La ingeniería del beneficio del café. Elementos para el diseño de un beneficio de café. Capítulo de la antología de la bioquímica y química del café para la




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LA INGENIERÍA DEL BENEFICIO DEL CAFÉ. ELEMENTOS PARA EL DISEÑO DE UN BENEFICIO DE CAFÉ. CAPÍTULO DE LA ANTOLOGÍA DE LA BIOQUÍMICA Y QUÍMICA DEL CAFÉ PARA LA EXTRACCIÓN DEL COMPLEJO VITAMÍNICO B. ESCRITO POR LOS INGENIEROS QUÍMICOS CARLOS MANUEL GÓMEZ ODIO Y ANA CATALINA SOTO ARAYA. RECICLADORA EL ROSARIO DE NARANJO. LOS PASOS A SEGUIR EN LA INGENIERÍA DEL PROCESO. Elaborar un diagrama de flujo de la planta procesadora. 2.Realizar un BALANCE DE MATERIA de la línea de proceso. EL DISEÑO DEL BENEFICIO.

El café despulpado se coloca en dichos tanques e inmediatamente después se drena el agua que lo acompaña, utilizando las compuertas especiales con que cuentan. Los tanques se recubren con lonas, de tal forma que se conserve la temperatura uniforme dentro del tanque. La fermentación se lleva a cabo en tres etapas:

  1. Las enzimas naturales presentes en el mucilago inician la digestión. La temperatura oscila entre 21 a 23 ºC.

  2. Levaduras y bacterias de las paredes del tanque, del agua utilizada y procedentes de la superficie de las cascaras que se quitaron al café, comienzan a desarrollarse produciendo a su vez enzimas que continúan el proceso. La temperatura esta entre 27 y 38 ºC.

  3. Se añade la levadura saccharomyces para concluir la etapa fermentativa, pectasas, propectinasas, pectinasas y pectinesterasas. Se debe controlar el pH en un rango de 6 a 6.4. El café despulpado permanece en los tanques hasta que el mucilago sea completamente removible sin dificultad. A una temperatura en rango de 33 a 40 ºC.

La prueba que se utiliza para comprobar si la fermentación ha concluido, es tomar entre la mano unas cuantas semillas y frotarlas ligeramente bajo el chorro de agua; si el mucilago se desprende fácilmente y el choque entre las semillas hace un sonido de piedrecillas, la digestión ha terminado. Como nuestro café es de altura (entre 600 a 1200 msnm) el tiempo promedio de fermentación es de 24 horas.

La concentración de enzimas pécticas va a depender del estado de madurez de las cerezas, el volumen de la masa de café y el tiempo transcurrido entre el corte y el despulpe.

Esta operación tiene como fin separar los granos de la cáscara (epicarpio) y parte del mucilago (mesocarpio) que las cubre mediante el desgarramiento del fruto. Para llevarlo a cabo, se hace uso de maquinas llamadas despulpadoras o pulperos que son de disco.

La fermentación

La fermentación es un proceso tipo batch o discontinuo que se lleva a cabo en tanques de concreto con una profundidad de 1.4 m y de 30 m³ de capacidad.

El café despulpado se coloca en dichos tanques e inmediatamente después se drena el agua que lo acompaña, utilizando las compuertas especiales con que cuentan. Los tanques se recubren con lonas, de tal forma que se conserve la temperatura uniforme dentro del tanque. La fermentación se lleva a cabo en tres etapas:

  1. .

La concentración de enzimas pécticas va a depender del estado de madurez de las cerezas, el volumen de la masa de café y el tiempo transcurrido entre el corte y el despulpe.1.-LAS PILAS DE FERMENTACIÓN EN EL MOMENTO DE LA RECEPCIÓN DE LA CEREZA DEL CAFÉ. Estas pilas sirven para fermentar y para lavar el café con facilidad. Su tamaño se calcula según la producción diaria de cada productor, sabiendo que en 1 m3 caben 18 quintales de café despulpado. Tienen que tener una relación de 1 a 2, por ejemplo si tienen 1 metro de ancho deben tener 2 metros de largo, si tienen 2 metros de ancho deben tener 4 de largo, y así. Todas tienen una altura de 1 metro.








