Viabilidad Técnica Del Desprendimiento Selectivo De Café (Coffea Arabica Uutilizando Espetación De Los Frutos"

Víctor ManireíMartines Castro' Néstor Enrique Cerquera Pena Juan Rodrigo Sanz Uribe “‘‘ Edil son León Moreno Cárdenas"¹' Car/os Eugenio Otiveros Tascón......

Resumen

La presente Investigación fue de carácter exploratoria y en ella se emplearon punzones para el desarbolo de una herramienta que asista la cosecha manual denominada COSE R-6 (CÜSEcliador de Rodillos) basado en las fuerzas de esputación reportadas por Restrepo et al. (1999), y en la recolectara de aceitunas. COSER - 6 consta de 2 rodillos con punzones dispuestos radial y longitudinalmente, la rama es localizada en medio de los rodillos los cuales giran al rededor de su eje al ser accionados manualmente a b largo de la rama. Con la herramienta fueron evaluados los indicadores de cosecha: Eficiencia, Eficacia y Calidad en ramas con dos rangos de maduración (entre 50 - 70% y mayor a 70%) de cafe (Coffea arabica L) Variedad Colombia. El rendimiento potencial asociado a Eficiencia estuvo entre 95,78 y 98,33 kg/h, el porcentaje de frutos verdes asedado a Calidad entre 28,66 y 14,3 y la Eficacia entre 83 y 83,12%. Además se diseñaron y constriñeron tres punzones de punta cónica con diámetro variable: lmm (1F), l,5mm (1,5P) y 2mm (2P), de diámetro máximo. Las fuerzas necesarias para espetar frutos maduros e inmaduros con los tres diferentes punzones, asi como las fuerzas de retención, también fueron determinadas. El punzón de cabeza cónica mas grande (2,0 mm) fue el que presentó mayes¹ fuerza de retención en el fruto maduro, siendo el promedio de 5,4 N, la cual es un poco mayor a la mitad de la fuerza necesaria para desprender un fruto de cafe por tracción. Además se observó que la fuerza necesaria para espetar los frutos Inmaduros fue cerca de cuatro veces la fuerza necesaria para espetar los frutos maduros lo cual hace promisorio este principio.

Palabras daves: Fruto maduro, esputación, punzones, cosecha selectiva.

Especificaciones de diserto. Pira abordar la exploración se partió del estudio real liado por Moreno (2005), a la linea de cosecha mecánica con equipos portátiles y manual asistida de la disciplina de ingeniería de CENJCAFÉ. De acuerdo con el autor la herramienta debe cumplir con las siguientes especificaciones:

*    Adaptabll [dad a lascondldones topográficas y climáticas de las zonas cafderas del país

» Fádl manejo {condiciones ergonónlcas durante su operación).

*    FacO [dad de fabricación.

*    Alta capacidad de desprendimiento de cafe.

*    Altas posibilidades de alcanzar selectividad {medida como un bajo porcentaje de fruto Inmaduro cosechado).

*    Bajo costo de la herramienta.

Los parámetros de diseño tomados en cuenta para el desarrollo de la herramienta con punzones, estuvieron relacionados con el movimiento Hneál del RASELCA U y de la máquina recolectora de aceitunas de cilindro con punzones; de Igual manera se buscó la distribución y tipo de punzón de a cuerdo a las propiedades físico - mecánicas del sistema fruto

- pedúnculo y alas posibles áreas expuestas del fruto en el racimo, lo que permite estimar las posibles causas de deprendlmientos selectivos con las diferencias notables de firmeza entre frutos maduros e Inmaduros de cafe, utilizando punzones.

Evaluadán de la herramienta. La herramienta se evaluó bajo condiciones de laboratorio, para tal proposito se emplearon ramas de cafe agrupadas en dos rangos de porcentaje de maduración asi; entre 50 ■ 70% y mayor a 70%, con lo cual fueron definidos dos tratamientos con unidad experimental la rama de cafe

Información registrada. La siguiente fue la Información registrada:

» PFC: Peso de frutos cosechados (kgj.

