CONSIDERACIONES TÉCNICAS DEL SECADO DE CAFÉ AL SOL

El Sol como fuente de calor

El sol irradia una cantidad definida y constante de energía durante el día. Esto es conocido como la constante solar, y es medida en unidades de calor recibida por una unidad de área por minuto. La unidad térmica Británica (BTU) se define como la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de 1 libra de agua por 1 grado Fahrenheit.

La constante solar tiene un valor de 7.15 BTU por pie cuadrado por minuto sobre una superficie perpendicular a los rayos del sol cuando la tierra está a su distancia media del sol. Algo de la energía solar es perdida cuando pasa a través de la atmósfera terrestre; este factor naturalmente varía por las condiciones atmosféricas. Sin embargo es necesario medir la cantidad de energía solar recibida en cualquier momento y lugar dado para averiguar cuánto está disponible para el secado.

El instrumento usado para medir la cantidad de energía es llamado pirheliómetro; pero ahora podemos contar con información necesaria en internet para determinar la elevación del sol, así como la radiación solar del lugar en donde se procederá a secar café utilizando el sol como fuente calor.

Para este artículo las observaciones hechas y mostradas en las figuras 1 y 2, son para Matagalpa, Nicaragua (latitud norte 12° 55 00" y longitud oeste -85° 55 00"), altitud 680 msnm; ya que en este lugar se utiliza mucho el secado de café al sol. Los datos de la elevación del sol (en grados) y la radiación solar (en watts por metro cuadrado), son leídos cada hora entre las 6 y 17 horas, durante los meses de diciembre y enero que son los meses de mayor cantidad de café en proceso de secado.

En la figura 1 se muestra que la máxima elevación del sol arriba de los 52 grados se da entre las 11 y las 13 horas; y en la figura 2 podemos observar que se tiene un promedio de radiación solar durante el día en superficie nivelada y con 0% de nubosidad, de 501.81 W/h.m² (159.074 BTU/h.ft²) o 2.65 BTU por pie cuadrado por minuto; siendo el período de alta radiación desde las 11 hasta las 14 horas. Se puede ver que alrededor del 45 por ciento o menos de la energía teórica está realmente disponible para el secado. Las pérdidas se deben (1) al paso de la radiación a través de la atmósfera- es mayor cuando las nubes están presentes, y (2) al ángulo bajo promedio del sol.  En la figura 2 también podemos apreciar la radiación solar conforme al porcentaje de nubosidad.

Fig.1

Fig.2

Para una superficie nivelada, la porción de energía total recibida para una unidad de área es igual al seno del ángulo de elevación del sol por encima del horizonte.

Eficiencia de secado
Del  45 por ciento del total de la energía disponible, solo del 7 al 13 por ciento puede ser usada en la evaporación de agua de un material húmedo como los granos de café. La eficiencia es mayor cuando los granos de café están bien húmedos.

No toda la energía viene directamente del sol. El 77 por ciento viene directamente del sol, el 23 por ciento restante viene por la reflexión y refracción del cielo o de la radiación indirecta. Las lecturas más altas fueron el 73.4 por ciento de la constante de radiación solar para una superficie nivelada y se obtuvo a medio día, con el sol a una elevación de 55⁰.

La figura 2, muestra los efectos del porcentaje de nubosidad en la reducción de la radiación solar. Los porcentajes altos de nubosidad son características de un día lluvioso para la zona de Matagalpa.

Por ejemplo, una terraza a 305 msnm, con un área de 75,820.985  ft² (1 mz) en un clima con 0% de nubosidad con el sol en una elevación promedio invernal, recibe suficiente energía solar para evaporar 151,630 libras de agua diariamente con 100% de eficiencia. Incluso a las eficiencias de 7 a 13 por ciento realmente obtenidas en el secado de café, se puede llegar a evaporar 19,712 libras de agua del café por día, con buenas condiciones de clima; que nos es nada despreciable.

