Printer Friendly

Ingenieria y cafe en Colombia.

INTRODUCCION

En las vertientes de las tres cordilleras que recorren el pais, en un area de cerca de 890.000 hectareas localizadas entre 1.200 y 1.800 m sobre el nivel del mar, se produce el cafe de alta calidad que exporta Colombia. Es el resultado del trabajo laborioso de casi 600.000 familias, de los suelos y climas, de las variedades que se cultivan, de la recoleccion cuidadosa de los frutos, solamente maduros, y del proceso de poscosecha realizado.

En la historia de la agricultura la ingenieria ha jugado un importante papel, al desarrollar tecnologias que han permitido incrementar la produccion, con aprovechamiento eficiente de la mano de obra y los insumos, la reduccion de costos y el manejo sostenible de los recursos suelo y agua, especialmente en los ultimos anos. En la caficultura en paises como Brasil, las contribuciones de ingenieria en todas las etapas de la cadena han permitido la expansion de esta actividad, con menores costos de produccion que en otros paises. En Colombia los aportes a la produccion de cafe, derivados de investigaciones en ingenieria, se concentran en las etapas de cosecha, beneficio y secado.

A finales de la decada de los 60s fue creada la seccion de Beneficio de Cafe de Cenicafe, la cual tenia como finalidad desarrollar tecnologias para hacer mas eficiente el proceso utilizado para transformar los frutos en cafe pergamino seco, estado en el que se comercializa internamente este producto en Colombia. Posteriormente, a mediados de la decada de los 80s la mencionada Seccion cambio su nombre a Disciplina de Ingenieria Agricola y su finalidad se centro en generar tecnologias apropiadas, competitivas y sostenibles para la cosecha y postcosecha de cafe, lo mismo que para la realizacion de labores agricolas en este cultivo.

El empleo de equipos en el cultivo del cafe en Colombia es muy limitado, principalmente por la topografia de las zonas cafeteras, las condiciones climaticas, los suelos y el tamano de las fincas, 95% de ellas con menos de 5 hectareas sembradas en Cafe. En cosecha, ademas de los factores anteriores, la desuniformidad de la maduracion del cafe y los estandares exigidos limita el empleo de algunos equipos portatiles que, en el caso del Brasil, han permitido incrementar la eficiencia de la mano de obra en mas del 100% y reducir los costos unitarios en mas del 30%.

Cenicafe ha generado tecnologias exitosas, derivadas de aplicaciones de distintas ramas de la ingenieria, que han contribuido a la solucion de desafios encontrados en la produccion, cosecha y postcosecha de cafe. Con ellas se ha buscado mejorar la eficiencia en el aprovechamiento de los recursos, disminuir el impacto ambiental y mejorar las condiciones economicas y sociales de los productores.

LABORES AGRICOLAS

En la produccion de cafe en Colombia se emplea mano de obra en todas las etapas, desde la elaboracion de germinadores hasta la recoleccion. En algunas actividades --como recoger los frutos del suelo, para facilitar el manejo de la principal plaga del cafe (Hypothenemus hampei)-- el rendimiento de la mano de obra es bajo y su costo elevado, por tal motivo se requiere utilizar herramientas o equipos. En la disciplina de Ingenieria Agricola de Cenicafe se evaluo una aspiradora portatil de espalda disenada en Italia para recoger otros frutos del suelo (castanas y olivas), en cafetales tecnificados con pendiente del terreno de hasta 100%, con la cual se obtuvieron resultados que indican que es viable tecnica y economicamente para las condiciones de gran parte de la caficultura colombiana. A partir de estos resultados, una empresa colombiana inicio la fabricacion de esta tecnologia con especificaciones mas acordes a las plantaciones de cafe en Colombia y a menor costo que el equipo italiano.

COSECHA DE CAFE

La cosecha de cafe en Colombia es realizada por personas que cuidadosamente recolectan uno a uno los frutos maduros en los arboles y los almacenan temporalmente en recipientes que cuelgan en la cintura. Cuando este se llena, se vacia a costales que son transportados por el propio operario hasta lugares de acopio o hasta el beneficiadero de cafe, una vez terminan la jornada. El rendimiento de un recolector de cafe depende de factores inherentes a el, como la tecnica que utilice y su motivacion, y de factores atribuibles a la plantacion, como la oferta y la distribucion de los frutos maduros por recolectar, y la altura de los arboles, entre otros. En Colombia, se paga al destajo por cantidad de cafe recolectado a un precio previamente propuesto. La recoleccion de cafe es la actividad con mayor participacion en los costos de produccion en Colombia, pues participan con 35 a 40% de los costos de produccion.

El unico cambio significativo que ha tenido esta labor en 200 anos es el paso de usar recipientes construidos con fibras naturales, llamados canastos, a recipientes plasticos de igual forma, llamados cocos.

El uso de algunas tecnologias empleadas en Brasil para cosechar cafe en terrenos de mayor pendiente y en plantaciones de alta densidad, y el desarrollo de nuevas tecnologias de diseno propio se han dificultado, debido a que en la mayor parte de las zonas productoras la cosecha se realiza entre 12 y 18 pases al ano, algunos con mayor carga de frutos maduros pero con concentracion de estos frutos inferior al 50%. En las areas donde la cosecha es mas concentrada, principalmente en la Sierra Nevada de Santa Marta, las elevadas pendientes, la fragilidad de los suelos y las altas densidades impiden el uso de tecnologias empleadas en otros paises.

