TECNOLOGÍA QUÍMICA Vol. XXVIII, No. 3, 2008 51

PROPIEDADES TERMOFÍSICAS DEL GUARAPODESHIDRATADO EN POLVO

Emir Cabrera Rodríguez, José Gandón Hernández, Armando Díaz ConcepciónInstituto Superior Politécnico “José Antonio Echeverría” CUJAE., Instituto Cubano de Investigaciones

de los Derivados de la Caña de Azúcar. ICIDCA

Como es sabido, a nivel mundial, cada día se incrementa la preferencia por los productosalimenticios calificados como naturales. La industria azucarera cubana con sus planes dediversificación tiene una participación activa en la fabricación de edulcorantes sanos, entre losque se encuentran diferentes tipos de azúcares y el guarapo deshidratado en polvo. El procesotecnológico de obtención de este último producto requiere la concentración por evaporación delos jugos frescos de la caña de azúcar y posteriormente de un proceso de secado. Para sualmacenamiento deben garantizarse condiciones adecuadas de temperatura, humedad y circula-ción del aire. En este sentido se deben diseñar envases e instalaciones apropiadas, haciendo usode las propiedades termofísicas del producto en cuestión. En este trabajo se realizó un estudio dedichas propiedades, determinándose experimentalmente la conductividad y la capacidad térmicaa diferentes temperaturas (30, 35, 40 y 45 ºC), y evaluándose las correspondientes difusividadestérmicas.Palabras clave: guarapo deshidratado, conductividad térmica, capacidad térmica, difusividadtérmica.

It is worldwide known about the increasing of the natural food preference day by day. Sugar Cubanindustry and its diversification plans have an active participation on the manufacture of healthysweeteners, like different kind of sugars and dehydrated sugar-cane juice as powder. Thetechnological process of this last product needs concentration of the sugar-cane fresh juices andafter a drying process. Suitable conditions such as environmental temperature and humidity andan adequate air speed should be guaranteed in the storage. For this reason the design of packagesand store rooms should take into account the thermophysical properties of product. The aim of thispaper was to carry out a study of those properties, through the experimental evaluation of boththermal conductivity and thermal capacity at different temperatures (30, 35, 40 and 45 ºC). Thethermal diffusivity was also evaluated.Keywords: dehydrated sugar-cane juice, thermal conductivity, thermal capacity, thermal diffusivity.

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Introducción

Cada año se incrementa notablemente el con-sumo mundial de alimentos sanos, entre los que seincluyen los edulcorantes extraídos, empleandocomo procedimiento solamente la remoción deagua de los jugos frescos de caña, sin que seaplique refinación, depuración o cualquier otrotipo de proceso químico. /4/ Esta preferenciasobre los edulcorantes convencionales, se justifi-ca por la ausencia de sustancias químicas perju-diciales a la salud de los consumidores, lográndosecon ello la conservación de las vitaminas y mine-rales presentes en la caña de azúcar. Un ejemplode este tipo de producto es la Panela producida enpaíses de América Latina, la que se caracterizapor conservar todos los nutrientes de la caña de

azúcar, aportando cantidades apreciables de lasvitaminas A, algunas del grupo B, C, D y E.

Respecto a los minerales, se destacan entreotros: calcio, hierro, potasio, fósforo, magnesio,cobre, zinc y manganeso. La Panela contienecinco veces más minerales que el azúcar morenoy cincuenta veces más minerales que el azúcarblanco. /3/

Los países productores de azúcar, en su diversi-ficación de la industria han dirigido sus esfuerzos ala reducción de los costos de producción mediante eldesarrollo de productos paralelos al proceso deproducción de azúcar. La industria azucarera cuba-na ha sido receptiva a estas tendencias de disminu-ción de los costos de producción mediante el aumen-to del recobrado y la producción de diferentes tipos

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de azúcares de mayor valor agregado. Con esteobjetivo los científicos del ICIDCA, han desarrolla-do una tecnología para producir guarapo deshidratadoen polvo. La misma requiere de un proceso rela-tivamente simple en comparación con el de fabri-cación de azúcar, puesto que reduce el número deoperaciones, equipos, productos químicos, manode obra y con ello los consumos de agua y energía.Esta tecnología garantiza la preservación prácti-camente de todos los azúcares y nutrientes,obteniéndose un edulcorante más saludable quecontiene carbohidratos, proteínas, aminoácidos,vitaminas, minerales y microelementos digestibles,mediante un proceso que no genera melazas ycachaza como subproductos.