Todas sus esquinas deben ir redondeadas igual que las paredes en el fondo, teniendo una pendiente de 4 a 6 por ciento. Esto facilita el lavado e impide que en las esquinas quede pegado mucílago y granos fermentados. De la pila salen dos tubos: uno pasconeado, a lo largo de todo el fondo de la pila, que sirve para eliminar los lixiviados de la fermentación y las aguas mieles, y sobre éste otro más ancho que sólo se ocupa para sacar el café lavado hacia el canal de clasificación. El tubo pasconeado del fondo es un tubo de PVC de alta presión, para evitar que con el trabajo se quiebre, de 3 ó 4 pulgadas, del que sólo sobresale 1/3, los otros dos tercios van enterrados. Esa parte del tubo que sobresale al fondo de la pila va perforada en toda su longitud con al menos cuatro hileras de hoyitos hechos con una broca de calibre 3/16. Estas perforaciones permiten que por allí escurran los lixiviados de la fermentación por la noche y al día siguiente sacar las aguas mieles de los tres primeros enjuagues, que van a parar a un filtro; pero impiden el paso de los granitos de café, por muy menuda que sea la variedad.








Al día siguiente, cuando se va a lavar, sólo se le pone un tapón, se llena la pila con agua, dos pulgadas por arriba de la capa de café, y se remueve con una paleta redondeada. Se hacen cuatro de estos enjuagues y si se ha hecho una buena fermentación la cuarta agua de lavado ya sale limpio.

ALMACENAMIENTO Y LAVADO:Ecuaciones generales de la mecánica de fluidos

Artículo principal: ECUACIONES DE NAVIER-STOKES.

Las ecuaciones que rigen toda la mecánica de fluidos se obtienen por la aplicación de los principios de conservación de la mecánica y la termodinámica a un volumen fluido. Para generalizarlas usaremos el teorema detransportede Reynolds y el teorema de la divergencia (o teorema de Gauss) para obtener las ecuaciones en una forma más útil para la formulación euleriana.

Las tres ecuaciones fundamentales son: la ecuación de continuidad, la ecuación de la cantidad de movimiento, y la ecuación de la conservación de la energía. Estas ecuaciones pueden darse en su formulación integral o en su forma diferencial, dependiendo del problema. A este conjunto de ecuaciones dadas en su forma diferencial también se le denomina ecuaciones de Navier- Stokes (las ecuaciones de Euler son un caso particular de la ecuaciones de Navier-Stokes para fluidos sin viscosidad).

No existe una solución general a dicho conjunto de ecuaciones debido a su complejidad, por lo que para cada problema concreto de la mecánica de fluidos se estudian estas ecuaciones buscando simplificaciones que faciliten la resolución del problema. En algunos casos no es posible obtener una solución analítica, por lo que hemos de recurrir a soluciones numéricas generadas por ordenador. A esta rama de la mecánica de fluidos se la denomina mecánica de fluidos computacional. Las ecuaciones son las siguientes:

Ecuación de continuidad:

-Forma integral: \frac{d}{dt}\int_{\omega} \rho \; d\omega = -\int_{\partial\omega} \rho (\mathbf{v\cdot n})\ d(\partial\omega)

-Forma diferencial: \frac{\partial \rho}{\partial t} + \nabla\cdot\left(\rho\mathbf{v}\right) = 0

Ecuación de cantidad de movimiento:

-Forma integral: \frac{d}{dt}\int_{\omega} \rho\mathbf{v} \; d\omega +\int_{\partial\omega} \rho\mathbf{v}(\mathbf{v\cdot n})\ d\partial\omega= \int_{\partial\omega} \boldsymbol\tau \mathbf{\cdot n}\ d\partial\omega+ \int_{\omega} \rho\mathbf{f} d\omega

-Forma diferencial: \frac{\part}{\part t}\left(\rho \mathbf{v} \right) + \nabla \cdot (\rho \mathbf{v} \otimes \mathbf{v}) = \rho \mathbf{f}+\nabla \cdot \boldsymbol\tau.

Ecuación de la energía

-Forma integral: \frac{d}{dt}\int_{\omega} \rho\left (e+\frac {1}{2}v^2\right)\; d\omega+\int_{\partial\omega} \rho\left (e+\frac {1}{2}v^2\right)\mathbf{v\cdot n} d\partial\omega=\int_{\partial\omega} \mathbf{n}\cdot\tau\cdot\mathbf{v} \; d\partial\omega+\int_{\omega} \rho\mathbf{f\cdot v} \;d\omega-\int_{\partial\omega} \mathbf {q \cdot n} \; d\partial\omega

-Forma diferencial: \rho\frac {d}{dt}\left(e+\frac {1}{2}v^2 \right )=-\nabla\cdot\left(p\mathbf{v}\right)+\nabla\cdot\left(\tau\'\cdot\mathbf{v}\right)+ \rho\mathbf{f\cdot v}+\nabla\cdot\left(k\nabla t\right)

Para un desarrollo más profundo de estas ecuaciones ver el artículo ecuaciones de Navier-Stokes.

