes orgánicos. En esta reacción también se forman aldehídos, muy importantes en el aroma final de la cerveza, como el isobutilaldehido. Otras reacciones complementarias relacionadas con el aroma, tienen lugar junto con la formación de melanoidina (Palmer y Bathgate, 1976; Palmer, 1989).
La velocidad de la reacción depende del tipo y cantidad de aminoácido y azúcar que reaccione.
También la temperatura alta y humedad alta de la malta favorecen la reacción. La producción de los precursores de las melanoidinas se realiza durante la germinación, y también durante la primera fase del
secado, ya que la malta está muy próxima a la temperatura optima de formación de estos precursores.
Así, para conseguir una malta pálida, se aconseja secar rápidamente a temperatura baja, con grandes volúmenes de aire, antes del tostado final, también a temperatura baja (80EC). Para obtener una malta oscura, es necesario una desagregación profunda en la malta verde, a fin de tener gran cantidad de aminoácidos y azúcares preformados, para la formación de melanoidinas. Las condiciones de secado consisten en subir la temperatura del aire, cuando la malta está aún bastante húmeda, lo que comporta una mayor destrucción enzimática y una reducción del extracto en agua caliente, y la fermentabilidad del mosto (Bemmet, 1985; Summer et al., 1989; Kim et al., 1993).
* Actividad enzimática - Amilasas
Los principales enzimas existentes en la malta son las amilasas. Las -amilasas son menos inactivadas durante el secado que las ß-amilasas (Runkel, 1983). En unas experiencias se observó que la actividad de la
"-amilasa aumentaba durante el secado a 50EC, en un 30%, mientras que la ß-amilasa decrecía de forma ligera, de tal manera que después del tostado, la concentración era un 15% inferior a la existente en la malta verde para la "-amilasa, y un 50% inferior para la ß-amilasa (Narziss et al., 1973).
La amilolisis en malta con una humedad inferior del 15%, no se da. Sin embargo, con un 23% de humedad se tiene amilolisis para temperaturas mayores de 50EC, y con un 42% de humedad, a 20EC ya se puede observar la reacción (Palmer, 1989; Summer et al., 1989; Kim et al., 1993).
- Enzimas proteolíticos
Estos enzimas no presentan una inactivación importante hasta los 100EC. Las endopeptidasas presentan un mantenimiento o aumento de su concentración durante las primeras fases del secado, según la duración de la germinación, para comenzar a bajar al realizar el tostado a 80EC. Por su parte, la aminopeptidasa multiplica por cinco su actividad durante el secado a 50EC, para bajar muy poco durante el tostado final. La dipeptidasa sube un 65% su actividad al inicio del secado, y al final tiene un 63% de la actividad inicial en la malta verde. A diferencia de la amilolisis, la proteolisis presenta más actividad para humedades del grano bajas. Se detecta actividad hasta el 10% de humedad de la malta, y con un 15% de humedad son necesarias temperaturas mayores de 50EC (Declerck et al. 1958; Palmer, 1989).
- Oxidoreductasas
La catalasa tiene una inactivación fuerte durante el secado, de modo que a 90-100EC presenta una inactivación total. Se utiliza como un indicador de la intensidad del secado. También, la peroxidasa pierde un 50% de su actividad con 12 horas de tratamiento a 50EC, y después de tostar la malta a 100EC queda solo un 8% del enzima inicial (Declerck et al., 1958; Palmer, 1989).
* Formación de DMS
El dimetil sulfuro (DMS) confiere un característico sabor a las cervezas lager. El DMS se forma a partir de dos precursores que se producen durante la germinación y que pueden ser destruidos por un fuerte secado. Un precursor es la S-metilmetionina (SMM), o un péptido que la contenga. El otro precursor es el dimetil sulfoxido (DMSO). Durante el secado parte del SMM reacciona formando DMS, el cual se volatilizará y perderá en parte, y la parte restante se puede oxidar a DMSO, que será reducido a DMS por la levadura (Declerck et al. 1958; Palmer, 1989).
En la practica, la vía principal de obtención de DMS es a partir de SMM. Lloyd (1987) propone que el SMM formado en la germinación es lentamente degradado durante el secado al aumentar la temperatura, dando niveles mayores de DMS libre en el fondo del lecho de malta. Parte de este DMS se oxida al migrar a través del lecho, formando DMSO, sobre todo en la zona superior. Al final, solo una parte del DMS formado permanece en la malta, y el resto se escapa con el aire de salida (Lloyd, 1987).
