Artículo
Revista Ingeniería y Región. 2015; 14(2): 125-134
Daniel Ricardo Delgado1, Andrés F. Rivera2, Diego Iván Caviedes Rubio3, Germán Escobar Fiesco4 y Jhon Jairo Pinzón Barrantes5
El pykrete es un material compuesto por aserrín y agua, cuyas propiedades termofísicas permiten que pueda ser usado como dispositivo refrigerante en cadenas de frío, debido a que no se descongela a la misma velocidad que el hielo y tiene una durabilidad y resistencia mayor. De acuerdo a los resultados de la presente investigación, la relación agua-material celulósico de 14% P/P es la más adecuada puesto que tiene propiedades termodinámicas similares al gel comercial que se utiliza para mantener la cadena de frió. Finalmente el material que se comporta de manera similar al gel comercial es el pykrete de cascarilla de arroz molida.
Palabras clave: Pykrete; material celulósico; cadena de frío; propiedades termofísicas.
The pykrete is a material composed of sawdust and water, which thermophysical properties that can allow be your used a cooling device in cold chains, because there is thawed at the same speed as the ice and has a higher strength and durability. According to the results of this research, water-cellulosic materials ratio of 14% P / P is the more appropriate since it has similar thermodynamic properties to commercial gel used to maintain the cold chain.The other hand, material behaves in a similar way to the commercial gel is pykrete ground rice husk.
Key words: Pykret; cellulosic material; cold chain; thermophysical properties.
El principal parámetro para la determinación de la vida media de un producto para tener en cuenta en la cadena de frió es la temperatura (Evans, 1992, James y Evans, 1992, James y Evans, 1992b, Giannakourou y Taoukis, 2003a y Giannakourou y Taoukis, 2003b). Un sistema de aseguramiento de calidad y seguridad moderno debe basarse en la prevención de los fallos de calidad y seguridad a través de monitoreo, registro y control de los parámetros críticos durante el periodo de vida media del producto que incluye la fase de postprocesamiento y se extiende hasta el momento de su uso por parte del consumidor final (Evans 1991, Giannakourou et al., 2001, Dubelaar et al., 2001, Giannakourou y Taoukis, 2002, Kennedy et al., 2005, Koutsoumanis et al., 2002 y Koutsoumanis et al., 2005). Uno de los principales factores al cual se debe presentar atención es el la logística de transporte, almacenamiento y manipulación. Las condiciones de temperatura en la cadena de distribución refrigerada (Broekmeulen, 2001).
Una alternativa es el uso de una tecnología desarrollada durante la segunda guerra mundial denominada Pykreto, el cual es un material compuesto congelado hecho de aproximadamente 14% aserrín o alguna otra forma de pasta de madera (tal como papel) y 86% en peso de hielo (de 6 a 1 en peso). Se propuso su uso durante la Segunda Guerra Mundial por Geoffrey Pyke a la Royal Navy británica como un material candidato para hacer un porta aviones enorme, imposible de hundir. El Pykreto tiene algunas propiedades interesantes, especialmente su velocidad de fusión relativamente lento (debido a la baja conductividad térmica), y su muy mejorada resistencia y tenacidad sobre el hielo, lo cual lo hace similar al hormigón.
Estudios realizados por Vasilieva y colaboradores, demostraron que un diez por ciento de aserrín proporciona los mejores valores del comportamiento mecánico del material. Este comportamiento optimizado se refiere a la homogeneidad, la procesabilidad, la tenacidad y la fuerza del pykreto. La resistencia a la compresión de pykreto con 10% de aserrín puede ser de 12 MPa y la resistencia a la flexión puede ser de 3.7 MPa. Cuando se compara a 3 MPa de hielo y 1.2 MPa, estos valores son aproximadamente 3 veces más altos. La ductilidad de pykreto es incluso 10 veces mejor. Al mejorar la tenacidad a la fractura como se muestra por Kuehn y Nixon (1988) el pykreto permite una mayor deformación de la estructura y reduce rupturas por deformación (Vasilieva et al., 2015). De otro lado el pykreto tiene una tasa de fusión relativamente lenta debido a su baja conductividad térmica (Pronk et al., 2014) mejorando su resistencia al choque térmico y lo que hace de este material un posible candidato para el uso como dispositivo de frío.