*    T: Tiempo de cosecha por rama (h).

*    PFMC: Peso de frutos maduros cosechados

*    PFM : Psso de frutos maduros totales (kg).

*    PFUC : Peso de frutos verdes cosechados

*    NTa: Número total de almendras en una muestra

*    Nap Número de almendras espetadas por el punzan.

Variables da respuesta. Las variables de

recuesta fueron obtenidas a partir de la

anterior Información registrada, ellas fueron:

*    Rendimiento (kg/b): Variable asedada al Indicador de cosecha eficiencia, se obtuvo a partir de la relación entre el peso de los frutos cosechados y el tiempo empleado para deprenderlos, a través de la sh^ulente expresión:

PFC

Rendimiento =- ¡1?

T

*    Frutos maduros desprendidos flí). Variable asociada al indicador eficacia, Ateniéndose a partir de la relación del peso de los frutos maduros cosechados y el peso de los frutos maduros totales presentes en la rama.

PFkíf'

Eficacia =-*100 [2]

PFM

*    Frutos verdes en lo masa cosechada

Variable asociada al Indicador

mlUml,

relaciona el peso de los frutos verdes {Inmaduros) cosechados con el total de los frutos cosechados

PFVC

CaUdad = —^^-*100 m PFC

Variables complementarlas. Las variables

complementarlas fueron:

Almendras espetantes por él pursón (9i).

Variable asociada al daño mecánico generado por los punzones sobre el grano El cafe cosechado, fue levado a pergamino seco, tomando de este una muestra aleatoriamente, contando en ella las almendras espetadas por los punzones, para obtener el daño mecánico la expresión empleada fue la siguiente:

Daño Mecánico ■■

NTa

Se realizó el análisis de varianza de una v(a con cada una de las variables de respuesta para los dos tratamientos. En el caso de existir diferencias entre promedios se aplicó la prueba t(J5ít

Etapa [1, Desarrollo y evaluación de diversos tipos de punzones. Esta etapa se dividid en dos fases; en la primera se llevo a cabo el diseño de punzones que se acomodaran a las dimensiones de la estructura pulpa - mucllago, y en la segunda se evaluaron los punzones diseriados en una máquina de ensayos mecánicos [ nitro n. serie - 5569.

Primera Fase, Diseña: Para cumplir con la primera etapa se partió de resultados preliminares obtenidos con punzones de tipo comercial, como son tachuelas de 1/2 pulgada y agujas de: aceto, para diseriar punzones con los cuales se pretendía Incrementar la diferencia en la fuerza de espetaclón para frutos de cafe en diferentes estados de desarrollo. De estudios anteriores {Marín, 2003y Restiepoet al, 1999) y con pruebas preliminares de laboratorio se ddermlnó que la diferencia de firmeza entre frutos maduros e Inmaduros se Incrementa a medida que varia el tamario del punzan.

Segunda Fftse, Evaluación: Se cosecharon frutos provenientes del lote la VAtrlna localizado en la Granja de CENJCAFÉ, los cuales fueron agrupados en dos estados de desarrollo de acuerdo con la escala de maduración para el fruto de Variedad Colombia, identificando como frutos inmaduros aquellos de color verde-amarillo y firmeza ecuatorial entre 39,19 N y 41,53 N, los cuales en el trabajo de Marín et al {2003) corresponden a frutos con 203 días después de la floración {ddf).

También se identificaron frutos maduros ciya firmeza ecuatorial se encontró entre 11,92 N y 12 £3 N, que corresponde a frutos con desarrollo de 217 ddf. La firmeza fue medida con el penetrómefro Fruit Tester FT -327 con un punzón de 3 mm.

Con los punzones diseriadcs se evaluaron también la tachuela de 1/2 pulgada y la aguja de aceto

La medición consistió en determinar para cada punzón la fuerza necesaria para espetar 50 frutos en ambos estados de desamólo en la zona cercana ál ombligo, denominada en esta investigación FE, y la fuerza m&ilma necesaria para remover el punzón del fruto espetado, la cual se llamó fuerza de retención dd punzón en el fruto y representada por FR. Los punzones se Instalaron en la mordaza, la cual se encuentra fija ál bastidor que va unido a una celda de catga, encargada de registrar las fuerzas.