-Forma diferencial: \frac{\part}{\part t}\left(\rho \mathbf{v} \right) + \nabla \cdot (\rho \mathbf{v} \otimes \mathbf{v}) = \rho \mathbf{f}+\nabla \cdot \boldsymbol\tau.

Ecuación de la energía

-Forma integral: \frac{d}{dt}\int_{\omega} \rho\left (e+\frac {1}{2}v^2\right)\; d\omega+\int_{\partial\omega} \rho\left (e+\frac {1}{2}v^2\right)\mathbf{v\cdot n} d\partial\omega=\int_{\partial\omega} \mathbf{n}\cdot\tau\cdot\mathbf{v} \; d\partial\omega+\int_{\omega} \rho\mathbf{f\cdot v} \;d\omega-\int_{\partial\omega} \mathbf {q \cdot n} \; d\partial\omega

-Forma diferencial: \rho\frac {d}{dt}\left(e+\frac {1}{2}v^2 \right )=-\nabla\cdot\left(p\mathbf{v}\right)+\nabla\cdot\left(\tau\'\cdot\mathbf{v}\right)+ \rho\mathbf{f\cdot v}+\nabla\cdot\left(k\nabla t\right)

Para un desarrollo más profundo de estas ecuaciones ver el artículo ECUACIONES DE NAVIER-STOKESxxxxxxxxxxxxxxxxxx

Se almacena el café cereza en tolvas llenas de agua en un 50% de su capacidad. La cereza es llevada al tanque de lavado por flotación. El tanque tiene un sifón (P>75mm), los cuales transportan al despulpador las cerezas. Este simple sistema satisface varias funciones:

  1. Clasifican los cafés maduros de los verdes y vanos, así como también eliminan hojas, ramas, etc., por diferencia de peso especifico, ya que el café maduro tiende a irse al fondo del tanque mientras que los granos verdes y vanos, o con la semilla, así como ramas y hojas, tienden a flotar.

  2. Dosifican a través de un sistema de sifón o de vasos comunicantes, el gasto de las máquinas despulpadoras (fase siguiente del proceso).

  3. Separan la tierra, piedras y arena, los cuales quedan en el fondo de dichos recipiente.

Las cerezas vanas, frutos secos y dañados, ramas, hojas, etc., son eliminados por un vertedero de flotes para un posterior procesamiento, mientras que los frutos sanos y maduros son succionados por el cilindro de sifón hasta las despulpadoras.

  1. I.-PROCESO HÚMEDO. Construir un plano de distribución de maquinaria y equipo, cuando la fermentación es incluida en el proceso de preparación. El proceso seco es muy simple y es el más importante de todos, es de baja demanda con respecto a la cosecha, desde que la baya de la cereza se cosecha esta inmediatamente se seca. En contraste con el proceso húmedo que requiere un control más estricto de la cosecha como vainas sin secar o con vainas aun húmedas que no pueden manejarse por las maquinas de pulpado.

La composición del mucilago es la siguiente:

84.2 % de agua

8.9 % de proteína

4.1 % de sacarosa (un 60% son azucares reductores)

0.9 % de ácidos pécticos

0.7 % de cenizas

Sivets reporta un contenido de 12% de ácidos pecticos y 3% de azucares como composición general, siendo el resto 65% de agua.

Los ácidos pectinicos están compuestos por cadenas lineales de polímeros de ácidos formadas principalmente de hidroxilhexosas (azucares) predominando la galactosa seguida por arabinosa y otros azucares. Los ácidos pectinicos son clasificados como protopectinas. junto con los ácidos pectinicos y los azucares, varias enzimas que forman el mucilago y la pulpa que lo rodea durante el desarrollo del fruto y que son protopectinasas, pectinasas, pectinesterasas y pectasas. Cada enzima actúa sobre el sustrajo del que tomo el nombre. Si la fruta no fue cosechada y cayo al suelo, estas enzimas se encargaran de hidrolizar la pulpa y el mucilago una forma natural para liberar a las semillas y que estas sigan su proceso natural como agentes de reproducción; en cambio, si la fruta es despulpada previamente, como sucede en el beneficio, el mucilago queda expuesto a una gran cantidad de microorganismos como bacterias y hongos que se encuentran en ese medio muy favorable para su crecimiento.

Después de secado, la etapa de proceso del secado de la cereza de café (también llamado curado) y café pergamino es muy similar, las diferencias radican en el equipo usado para quitar el sobrante de la cubierta externa de los frijoles de café verde, el tamaño y el color.

