Resumen
Se observa continuamente que cuando se consumen frutas en el refrigerio que proporciona el PAE en el colegio Sorrento, sede A, jornada mañana perteneciente a la localidad de Puente Aranda, se presenta un gran desperdicio de estas, como bananos, manzanas, etc. Se propone el diseño de un deshidratador solar a base de materiales ecológicos y de forma casera como una solución ecológica que permita transformar estas frutas en snacks saludables. Se evaluaron aspectos como la calidad, el sabor y la textura de las frutas deshidratadas mediante encuestas a estudiantes de secundaria. Los resultados apuntan a que puede ser posible tener una reducción significativa del desperdicio de fruta,
Palabras clave
Deshidratador solar, frutas deshidratadas, , sostenibilidad, perecederos.
Introducción
El desperdicio de frutas como bananos y manzanas es un problema frecuente en el Colegio Sorrento, donde muchas de ellas no son consumidas y terminan desechadas, esto implica la pérdida de alimentos. Para mitigar este problema, se propone el diseño de un deshidratador solar que transformará las frutas sobrantes en snacks saludables, promoviendo su consumo y reduciendo el desperdicio.
El propósito general del proyecto es recuperar la fruta desechada en el refrigerio mediante el diseño de un deshidratador solar que permita su transformación en snacks saludables. La metodología incluye la construcción del deshidratador, el proceso de deshidratación de las frutas y la evaluación de la calidad y aceptación de los snacks mediante encuestas realizadas a los estudiantes. Se espera con esto lograr una reducción significativa del desperdicio, mejorar la nutrición de los alumnos y fomentar la conciencia ecológica en la comunidad escolar.
Marco teórico
La deshidratación de alimentos es un proceso mediante el cual se reduce el contenido de agua en un cuerpo, permitiendo la preservación de sus propiedades sensibles a la temperatura, así como de sus nutrientes y sabor. Existen diversas técnicas para llevar a cabo este proceso, cada una con métodos específicos para lograr la eliminación del agua.
Entre las técnicas más destacadas se encuentra la liofilización, un proceso de deshidratación que permite conservar las características termo-sensibles del alimento, como el sabor, el aroma, el color y los nutrientes. La liofilización comienza congelando el producto a temperaturas muy bajas, alrededor de -40°C a -50°C, lo que solidifica el agua en forma de cristales de hielo. Posteriormente, mediante un proceso de sublimación, el hielo se convierte directamente en vapor sin pasar por el estado líquido, lo cual se realiza en condiciones de vacío extremo. Esta fase inicial de sublimación se sigue con una segunda etapa de secado a bajas temperaturas, donde se elimina el agua residual.
Este método es ampliamente utilizado en la industria de alimentos y farmacéutica, ya que el producto final conserva una estructura esponjosa que facilita su rehidratación, es decir, puede volver a su forma original con la adición de agua, manteniendo sus propiedades sensoriales y nutricionales casi intactas.
También se emplea la radiación de microondas, un método que utiliza ondas electromagnéticas de alta frecuencia para calentar y extraer el agua de forma rápida y eficiente. Los microondas actúan sobre las moléculas de agua contenidas en un material, generando calor debido a la fricción producida por la rotación rápida de estas moléculas cuando son expuestas a las ondas electromagnéticas. Esta energía calórica provoca la evaporación del agua y permite su extracción en un proceso controlado. Este método es especialmente útil en la industria alimentaria y farmacéutica, donde se requiere la deshidratación de productos sin afectar sus propiedades químicas y físicas.
Existen también los métodos de deshidratación térmica, que aprovechan el calor solar como fuente de energía para secar los alimentos de manera natural y sostenible. Estos métodos consisten en exponer los alimentos al sol, permitiendo que el calor ambiente y la circulación de aire reduzcan el contenido de agua. La deshidratación solar puede realizarse de forma tradicional, extendiendo los alimentos sobre superficies limpias y secas, o mediante secadores solares, dispositivos que maximizan la eficiencia al concentrar el calor y mejorar la ventilación.
Los secadores solares son estructuras cerradas que protegen los alimentos de la intemperie, del polvo y de los insectos. Utilizan materiales como el vidrio o plástico transparente que permiten el paso de la radiación solar y crean un efecto invernadero en su interior. Con la ayuda de ventilación, ya sea natural o forzada, el aire caliente circula y se lleva el vapor de agua que se libera de los alimentos. Este tipo de deshidratación es particularmente adecuado para frutas, hierbas, vegetales y ciertos granos, y permite conservar el color y nutrientes de los productos.