La dinámica de la fuerza de espetaclón se determinó desplazando hada abajo d bastidor de la máquina Instion 5569 a una velocidad de 20 mm/min y la dirámlca de la fuerza de rdenclón se determinó mientras el bastidor se desplazaba a la misma veloc Idad hacia arriba. □ montaje experimental se muestra en la Figura 2. Aunque se disoné de valores de la fuerza con respecto al tiempo, las fuerzas de espetaclón y de retención corresponden solamente a los

valores máximos

Con la Información se establecieron medias, máximos, mínimos y coeficientes de variación para FR y FE. Adlclonalmente, para los cinco punzones en los dos estados de desarrolo del fruto, se aplicó la prueba Duncan al 95% de conflabllldad, para observar la significancia entre las dos variables de respuesta entre punzones.

Rgurt 2. Montaje experimenta] en la máquina de ensayos mecánicos INSTRON Serie-5569TM

A partir de las fuerzas de espeta ció n y retención para cada tipo de punzón se obtuvo la relación entre estas para frutos maduros e Inmaduros las cuales están dadas por las siguientes expresiones;

Donde:

R_: Relación entre las fuerzas de esputación entre frutos Verde - amarillos y maduros para un mismo punzón.

R_r: Relación entre las fuerzas de retención entre frutos maduros y Verde - amarillos para un mismo punzón.

F : Valor promedio de la fuerza de espetadón registrado para cada punzón en frutos maduros.

F_Eu: Valor promedio de la fuerza de espetadón registrado para cada punzón en frutos Verde ■ amarillos.

F ■ Valor promedio de la fuerza de retendón, registrado para cada punzón en frutos maduros.

Fj^: Valor promedio de la fuerza de retendón, registrado para cada punzón en frutos Vade - amarillos.

K = ^ m

Em

m

‘‘e.

R₌: Relación entre los promedios para cada punzón de F_Ry F_E para frutos maduros

R_v: Relación entre los promedios para cada punzón de F_R y F_E para frutos Verde -amarillos.

posteriormente la herramienta fue desplazada a lo largo de las ramas, Iniciando el movimiento en su parte empotrada y finalizando en su extremo libre.

Lee resultados para la variable de respuesta rendimiento asociada al indicador eficiencia (Tabla 1), de acuerdo con la prudja t al 5%, no presentaron diferencias significativas entre tratamientos, se debe considerar que los rendimientos son potenciales ya que en este análisis no se incluyó los movimientos del operario entre ramas del árbol y entre árboles. Sin embargo descontando estos tiempos (aproximadamente 20% del total) los valores continúan siendo muy superiores a bs reportados en recolección manual tradicional con rendimientos promedio de 10 kg/h.

Esta variable asociada ál indicador eficacia, no presentó diferencia significativa en los dos tratamientos, en la tabla 3 se observa que fue posible obtener valores de 100% en algunas ramas. Sin embargo comparando en detalle con la recolección manual se presentan desventajas por que el barrido pardal hecho por los rodillos no cubre en su totalidad el área transversal del racimo, esto no sucede con la mano del recolector que permite desprender porcentajes mas altos de frutos madures en la labor de cosecha selectiva

Se encontraron diferencias estadísticas en el porcentaje de frutes Inmaduros en la masa cosechada (Tabla 3), el mayor valor se obtuvo para el rango de maduración entre 50 y 70%, para ambos Intervalos la calidad fue afectada principalmente por la alta dispersión de los frutos madures en las ramas, que dificultan la selectividad al estar presentes en medio de los frutes inmaduros. Sin embargo, se resaltan valores mínimos registrados para el Intervalo >70% de 4,35% y 4,61% de frutos Inmaduros en la masa cosechada, mientras que en el Intervalo de 50% - 70% el valer mínimo llegó a 12,05%.