Parsons et al., (1983) consideran que del total de precursores de DMS existentes en la malta, sólo una parte se activa para formar DMS. Este precursor activo se forma a partir del precursor inactivo a altas temperaturas. Así la formación del precursor activo aumenta con la temperatura final del secado. Según la temperatura y el tiempo de aplicación, se puede obtener un mayor o menor contenido de DMS en la cerveza final.
1.3.- Importancia del consumo energético en la fabricación de malta
Dentro del coste total de fabricación de malta, el capítulo de consumo energético representa una partida importante. Este porcentaje varía según cada materia, según el tipo de instalación, tamaño, etc., y oscila entre un 25% y un 30% (BCEOM, 1992) (Figura 1-8 y Figura 1-9).
El consumo energético en la fabricación de malta se concentra sobre todo en la etapa de secado, con unas altas necesidades de energía calorífica, y en menor medida en la germinación, que necesita refrigeración en el periodo estival.
Dentro del sector hay grandes diferencias entre las industrias, oscilando el consumo específico energético entre 2480 MJ a 6810 MJ por tonelada de malta. Por ejemplo, en 1985 el valor medio de las malterías de Gran Bretaña era de 3740 MJ/t, desglosado en 3190 MJ (85.3%) en combustibles fósiles para el secado, y 550 MJ (14,7%) en consumo eléctrico (ETSU, 1985).
Dentro de la maltería, el consumo energético por operaciones se puede desglosar de la forma que se indica en la Tabla siguiente (Jolibert, 1987):
Operación Consumo (kWh/t malta) Limpieza 1-2 Remojo 0,12-2 Germinación 16-44 Secado: ventilación 25-75
calor 800-1500
Transporte de grano 1-4
Consumo energético específico medio por operaciones en la fabricación de malta (Jolibert, 1987)
En el proceso de secado, la mejora energética introducida en los últimos años ha sido principalmente la incorporación de intercambiadores de calor, para recuperar el calor del aire saliente del lecho de malta. En las horas finales del secado, también se recircula el aire que sale del lecho de malta, al tener una alta temperatura y baja humedad. Otra solución para recuperar el calor latente de condensación de la humedad del aire saliente es la instalación de una bomba de calor, que precalienta el aire entrante exterior, solución que está fuertemente implantada en Francia (Palmer, G.H, 1989; Jolibert, 1987; Halipre, 1986; Narziss, 1987; López y Llorca, 1990; BCEOM, 1992).
Aparte del consumo energético en forma de calor, el gasto eléctrico es también considerable al tener que impulsar grandes cantidades de aire a través del lecho profundo y compactado de malta (Jolibert, 1987;
BCEOM, 1992).
También, uno de los condicionantes más importantes en el consumo energético es la carga del secadero, ya que condiciona la presión del aire a la entrada del lecho de malta, así como la cantidad de agua a evaporar. Una presión elevada, perjudica el trabajo de los ventiladores de impulsión del aire de secado, arrastrando menos caudal de aire para un mismo consumo.
La producción de malta se extiende a lo largo de todo el año, por lo que las condiciones del aire exterior varían ostensiblemente. A igualdad del resto de parámetros, el tiempo de secado vendrá condicionado por el contenido de humedad del aire exterior. Así, en general, en verano se tienen secados más largos que en invierno, aunque las temperaturas son más altas que en invierno, y la humedad relativa del aire exterior es mucho más pequeña en verano. Sin embargo, en cuanto a las necesidades caloríficas del secado, está claro que en invierno son mucho mayores que en verano, al tener el aire exterior una menor entalpía específica.
Por otra parte aunque el consumo eléctrico depende de la tecnología del proceso, se acostumbra a utilizar el máximo caudal de los ventiladores mientras el aire de salida del lecho de malta está saturado de humedad. Posteriormente se puede reducir al no necesitarse tanto caudal de aire cuando se tiene la malta con humedades bajas. Como ya se ha comentado, un factor que afecta al rendimiento de los ventiladores es la presión del aire a la entrada del lecho de malta, pero esta presión desciende a lo largo del secado, al disminuir la humedad de la malta y romperse las uniones entre granos formadas por las raicillas, y disminuir la resistencia del lecho de malta al paso del aire.
Marsh (1986) manteniendo la misma duración del secado, trató de optimizar el uso de los ventiladores, aprovechando las horas valle para máxima potencia, y reduciendo la potencia progresivamente en las horas finales del secado.