La deshidratación térmica solar es muy apreciada en regiones soleadas donde no siempre se dispone de electricidad o combustible. Además, es una técnica sostenible y económica, que reduce el desperdicio de alimentos al aumentar su vida útil y ayuda a disminuir el consumo de recursos energéticos convencionales.
Cada una de estas técnicas ofrece ventajas particulares para conservar los alimentos, manteniendo su calidad nutricional y sus propiedades organolépticas.
Antes de la deshidratación solar, las frutas tienen un alto contenido de agua, lo que las hace vulnerables a la degradación por microorganismos como bacterias y hongos, además de favorecer la oxidación y la pérdida de vitaminas y minerales. Durante el proceso de deshidratación solar, el agua se evapora gradualmente debido al calor, lo que reduce la actividad de agua y con ello el riesgo de proliferación microbiana. Esta disminución de agua también concentra los azúcares, lo que da a la fruta un sabor más dulce, mientras que los nutrientes como vitaminas, minerales y antioxidantes se concentran, aunque algunos, como la vitamina C, pueden degradarse debido al calor y la luz solar. La textura de la fruta cambia, pasando de jugosa a gomosa o crujiente, dependiendo del nivel de deshidratación alcanzado. Una vez completado el proceso, la fruta tiene un contenido de agua mucho menor, lo que extiende su vida útil sin necesidad de conservantes adicionales; además, su textura es más firme y su sabor, más concentrado. Este proceso ofrece varios beneficios: prolonga la vida útil de la fruta de forma natural, retiene gran parte de sus nutrientes, incrementa su densidad energética al concentrar azucares, intensifica su sabor y aroma, y es una opción sostenible y económica al usar energía solar en lugar de métodos industriales. Así, la deshidratación solar permite conservar las frutas manteniendo gran parte de sus propiedades nutricionales y sensoriales.
Energía solar y su aprovechamiento
La energía solar es la energía que proviene del sol en forma de radiación electromagnética, que incluye luz, calor y otros tipos de radiación. Esta energía puede aprovecharse de diferentes maneras, principalmente a través de sistemas de captación térmica y sistemas fotovoltaicos. En el caso de la deshidratación solar, se emplean sistemas de captación térmica que permiten transformar la radiación solar en calor, que luego es utilizado para extraer el agua de los alimentos o materiales.
El aprovechamiento de esta energía es especialmente relevante en procesos de deshidratación debido a que no depende de fuentes de energía convencionales, como la electricidad o el gas, y reduce las emisiones de carbono. Además, es una energía abundante y, en muchas regiones, disponible casi todo el año, lo cual hace posible su uso en zonas con limitaciones energéticas.
Las Técnicas de Captación de Energía Solar
Para la deshidratación solar, existen varias técnicas de captación que permiten aprovechar de manera eficiente la energía del sol. Algunas de las más comunes son:
Colectores solares: Son dispositivos que captan la radiación solar y la convierten en calor. Los colectores planos son comunes en sistemas de deshidratación, ya que pueden calentar aire o agua de forma eficiente sin mecanismos complejos.
Invernaderos solares: Utilizan una estructura cerrada de vidrio o plástico que permite el paso de la radiación solar y crea un ambiente cálido y protegido donde la temperatura se eleva de forma natural. Esto favorece la evaporación del agua en alimentos y materiales, ya que el calor se acumula y queda atrapado en el interior.
Factores Climáticos en Bogotá
La radiación solar y las condiciones climáticas son factores determinantes en la eficiencia de los deshidratadores solares. Bogotá, al estar en una región con clima de montaña (aproximadamente 2,640 metros sobre el nivel del mar), presenta un clima templado con temperaturas moderadas y variabilidad en la radiación solar a lo largo del año. La radiación solar en Bogotá es menor en comparación con regiones de menor altitud, pero aún es posible aprovecharla en ciertos periodos del día para deshidratar productos de forma eficiente. Sin embargo, los niveles de nubosidad y lluvias pueden limitar la capacidad de deshidratación en ciertas épocas del año.
Para maximizar la eficiencia en Bogotá, los deshidratadores solares deben diseñarse considerando la inclinación de los paneles o superficies captadoras, la orientación hacia el sol, y un sistema que permita la circulación continua de aire. En Bogotá, se suelen emplear secadores de tipo invernadero o con captadores planos que permiten mantener temperaturas estables durante el proceso de secado.
