Modelización macroscópica de calor y masa durante el tostado de granos de cacao

Abstract

El tostado de granos de cacao es un proceso térmico donde los precursores de aroma y sabor generados durante la fermentación y el secado se desarrollan otorgando las características sensoriales al chocolate. En el tostado de cacao, la selección de la temperatura del tostador y la duración de proceso son dos variables críticas. Las características de transferencia de energía en el tostador y de las propiedades termo físicas de los granos son fundamentales en los aspectos relacionados con la calidad del producto final. La transferencia de energía durante el tostado usualmente se lleva a cabo por convección entre un fluido precalentado que usualmente es aire y los granos de cacao. Por lo que el proceso, involucra una fase continua y una fase dispersa en contacto a través del área interfacial. El mecanismo de transporte involucra la transferencia simultánea de masa y calor, por lo que la modelización fenomenológica ayuda a comprender la dinámica de temperatura y humedad entre un sólido y un fluido. Durante el tostado de cacao, el principal compuesto volátil a reducir es el contenido de agua establecido como función de la humedad, aunque se eliminan otros compuestos volátiles, estos se encuentran en mucho menor concentración y los que se forman dando lugar al aroma dependen de la reducción de la humedad y de alcanzar una temperatura determinada. El proceso de transferencia de calor al grano origina que se lleven a cabo dos etapas, una endotérmica y otra exotérmica, las cuales constituyen aspectos correlacionados con la calidad del producto final en cuanto a tiempos de residencia en el sistema de tostado. Por lo tanto, el objetivo de esta investigación es desarrollar, simular y validar un modelo macroscópico de transferencia de humedad y temperatura durante el tostado. El desarrollo experimental se efectuó en un horno tostador cilíndrico rotatorio, donde se realizó el registro dinámico de temperatura en un intervalo de 100ºC a 200ºC y la cinética de humedad de los granos en ese mismo intervalo fue determinada por el método gravimétrico. Para el modelo se estableció Universidad Juárez Autónoma de Tabasco. México. xi un modelo macroscópico formado por cuatro ecuaciones diferenciales ordinarias acopladas, dos expresiones para humedad y dos para la temperatura en la fase continua y dispersa. La solución se realizó a través de un método numérico empleando Runge Kutta de cuarto orden en Absoft Tools Pro Fortran 16.0.0. En la solución del modelo se utilizaron propiedades termofísicas variables como coeficientes convectivos de transferencia de masa y calor, capacidad calorífica, conductividad térmica y difusividad. El cálculo de los coeficientes convectivos se elaboró usando la relación de números adimensionales como Re, Sc, Sh, Pr y Nu. La validación se realizó mediante la comparación con datos experimentales y simulados, evaluando los valores de coeficiente de correlación y suma de cuadrados del error. El registro de la temperatura evidenció las fases de transición endotérmica y exotérmica, consecuencia de que los granos de cacao al introducirse al tostador representan una perturbación del tipo impulso (Pulso de Dirac) y el alcanzar la condición inicial de temperatura representa un tiempo determinado, que permite caracterizar este comportamiento. El modelo propuesto de transferencia reprodujo las cinéticas de humedad y temperatura con desviaciones de carácter experimental. La temperatura del aire, flujo másico y tiempo presentaron un efecto lineal sobre la humedad del grano durante el tostado de cacao. El conocimiento generado en esta investigación será apoyo para el desarrollo, control y diseño de equipos de tostado de granos de cacao.