El objetivo principal de la investigación es determinar si el Pykrete puede ser utilizado como dispositivo de refrigeración para conservar la cadena de frío, y determinar la mejor relación agua-aserrín o agua-cascarilla de arroz. En este sentido, el Pykrete es comparado con un gel comercial utilizado como sistema de refrigeración en cajas isotérmicas para mantener la cadena de frió de algunos productos, determinado la capacidad calorífica aparente tanto del pykrete como la del gel comercial, mediante un calorímetro de Joule.
Por tanto se presenta un diseño experimental puro factorial 3x3 evaluando tres tipos de materiales celulósicos (aserrín, cascarilla de arroz molida y cascarilla de arroz sin moler), y tres composiciones (5, 14 y 20%) obteniendo así nueve grupos (tipos de pykrete) evaluando así la influencia de la composición y el tipo de material del pykrete sobre el calor latente de fusión aparente de cada uno de los sistemas (Pykrete s).
Finalmente los resultados de cada sistema serán comparados con los datos arrojados por el gel comercial aplicando la prueba G del test de Cochran (Cochran, 1950) para evaluar la homocedasticidad y así garantizar que las variaciones entre grupos correspondan a las variables independientes (porcentaje y tipo de material celulósico) y no a errores experimentales. Posteriormente se aplicará un ANOVA (Delgado, 2014) para comparar los resultados de cada grupo con los resultados del gel comercial e identificar si hay o no diferencias estadísticamente significativas.
En un recipiente de aproximadamente 20 mi se depositaron entre 1.000±0.001 a 3.000±0.001 gramos de aserrín o cascarilla de arroz y se le adicionó la masa de agua necesaria para preparar pykretes con una fracción másica de material celulósico de 0.05, 0.14 y 0.20. Este procedimiento se llevó a cabo utilizando una balanza analítica Ohaus Pioner PA313 con una sensibilidad de ±0.001 g. Una vez preparada la mezcla se mantuvo durante 48 h a -5 °C aproximadamente.
La calibración del calorímetro es determinante en la exactitud de los resultados. Esta calibración generalmente se hace determinando la temperatura de equilibrio del sistema conformado por el calorímetro y una masa determinada de un estándar conocido como el agua, al adicionar al sistema una masa del estándar a una temperatura diferente a la del sistema. La cantidad de energía que se transfiere desde el sistema a la masa de agua que se adiciona, responde a la siguiente expresión (Levine, 2004):
mc cc ( T2 - Tf ) + m2 c2 ( T2 - T f ) = m1 c1 ( Tf - T1 ) = q Ec. 1
donde cc, c1 y c2 son constantes m1 y m2 son las masas de agua a las temperaturas T1 y T2 respectivamente en donde T1 < T2, mc es la masa del calorímetro y q es la cantidad de energía que se transfiere desde el sistema a la masa de agua 1.
A partir de la ecuación 1, se puede determinar la capacidad calorífica del calorímetro despejando cc obteniendo la siguiente expresión.
Una vez se determinó el calor específico del calorímetro, a partir del mismo principio de la ecuación 1, se determina la cantidad de energía que se transfiere del sistema al pykrete una vez se alcance la temperatura en equilibrio. En este proceso, el pykrete inicialmente en estado sólido, se funde liberando al sistema agua y material celulósico por lo que la ecuación 1 se expresaría como:
En una caja isotérmica se depositó una masa determinada de pykrete o gel congelado y se registró la temperatura del interior de la caja isotérmica en función del tiempo.
Se evaluaron tres materiales celulósicos, aserrín, cascarilla de arroz entera y cascarilla de arroz molida.