En Colombia, Bogotá, los deshidratadores solares han sido implementados en diversas industrias y proyectos piloto, principalmente en el sector agrícola y de alimentos, donde se busca extender la vida útil de productos perecederos y reducir pérdidas postcosecha. Aunque la tecnología de deshidratación solar aún no se emplea de manera generalizada en la industria a gran escala, algunos antecedentes relevantes son:
Los deshidratadores solares operan bajo ciertos principios físicos y técnicas de manejo que son clave para obtener productos deshidratados de alta calidad, sin oscurecimiento y con buena conservación de propiedades sensoriales y nutricionales.
- El primer principio es la transferencia de calor. Los deshidratadores solares aprovechan la radiación solar como fuente de calor para evaporar el agua contenida en los alimentos. Este calor se transfiere mediante radiación solar directa y, en algunos casos, se almacena temporalmente en materiales absorbentes, como los paneles o superficies oscuras de los secadores solares, que liberan el calor de manera controlada para facilitar una deshidratación uniforme.
- El segundo principio es la transferencia de masa, que ocurre cuando el agua en los alimentos, una vez evaporada, se elimina del sistema de secado mediante el flujo de aire. El aire caliente y seco pasa por el alimento y absorbe el vapor de agua, llevándolo fuera del secador solar. Una ventilación adecuada permite que el aire húmedo escape, lo cual mantiene la eficacia del proceso.
- El tercer principio es el efecto invernadero. En secadores solares de tipo invernadero o indirectos, se utiliza una cubierta de vidrio o plástico transparente que atrapa la radiación solar en el interior del secador, creando un "efecto invernadero" en el que el calor se acumula y eleva la temperatura, manteniendo un ambiente óptimo para la deshidratación sin requerir fuentes de energía adicionales.
- Finalmente, es esencial el control de la humedad y ventilación. El flujo constante de aire seco y caliente evita la condensación, que podría deteriorar el producto. La ventilación, ya sea natural o forzada, permite mantener un flujo de aire constante, que ayuda a eliminar la humedad y evita que el alimento se “cueza” o descomponga durante el proceso y adicional para manejar adecuadamente el proceso de deshidratación y obtener un producto de calidad que conserve su color, nutrientes y propiedades organolépticas, es importante seguir ciertas pautas.
Metodología para la Reducción del Desperdicio de Frutas mediante Deshidratación Solar
El 15 de mayo se identificó el problema de desperdicio de alimentos en el refrigerio, especialmente frutas. Para reducir este desperdicio y aprovechar mejor las frutas no consumidas, se propuso la deshidratación solar como una técnica para alargar la vida útil de estos alimentos y transformarlos en snacks saludables.
El 22 de mayo, se realizó una investigación sobre la técnica de deshidratación solar y sus beneficios. Se encontró que esta técnica conserva los alimentos al reducir su contenido de agua, lo que evita el crecimiento de microorganismos y permite su conservación sin refrigeración. También se exploraron distintos métodos de deshidratación y los beneficios nutricionales de los alimentos deshidratados.
Preparación de la Base
Materiales: Cajón de base, Tablas para los extremos y parte trasera, Tornillos, Silicona, Cosedora, Pintura negra, Palos de balso, Vidrio, Taladro, Manija.
Comienza tomando el cajón de base. Utiliza tornillos para fijar las tablas que ya han sido cortadas a las medidas deseadas, formando la estructura del cajón.
Una vez armada la base, utiliza un taladro para hacer agujeros en la parte delantera y trasera del cajón. Estos agujeros permitirán el desfogue del calor, asegurando una correcta circulación del aire durante el proceso de deshidratación.
siguiente a esto debemos pintar el cajón de negro. Este color ayudará a absorber mejor los rayos del sol, aumentando la temperatura en el interior del deshidratador.
Con los palos de balsa, construye dos rejillas. Asegúrate de que sean lo suficientemente resistentes para sostener los alimentos que se deshidrataron. Coloca una malla sobre las rejillas para que los alimentos no caigan.
Fija unos palos de balsa en el interior del cajón para que sirvan de soporte para una de las rejillas con malla, asegurando que se mantenga en su lugar durante el proceso de deshidratación.
Luego se construye un marco de madera que servirá como tapa del deshidratador. Pinta también este marco de negro. Luego, coloca un panel de vidrio en la parte superior del marco utilizando silicona para asegurar que quede bien fijado. Refuerza la estructura con algunos palos de balsa adicionales.
Con el deshidratador construido, procede a probarlo colocando hojas de apio y rodajas de banano en las rejillas con malla. Ubica el deshidratador en un día soleado, asegurándote de que el panel de vidrio esté orientado hacia el sol para maximizar la captación de luz
Finalmente, se realizaron pruebas colocando hojas de apio y rodajas de banano en las rejillas. Se colocó el deshidratador en un lugar soleado, orientando el panel de vidrio hacia el sol para maximizar la captación de luz y ajustando su posición según la trayectoria del sol. El proceso de deshidratación duró aproximadamente dos días, dependiendo de la intensidad solar.