[FIGURA 1 OMITIR]

Las investigaciones en cosecha de cafe empezaron oficialmente en Cenicafe en el ano de 1997 con la finalidad principal de reducir los costos de esta labor [1, 2, 3, 4]. Para tal fin, se propuso el plan general de investigacion en cosecha de cafe que aparece en la Figura 1, el cual esta dividido en cinco frentes de trabajo que aun se conservan. El primer frente de trabajo consiste en la determinacion de las propiedades fisicas y mecanicas mas relevantes en cosecha de cafe de las estructuras que conforman el arbol de cafe, incluyendo los frutos. El segundo frente de trabajo se refiere al uso de metodologias, implementos o herramientas sencillas para hacer mas eficiente la recoleccion de cafe. La cosecha semi-mecanizada esta enmarcada en el uso de herramientas motorizadas y portatiles para hacer la labor de desprendimiento selectivo de frutos, mientras que la cosecha mecanizada se refiere al uso de maquinas de gran envergadura, autopropulsadas o con fuente remota de potencia, para el desprendimiento masivo de frutos. La cosecha robotizada, en cambio, se refiere al uso de tecnologias avanzadas de automatizacion para la cosecha selectiva de cafe.

DETERMINACION DE PROPIEDADES FISICAS Y MECANICAS

En esta area se determinaron propiedades fisicas o mecanicas de las diferentes estructuras del arbol de cafe, que se puedan tomar como base para el desarrollo exitoso de tecnologias que realicen mas agilmente el desprendimiento de los frutos maduros.

Se encontro que el esfuerzo que menor cantidad de energia necesita para desprender frutos de cafe es el de torsion, seguido del de flexion, y que a tension se necesita un 30% mas de fuerza para desprender frutos verdes que para maduros. Tambien se corroboro la percepcion de los cosecheros con relacion a que se necesita mas fuerza para desprender manualmente frutos en arboles de variedades resistentes a la roya del cafe que en los arboles susceptibles a la enfermedad [5, 6].

De los estudios se pudo concluir que es dificil utilizar cualquier grado de mecanizacion y que esta dificultad se debe principalmente a factores tales como una relacion fuerza de desprendimiento sobre peso de los frutos muy alta, pedunculo con muy buenas caracteristicas estructurales, frutos muy apretados en los glomerulos, arboles con corteza muy debil, tronco de los arboles y sus ramas muy flexibles. Adicionalmente, la cosecha selectiva del cafe, como se requiere en Colombia, tambien esta limitada por la desuniformidad de la maduracion del cafe durante practicamente todo el ano.

Se encontro tambien que el promedio de la primera frecuencia natural de la estructura fruto-pedunculo es mas alto para los frutos verdes que para los maduros, pero las distribuciones normales de esta variable presentan un traslape que hacen dificil la selectividad por vibracion [1, 2]. Se descubrio tambien que cuando se usa vibracion los frutos se caen por fatiga.

COSECHA MANUAL Y MANUAL ASISTIDA

El primer acercamiento de ingenieria para resolver el problema de cosecha de cafe consistio en un estudio de tiempos y movimientos de la labor, tal y como era hecha por los cosecheros [4, 7, 8]. De ese estudio se concluyo que los macro-movimientos eran en su mayoria desordenados y que habia muchos movimientos ociosos o susceptibles de ser simplificados. Como resultado de este estudio, se establecio el metodo mejorado de recoleccion que plantea un movimiento ordenado en las plantaciones y en los arboles, lo mismo que evitar movimientos ociosos y simplificar aquellos que se puedan (Figura 2a). Adicionalmente, se desarrollo una lengueta plastica que sirve para aumentar el area de recepcion de los frutos desprendidos en el coco. Con el uso del metodo mejorado y la lengueta, se obtuvo un aumento en la capacidad de recoleccion de hasta un 36% por operario y una disminucion de perdidas de frutos al suelo [4].

Basados en el conocimiento generado en el estudio de tiempos y movimientos, llegaron desarrollos de implementos y herramientas manuales para el desprendimiento y la recepcion mas agil de frutos. El primer desarrollo de este tipo se llamo Aroandes y consistia en un aro unido al antebrazo para la recepcion de los frutos desprendidos, una manga para conducirlos y un morral en la espalda para almacenarlos temporalmente (Figura 2b) [9]. Cuando el peso empezaba a incomodar, el operario levantaba los brazos para que los frutos cayeran al morral. Con este sistema se buscaba que los recolectores realizaran solamente los movimientos estrictamente necesarios para la cosecha de cafe y se evitaran los movimientos ociosos. Con este sistema se logro aumentar la capacidad de recoleccion de los cosecheros hasta en un 40%, con la ventaja adicional de que se obtienen perdidas al suelo menores de un fruto por arbol; las cuales, en el sistema tradicional, son en promedio 10 frutos por arbol.

Sin embargo, aun cumpliendo con las normas para diseno ergonomico de ingenieria, la mayoria de los cosecheros entrevistados mostraron rechazos hacia el dispositivo Aroandes, los cuales fueron superados en el sistema Canguaro [10]. Este recogia la mayoria de las recomendaciones planteadas por los mismos usuarios, de las cuales la mas relevante consistio en un recipiente flexible en la parte frontal de manera similar a como se ubica el coco para recolectar (Figura 2c).

[FIGURA 2 OMITIR]

Con el Canguaro, se siguieron obteniendo perdidas menores de un fruto por arbol.

La capacidad de recoleccion con el Canguaro aumento en promedio solamente el 10%, no perceptible por los usuarios, atribuible al aro sostenido en el antebrazo de los operarios. Por tal razon, se procedio a utilizar dos mangas con el fin de inducir el uso de las dos manos por igual y aumentar de este modo la capacidad de recoleccion. Fue asi como se llego al sistema Canguaro-2M (Figura 2d) con el cual se han logrado mayores capacidades de recoleccion con las ventajas de disminucion de perdidas presentadas por sus antecesores.