Para identificar la mejor relación agua-material celulósico por cada material se prepararon tres pykretes con relaciones másicas diferentes (0.05, 0.14 y 0.20) y se congelaron por 48 horas, posteriormente se expusieron a temperatura ambiente y se evaluó el cambio de estado en función del tiempo (120 minutos) (Figura 1), en comparación del agua pura. Los tres materiales mostraron un comportamiento similar, siendo las relaciones másicas 0.14 y 0.20 las más prometedoras debido a que mantienen su estructura y parte del agua congelada en su interior, sin embargo el pykrete con relación másica de 0.20 presenta una resequedad excesiva por lo que concluye que el pykrete-material celulósico con relación másica de 0.14 es el más adecuado; el pykrete con la relación másica de 0.05 se comporta similar al agua pura debido posiblemente a que el material celulósico actúa como aislante térmico y este al tener una menor concentración pierde energía a una mayor velocidad. Una vez determinada que la relación másica agua-material celulósico más adecuada es la de 0.14, se procede a la calibración del calorímetro de Joule determinando la capacidad calorífica del mismo de acuerdo a la ecuación 2.
Se realizaron tres replicas (Tabla 1 y 2), depositando en el vaso del calorímetro una masa determinada de agua y permitiendo que la temperatura del calorímetro y al agua agregada se equilibre, posteriormente se agrega agua a una temperatura menor a la del calorímetro y se agita constantemente hasta que la temperatura de los dos sistemas se equilibre. Para determinar la temperatura de equilibrio se registra el cambio de temperatura en función del tiempo hasta que la temperatura permanezca constante (Figura 2).
Se determinó que la capacidad calorífica aparente del calorímetro de Joule es de 0.0368±0.0014 cal g-1 °C-1, con coeficiente de variación porcentual de 3.81. Una vez calibrado el calorímetro de procedió a determinar el calor latente de fusión aparente de los tres pykretes (agua-aserrín, agua-cascarilla de arroz entera y agua-cascarilla de arroz molida) del gel comercial de acuerdo a la ecuación 4. Para determinar la temperatura de equilibrio se procedió de igual forma que para calibrar el calorímetro de Joule (Figura 2).
En las tablas 3-5, se presentan los diferentes datos para calcular el calor latente de fusión aparente de los tres pykretes (agua-cascarilla de arroz entera, agua-cascarilla de arroz molida y agua-aserrín), calculados de acuerdo a la ecuación 4, la cual asume que la temperatura inicial del pykrete es de cero grado centígrados y que una vez se funda la totalidad del agua se libera material celulósico y agua a cero grados centígrados tomando como calor específico para el material celulósico el de la madera de 0.6 cal g-1 °C-1(Lide, 2003)
En todos los casos, se observa que al aumentar el porcentaje de material celulósico el calor latente de fusión aparente disminuye debido posiblemente a que al reducir el porcentaje de agua en el pykrete la energía necesaria para fundir el agua dentro del material es menor. En este sentido, la capacidad de refrigeración del pykrete, depende del porcentaje de agua del material, pero a su vez la velocidad de fusión del sistema el cual se ve afectada por la cantidad de material celulósico presente en el pykrete, por lo que una disminución de aserrín o cascarilla de arroz en el mismo permitiría una mejor refrigeración pero disminuiría el tiempo de vida útil del pykrete.
En la tabla 6, se presenta el calor latente de fusión aparente del gel comercial, en donde el porcentaje de polímero en el gel comercial fue determinado por diferencia masa al secar una cantidad determinada del material dando aproximadamente 1.87±0.02 %, por lo que posiblemente el gel este compuesto por un polímero super absorbente, por tanto su capacidad de refrigeración está relacionada con el alto porcentaje de agua, lo que permitiría una mejor refrigeración y a su vez actuaría como un aislante térmico lo que permitía al gel comercial descongelarse a una velocidad menor a la del hielo. La capacidad calorífica del polímero fue tomada como 0.2 cal g-1 °C-1 (Lide, 2003).