1.4.- Propiedades físicas y térmicas de la malta 1.4.1.- Dimensiones físicas de la malta
Las dimensiones físicas de la malta condicionan el desarrollo de la operación de secado, que variará según sea el tamaño y la forma del grano de cebada. Así Nellist (1974) demostró que las constantes de secado eran mayores para el secado de variedades pequeñas de cebada.
Bala (1983) determinó una relación lineal entre las dimensiones de la malta y la humedad de la malta, en base húmeda. Las determinaciones fueron realizadas para dos variedades de malta tal como se indica a continuación:
• Para la variedad Triumph (dimensiones expresadas en mm) se tendría:
Figura 1-10 [1.1.]
Figura 1-11 [1.2.]
Figura 1-12 [1.3.]
• Para la variedad Sonja (dimensiones expresadas en mm) se tendría:
Figura 1-13 [1.4.]
Figura 1-14 [1.5.]
Figura 1-15 [1.6.]
Para el planteamiento de los modelos de secado se ha de considerar un tamaño y una forma del grano. Haghighi et al. (1990) proponen que la cebada sea considerada un ovoide de 10 mm de longitud, y 3.5 mm de grosor. Sokhasanj y Bruce (1987) consideran el grano de cebada como una esfera de 4 mm de diámetro.
Según las observaciones de distintos autores se desprende una sensibilidad diferente de la forma y el tamaño ante la humedad del grano, en función de la variedad. Otros factores que influyen en el tamaño son de tipo agrícola (Bala, 1983).
1.4.2.- Calor específico
El calor específico de la malta a presión constante es uno de los parámetros que han de ser tenidos en cuenta en el estudio de los balances de calor durante el secado de la malta verde. La dependencia entre el calor específico y la presión es muy pequeña para los sólidos si no se alcanzan presiones extremadamente altas. También depende de la temperatura, pero dentro de las temperaturas ordinarias, y para intervalos no muy grandes, el calor específico puede considerarse como una propiedad física constante (Singh y Heldman, 1984).
El calor específico de los alimentos (Cp) puede ser expresado como la suma del calor específico de la materia seca y el del agua asociada a esta materia seca (Siebel, 1962; Singh, 1984). Siebel (1962) propone las siguientes ecuaciones para frutas y vegetales por encima de la congelación:
Figura 1-16 [1.7.]
Vemugati y Pfost (1980) determinaron el calor específico de 16 tipos de cereales, legumbres y semillas oleaginosas, mediante mezcla de los granos con tolueno calentado, en un calorímetro adiabático. En la cebada obtuvieron la siguiente relación para su calor específico:
Figura 1-17 [1.8.]
Bala (1983) determinó el calor específico de la malta, en calorímetro adiabático utilizando agua destilada como fluido calorimétrico. Así al introducir una cantidad conocida de malta a diferentes temperaturas, se observaba el incremento de temperatura que sufría el agua del calorímetro (calor perdido por el grano = calor ganado por el agua y el calorímetro). Este estudio se realizó para cinco niveles diferentes de humedad de la malta y con dos variedades de malta, Triumph y Sonja. El ajuste de la regresión lineal expresando la humedad de la malta en base seca resultó menos preciso que en base húmeda. La fórmula obtenida por Bala (1983) es:
Figura 1-18 [1.9.]
En otros estudios, el valor del calor específico de la malta concuerda bastante con el obtenido por Bala (1983). Así, Johnston (1954) obtuvo un valor del calor específico de la malta de 1.674 kJ/kgK, muy parecido al anterior. En cambio Tuerlinckx (1979), considera un calor específico de la malta seca de 1.13 kJ/kgK, ya más alejado de los otros valores.
En estudios realizados sobre cebada, Sokhansanj y Bruce (1987) y Haghighi et al.(1990) consideran un valor de 1.3 kJ/kgK, para el calor específico de la cebada. Este valor coincide con el propuesto para el trigo (Nishiyama, 1982).
El calor específico de la malta es superior al que se obtiene en la cebada, debido al hecho de que la cebada sufre numerosos cambios en sus propiedades fisicoquímicas en su transformación a malta (Palmer, 1989; Strit y Kennedy, 1945).
1.4.3.- Calor latente de vaporización del agua en la malta verde
El calor latente de vaporización del agua en la malta sería la energía necesaria para vaporizar el agua del interior de la misma. Esta energía no será la misma al inicio y al final del secado, ya que si los contenidos de humedad del grano son bajos costará más "arrancar" el agua del producto. El hecho de que la malta se deshidrate hasta un nivel de humedad relativamente bajo durante el secado, hace aumentar la importancia de su conocimiento.