En la busqueda de maneras mas eficientes para el desprendimiento de frutos de cafe se llego a la herramienta Raselca [11], la cual consiste en un tubo de PVC de 50 mm de diametro cortado longitudinalmente, con bisagras en uno de sus lados y pasadores ajustables para los dedos con el fin de permitir la apertura y cierre rapidos de la misma. La herramienta tiene en uno de sus extremos dientes de nylon que se usan para desprender los frutos a medida que el operario la desplaza en la rama (Figura 3). La herramienta se usa con exito en lugares donde la cosecha es concentrada y con cosecheros de baja capacidad pagados al dia. En esas condiciones, se logro una disminucion del 11% en el costo unitario de cosecha, expresado en $/kg.

[FIGURA 3 OMITIR]

COSECHA SEMI-MECANIZADA

Las aproximaciones de ingenieria para realizar la cosecha de cafe con herramientas portatiles y motorizadas se dividen en dos: desarrollos propios y adaptacion de tecnologias existentes. A su vez, la adaptacion de tecnologias existentes se divide en tecnologias para cosecha de cafe y para otros productos.

En desarrollos propios, se destacan las maquinas motorizadas que empezaron en un inicio tomando como fuente de potencia pequenas plantas electricas semiestacionarias; posteriormente, se usaron motores de combustion interna portatiles, se paso a baterias y motores electricos de corriente directa (en un principio de alto costo y luego de menor precio) que al final hicieron viable economicamente esta tecnologia [12, 13, 14]. El equipo electrico mas avanzado de esta serie es el Alfa, el cual consiste en un par de baterias recargables llevadas en un cinturon, las cuales son fuente de energia de un motor electrico de corriente directa de 15 W con un golpeador acoplado directamente a su eje (Figura 4). Con esta herramienta se han logrado aumentos en la capacidad de recoleccion de hasta un 100%, con la ayuda de mallas plasticas en el suelo para recibir los frutos desprendidos. La masa de cafe cosechada cumple con el requisito maximo de frutos verdes.

[FIGURA 4 OMITIR]

De las tecnologias para semi-mecanizacion de la cosecha de cafe y frutos similares se destacan las derricadoras desarrolladas en Brasil y los vibradores portatiles desarrollados para la cosecha de olivas y otros productos similares en Europa.

Las derricadoras son equipos mecanicos para aplicar vibro-impactos a las ramas y los frutos a traves de un par de juegos de dedos plasticos que oscilan desfasados 180[grados]. Con el uso de derricadoras para las condiciones colombianas no se lograron resultados satisfactorios. Solamente en casos donde la cosecha se presenta con alta carga y concentracion de frutos maduros se logro un aumento de mas del 100% en la capacidad por operario y una reduccion importante del costo unitario de recoleccion (41%); sin embargo, la masa de cafe tenia un contenido de frutos verdes de mas del 10% que hacen que esta herramienta no sea recomendable para las condiciones colombianas actuales [15].

[FIGURA 5 OMITIR]

Los vibradores portatiles de tallos (VPTs), en cambio, han mostrado mejores desempenos. Los VPTs son sistemas que se utilizan para aplicar vibracion a los arboles a traves de un punto de contacto en el tallo del arbol (Figura 5). Con ellos se han logrado aumentos de mas de 300% en la capacidad de recoleccion por operario y reducciones de cerca del 10% en el costo unitario de recoleccion de cafe. Sin embargo, el cafe recolectado presenta un alto contenido de frutos verdes y se deja un alto numero de frutos maduros dejados en los arboles, que hacen que esta tecnologia no este aun lista para ser entregada a los caficultores [16, 17, 18, 19]. En estos momentos se trabaja en la reduccion del numero de frutos maduros sin cosechar, en la reduccion del contenido de frutos verdes en la masa cosechada y en el aumento del rendimiento a traves de diferentes estrategias.

COSECHA MECANIZADA

Varias maquinas se han construido con el fin de tratar de afrontar el problema de los altos costos de cosecha a traves de la mecanizacion. La primera maquina que fue construida con este proposito se llamo Covauto. Esta maquina fue disenada con base en los desarrollos de maquinas del Brasil y con instrumentacion avanzada para la toma de datos. La maquina presento muchos inconvenientes como la combinacion de alto peso y llantas de baja flotacion que hacian que se atascara en el suelo humedo, inclusive en terrenos planos o ligeramente inclinados. En las pocas pruebas que se pudieron realizar se observo un contenido de frutos verdes muy lejano de la cosecha selectiva que se espera del cafe colombiano.

Otra aproximacion que se hizo consistio en un vehiculo con caracteristicas especiales que se moviera en las plantaciones de cafe con fines de cosecha mecanizada, llamado Ergatis. El sistema mencionado fue disenado con el fin de que la plantacion se acomode a la maquina y no que la maquina se acomode a la diversidad de patrones que los campesinos usan para sembrar el cafe. El sistema consiste en dos maquinas interactuando, una moviendose transversalmente en la parte alta de la plantacion (haladora), de manera intermitente, y otra desplazandose hacia arriba y hacia abajo (cosechadora) por medio de un cable desde la haladora, mientras cosecha los arboles en filas dispuestas paralelamente a la pendiente. La cosechadora tiene un portico que se mantiene aproximadamente vertical por medio de un sistema de control, con el fin de realizar la agitacion paralelamente a los arboles de cafe y hacerla estable en terrenos de alta pendiente al mantener el centro de gravedad en un lugar siempre seguro. Las ruedas de la cosechadora son de alta flotabilidad, las cuales sumadas a un peso de 2.300 kg, hacen que la compactacion del suelo sea menor a la causada por una persona. El hecho de ser halada por cable hace que no haya el desprendimiento de suelo por el movimiento relativo causado por las ruedas con traccion (erosion).