RESULTADOS
Resultados de la deshidratación del banano: Un banano normal contiene aproximadamente un 75-80% de agua, mientras que después de la deshidratación solar, su peso puede reducirse en un 60-70%, conservando un 20-25% de su peso inicial. La reducción de peso se debe a la eliminación del agua, concentrando así los nutrientes y sabores.
(5 de sexto grado y 5 de undécimo grado). Los estudiantes calificaron en una escala de 1 a 5 el sabor de la fruta deshidratada. Se recopilaron los datos y se analizaron los resultados para determinar el nivel de aceptación del producto.
PROGRAMACIÓN LINEAL
Un deshidratador solar casero convierte en snacks saludables bananos y duraznos. Tarda 9 horas en deshidratar el banano y 10 horas en deshidratar el durazno. Por cada banano deshidratado resultan 40 rodajas y por cada durazno 50 rodajas, teniendo un espacio máximo en el deshidratador de 160 rodajas de frutas distribuidas en las dos bandejas. El objetivo es minimizar el tiempo de deshidratación de las frutas que se ve sujeto a la cantidad de radiación solar dividida en 3 intervalos al día. En la mañana (6AM-10AM) la radiación suele ser menor que 1203 w, en el mediodía (11AM-1PM) suele ser menor a 1108 w y en la tarde (2PM-5PM) suele ser menor a 719w. Se desea optimizar de manera que sea mínimo y el tiempo y el máximo de fruta.
Variables de decisión: x = Bananos (donde cada banano = 40 rodajas) y = Duraznos (donde cada durazno = 50 rodajas)
Función objetivo: Minimizar el tiempo de deshidratación Z = 9x + 10y
Restricciones:
Capacidad máxima de rodajas en las bandejas: 40x + 50y ≤ 160 (siendo 160 el máximo de rodajas totales)
Radiación solar mañana: x + y ≤ 1203
Radiación solar mediodía: x + y ≤ 1108
Radiación solar tarde: x + y ≤ 719
Restricción de tiempo diario: 9x + 10y ≤ 720 (12 horas * 60 minutos)
No negatividad: x ≥ 0, y ≥ 0
La región factible está determinada por la intersección de todas las restricciones. La restricción más limitante será:
La capacidad de las bandejas (40x + 50y ≤ 160)
El tiempo disponible de radiación solar (9x + 10y ≤ 720)
La radiación solar en la tarde que es la menor (x + y ≤ 719)
Para encontrar la solución óptima, debemos encontrar el punto de intersección entre las restricciones más limitantes que nos dará el menor tiempo de deshidratación.
Primero, identificamos los puntos de intersección entre las restricciones más limitantes:
Entre la restricción de capacidad y tiempo: 40x + 50y = 160 9x + 10y = 720
Resolviendo el sistema: 40x + 50y = 160 | * 9 9x + 10y = 720 | * 50
360x + 450y = 1440 450x + 500y = 36000
Resolviendo: x = 2 bananos, y = 1.6 duraznos
La solución óptima debe estar en uno de los vértices de la región factible.
La solución óptima es:
x = 2 bananos (80 rodajas de banano)
y = 1.6 duraznos (80 rodajas de durazno)
Esto significa que, para minimizar el tiempo de deshidratación, deberías procesar:
2 bananos completos (equivalente a 80 rodajas)
1.6 duraznos (equivalente a 80 rodajas)
El tiempo de deshidratación para:
2 bananos = 2 * 9 horas = 18 horas
1.6 duraznos = 1.6 * 10 horas = 16 horas
Por lo tanto, el tiempo total de deshidratación sería:
Z = máx. (18 horas, 16 horas) = 18 horas de Sol, osease 1 día y medio.
Conclusión
La construcción de un deshidratador solar en el Colegio Sorrento se presenta como una solución efectiva para el problema del desperdicio de frutas, como bananos y manzanas. Al transformar estas frutas en snacks saludables fomentan un mejor aprovechamiento de los recursos alimentarios. La metodología utilizada, que incluyó investigación, diseño y pruebas con encuestas, demuestra aceptación del producto deshidratado entre los alumnos, confirmando la viabilidad de esta iniciativa. Además el uso de energía solar refuerza la conciencia ecológica y el aprovechamiento de recursos, renovables, contribuyendo a la sostenibilidad en el entorno escolar.
Bibliografía
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