Potencial de secado

El primer principio es que la humedad relativa del aire de secado es el factor importante que determina el potencial de secado del aire. Potencial de secado se define como la fuerza impulsora que lleva a cabo el secado, y se mide por la diferencia entre la presión de vapor de agua del material a secar y la presión de vapor de agua en milímetros de mercurio (mm Hg) correspondiente a la humedad relativa del aire. La presión de vapor de agua (como de todos los líquidos) es una función de la temperatura. Las presiones de vapor de agua, del agua en aire saturado con la humedad son los mismos que los que se muestran en la curva de una carta psicrométrica; y el porcentaje de humedad relativa expresa la fracción de esta presión de vapor de agua de saturación en el aire que tiene una humedad menor de saturación. Ejemplo: si el aire tiene una humedad relativa de 60 por ciento, y una temperatura de 113 F (45 C), a continuación, la presión de vapor es 0,60 x 71,9 = 43,0 mm de mercurio.

En la operación de secado, el material que se está secando tiene una cierta presión de vapor de agua.
Si su superficie es húmeda, esta presión de vapor será la misma que la mostrada en la curva de la temperatura existente. Si la superficie está seca, la presión de vapor será menor y, como el material se vuelve más seco y la humedad restante se lleva a cabo más tenazmente (agua ligada), la presión de vapor disminuirá hasta que esté cerca de cero. Esta presión de vapor de material constituye la fuerza impulsora hacia la pérdida de agua, es decir, de secado.

Por otro lado, la presión de vapor del aire, medida por la curva y la humedad relativa constituye una fuerza impulsora contra del secado, y la diferencia, es decir, el exceso de la presión de vapor de material sobre la del aire, es el potencial de secado en cualquier circunstancia. Este es un factor que influye en la velocidad de secado.

Al comienzo de la operación de secado, la presión de vapor del café es alta y se mantiene constante, siempre y cuando la superficie es húmeda. Después de un tiempo, la humedad en o cerca de la superficie se ha agotado, y la humedad debe migrar desde el interior del grano a la superficie. Esta es la llamada fase de caída de velocidad de secado. Conforme pasa el tiempo, el agua comienza a sostenerse cada vez con más fuerza por las fuerzas químicas, tales como las células de agua de hidratación y de agua libre, que es parte de la estructura de los componentes químicos de los sólidos de café. El proceso de secado se hace gradualmente más lento y la presión de vapor de superficie disminuye continuamente a medida que pasa el tiempo.

Un corolario para el principio de que la humedad relativa del aire de secado debe ser tan baja como sea posible con el fin de tener un alto potencial de secado y de secado rápido, es que, dentro de límites moderados, la velocidad de secado depende mucho más de la humedad relativa del aire que los de la temperatura de bulbo seco.
La transferencia de calor al grano desde el aire en realidad es el factor de control en las tasas de evaporación de agua de los granos.

Cuando el material y la presión de vapor de aire son iguales, el potencial de secado es cero, y el secado cesa. En este punto, se dice que el contenido de agua del material que está en equilibrio con el aire de secado de que la humedad relativa en particular. El aumento de la temperatura va a perturbar este equilibrio. No se debe pasar por alto el hecho de que la presión de vapor de la superficie del material es un concepto dinámico y depende de la velocidad de difusión de la humedad y el gradiente de humedad entre el centro de una superficie. Si el movimiento es lento, esto se convierte en el factor limitante, y el secado no puede proceder más rápidamente que el agua puede llegar a la superficie no importa bajo la humedad relativa ni cómo alta la velocidad del aire de secado factores que, en las primeras etapas, no acelerar el secado.

Temperatura del bulbo húmedo en el secado adiabático.

El segundo principio de Carrier de secado aclara las relaciones entre la temperatura de bulbo húmedo del aire de secado y la toma de la humedad por el aire. Este principio se aplica cuando el aire de secado pasa por encima o a través de un material húmedo en condiciones adiabáticas que significa que no se añade calor o quitado externamente hacia o desde el secador. El aire que entra tiene un conjunto definido y constante de las propiedades. Debe tener una humedad relativa inferior al 100 por ciento, ya que no podría realizar el secado. Por lo tanto, las diferencias deben salir entre bulbo seco, de bulbo húmedo y las temperaturas de punto de rocío. Carrier declaró que cuando el aire pasa por encima o a través del material húmedo (suponiendo que su superficie es húmeda y su presión de vapor es, por lo tanto, tan alto como sea posible) la temperatura de bulbo húmedo del aire de secado se mantiene constante mientras que su temperatura de bulbo seco cae como el aire recoge la humedad y la temperatura del punto de rocío se eleva. Si el proceso continúa hasta que el aire se satura, la temperatura de bulbo seco va todo el camino hasta la temperatura de bulbo húmedo, y la temperatura del punto de rocío se eleva todo el camino a la temperatura de bulbo húmedo que refleja el aumento del contenido de humedad del aire hasta el límite de su capacidad.