[FIGURA 6 OMITIR]

Con base en las experiencias anteriores, se paso a disenar un sistema mas liviano y maniobrable en las plantaciones de cafe en Colombia. El sistema recibe el nombre de Covautico y esta hecho en una estructura de tuberia con un peso total de 250 kg (Figura 6). Como sistema de agitacion tiene unos cepillos similares a los usados en las maquinas usadas en el Brasil, con la diferencia que tiene menor numero de dedos y que los dedos son de tuberia PVC de 16 mm de diametro nominal (menor inercia) con el fin de buscar selectividad a traves de un tratamiento menos agresivo a los arboles. El sistema puede ser halado por un malacate (cable), por un tractor pequeno, por un motocultor o puede tener traccion animal (mular).

COSECHA ROBOTIZADA

Cualquier proyecto que se haga en cosecha robotizada de cafe es un trabajo a largo plazo por las dificultades mencionadas. No obstante, en la Disciplina de Ingenieria Agricola de Cenicafe se han realizado trabajos que pueden ser de utilidad en el desarrollo de maquinas con alto grado de automatizacion. Los trabajos consistieron en la ubicacion espacial de frutos maduros de cafe en las ramas, a nivel de laboratorio. En ellos se desarrollaron algoritmos de vision artificial, principalmente basados en segmentacion, que ubicaban con exactitud aceptable las coordenadas de los centroides de los frutos maduros en el espacio.

TRANSPORTE DE LOS FRUTOS DE CAFE AL BENEFICIADERO

Una vez los operarios terminan la jornada de trabajo llevan los costales con los frutos recolectados hasta el beneficiadero. Algunas fincas tienen puntos de acopio cerca de las plantaciones y alli recogen en vehiculos el cafe para transportarlo hasta el beneficiadero. Sin embargo, en la mayoria de las fincas colombianas el transporte del cafe lo deben realizar los mismos cosecheros al hombro.

Conscientes de que el transporte de cafe al hombro es una labor dura, especialmente en terreno empinado como el de las zonas cafeteras colombianas, en Cenicafe se genero la informacion necesaria para el diseno de sistemas de transporte por cable aereo, lo mismo que un sistema de transporte que consiste de un vehiculo halado por cable. El sistema de cable aereo puede ser por gravedad, en caso de que el beneficiadero se encuentre en un lugar mas bajo que los lotes, o motorizado, en el caso contrario. Para sistema de transporte por cable aereo de gravedad se construyo un banco de pruebas donde se ensayaron las posibles pendientes y deflexiones del cable, para transportar bultos de cafe de 60 kg. En la investigacion se determino que pendientes entre 10 y 12,5%, con deflexiones del cable entre 4 y 5% no necesitan sistema de frenado cuando se usan poleas con bujes en lugar de rozamientos [20]. Este sistema se considera amigable con el ambiente porque impacta poco el paisaje y el suelo, evita la construccion de carreteras y no requiere energia electrica.

En cuanto al transportador por cable aereo motorizado se determinaron las especificaciones que debe cumplir un sistema de estos para mover una vagoneta con capacidad de 300 kg de cafe en cereza, a traves de la construccion de un modelo. El sistema disenado consiste en un cable de mayor diametro (16 mm) que sirve de via y un cable mas delgado (6,35 mm) para halar la vagoneta. Se determino que, con una pendiente de 40%, se requiere un motor de 4,9 kW para halar la vagoneta con su carga maxima. De la investigacion se concluyo que los tramos con curvas son muy complicados y se deben evitar [24]. Tambien se concluyo que aunque tiene las mismas ventajas paisajistas del sistema por gravedad, necesita una inversion inicial mucho mas alta y requiere energia electrica.

[FIGURA 7 OMITIR]

[FIGURA 8 OMITIR]

Tambien se desarrollo un sistema de malacate para halar un vehiculo que podia transportar hasta 500 kg de cafe en cereza dentro de las plantaciones. El sistema, denominado Transcafe, fue probado con exito en la estacion Central Naranjal. Se hicieron evaluaciones del dano al suelo y se determino que la compactacion era aceptable y que el suelo se recuperaba de la deformacion causada por el paso del vehiculo cargado en menos de dos semanas. La Figura 7 muestra al sistema Transcafe.

BENEFICIO HUMEDO DEL CAFE

El beneficio del cafe es el proceso mediante el cual se transforman los frutos en cafe pergamino seco, el cual es el estado en el que se comercializa el producto a nivel nacional. Para realizarlo se remueven todas las envolturas que cubren los granos como son la pulpa, o epicarpio, y el mucilago, o mesocarpio, y posteriormente se secan los granos desde una humedad de aproximadamente 53% base humeda hasta un rango entre el 10 y 12%, lo cual permite su conservacion en las condiciones naturales [20].

PREPARACION DE LA MATERIA PRIMA

Con el animo de procesar la mejor materia prima posible se han hecho desarrollos de ingenieria que han tenido exito. Uno de los que mas se destaca es el Separador Hidraulico de Tolva y Tornillo Sinfin (SHTTS) y consiste en una tolva de precipitacion y un transportador de tornillo sinfin inclinado y ubicado en la base para extraer del fondo de la tolva el material decantado. La tolva de precipitacion se llena con agua limpia, la cual al ser alimentada con una masa heterogenea de frutos de cafe e impurezas, permite que los objetos menos densos floten, mientras que los de mayor densidad se precipitan hasta el fondo de la tolva. Los frutos e impurezas que se identifican como de menor densidad son principalmente frutos secos, "vanos", "brocados", hojas y palos. Los objetos de mayor densidad mas comunes, diferentes a los frutos, son las piedras y las puntillas, entre otros. Para evitar que los objetos duros y pesados sean transportados con los frutos densos, la alimentacion del transportador de tornillo sinfin inclinado se realiza 5 cm arriba de la base de la tolva, formando asi un apendice o "trampa de piedras", donde quedan atrapados estos objetos. Para que la tolva de precipitacion y la "trampa de piedras" funcionen adecuadamente, los frutos de cafe deben alimentarse en forma dosificada sobre la cara posterior de la tolva. La Figura 8 muestra el corte de un SHTTS y la manera como funciona. El dispositivo hidromecanico tiene una eficacia de separacion de material liviano de 98,8% y de materiales densos y duros de 98%, con un consumo especifico de agua de solamente 0,025 L/kg de cafe pergamino seco [21].