Othmer (1940) partiendo de la ecuación de Clapeyron, que se deriva del segundo principio de la termodinámica, desarrolló la siguiente ecuación para el cálculo del calor latente de vaporización del agua (Costa et al, 1983):
Figura 1-19 [1.10.]
Se puede considerar que v tiene un valor muy pequeño ante V, y realizar la sustitución de ésta por medio de la ecuación de los gases perfectos para un mol (V=RT / p), quedando:
Figura 1-20 [1.11.]
de donde,
Figura 1-21 [1.12.]
Planteando la Ec.1.12. para el agua en el grano de malta verde a la misma temperatura:
Figura 1-22 [1.13.]
Dividiendo las dos expresiones anteriores se obtiene la ecuación final:
Figura 1-23 [1.14.]
La ecuación ajustada para la malta obtenida por Bala (1983) es:
Figura 1-24 [1.15.]
Para cada temperatura, la presión de saturación del vapor de agua se halla en las tablas de vapor, mientras que la presión de vapor del agua en la malta verde, para las diferentes humedades del grano, se obtiene de multiplicar la humedad relativa del aire en equilibrio por la presión de saturación del vapor para la temperatura del aire.
Gallaher (1951) usando las humedades de equilibrio, y utilizando el método gráfico de Othmer (1940) obtuvo la siguiente fórmula para el trigo:
Figura 1-25 [1.16.]
Nishiyama (1982) y Kato (1979) también aplicaron el método de Othmer (1940), y obtuvieron una ecuación similar para el arroz, pero distinguiendo entre los casos de desorción y adsorción de humedad:
Figura 1-26 [1.17.]
Figura 1-27 [1.18.]
Otra fórmula desarrollada por Wang (1978) para el arroz es:
Figura 1-28 [1.19.]
Para la cebada, un valor muy aceptado es el de 2300 kJ/kg (Sokhansanj y Bruce, 1987; Haghighi y Segherlind, 1991).
De las diferentes ecuaciones se deduce que la cantidad de calor necesario para vaporizar el agua de la malta verde aumenta considerablemente conforme disminuye el contenido de humedad del grano. En comparación con otros cereales, para humedades inferiores al 13.5% (b.s.), el calor de vaporización del agua en la cebada es menor que el de otros cereales, como el trigo, por ejemplo.
Como la ecuación de Gallaher no se basa en ningún modelo físico, las extrapolaciones para valores no experimentadas deben ser asumidas con precaución. Así los valores para humedades por debajo del 5.5%
no pueden considerarse excesivamente fiables, y sería necesario un estudio más detallado.
1.4.4.- Coeficiente de transferencia de calor aire-malta verde
El coeficiente de transferencia de calor entre la superficie de un sólido y un fluido viene expresado por la relación siguiente:
Figura 1-29 [1.20.]
El coeficiente de transferencia de calor superficial por convección depende del régimen de circulación del fluido, las propiedades térmicas del mismo y de la geometría del sistema (Rizvi y Mittal, 1992).
A partir de las ecuaciones de Schuman (1929), que realizó el análisis de la distribución de las temperaturas del sólido y el fluido, en un lecho de material granular, se puede realizar el cálculo del coeficiente de transferencia de calor por convección, pudiéndose poner:
Figura 1-30 [1.21.]
Figura 1-31 [1.22.]
de manera que:
Figura 1-32 [1.23.]
Figura 1-33 [1.24.]
Se tendrían las siguientes condiciones limite:
Ta (0, Z) = Ta o , para Y = 0 Tg (Y, 0) = Tg o , para Z = 0 donde:
Tg = temperatura del grano de cereal, en K.
Ta = temperatura del aire, en K.
La solución exacta de las ecuaciones [1.21.] y [1.22.] serían, respectivamente:
Figura 1-34 [1.25.]
Figura 1-35 [1.26.]
En definitiva, el coeficiente de transferencia de calor puede ser determinado comparando los resultados obtenidos experimentalmente con las anteriores soluciones analíticas, obteniendo (Bala, 1983):
Figura 1-36 [1.27.]
Por otro lado, Colburn (1933), realizó una importante contribución a la determinación del coeficiente de transferencia del calor proponiendo un método general para correlacionar los datos de transferencia de calor por convección forzada, que consiste en representar gráficamente, frente al número de Reynolds, un grupo adimensional que representa los datos medidos experimentalmente, a partir de los cuales podrá ser calculado el coeficiente de transferencia. Este grupo adimensional, denominado factor jh sería:
Figura 1-37 [1.28.]