La preparación técnica no juega un rol real en la calidad intrínseca del café verde final, pero sin embargo este es significativo si el daño al producto puede ser evitable.Elcambio, si la fruta es despulpada previamente, como sucede en el beneficio, el mucilago queda expuesto a una gran cantidad de microorganismos como bacterias y hongos que se encuentran en ese medio muy favorable para su crecimientocapacidad.

La prueba que se utiliza para comprobar si la fermentación ha concluido, es tomar entre la mano unas cuantas semillas y frotarlas ligeramente bajo el chorro de agua; si el mucilago se desprende fácilmente y el choque entre las semillas hace un sonido de piedrecillas, la digestión ha terminado. Como nuestro café es de altura (entre 600 a 1200 msnm) el tiempo promedio de fermentación es de 24 horas.

La concentración de enzimas pécticas va a depender del estado de madurez de las cerezas, el volumen de la masa de café y el tiempo transcurrido entre el corte y el despulpe.

    1. II.-EL SECADO DEL CAFÉ.

      1. a.-Después de secado, la etapa de proceso del secado de la cereza de café (también llamado curado) y café pergamino es muy similar, las diferencias radican en el equipo usado para quitar el sobrante de la cubierta externa de los frijoles de café verde, el tamaño y el color.

La preparación técnica no juega un rol real en la calidad intrínseca del café verde final, pero sin embargo este es significativo si el daño al producto puede ser evitableSECADORES, SECADO DEL CAFÉ. ELEMENTOS TEÓRICOS A CONSIDERAR. I.- Definición:El secado de sólidos consiste en separar pequeñas cantidades de agua, un material seco mezclado con café , con el fin de reducir el contenido de líquido residual hasta un valor aceptablemente bajo. El secado es habitualmente la etapa final de una serie de operaciones y con frecuencia, el producto que exclusivamente por radiación.

1) Conducción

En los sólidos, la única forma de transferencia de calor es la conducción. Si se calienta un extremo de una varilla metálica, de forma que aumente su temperatura, el calor se transmite hasta el extremo más frío por conducción. No se comprende en su totalidad el mecanismo exacto de la conducción de calor en los sólidos, pero se cree que se debe, en parte, al movimiento de los electrones libres que transportan energía cuando existe una diferencia de temperatura. Esta teoría explica por qué los buenos conductores eléctricos también tienden a ser buenos conductores del calor.

Fórmulas y leyes

El flujo de calor conducido a través de un cuerpo por unidad de sección transversal es proporcional al gradiente de temperatura que existe en el cuerpo (con el signo cambiado).

Campo de temperatura: T = T(x;y;z;t)

t: tiempo

Campo estacionario: T = T(x;y;z)

Gradiente térmico: ÑT = ∂T.i /∂x + ∂T.j /∂y + ∂T.k /∂z = ∂T/∂A | n /m.a

i,j, k, n: versores

La variación de temperatura por unidad de longitud se denomina gradiente de temperatura: ΔT/L.

Intensidad de flujo de calor: Φ = ΔQ/ΔA.Δt [J/m ².s] =[watt/m ²] [cal/cm ².h]

Flujo: H = ΔQ/Δt [J/s] =[watt] [cal/h]

Flujo lineal: H = k.A.ΔT/L [J/s] =[watt] [cal/h]

Flujo radial: H = 2.π.k.L.ΔT/ln (r2/r1) [Flujo radial: H = 2.π.k.L.ΔT/ln (r2/r1) [J/s] =[watt] [cal/h]

Flujo esférico: H = 4.π.k.r1.r2.ΔT/(r2- r1) [J/s] =[watt] [cal/h]

H: flujo de calor [J/s].

k: conductividad térmica del material [J/s.m.°C].

A: sección de conducción.

L: longitud desde el punto de más calor al de menos calor.

a) Régimen estacionario: Φ = - λ .ÑT

b) Régimen estacionario y flujo en una sola dirección: ΔQ = - λ .ΔA.ΔT.Δt.Δl

c) Régimen no estacionario: Ñ ²T = ∂T ²/∂x ² + ∂T ²/∂y2 + ∂T2/∂z2 = ∂T/ α .∂t

α = λ /ce

Procedimiento general: i - se resuelve (c), obteniendo T.

ii - con (a) se calcula Φ .

iii - con Φ se calcula trae de un secador para empaquetado. Secadores continuos de túnel

Este tipo de secador está formado por un túnel, por el cual pasan bandejas o carretillas con el material a secar, dentro del túnel, se hace fluir, generalmente a contracorriente, aire caliente.
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