Otro aporte significativo de la Disciplina de Ingenieria Agricola de Cenicafe ha sido la maquina selectora de frutos de cafe por color, la cual es capaz de separar frutos de cafe en cinco estados de maduracion a traves de un circuito electronico que identifica y toma las decisiones a traves de un algoritmo de calibracion y clasificacion que tiene grabado en la memoria [22]. La maquina tiene un sistema que prepara la materia prima y alimenta los frutos para que puedan ser analizados individualmente, y un sistema de eyeccion neumatico que ubica los frutos de acuerdo a su maduracion. La maquina fue desarrollada pensando en mejorar la consistencia del producto a traves de una materia prima consistente. La maquina tiene tambien la potencialidad de ser usada para la preparacion consistente de materias primas con diferentes contenidos de frutos en diferentes estados de maduracion, lo cual permite la exploracion de nuevas calidades que puedan tener alta valoracion en el mercado de los cafes especiales. La maquina esta en proceso de patente a traves de las solicitudes 7-128251 y 7-128272. La Figura 9 muestra una fotografia de la maquina selectora de frutos de cafe por color.

[FIGURA 9 OMITIR]

DESPULPADO

En Cenicafe se desarrollo la norma NTC-2090, la cual sirve de guia para que los fabricantes de despulpadoras la sigan en sus procesos de manufactura y garanticen un producto con estandares minimos de calidad a los caficultores [20].

[FIGURA 10 OMITIR]

Uno de los resultados mas importantes relacionados con el beneficio de cafe consistio en demostrar que el agua no es necesaria para realizar el despulpado del cafe, ya que la humedad propia del fruto es suficiente para que las semillas sean separadas de la pulpa, con muy bajos esfuerzos. Se encontro que cuando no se usa agua en el despulpado se evita el 72% de la contaminacion potencial de las aguas por beneficio humedo de cafe. Este es considerado el paso mas importante hacia el desarrollo de la tecnologia para el beneficio ecologico de cafe por via humeda.

Conjuntamente con una empresa colombiana, se diseno y construyo una maquina para despulpar cafe con menor numero de piezas que las existentes, mayor precision en la fabricacion de sus componentes, mas facil de calibrar, con tornillo sinfin para tener flujo de cafe en el rango deseado (Figura 10). El cilindro dentado y el pechero se fabricaron inicialmente utilizando plasticos de ingenieria con propiedades mecanicas adecuadas para el trabajo, pero debido a problemas presentados en fincas atribuidos al material, se opto por construirlos con aleacion de aluminio al silicio, obteniendo buenos resultados hasta la fecha. Por este desarrollo se obtuvo la patente de modelo de utilidad No. 00-63875.

REMOCION DE MUCILAGO

La remocion de mucilago se realiza tradicionalmente por fermentacion natural, para degradar el mucilago, y lavado vigoroso con diferentes implementos y agua limpia. Un aporte importante de la ingenieria consiste en la tecnologia para lavado de cafe en el tanque tina con cuatro enjuagues. Con este desarrollo se paso a un consumo especifico de agua del 10% del consumo de agua tradicional [23].

Una forma diferente de remover el mucilago consiste en el uso de enzimas para hacer mas rapida y controlada la degradacion del mucilago, sin afectar la calidad fisica y organoleptica del producto. Se determino que los costos del uso de la enzima son bajos, comparados con las ventajas de control de la calidad que trae consigo la aplicacion de estos productos.

Otra manera de remover el mucilago consiste en utilizar medios mecanicos. En ese aspecto la ingenieria creo un desarrollo para remover mecanicamente el mucilago del cafe con un bajo requerimiento de energia y con un bajo consumo de agua. El sistema, denominado Deslim, consiste en un desmucilaginador de flujo ascendente, el cual somete los granos de cafe a esfuerzos cortantes y a colisiones entre ellos y con las partes fijas y moviles del aparato, con el fin de remover mas del 97% del mucilago del cafe en segundos. El cafe sale lavado por la parte superior y el mucilago sale por fuerza centrifuga a traves de las perforaciones de la carcasa. Esta maquina tiene entradas de agua para diluir un poco el mucilago para que pueda ser expulsado [20, 24].

BENEFICIO ECOLOGICO DEL CAFE POR VIA HUMEDA --BECOLSUB

La tecnologia para el beneficio ecologico y manejo de los subproductos--Becolsub, es el aporte mas importante de la ingenieria a la caficultura nacional. El sistema consiste en la integracion del despulpado sin agua, el desmucilaginado mecanico con muy poca agua en un equipo Deslim y el transporte de la mezcla de pulpa y mucilago en un tornillo sinfin, con el cual se disminuye el consumo especifico de agua tradicional en mas del 98% y, trabajando de acuerdo a las recomendaciones, se evita mas del 90% de la contaminacion potencial de las aguas [20]. El transporte de la pulpa y el mucilago concentrado con tornillo sinfin no puede ser cambiado por otro tipo de transportador, dado que dentro de el sucede una mezcla tal que mas del 50% del mucilago se retiene en la pulpa, logrando asi el control adicional al despulpado sin agua para llegar hasta mas del 90% del control de la contaminacion. En la Figura 11 se muestra un modulo Becolsub 300, que tiene una capacidad de 300 kg de cafe en cereza por hora. Para obtener un mejor desempeno y calidad del producto, se recomienda usar una clasificacion por tamano despues de la despulpadora y antes del desmucilaginador para retirar frutos que no son despulpados y trozos de pulpa.