El almacenamiento y empaque del guarapodeshidratado en polvo requerirá del diseño deinstalaciones que garanticen condiciones apro-piadas de temperatura, humedad y circulación delaire, haciendo uso de las propiedades termofísicasde este producto. /7/

Por ello, en este trabajo se presenta un estudiode estas propiedades, mediante las determinacio-nes experimentales de la conductividad térmica yla capacidad térmica y las estimaciones de lascorrespondientes difusividades térmicas, en elintervalo de temperatura desde 30 ºC hasta 45 ºC.

Fundamento teórico

Conductividad térmica:

La conductividad térmica es la capacidadque tiene un material para conducir el calor.Depende, fundamentalmente, de la temperatu-ra, la presión, la humedad, la densidad y laestructura de cada sustancia.

Se determina por lo general experimentalmen-te, existiendo varios métodos con este objetivo, lamayoría se basan sobre la medición de la densidadde flujo de calor y del gradiente de temperatura,calculándose mediante la relación siguiente:

De la ecuación anterior se deduce que laconductividad térmica es numéricamente igual a lacantidad de calor que atraviesa la unidad de área desuperficie isotérmica, en la unidad de tiempo, cuandoel gradiente de temperatura es la unidad. /6/

Los alimentos en su gran mayoría son malosconductores del calor; ésta es la razón por la que losprocesos de transferencia de calor, donde la con-ducción es el mecanismo predominante, son lentos./8/; esta propiedad se encuentra influenciada porvarios factores como: la temperatura, la composi-ción, la densidad, la humedad y la porosidad. /8/

Para realizar la determinación experimentalde la conductividad térmica, existen diferentesmétodos y sus diferencias están dadas por suscaracterísticas y principios de funcionamiento.Entre los métodos directos en estado estacionarioestá el Método del Cilindro. Este está basado enla Ley de Fourier, que describe la conducción delcalor a través de una pared cilíndrica, de acuerdocon la siguiente ecuación:

El material para investigar, reviste a un tubo,dentro del cual hay una resistencia eléctrica u otroelemento que disipe o absorba calor. Cuando sealcanza el estado estacionario, el calor generado porel calentador pasa a través de la pared del tubo y delmaterial experimental y se pierde a los alrededores.En este método es sumamente importante garanti-zar que las pérdidas en la dirección axial sean nulaso prácticamente despreciables, lo que se logra traba-jando con relaciones entre la longitud y el diámetrorelativamente grandes. /9,11/

Capacidad térmica

La capacidad térmica se define de formageneral como la cantidad de calor necesaria paramodificar la temperatura de la unidad masa deuna sustancia en un grado. /13/

La capacidad térmica de los productos alimen-ticios es una propiedad importante, ya que permitedeterminar la cantidad de calor que es necesarioTgrad

qk = (1)

(2)212

lnTTLrrQk ei

−−

=π

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extraer o suministrar para llevar el alimento a latemperatura deseada. Dicha capacidad depende,fundamentalmente, de la cantidad de agua pre-sente en el alimento; así como de su estado físico,por lo que esta propiedad ha sido modelada porecuaciones de la forma: /1/

Cp = C1 + C2 W

Son numerosos los métodos y equipos usadospara medir la capacidad térmica de productosalimenticios; los más utilizados son los métodos demezclas y sus modificaciones, el calorímetroadiabático con calentamiento interno y lacalorimetría diferencial de barrido (DSC). /1/

En este último método se mide la energíarequerida para establecer una diferencia de tem-peratura de valor cero entre el producto alimenti-cio y el material de referencia, a partir de lo cualse calcula la capacidad térmica. El tamaño de lamuestra es muy pequeño, y el material debe sercuidadosamente homogeneizado. Los equipos lla-mados calorímetros diferenciales de barrido soncomplejos y de precios altos, según el modelo y laprecisión que ofrezcan. /1/

Difusividad térmica

La difusividad térmica, desde el punto de vistafísico, no es más que la relación que existe entrela habilidad del material para conducir el calor y suhabilidad para almacenarlo, dando una medida dela rapidez con que cambia la temperatura cuandohay un calentamiento o un enfriamiento. /8,10/

La difusividad térmica se define como la rela-ción que existe entre la conductividad térmica, lacapacidad térmica y la densidad, de acuerdo conla siguiente ecuación:

Partiendo de esta ecuación, y conociendo losvalores de las otras propiedades, puede ser calcu-lado el valor de la difusividad térmica. Esta pro-piedad difiere para cada sustancia y depende,principalmente, de la humedad y de la temperatu-ra, pero también puede variar con la composicióny la porosidad.

Materiales y métodosPara la obtención del lote de guarapo investi-

gado se utilizó jugo de caña de la variedad C-1051-73; cepa Frío 2001 de trece meses de edad yrendimiento 140 800 @ por caballería.