Este es un concepto simple, pero no es en absoluto evidente. Esto significa, en pocas palabras, que exactamente la cantidad correcta de calor que se suministra por el enfriamiento del aire de secado, para suministrar el calor latente de evaporación de la humedad absorbida por el aire del material que se está secando. La suposición se hace que la temperatura inicial del material está en o cerca de la temperatura de bulbo húmedo del aire. Si se tratara de frío, se requeriría calor sensible del aire para que se caliente y la temperatura de bulbo húmedo caería de acuerdo a la cantidad de calor necesaria para calentar el material. Este importante principio se utiliza para calcular la capacidad de secado del aire.

Técnicas y operación de secado al sol
Después de muchos años de trabajo práctico y analizando los diversos factores sobre el tiempo de secado, la eficiencia de secado, y la calidad del café, llegamos a las siguientes conclusiones:

1. La evaporación de agua cuando el café lavado a 54% de humedad (base húmeda) es 100 veces más rápida que cuando el café está a 20% o menos de humedad.
2. Con una profundidad aproximadamente de 10 cm, de la capa de café en la terraza, la tasa de pérdida de agua por unidad de área de superficie de la terraza de secado aumenta; pero la velocidad de secado (pérdida de agua por unidad de peso) se retarda, (explicado en el apartado potencial de secado).
3. Es importante agitar o mover el café cada hora, esto acorta en un 14% el tiempo de secado.
4. El proceso de secado se subdivide en tres etapas: etapa blanca, cuando los granos de café tienen una humedad arriba de 40% (base húmeda) con aspecto blanquecino blando. Etapa negra, cuando los granos de café tienen una humedad más baja de 40% y mayor de 20%, con un aspecto negro traslucido. Y la etapa final, cuando los granos de café tienen una humedad menor del 20%, y toma el usual color verde azulado. Especialmente durante la etapa blanca, el control de la temperatura es de suma importancia, ya que, si excede el valor crítico de 40 ° C, particularmente si alcanza los 70 ° C, las fermentaciones comienzan con la formación de granos apestosos. Se ha observado que la luz solar, especialmente en el rango de espectro entre 400 y 480 nm (newton metro, longitud de onda de la luz ultravioleta que se da 2 horas antes del cenit y 2 horas después), juega un papel importante para mantener la calidad del café, si el café es expuesto a la luz ultravioleta la calidad se ve afectada. Este efecto se limita a la fase final del escenario negro; por lo tanto, el secado podría comenzar en la secadora, continuar al sol entre 40 y 20% de humedad y completarse en la secadora.
5. Cuando los granos de pergamino se extienden para secar en los patios, la capa no debe tener más de 3 centímetros y debe mezclarse con frecuencia, especialmente durante el período inicial de secado; de lo contrario, el pergamino se agrieta y provocará una exposición temprana del grano. Cuando el agua ya no es visible en la superficie del pergamino, la masa de café se puede apilar en hileras de 30 cm de altura. Una vez que se ha eliminado el 50% del agua, se deben hacer montones y cubrir con toldos hechos de kenaf. Al mediodía, estos montones deben ser desmontados y expuestos al sol durante solamente 3 horas (evitar las horas de más alta incidencia de luz ultravioleta).
6. Los toldos de polipropileno o polímeros sintéticos llamados "plásticos", se deben usar para tapar el café solamente que existan altas probabilidades de lluvia, o por las noches en donde el punto de rocío (sereno) es muy alto. 
7. La temperatura ambiente y la humedad relativa son los importantes factores para determinar la velocidad de secado en las terrazas. Si ocurren lluvias durante el proceso de secado, provoca que el café absorba nuevamente la humedad, lo cual resulta en la pérdida del color del grano y mala calidad de taza, y una apariencia irregular. Si el pergamino está roto antes de ser secado, el resultado es granos blanqueados y taza pobre en calidad; esto se puede evitar que el personal utilice calzado con suela de goma suave, y no presionar el café con la paleta cuando se está removiendo.
8. La capacidad de secado en terrazas de ladrillos o concreto para café pergamino lavado, con buenas condiciones climáticas, varían por autor: 

          Michael Sivetz: 20 lb/m²/día

          PROCAFÉ (El salvador): 16 lb/m²/día

          ANACAFÉ (Guatemala): 70 lb/m²/día

          Jean  Nicolas Wintgens: 24 lb/m²/día

          Mi experiencia: condiciones muy húmedas 25 lb/m²/día; condiciones excelentes 50 lb/m²/día.            