Uno de los aspectos que retrazo el lanzamiento de esta tecnologia fue el desconocimiento del efecto sobre la calidad en taza de este proceso mecanico. Para tal fin, se realizaron pruebas de catacion en paneles nacionales e internacionales a cafe procesado con desmucilaginado mecanico y con fermentacion natural, incluyendo almacenamiento. Los resultados permitieron concluir que la calidad del cafe desmucilaginado mecanicamente es al menos igual que la del cafe procesado con fermentacion natural, inclusive hasta despues de mas de un ano de almacenamiento.

16 anos despues de su lanzamiento, mas del 80% de los potenciales usuarios en Colombia usan esta tecnologia y se han exportado decenas de unidades a paises en America, Asia y Africa, donde han obtenido las mismas ventajas ecologicas y de calidad observadas en nuestro pais. Con el uso de esta tecnologia, se ahorran mas de 11 millones de metros cubicos de agua al ano y se evita que mas de 130.000 metros cubicos de mucilago vayan al los cuerpos de agua, lo cual seria equivalente a la contaminacion diaria de una ciudad de 100.000 habitantes.

[FIGURA 11 OMITIR]

CLASIFICACION DEL CAFE

El cafe lavado presenta granos de inferior calidad (vanos, brocados, entre otros) e impurezas (como pulpa) que deben ser retirados antes de iniciar el proceso de secado. Con este proposito, la disciplina de Ingenieria Agricola de Cenicafe diseno y evaluo hidrociclones para diferentes capacidades de procesamiento (Figura 12), de alta eficacia y bajo consumo especifico de agua de 3,8 L x kg [cps.sup.-1], notoriamente inferior a los observados en otros equipos utilizadas en las fincas colombianas, como el canal de correteo (mayor de 20 L.kg cps-1) y el canal semi-sumergido (en promedio 6,4 L x kg [cps.sup.-1]) [25].

[FIGURA 12 OMITIR]

SECADO

Al finalizar el proceso humedo, los granos de cafe presentan contenido de humedad promedio del 53%, condicion que los hace muy vulnerables al ataque de microorganismos que pueden causar danos en su calidad fisica, organoleptica y en la inocuidad. Por tanto, su humedad debe ser reducida hasta el rango establecido en Colombia para su comercializacion: 10-12%.

Para secar el cafe en Colombia se utiliza el secado solar, especialmente en fincas pequenas que en el pais son mas del 95%; en fincas de mayor produccion en los dias de menor flujo de cosecha y en combinacion con secado mecanico (secado hibrido). La disciplina de Ingenieria Agricola de Cenicafe ha desarrollado tecnologias que permiten aprovechar eficientemente la energia solar y del aire para el secado del cafe, utilizando materiales disponibles en la mayoria de las regiones cafeteras, plastico empleado en invernaderos de facil construccion, facil uso y costo entre $ 40.000/ [m.sup.2] y $ 60.000/[m.sup.2] [26]. Estas tecnologias (Figura 13) se utilizan exitosamente en la mayoria de los departamentos colombianos; se han construido decenas de miles de ellas, permitiendo al caficultor agregar valor a su producto, obtener cafe de buena calidad, sin contaminar el ambiente por emisiones de gases de efecto invernadero (GEI) y de particulas.

Para medir la humedad del cafe en secado solar, la disciplina de Ingenieria Agricola desarrollo un metodo de facil uso denominado Gravimet (Figura 14), de bajo costo (menos de $ 40.000) y exactitud adecuada, basado en la relacion en peso del cafe en los estados de lavado y seco cuando esta en el rango 10-12%. Antes de tener disponible esta tecnologia, los caficultores presentaban dificultades para determinar el momento en el cual terminar el secado, trayendo consigo la presencia de granos con contenidos de humedad fuera del rango optimo. Para la aplicacion del metodo Gravimet, se utiliza una balanza digital de bajo costo ($ 30.000) con rango 0-5kg y resolucion de 1g y canastillas fabricadas en malla plastica. En la canastilla se coloca una muestra de cafe limpio de 200g, con granos sanos, lo que da una altura de 2 cm, la cual debe ser igual a la altura de capa en todo el secador. Cuando el peso de la muestra se reduce a 104-105g indica que el proceso de secado ha terminado. El metodo fue validado en fincas colombianas con excelentes resultados.

[FIGURA 13 OMITIR]

El secado mecanico del cafe se utiliza cuando las condiciones ambientales no son favorables para el secado solar y/o cuando el flujo de cafe diario es alto y el costo se incrementa por las areas requeridas y la mano de obra empleada. La disciplina de Ingenieria Agricola de Cenicafe desarrollo en la decada del 70 un secador de dos cuartos, con tunel central y compuertas que permiten la inversion del flujo del aire en cada uno para mejorar la uniformidad de la humedad final del cafe. Esta construido en mamposteria y las dos capas se encuentran en secado (secado en paralelo). Posteriormente, al observar el poder secante que aun poseia el aire exhausto se modifico el silo secador Cenicafe para que se trabajara una capa en secado y otra en pre-secado (secado en serie). Este sistema ha sido muy utilizado en Colombia y ha servido de referencia para el desarrollo de nuevas tecnologias de mejor desempeno termico a partir de la simulacion matematica del proceso. Aparte de la optimizacion del trabajo con secadores de capa estatica, el producto mas importante del modelamiento y simulacion matematica es el secador intermitente de flujos concurrentes de granos y aire de secado (Figura 15), con el cual se logra secar cafe en menos de 24 h, con eficiencia termica de 3.500 kJ/kg de agua evaporada, notoriamente inferior a la observada en los secadores de capa estatica (> 7.000 kJ/kg de agua evaporada), con mayor uniformidad de humedad [20].