La caña se raspó previamente, y la extraccióndel jugo se realizó en un trapiche comercial de trespares de mazas cilíndricas de diferente tipo derayado de 100 mm de diámetro y 150 mm de largo;posteriormente, se concentró en un evaporador alvacío y después el guarapo concentrado se secópor aspersión. /2/

El producto así obtenido, con densidad de bultode 730 kg/m3 y humedad de 5,1 %, fue estudiadoaplicando el método del cilindro en estado estacio-nario para determinar su conductividad térmica acuatro temperaturas (30, 35, 40 y 45 ºC). Estemétodo es apropiado para este tipo de producto,aunque debe tenerse en cuenta que los valores deconductividad térmica obtenidos deben reportar-se como aparentes. /12/ Los experimentos sellevaron a cabo realizando cuatro réplicas paracada valor de temperatura.

La determinación experimental de las capacida-des térmicas se efectuó de igual forma que para laconductividad térmica, utilizando en este caso uncalorímetro diferencial de barrido Mettler TA 4000.

Para la estimación de la difusividad térmicase empleó su relación con la conductividadtérmica, la capacidad térmica y la densidad delproducto en cuestión.

Resultados y discusión

Los valores medios obtenidos para cada una delas propiedades se muestran en la siguiente tabla.

(3)

(4)Cp*ρ

α k=

Tabla 1Propiedades termofísicas del

guarapo deshidratado en polvo

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La evolución de cada una de las propiedadestermofísicas, determinadas como una función de latemperatura, se representan en la figura 1. Resultaevidente que con el aumento de la temperatura en elrango estudiado se incrementan la conductividad y lacapacidad térmicas, lo cual es característico de los

productos no homogéneos de naturaleza vegetal. /5/ Lavariación de la temperatura tiene mayor influenciasobre la capacidad térmica, ocasionando mayoresincrementos en dicha propiedad que en la conductividadtérmica, lo que trae como consecuencia que la difusividadtérmica disminuya con el aumento de la temperatura.

Fig. 1 Variación de las propiedades térmicas con la temperatura.

Conclusiones

Con el objetivo de emplear los valores de laspropiedades termofísicas del guarapo deshidratadoen polvo en el diseño de instalaciones para sualmacenamiento fueron determinadas la capacidad,la conductividad y la difusividad térmicas en elintervalo de temperatura desde 30 hasta 45 ºC,resultando que la conductividad y la capacidadtérmicas se incrementan con el aumento de latemperatura, variando de 0,3455 a 0,5045W/m.K, ydesde 1,0500 hasta 1,8500J/g.K, respectivamente,mientras que la difusividad térmica disminuye de4,5075.10-7 a 3,5631.10-7m2/s. Estos resultados a lavez que útiles resultan novedosos pues constituyenlas primeras referencias sobre las propiedadestermofísicas de este tipo de producto.

Nomenclaturak: conductividad térmica, W/m.Kq: densidad de flujo de calor, W/m2

L: longitud del tubo, mre: radio exterior, mT1 y T2: temperaturas medidas en los radios ri y re,

respectivamente, 0CW: fracción másica de aguaα: difusividad térmica, m2/sQ: flujo de calor, Wgrad T: gradiente de temperatura, 0C/mT: temperatura, ºCri: radio interior, mC1 y C2: constantes que varían según el producto

y el autor.Cp: capacidad térmica, J/g.Kρρρρρ: densidad, kg/m3

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Referencias1. Alvarado, J. D. y J. M. Aguilera, Métodos para

medir propiedades físicas en industrias de ali-mentos, Editorial Acribia S. A., Zaragoza, Espa-ña, 2001.

2. Campos, F.; A. Díaz ; C. Coronado, Deshidrata-ción de jugo de caña y jugos de frutas, Aspectostécnicos, económicos y de mercado. Reseña bi-bliográfica, Subdirección: Cuba 10-ICIDCA, LaHabana, Cuba, 2005.

3. http://alimentacion.interbusca.com (20/01/08)4. http://www.moyobamba.net/chancaca (14/12/06)5. http://www.rpaulsingh.com (20/01/08)6. Isachenko, V., Transmisión de calor. t.1, Edito-

rial Pueblo y Educación, 1973.7. Jowitt R., et al., Physical Properties of Foods.

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10. Rao, M. A.; S. S. H. Rizvi, Engineering properties offoods, Marcel, Dekker, Inc. New York, Basel, 1986.

11. Riedy, G. A.; A. L. Rippen, “Methods fordetermining thermal conductivity in foods”. No.2. vol. 30, TRANS, of the ASAE, 1987.

12. Sweat, V., Thermal properties of foods. InM.A.Rao and S. S. Rizyi. Engineering propertiesof food, New York, 1986.

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