El mayor porcentaje de maduración favorece la calidad de la recolección con COSER - 6; sin embargo este valor promedio de 14,30% de frutos Inmaduros en la masa cosechada en el tratamiento 2, no es adecuado para preservar la calidad del café colombiano. Según Puerta (2000), este valor debe estar por debajo de 2,5%, para que no se genere defecto en taza por esta causa.

Para una muestra seleccionada al azar con un total de 992 granos de cafe pergamino seco proveniente de las ramas cosechadas en laboratorio, se registraron 16 almendras espetadas por los punzones; Indicando un dario mecánico del 1,61% adicional del que se puede generar en el beneficio o por causa de perforación de insectos.

Tabla 1. Resultados en indicador Eficiencia (kg/h) para la herramienta de cosecha COSER 6,

* Valores seguidas de la misma letra no difieren de acuerdo a pru&at al 3%.

Tabla 2. Indicador Eficacia (% de frutos maduros desprendidos)

* Valores seguidos de la misma letra no dlteren de acuerdo a la prueba de t al 5%. Universidad Surcobmbiana Facultad de Ingeniería

Tdbld 3. Indicador Calidad (% de frutos inmaduros en la masa

cosechada)

* Valores seguidos de la misma letra no difieren de acuerdo a la prueba de t al 5%.

Etapa 11. Evaluación Punzones Diseñados

DteaSo de punzones. Partiendo del estudio de las propiedades reológicas del mucílago, como un Suido altamente viscoso que no ejerce una reacción apredable al ser espetado (Restrepo et al, 1999), y observando que la pulpa es un sólido deformable con comportamiento elástico y plástico, se llegó al diserto que aparece en la Fkjuras 5, 6 y 7, el cual somete la pulpa a esfuerzos cortantes variables (Fuerza de corte V de la Figura 5) debidos a la geometría cónica que genera un cambio continuo del área de contacto sóbrela pulpa.

	_Muctego	'

Fdiw

Huclagt

Figura 5. Diagrama de cuerpo libre dd punzón cónico pendrando la pulpa, ejerciendo eáuerzos cortantes sobre d tejido esponjosa.

-₍r -i

Figura & Diagrama de cuerpo Ubre dd punzón cónico en posición de redro, apoyado sobre d muclago y parte de la pulpa fallada.

Figura 7. a) Dimensiones dd diserto cónico dd punzón, b) Tipos de punzón disertados: 1P, 1.5P y 2P Universidad Surwbmbiana Facultad de Ingeniería

El fruto queda sostenido por la cabeza del punzón cuando es cubierta parcialmente por la acción recuperadora de la pulpa fallada. En la Figura 6 se aprecia un diagrama de cuerpo libre del punzón en posición de retiro; donde la fuerza de retendón (FR) depende de las propiedades mecánicas y reológicas de la Inter fase mucílago-pulpa y del área de contacto del punzón, donde la mayor resistencia a dejar saUr la cabes del punzón se presenta en el área normal a la fuerza FR, representa por el esfuerzo.

Con base en el anterior análisis se construyeron los 3 punzones que se aprecian en la Figura 7, diseñados de cabeza cónica con longitud constante y diámetro variable, elaborados en aceto Inoxidable.

Las dimensiones “d" y “L“ se mantuvieron constantes con valores de 0,5mm y l,0mm (±Q,05mm) respectivamente, variando únicamente el valor de “ D" para los 3 modebs. Los punzones fueron identificados con la siguiente notación:

tlPJi punzón de diámetro D - 1,0 mm [l^PJí punzón de diámetro D “ 1,5 mm (2^: punzón de diámetro D ■ 2,0 mm

Adicionalmente, para la evaluación se tuvieron en cuenta los punzones tachuela de 1/2 pulgada y aguja de acero, los cuales fueron representados como PT y PA, respectivamente.

Evaluación de punzones: Ejecutado el ensayo de 50 frutos maduros y 50 Inmaduros (Verde

- Amarillos) en la máquina universal de ensayos mecánicos JNSTRON 5569, para los 5 punzones evaluados se obtuvieron los datos mostrados en las Tablas 1 y 2 con medidas de tendencia central.