[FIGURA 14 OMITIR]

Los modelos de simulacion de secado desarrollados tambien han permitido optimizar la operacion de los equipos existentes, para obtener cafe seco de mejor calidad, con menores costos por disminucion del consumo de combustible, energia electrica y mano de obra [27]. Adicionalmente, disminuir el impacto ambiental por menores emisiones de GEI y de particulas.

[FIGURA 15 OMITIR]

INGENIERIA GENETICA Y CAFE (1)

La ingenieria genetica, entendida como la aplicacion creativa de principios cientificos para disenar estructuras o procesos bioquimicos a partir la cadena de ADN, el material primario de almacenamiento de informacion de los seres vivos, con el fin de modificar el comportamiento de las celulas de manera predecible, ha sido utilizada en Cenicafe para entender y mejorar aspectos agronomicos del cultivo del cafe.

Trabajos iniciados en la decada de los anos 90 permitieron el aislamiento y caracterizacion de los promotores geneticos de la alfa-tubulina y la arabicina. Estas secuencias controlan la expresion de genes en las celulas del cafeto y pueden dirigirla a tejidos u organos especificos en la planta. Construcciones geneticas que contienen estos promotores asociados a proteinas identificadas en otros organismos como quitinasas, inhibidores de proteinasas e inhibidores de alfa amilasas se estan evaluando en estos momentos en plantas de cafe como alternativas en la busqueda de fuentes de resistencia a enfermedades y plagas tan graves para la caficultura como la Broca del Cafe y la Roya.

En el hongo Beauveria bassiana, que controla naturalmente a la broca del cafe, se han probado construcciones de ingenieria genetica que le permiten resistir mejor la radiacion ultravioleta a la que se expone luego de ser aplicado en el campo y aumentar su patogenicidad al insecto. En la broca del cafe, utilizando la informacion complementaria de las cadenas de ADN y aprovechando mecanismos presentes en los organismos, que silencian la expresion de los genes por medio de fragmentos cortos conocidos como RNA de interferencia, se disenaron moleculas que al ser incorporadas en dietas artificiales inhiben la actividad de las enzimas que le permiten al insecto digerir los granos de cafe.

Con la capacidad de estudiar genomas completos de genotipos de cafe y de sus organismos asociados, tanto beneficos como patogenos, se abren aun mayores posibilidades para hacer uso de herramientas de ingenieria genetica que permitan afrontar los desafios de una produccion sostenible en terminos de los requisitos del mercado, el cambio climatico y la conservacion ambiental.

Recibido 16 de mayo de 2011, modificado 7 de julio de 2011, aprobado 8 de julio de 2011

REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS

[1] H.J. Ciro, C.E. Oliveros, F. Alvarez. "Estudio dinamico bajo oscilacion forzada del sistema fruto-pedunculo (S.F.P.) del cafe variedad Colombia". Revista Facultad Nacional de Agronomia. Vol. 51, No. 1, 1998, pp. 63-90.

[2] H.J. Ciro, F. Alvarez, C.E. Oliveros. "Estudio experimental de la dinamica de las vibraciones longitudinales y transversales aplicadas a las ramas de cafe". Revista Facultad Nacional de Agronomia. Vol. 51, No. 2, 1998, pp. 245-275.

[3] D. Londono, C.E. Oliveros, M. Moreno. "Desarrollo de una herramienta manual para asistir la recoleccion de cafe en Colombia". Cenicafe, Vol. 53, No. 2, 2002, pp. 93-105.

[4] J.C. Velez, E.C. Montoya, C.E. Oliveros. "Estudio de tiempos y movimientos para el mejoramiento de la cosecha manual de cafe. Chinchina (Colombia)". Cenicafe, Boletin Tecnico No. 21. 1999. pp. 91.

[5] E. Alvarez, F. Alvarez, C.E. Oliveros, E.C. Montoya. "Propiedades fisico-mecanicas del fruto de cafe y del sistema fruto-pedunculo del cafe variedad Colombia". Revista Facultad Nacional de Agronomia. Vol. 52, No. 2, 1999, pp. 701-732.

[6] I.D. Aristizabal, C.E. Oliveros, F. Alvarez. "Physical and mechanical properties of the coffee tree related to harvest mechanization". Transactions of the ASAE. Vol. 46, No. 2, 2003, pp. 197-204.

[7] R. Martinez, E.C. Montoya, J.C. Velez, C.E. Oliveros. "Estudio de tiempos y movimientos de la recoleccion manual del cafe en condiciones de alta pendiente". Cenicafe, Vol. 56, No. 1, 2005, pp. 50-66.

[8] J.C. Velez, E.C. Montoya, C.E. Oliveros. "Human factors performance in coffee harvesting in Colombia". Ergonomics Australia. Vol. 16, No. 2, June 2002, pp. 14-24.

[9] H.A. Lopez, C.A. Ramirez, C.E. Oliveros, J.R. Sanz. "Aroandes, una tecnologia para la cosecha manual de cafe con alta calidad". Cenicafe, Vol. 59, No. 4, 2008, pp. 283-294.

[10] H.A. Lopez, C.E. Oliveros, C.A. Ramirez, J.A. Alvarez, J.R. Sanz. "Manga para la recoleccion manual de cafe: Experiencia de investigacion participativa". Avances Tecnico Cenicafe. No. 374, 2008, p. 8.

[11] C.E. Oliveros, C.A. Ramirez, J.D. Buenaventura, J.R. Sanz. "Diseno y evaluacion de una herramienta para agilizar la cosecha manual de cafe". Cenicafe, Vol. 56, No. 1, 2005, pp.37-49.