Yoshida et al., (1962) desarrollaron una ecuación para la determinación de la transferencia de calor por convección, para valores del número de Reynolds comprendidos entre 50 y 1000. La ecuación que obtuvieron es:
Figura 1-38 [1.29.]
Sustituyendo los valores de :, Ca a 60EC, de y N en la Ec. [1.29.], Bala (1983) obtuvo para la malta los siguiente expresión en función del caudal másico:
Figura 1-39 [1.30.]
Sokhasanj y Bruce (1987) para el estudio del secado de cebada, compararon diferentes ecuaciones para estimar el coeficiente de transferencia de calor y propusieron finalmente la siguiente expresión, que sería una forma modificada de la propuesta por Gamson et al., (1943).:
Figura 1-40 [1.31.]
El valor final considerado por Sokhasanj y Bruce (1987), Haghighi y Segerlind (1991), para la cebada es de 110 W/m²·K. Tuerlinckx y Goedssels (1979) en estudios de secado de malta aplicaba un valor de 235 kJ/h·m²·EC.
Boyce (1966) estudió la transferencia de calor por convección en una capa delgada de cebada y
planteó la ecuación:
Figura 1-41 [1.32.]
Esta doble vía de determinación del coeficiente de transferencia del calor por convección permite la comparación de los resultados obtenidos de forma diferente. Así, Bala (1983) observó que el coeficiente calculado por la ecuación empírica supone unos valores 1.66 veces mayores que los obtenidos por el método experimental basado en las ecuaciones de Schuman. Este incremento puede ser explicado por el hecho de que la ecuación empírica considera la temperatura superficial del grano y Schuman considera la temperatura media del grano, y en la práctica la resistencia a la transferencia de calor no se da sólo en la superficie sino en todo el grano.
El problema de la ecuación empírica es que requiere valores como el diámetro equivalente, el factor de forma, etc. que son muy difíciles de obtener con exactitud, lo que puede dar lugar a errores de hasta un 30% (Kreith, 1930).
La malta, en comparación con la cebada (Boyce, 1966), presenta unos valores mayores del coeficiente de transferencia de calor. Posiblemente, la degradación del endospermo y las paredes celulares que tiene lugar en la malta, y la rotura de la cascara, provocan un incremento de la superficie específica respecto a la cebada. Bala (1983) considera que el propio método de determinación empleado por Boyce (1966) también contribuye a un incremento en el valor del coeficiente de transferencia de calor.
1.4.5.- Densidad de la malta verde
La densidad de la malta es un parámetro que varia considerablemente durante el proceso de secado.
Se puede expresar de dos formas (en base seca o en base húmeda):
Densidad de la malta = kg malta húmeda/volumen ocupado por la malta.
(base húmeda)
Densidad malta seca = kg malta seca/volumen ocupado por la malta.
(base seca)
La densidad de la malta tiene una gran importancia en los cálculos de los parámetros característicos del proceso de secado. Para determinar la variación de la densidad respecto de la humedad de la malta, se han hecho numerosos estudios con resultados no concordantes. Bala (1983) determinó la densidad de la malta pesando muestras de volumen conocido, obteniendo la siguiente ecuación para la densidad de malta (en base seca):
Figura 1-42 [1.33.]
Otros resultados existentes en la bibliografía son los de Tuerlinckx y Goedssels (1979), que propone una densidad de malta de 400 kg/m3. Para la densidad de la cebada se considera de forma general un valor de 720 kg/m3 (Sokhasanj y Bruce, 1987; Haghighi et al., 1990).
Para la densidad del arroz, también se propone una relación lineal con la humedad (Noomhorm y Verma, 1986):
Figura 1-43 [1.34.]
La densidad de los cereales aumenta con la disminución de la porosidad (Thompson et al., 1967;
Gustafson et al., 1972), pero en el caso de la malta la densidad aumenta con el incremento de la humedad del 25 al 45%, lo que determina una mayor influencia de la humedad que la porosidad del grano (Bala, 1983).
Para valores más pequeños de humedad, el balance entre ambos efectos es más equilibrado.
Con este tipo de mediciones, no se tiene en cuenta el efecto de la compactación del lecho de malta que se da durante el secado, y que depende de la profundidad del lecho y de la humedad de la malta.
