Modelado de los procesos de secado y atemperado del arroz IRGA 424

Title

Modelado de los procesos de secado y atemperado del arroz IRGA 424

Contributor

Goldschmit, Marcela
Gastón, Analía

Publisher

Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ingeniería

Date

2019-04-10

Extent

189 p.

Abstract

El arroz es un cereal rico en hidratos de carbono, proteínas y vitaminas, por lo cual se encuentra en la dieta habitual de más de dos tercios de la población mundial. Los rendimientos de molienda de este cereal, así como el tiempo de secado requerido para alcanzar la humedad de almacenamiento, pueden ser optimizados mediante el estudio experimental. Esto puede contribuir a que una mayor proporción del cultivo ingrese a la cadena alimentaria, lo que aumenta el valor de la cosecha. De este modo, también es posible limitar la cantidad de arroz quebrado, el cual es usualmente destinado a la alimentación animal, ya que posee un menor valor comercial.
Se han ajustado en esta tesis, diversos modelos matemáticos a los datos experimentales, y se han comparado mediante un análisis estadístico meticuloso. Se han elegido de este modo las expresiones que permiten predecir la información deseada con exactitud, y se han obtenido los parámetros relevantes, que pueden ser usados por trabajadores de la industria, para predicciones futuras.
Se eligió para este estudio, el arroz IRGA 424. A pesar de ser una de las variedades mayormente cultivadas en la Argentina, su comportamiento durante el secado y atemperado, no había sido reportado en la literatura al momento de comenzar esta tesis.
La temperatura de transición vítrea (Tg) del arroz IRGA 424, fue satisfactoriamente determinada mediante ensayos de análisis dinámico mecánico. Tg fue calculada usando los picos de las curvas del módulo de pérdida (Tgmidpoint) y de la tangente de delta (TgEndset) en función de la temperatura. Se obtuvo un diagrama de estado, específico para esa variedad. Los valores encontrados para IRGA 424 aumentaron de 42.13 a 104.69 ° C, a medida que el contenido de humedad de las muestras disminuyó de 22.3% a 9.3% en base húmeda. Mediante estimadores estadísticos, cinco modelos matemáticos fueron evaluados para determinar su capacidad de predecir la temperatura de transición vítrea en función del contenido de agua de las muestras de arroz: Gordon y Taylor simple y linearilizada (Gordon y Taylor 1952); Fox (Fox, 1956); Jenkel y Heusch (Jenkel y Heusch, 1953) y Kwei (Kwei, 1984). El mejor ajuste se obtuvo con la ecuación de Gordon-Taylor linealizada (Gordon y Taylor, 1952).
Se desarrolló un nuevo modelo matemático para predecir la temperatura de transición vítrea de IRGA 424, cuya evaluación estadística arrojó resultados satisfactorios.
Se deben minimizar los gradientes de contenido de humedad dentro del grano y las diferencias de estado del material para lograr rendimientos de arroz más altos.
Los valores operativos óptimos para lograr dicho objetivo son temperatura de secado igual a 40.0 ° C, tiempo de atemperado de 40 minutos y contenido de humedad al comienzo del atemperado de 18.8%. En estas condiciones, el grano alcanza un 13% de contenido de humedad en 105 minutos.
Secar o atemperar arroz IRGA 424 a una temperatura de 40 °C es la mejor alternativa, ya que el cereal permanece en la región vítrea durante todo el proceso. Los parámetros del secado en capa delgada fueron calculados a partir del ajuste de siete ecuaciones de secado de la literatura: Lewis (Lewis, 1921); Page (Page, 1949); Henderson y Pabis (Henderson and Pabis, 1961); Logarithmic (Yaldiz and Ertekin, 2001); Two terms (Henderson, 1974), Midili (Midili et. al. 2002) y Logístico (Chandra and Singh, 1995). La mayor bondad de ajuste se obtuvo con el modelo de Page. Se observó que el parámetro n de este modelo no se vió influenciado por la temperatura de secado.

Rice is a staple food for more than two thirds of the world’s population. It is composed of carbohydrates, proteins, vitamins and virtually no fat. Whole grain rice yields and process time could be optimized through the study of the drying process. This may result in a larger fraction of the crop entering the human food chain, enhancing the value of the crop, and resulting in a smaller fraction of broken grain, which command a lower market value.
In this study, several mathematical models have been fitted to experimental data and then compared by means of a meticulous statistical analysis. In this way, equations that can be used to predict the desired information with accuracy were chosen, and relevant parameters were obtained, which can be used by industry workers for future predictions. No data of the drying behaviour of rice IRGA 424, a variety widely used in Argentina, was available before this work.
Glass transition temperature (Tg) of IRGA 424 was satisfactorily determined by dynamic mechanical analysis tests. Tg was calculated using the peaks of the curves
of the loss modulus (Tgmidpoint) and the tangent delta (TgEndset) as a function of temperature. A state diagram was obtained, specific for that cultivar. The values found for the rice variety IRGA 424 increased from 42.13 to 104.69 ° C, as the moisture content of the samples decreased from 22.3% to 9.3%. Using statistical estimators, five mathematical models were evaluated to determine their ability to predict the glass transition temperature as a function of the water content of the rice samples: Gordon y Taylor simple and linearilized (Gordon y Taylor 1952); Fox
(Fox, 1956); Jenkel y Heusch (Jenkel y Heusch, 1953) and Kwei (Kwei, 1984). The best fit was obtained with the linearized Gordon-Taylor equation.
A new mathematical model was developed to predict the glass transition temperature of IRGA 424, whose statistical evaluation produced satisfactory results.
In order to preserve the quality of the rice, the gradients of moisture content within the grain and differences in the state of the material to achieve higher rice yields must be minimized. The optimal operating values to achieve this objective are drying temperature equal to 40.0 ° C, temperature time of 40 minutes and initial moisture content at the beginning of the tempering of 18.8%. Under these conditions, the total processing time needed to reach 13% moisture content is 105 minutes.
Drying and tempering rice IRGA 424 at a temperature of 40 ° C is the best alternative of all studied, since the rice remains in the glassy region throughout the process. The thin-layer drying parameters were calculated from the mathematical fitting of seven drying equations of the literature: Lewis (Lewis, 1921); Page (Page, 1949); Henderson y Pabis (Henderson and Pabis, 1961); Logarithmic (Yaldiz and Ertekin, 2001); Two terms (Henderson, 1974), Midili (Midili et. al. 2002) y Logístico (Chandra and Singh, 1995). The best goodness of fit was obtained with the Page model, whose parameter n, was not affected by drying temperature.