[12] H.A. Lopez, C.E. Oliveros, C.A. Ramirez. "Disminucion del costo unitario de la cosecha de cafe con el empleo de un metodo de recoleccion manual asistido". Cenicafe, Vol. 57, No. 4, 2006, pp. 262-273.

[13] C.E. Oliveros, C.A. Ramirez, R. Acosta. "Equipo portatil para asistir la cosecha manual de cafe". Revista Facultad Nacional de Agronomia. Vol. 58, No. 2, 2005, pp. 3003--3013.

[14] C.A. Ramirez, C.E. Oliveros, J.R. Sanz, R. Acosta, J. D. Buenaventura. "Desgranador mecanico portatil para la cosecha del cafe--Descafe". Cenicafe, Vol. 57, No. 2, 2006, pp. 122-131.

[15] D. Diaz, C.A. Ramirez, C.E. Oliveros, E.L. Moreno. "Cosecha de cafe con el equipo STIHL SP-81 de actuadores oscilantes". Cenicafe, Vol. 60, No 1, 2009, pp. 41-57.

[16] H. Araque, C.E. Oliveros, J.R. Sanz, C.A. Ramirez. "Desempeno de vibradores portatiles del tallo en la cosecha del cafe". Cenicafe, Vol. 56, No. 4, 2005, pp.339-347.

[17] I.D. Aristizabal, C.E. Oliveros, F. Alvarez. "Mechanical harvesting of coffee applying circular and multidirectional vibrations". Transactions of the ASAE. Vol. 46, No. 2, 2003, pp. 205-209.

[18] J.J. Granja, C.E. Oliveros. "Diseno, construccion y evaluacion de un vibrador multidirecional de tallos para la cosecha mecanica de cafe en Colombia (2)". Revista Scientia et Techni ca. Vol. 21, Julio 2003, pp. 58-64.

[19] C.E. Oliveros, R. Benitez, F. Alvarez, I.D. Aristizabal, C.A. Ramirez, J.R. Sanz. "Cosecha del cafe con vibradores portatiles del tallo". Revista Facultad Nacional de Agronomia. Vol. 58, No. 1, 2005, pp. 2697-2708.

[20] G. Roa, C.E. Oliveros, J. Alvarez, C.A. Ramirez, J.R. Sanz, J.R. Alvarez, M.T. Davila, D. A. Zambrano, G.I. Puerta, N. Rodriguez. "Beneficio ecologico del cafe". Cenicafe, 1999, pp.300.

[21] C.E. Oliveros, J.R. Sanz, E.C. Montoya. "Dispositivo hidraulico de bajo impacto ambiental para limpieza y clasificacion del cafe en cereza". Cenicafe, Vol. 60, No. 3, 2009, pp. 229-238.

[22] J. Sanz, P.J. Ramos, C.E. Oliveros. "Algorithm to identify maturation stages of coffee fruits". IAENG Transactions on Electrical and Electronics Engineering Volume I. San Francisco: IEEE Computer Society, 2008 (ISBN: 978-0-7695-3555-5).

[23] D. Zambrano. "Lavado del cafe en los tanques de fermentacion". Cenicafe. Vol. 45, No. 3, 1994, pp. 106-118.

[24] C.A. Mejia, C.E. Oliveros, J.R. Sanz, E.L. Moreno, L.A. Rodriguez. "Evaluacion del desempeno tecnico y ambiental de un desmucilaginador de cafe con rotor de varillas". Cenicafe. Vol. 58, No. 2, 2007, pp.122-133.

[25] I. D. Aristizabal, C. A. Salazar, C.E. Oliveros. "Parametros de diseno de un hidrociclon para clasificar cafe pergamino". Revista Facultad Nacional de Agronomia. Vol. 51, No. 1, 1998, pp. 191-215.

[26] C.E. Oliveros, C.A. Ramirez, J.R. Sanz, A.E. Penuela. "Secador solar de tunel para cafe pergamino". Avances Tecnicos Cenicafe. No 353, 2006, p. 8.

[27] A. Parra, G. Roa, C.E. Oliveros. "SECAFE Parte II: Recomendaciones para el manejo eficiente de los secadores mecanicos de cafe pergamino". Revista Brasileira de Engenharia Agricola e Ambiental. Vol. 12, No. 4, 2008, pp. 428-434.

(1) Contribucion del doctor Alvaro L. Gaitan-Bustamante, coordinador de la Disciplina de Fitopatologia de Cenicafe.

C. E. Oliveros-Tascon (a), J. R. Sanz-Uribe (b)

(a) Ph.D. en Ingenieria Agricola. Investigador Principal, Centro Nacional de Investigaciones de cafe (CENICAFE), Chinchina. Caldas, Colombia. Email: Carlos.Oliveros@cafedecolombia.com

(b) Ph.D. en Ingenieria Mecanica. Investigador Cientifico II, Centro Nacional de Investigaciones de cafe (CENICAFE). Chinchina, Caldas, Colombia. Email: JuanR.Sanz@cafedecolombia.com
COPYRIGHT 2011 Universidad de los Andes (Colombia)
No portion of this article can be reproduced without the express written permission from the copyright holder.
Copyright 2011 Gale, Cengage Learning. All rights reserved.

Article Details
Printer friendly Cite/link Email Feedback
Author:Oliveros-Tascon, C.E.; Sanz-Uribe, J.R.
Publication:Revista de Ingenieria
Date:Jan 1, 2011
Words:7833
Previous Article:Retos de la ingenieria para el desarrollo tecnologico de la agroindustria.
Next Article:El cambio climatico y su impacto en el agro.
Topics:

Terms of use | Privacy policy | Copyright © 2019 Farlex, Inc. | Feedback | For webmasters