          Para café cereza madura fresca que contiene una humedad inicial entre 60 a 65%, es la mitad
          de libras por metro cuadrado por día de lo que se utiliza para café pergamino lavado.

      9. En mi experiencia, el uso de personal para secar el café pergamino lavado desde 54%  hasta el
          12%, cuidando la calidad del mismo es de: 60 a 70 quintales de pergamino lavado por persona.

Energía solar disponible
La constante solar mencionada anteriormente es de 429.1 BTU (7.15 BTU por minuto) por pie cuadrado por hora a una incidencia normal fuera de la atmósfera terrestre. Para una superficie horizontal a 20 grados de latitud, la energía real que alcanza una superficie nivelada a plena luz del sol promedia aproximadamente la mitad de estos valores durante un día de 12 horas o 214.6 BTU por metro cuadrado por hora. Para las 12 horas, las energías totales que alcanzan las áreas de las unidades son 6,984 kg-cal por metro cuadrado por día o 2,574.6 BTU por pie cuadrado por día, respectivamente. El calor latente de evaporación para el agua a 20 ° C es de 585 kg-cal por kg o 1,053 BTU por libra. Se ha descubierto que la eficiencia de la evaporación es aproximadamente del 70% y, por lo tanto, 6,984 / 585 x 0.7 = 8.36 kg H₂O/ft²/día o 2,575 / 1,053 x 0,7 = 1,71 lb H₂O/m²/día, presentaría la capacidad solar, aún a plena luz del sol, durante el período de secado
constante.

Si consideramos un día con 50% de nubosidad para la zona de Matagalpa, tenemos que para las 12 horas las energías totales 718.41 Watts/m²/h (ver figura 2) o 2,451.32 BTU/m² /h/1,053 x 0,7=1.63 lb de H₂O/m²/día.

Agua a evaporar por tipo de grano de café

El agua a evaporar para café pergamino lavado y para cereza madura (fruto), asumiendo que la capa de café es de 3 centímetros en un área de 1 pie cuadrado.

Mis recomendaciones y conclusiones

1.  Para obtener la máxima eficiencia térmica, es probable que sea deseable usar aproximadamente 1 pulgada de aislamiento térmico debajo del lecho de café. Los cálculos muestran que si se usa mucho, con temperaturas de café que van de 38 a 60 ° C, alrededor del 2 al 7 por ciento de la energía solar total se perderá hacia abajo a través del lecho del café.
2. No exponer el café al sol durante todo el día para evitar la incidencia de la luz ultravioleta. Exponer el café durantes 3 horas entre las 11 y 14 horas.
3. Remoción del café cada hora por lote o partida (3 remociones por día).
4. Utilizar removedores de PVC o de madera, que tengan un ligero peso para mitigar la fatiga del personal de secado.
5. No mezclar lotes de distintas humedades y de distinta calidad.
6. No utilizar toldos plásticos para tapar el café. Usarlos solamente para cuando llueva.
7. Usar más eficientemente las áreas de secado, apilando el café en hileras de 30 centímetros de altura después de que el agua superficial no es visible en el grano.
8. Mantener las terrazas de secado libre de suciedad, moho, levaduras, y objetos extraños.
9. Utilizar el personal necesario para el secado de café en terrazas, pero vigilando que los costos no se incrementen.

Bibliografia

• Michael Sivetz, Coffee Technology, 1979.
• Nasa, surface meteorology and solar energy.com
• Reisan, Casio.com
• Solar Electricity Handbook, 2017.
• Andrea Illy and Rinatonio Viani, The chemistry of quality, 1995.
• Secado de granos: natural, solar y a bajas temperaturas, FAO departamento de agricultura.