1.4.6.- Contracción del lecho de malta verde durante el secado
La disminución de volumen de la malta durante el proceso de secado, es un fenómeno que se observa, y tiene un efecto significativo en la cinética de secado, y en la distribución de temperaturas.
Esta perdida de volumen comporta un aumento en la densidad de malta en base seca, así como la reducción de la altura, y por tanto del recorrido del aire dentro del lecho. El conocimiento de la relación entre la contracción del lecho y la humedad de la malta, permite establecer el valor del espesor del elemento finito considerado durante la simulación del proceso de secado.
Boyce (1966) determinó una relación lineal entre la contracción y la humedad de la cebada. Nellist (1974) encontró que la relación lineal era respecto a la reducción de humedad de la cebada, siendo la ecuación de la pérdida de altura del lecho de cebada por contracción expresado en porcentaje igual a:
Figura 1-44 [1.35.]
Se puede considerar que la cinética de la contracción del lecho de cebada respecto de la reducción de la humedad de la cebada es proporcional a la diferencia entre la contracción máxima posible y el actual nivel de contracción.
Figura 1-45 [1.36.]
La solución a esta ecuación es:
Figura 1-46 [1.37.]
Bala (1983) con experimentos en planta piloto determinó los siguientes valores de la ecuación anterior, expresando la humedad de la malta (b.h.) en porcentaje:
Figura 1-47 [1.38.]
Esta no linealidad de la contracción puede ser debida a que la disminución de la altura de un lecho de malta es debida por una parte, a la pérdida de humedad del grano de malta y por otra a la contracción elástica producida por las paredes de los granos adyacentes. La velocidad de secado decrece al aproximarse a un valor de humedad limite, donde la reducción de altura puede considerarse nula (Bala, 1983).
1.4.7.- Isotermas de humedad de equilibrio
1.4.7.1.- Introducción
Las relaciones de equilibrio sólido-agua-aire que se dan en sólidos higroscópicos en general, y en la malta en particular, influyen en los procesos de intercambio de agua sólido-aire que tienen lugar durante el secado de malta (Mölton et al., 1980).
Para cada alimento existe un contenido de humedad óptimo en el que la estabilidad ante la pérdida o la ganancia de humedad es máxima. Estos cambios, al intervenir el agua, dependen del grado de disponibilidad del agua en el producto, más que de su contenido total. Esta disponibilidad del agua se puede correlacionar con la propiedad termodinámica actividad del agua (Scott, 1957). La actividad de agua (aw) en un sólido húmedo se define por la expresión:
Figura 1-48 [1.39.]
Si un sólido higroscópico se pone en contacto con una atmósfera de humedad relativa y temperatura constantes, ganará o perderá agua hasta alcanzar un determinado contenido de humedad que se denomina humedad de equilibrio. En este momento, la presión de vapor de agua sobre la superficie del sólido (p) será igual a la presión de vapor de agua en el ambiente que envuelve al sólido (pv). Como la humedad relativa del aire (R) se define por la expresión:
Figura 1-49 [1.40.]
en el equilibrio se cumple que aw = R. Por esto, muchas veces se expresa la actividad de agua como la humedad relativa de equilibrio (ERH o HRE) (Mölton et al., 1980).
La isoterma de humedad de equilibrio de un alimento higroscópico es la representación de la humedad de este alimento (x) en función de la actividad de agua, es decir, en función de la humedad relativa del aire que envuelve al alimento, cuando se ha alcanzado el equilibrio, a una temperatura constante (Vidal et al., 1986; López et al., 1994).
Las isotermas de equilibrio se pueden obtener de dos formas, principalmente, (Labuza, 1968):
• Sometiendo al sólido completamente seco a diferentes ambientes de humedad relativa creciente, midiendo el aumento de peso debido al agua (obteniendo las curvas de adsorción).
• Se parte del sólido húmedo, y para diferentes humedades relativas decrecientes se mide, en este caso, la pérdida de agua (obteniendo las curvas de desorción).
También se pueden calcular las isotermas de equilibrio de forma dinámica. Consiste en colocar una capa delgada de producto de humedad conocida en una bandeja de secado, a través del cual se hace circular una corriente de aire, con una temperatura y una humedad relativa fija. Se mide la pérdida de agua hasta que se alcanza el equilibrio. La humedad obtenida por este método se denomina humedad de equilibrio dinámico, en contraposición de la anterior, que es de equilibrio estático (Bala y Woods, 1992).