Observando las Tablas 4 y 5, los coeficientes de variación (CV) que presentaron mayor valor, fueron obtenidos en la fuerza de retención de frutos maduros para todos los punzones evaluados. Esto es debido probablemente a la diversidad en el tamaño de los frutos que relaciona directamente la variación del espesor de la pulpa. Bajo esta situación, en el momento de retirar el punzón de cabeza cónica se causa un esfuerzo (o) que es directamente proporcional la profundidad lograda a través de la pulpa.

Tabla 4. Medidas de tendencia central de FE, para los 5 punzones evaluados sobre frutos de café en dos estados de desarrollo.

Tabla 5. Medidas de tendencia central y dispersión de FR, para los 5 punzones evaluados sobre frutos de cafe en aos estados de desarrollo.

Al espetar frutos con los punzones cornada! es se dificulta el control del ensayo, po f la esdgenda en la diferenciación de los intervalos de fuerza cuando el punzón se encontraba entre la estructura pulpa - mudlago y el pergamino, pues este último incrementó las diferencias entre los valores de F¡¡ al ísr espetado.

De acuerdo con la prueba Duncan al 5%, no existen diferencias estadísticas para la fuer^ de espetadón y la fuerza de retendón entre las tachuelas (PT) y las agujas (R^).

para el fruto maduro pero si para el fruto inmaduro. Sin embargo, estisten diferencias entre estos dos tipos de punzones y los tres punzones diseriados (IR 1,5P y 2P) para los dos estados de desarrollo, igualmente el análisis muestra que estisten diferencias estadistas entre la mayoría de los punzones disecados para los dos estados de desarrollo con excepción de los punzones 1,5P y 2 P en fuerza de espetadón para frutos maduros.

Tabla 6, Comparación de medias entre los punzones.

' Valores, sjsgu idí£ de la nr, fcnr.a Itífa no difieren de aí.utido ala pi üe'oa de Duncan a] 5%

Tabla 7. Comparación de medias entre los punzones diseñados.

' Valores seguidos de la misma leba no difieren de acuerdo a la prueba de Duncan al 5%.

Dado que los punzones PA y PT presentaron diferencias significativas frente a los punzones IR 1.5P y 2P se realizó un segundo análisis pero sólo con estos tres últimos (Tabla 4}.

Esta comparación muestra que estisten diferencias significativas entre los tres punzones respecto a la fuerza de estación y la fuerza deremodón para los dos estados de desarrollo, con excepción de la fuerza de remodón para frutos maduros con los punzones 1P y 1.5P que de acuerdo con la prudia de Duncan no presentan diferencias significativas.

En la Figura 8 se puede observar la gráfica de los intervalos de confianza para 77con los tres punzones diseriados en frutos maduros e inmaduros. Existe una tendencia a incrementar la fuerza de espetación a medida que se incrementa el tamaño del punzón tanto para frutos maduros como para frutos inmaduros, sin embargo, se nota que los incrementos para frutos inmaduros son más fuertes que en los maduros. Para todos los punzones la Fe para los frutos inmaduros fue mayor a la requerida para los frutos maduros.

La Figura 9, muestra en los intervalos de confianza un comportamiento de la fuerza de rdención similar a la fuerza de espetadón. A medida que se incrementa el diámetro del punzón la fuerza de remodón que se genera es mayor, igualmente para todos los punzones la fuerza de retención para frutosverde-amarillos fue mayor que para los frutos maduros. Los resultados para los dos estados de muestran una tasa de incremento mayor para la fuerza deremodón en frutos inmaduros respecto a los maduros.

Las relaciones entre fuerza de espetadón y retención para los cinco punzones y entre éstas y los dos estados de desarrollo se obtuvieron a partir de las ecuaciones 5,6,7 y 8, los resultados se presentan en la Tabla 8.