Los resultados del calor latente de fusión aparente tanto del gel como de los diferentes pykretes, se presentan en la tabla 7. Mediante un análisis de varianza (ANOVA) (Delgado, et al., 2013), la homoscedas-ticidad se demuestra aplicando la prueba G del test de Cochran, donde Gexp= 0.181 es menor al Gxab (a=0,05, K=10, n=3)=0,445 lo que significa que las variancias para los diferentes niveles de concentración de material celulósico y tipo de material son homogéneas, mostrando así que el nivel de concentración o tipo de material no influye en la variabilidad de los resultados, por lo tanto no se presenta una relación estadísticamente significativa entre la variable explicativa (concentración y tipo de material) y el error experimental. En cuanto al análisis de varianza (Tabla 8), mediante el test F, el Fexp= 72.65 es mayor a Fxab= 2.393 con 9 grado de libertad en el numerador y con 20 grados de libertad en el denominador y con un nivel de significación ot=0.05, indicando que al menos el calor latente de fusión aparente de uno de los sistemas es estadísticamente significativa del resto, consolidando lo anteriormente mencionado respecto a que el porcentaje de material celulósico y el tipo de material influyen en el calor latente de fusión aparente de los sistemas (pykretes).
Ahora bien, debido a que el gel comercial es utilizado en la conservación de la cadena y la finalidad del presente trabajo es evaluar las propiedades termofísicas de diferentes pykretes a fin de reemplazar este material no biodegradable por sistemas orgánicos que sí lo son. Por ende se realizó un análisis de varianza comparando los resultados de cada pykrete con los del gel comercial (Tabla 8).
De acuerdo al test F, el FExp es mayor en todos los casos al FTab = 7.709 con 1 grado de libertad en el numerador, 4 grados de libertad en el denominador y con un nivel de significación ot=0.05., indicando que al menos el calor latente de fusión aparente de uno de los sistemas es estadísticamente significativa del resto. Si bien ningún sistema agua-material celulósico tiene propiedades termofísicas estadísticamente similares a la del gel comercial, los pykretes con una relación másica de 0.14 son los sistemas más similares al gel comercial, por lo que podrían ser utilizados como “dispositivos acumuladores de frío” y en particular el pykrete de cascarilla de arroz molida con fracción másica de 0.14, es la mejor relación agua-material celulósico debido a que tiene un calor latente de fusión alto lo que lo transforma en un buen dispositivo refrigerante y a su vez la cantidad cascarilla de arroz es suficiente para permitir que el material permanezca congelado por un lapso de tiempo mayor a la del hielo.
Finalmente con el ánimo de evaluar la eficiencia del pykrete en comparación con el gel comercial, se registró el cambio de temperatura dentro del interior de una caja isotérmica al depositar 500 g de pykrete con una relación másica de material celulósico de 0.14 o gel comercial (Figura 3).
Se registró el cambio de temperatura durante aproximadamente 4 horas demostrando que los tres pykretes evaluados tienen una eficiencia muy similar a la del gel comercial, la tendencia del pykrete de cascarilla de arroz entera prácticamente se solapa con la tendencia del gel comercial, y los pykretes de cascarilla de arroz molida y de aserrín si bien presentan distorsiones, mantienen la temperatura del sistema por debajo de 10 °C.
A medida que se aumenta el porcentaje de material vegetal en el sistema la velocidad de fusión disminuye por lo que los sistemas con 14 y 20% son los mejores sistemas, ahora de acuerdo al calor latente de fusión aparente de cada sistema, este claramente depende la proporción de material celulósico, disminuyendo a medida que el porcentaje de aserrín o cascarilla incrementa, por tanto, el material celulósico actúa como un aislante térmico manteniendo durante un mayor tiempo el sistema congelado.
Al evaluar el cambio de temperatura en función del tiempo de un sistema caja isotérmica + pykrete o caja isotérmica + gel comercial, los pykretes de cascarilla de arroz molida y entera presentan comportamientos similares a los del gel comercial, mostrando una eficiencia similar a los dispositivos compuestos por gel.
Finalmente a partir los resultados del ANOVA se puede decir que el pykrete de cascarilla de arroz molida en una relación másica de 0.14 podría ser utilizado como dispositivo de refrigeración debido a que sus propiedades termofísicas son similares a las del gel comercial, material que es utilizado para tal fin.
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