En las Figuras 8 y 9 se observa claramente que tanto la fuerza de espd ación como la de retención para todos los punzones es mayor para frutos inmaduros, respecto a los frutos maduros. Bajo este criterio con todos los punzones es posible diferenciar tanto en fuerza de espetación como en retención entie frutos inmaduros y maduros.

Ade más la fuerza de espetación y la de retención para el mismo estado de desarrollo, con cada uno de los punzones, son similares, es por ello que al hacer la relación para cada punzón entre la fuerza de espetaclón y la de remoción para frutos del mismo estado de desarrollo (Rm y Rv), la mayoría de los valores están cercanos a 1. En cuan to a Rv, esta relación presenta un comportamiento decreciente en la medida que se incrementa el diámetro de los punzones, debido a que la dureza de la piüpa en los frutos verde - amarillos, por el desarrollo incipiente dd mudlago, aumenta considerablemente la magnitud media de Fe, con una diferencia media a favor respecto a Fa en el punzón 2P cercana a los 3N.

El mayor valor alcanzado en la relación entre fuerza de espetaclón para frutos inmaduros y maduros (R) se legró para el punzón 2P, esto quiete decir que este punzón es el que presenta mayor diferencia entre la fuerza que aplica al espetar un fruto inmadurorespecto a la aplicada por el mismo punzan a un fruto maduro. Como se presenta en la Tabla 5 la fuerza de espetación es 4,48 veces mayor para este tipo de punzón en los frutos inmaduros, respecto a los maduros. La Figura 7 corrobora lo anterior, donde a medida que aumenta el diámetro del punzón, el rango de Fe para los dos estados de desarrollo se hace mas grande a favor de los frutos maduros.

La menor relación en la fuerza de retención para los dos estados de desarrollo con un mismo punzón (Rr) se obtuvo para el punzón PA (0,18), es decir, la fuerza de retención que ejerce este punzón sobre un fruto maduro, es el 18% de la magnitud de la fuerza que ejerce sobre un fruto inmaduro A medida que esta relación se incrementa (valor cercano a 1), la fuerza de retención para un fruto maduro

respecto a una inmaduro es similar, situación altamente desventajosa para la cosecha selectiva. Con esta apreciación, seria el punzón PA el más adecuado para remover frutos de forma selectiva.

Sin embargo, en la Tabla 5 se aprecia que la n fuerza de remoción promedia para éste punzón m

solo lega a 0.46N, valor mty inferior a la fuerza _.)

requerida para desprender un fruto maduro a tracción (9,12 N) reportado por Álvarez et al.

(1999), lo anterior implica que se deberían instalar gran cantidad de punzones para generar la fuerza de descendimiento.

El segundo menor valor para esta relación se obtuvo con el punzan 2P (0,35) y la fuerza de rdenclón promedia para este en frutos maduros fue de 5,4N, lo cual implica que se requieren tan solo de dos punzones para remover el fruto, situación muy ventajosa para ser ímplementada en una herramienta de cosecha selectiva.

Según las estimaciones hechas con d análisis de los datos y gráficas, las probabilidades de espetar frutos verde - amarillos con arreglos de punzones de cabeza cónica se reducen, favoreciendo la selección del punzón 2P para el diserto de una herramienta para la cosecha selectiva de cafe, ya que con este punzón se diferencia mejor entre frutos maduros e inmaduros tanto en fuerza de espetaclón como en retención (mayor vales¹ para RE y uno de los menores valeres de RR).

Además puede garantizar la calidad Isica del grano, teniendo en cuenta que la fuerza al dirigir estos elementos sobre los racimos en ⁼ el momento de la cosecha se puede controlar, dependiendo de la fuente de potencia que se elija para acdonar la herramienta.

cu

¿a

K Bibliografía

1 ACOSTA A R 1NG0148 Evaluación de dos dispositivos en la recolección de frutos caídos ál suelo Cenlcafe 2003 61 p

2. ALVAREZ T, E; ALVAREZ M, OUVEROS T., C E.; MONTQYA R. Propiedades lisie o ■ mecánicas del

1

Ingeniero Agrícola. Ünívcneídfd Surcobmbiana.