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Agrociencia

versión On-line ISSN 2521-9766versión impresa ISSN 1405-3195

Agrociencia vol.47 no.4 México ene./jun. 2013

 

Maquinaria agrícola

 

Desarrollo y evaluación de un prototipo descascarador de frutos de Ricinus communis L.

 

Development and evaluation of a shelling prototype of Ricinus communis L. Fruits

 

Pablo R. Cabral-de França1* , Odilon R. Ribeiro-Ferreira da Silva1, Francisco de A. Cardoso-Almeida2, Jeane Ferreira-Jerônimo3, Nelson Cárdenas-Olivier4

 

1 Universidade Federal da Paraíba, Centro de Ciências Agrárias, Campus II, Rodovia BR 079, Km 12, Areia, Paraíba, Brasil, CEP 58397-000. *Autor responsable. (pabloradames@hotmail.com).

2 Embrapa Algodão, Rua Oswaldo Cruz, 1143, Caixa Postal 174, Centenário, Campina Grande, Paraíba, Brasil, CEP 58428-095. (odilon@cnpa.com.br.).

3 Univesidade Federal de Campina Grande, Av. Aprígio Veloso, 882, Bodocongó, Campina Grande, Paraíba, Brasil, CEP 58429-140. (almeida@deag.ufcg.edu.br.).

4 Universidade Federal do Vale do São Francisco, Campus Juazeiro, Av. Antonio Carlos Magalhães, 510, Santo Antônio, Juazeiro, Bahia, Brasil, CEP 48902-300. (nolivier@univasf.edu.br.).

 

Recibido: septiembre, 2012.
Aprobado: marzo, 2013.

 

Resumen

La higuerilla o ricino (Ricinus communis L.) es cultivada abundantemente en el nordeste de Brasil, la mayoría por pequeños agricultores. Sin embargo, la falta de máquinas específicas para ayudar en el procesamiento y que sean accesibles a los productores con poder adquisitivo menor, es un obstáculo para la expansión del cultivo. El desarrollo de máquinas pequeñas beneficiaría en gran medida a los agricultores de este sistema de producción e incrementaría el valor agregado al producto final. Así, el objetivo de este estudio fue desarrollar y evaluar el desempeño de una máquina para descascarar los frutos de la higuerilla, variedad BRS Energía, y establecer una metodología para su operación. El descascarado fue realizado con dos discos de acero revestidos uno con goma tipo lonada y otro con goma tipo etileno vinil acetato (EVA). El disco en movimiento promueve el descascarado por fricción entre los discos y el fruto. La eficiencia del prototipo se evaluó con los porcentajes de semillas descascaradas (intactas), con cáscara (marineros) y dañadas; se obtuvo 98.9 % de semillas intactas, equivalente al exigido por las industrias de extracción de aceite. La capacidad de trabajo cercana a 275 kg h -1 se calificó como excelente.

Palabras clave: mecanización, agricultura familiar, procesamiento.

 

Abstract

The castor bean (Ricinus communis L.) is grown abundantly in the northeast of Brazil, mostly by small farmers. However, the lack of specific machines to help in the processing and also accessible for low income producers is an obstacle to the expansion of the crop. The development of small machines would benefit, largely, to farmers of this production system, increasing the value added to the final product. Thus, the aim of this study was to develop and evaluate the performance of a machine to shell the fruits of castor bean, variety BRS Energy, and establish an operation methodology. The shelling was carried out with two steel discs coated, one with rubber canvas type and other with rubber ethylene vinyl acetate (EVA) type. The rotating disk promotes shelling by friction between the discs and the fruit. The efficiency of the prototype was evaluated with the percentages of shelled seeds (intact), seeds with capsule (marineros) and damaged seeds; 98.9 % of intact seeds was obtained equivalent to that requited by the oil extraction industries. The working capacity close to 275 kg h -1 was rated as excellent.

Key words: mechanization, family agriculture, processing.

 

INTRODUCCIÓN

La higuerilla (Ricinus communis L.) para la producción de biodiesel aumenta en Brasil; sin embargo, la escasez y calidad baja de las semillas limitan la expansión del cultivo, pues en el nordeste se siembra semilla altamente heterogénea (Silva et al, 2009a; Carvalho et al., 2010).

Las condiciones climáticas de Brasil son adecuadas para el cultivo de la higuerilla y es muy importante para la economía de la región semiárida del nordeste pues favorece la generación de empleos y el suministro de materias primas para la industria (Azevedo et al., 1997; Beltrão et al., 2002; Silva et al., 2009b). La producción de semillas de higuerilla es cada vez más tecnificada, con participación de grandes empresas, generación de híbridos y valorización en el precio (Oliveira et al., 2009).

El aceite de higuerilla o aceite de ricino, principal producto del cultivo usado en la agroindustria, tiene aplicaciones en la producción de lubricantes y plásticos (Carvalho et al., 2008; Lopes et al., 2008) y en la industria farmacológica y cosmética; el principal derivado comercializado en el mercado internacional es el aceite hidrogenado. El segmento mayor de la cadena productiva de este cultivo en Brasil lo realizan pequeños agricultores que generan la mitad de la producción y su participación aumenta (Lima, 2005; Rodrigues et al., 2009). Para ellos uno de los obstáculos en el cultivo de la higuerilla es el procesamiento, porque exige cantidad elevada de mano de obra y limita el área plantada. Por tanto, es necesario desarrollar máquinas accesibles para los agricultores.

El objetivo de este estudio fue desarrollar y evaluar el desempeño de una máquina descascadora de frutos de higuerilla, variedad BRS Energía, y determinar una metodología para su operación.

 

MATERIALES Y MÉTODOS

Etapa I - Desarrollo del prototipo descascarador de frutos de higuerilla

Esta etapa se llevó a cabo en la Metalúrgica Barros en Campina Grande; ahí el descascarador se desarrolló, con base en el equipo de Weiss (1983), un descascarador de frutos de higuerilla usado por agricultores de África. El descascarador tiene un costo bajo por su sistema de accionamiento manual y como sistema de descascarado se usaron dos discos revestidos con goma, en lugar de un cilindro de madera cubierto con goma según el sistema propuesto por Mialhe (1971). Los materiales usados fueron: dos discos de acero de 0.4 m de diámetro (de 0.5" y 0.25" de espesor), una placa de acero de 0.125" y una lámina calibre 16, ambas de 1.0 × 0.20 m; tres barras de acero de 1.375", 2.25" y 1.25", goma lonada y goma EVA (etileno vinil acetato) de 0.4 × 0.4 m, cuatro chumaceras con rodamientos de 1", una varilla de 0.625", un eje de acero de 1", un tubo rectangular de acero de 0.25" (0.5 × 0.3 m), tornillos de 0.2" (100 y 60 mm), una cadena de rodillos, una estrella y dos piñones fijos de bicicleta, dos cónicos (engranaje) y una bicicleta completa.

El descascarador de higuerilla consistió en un chasis para soporte de los siguientes componentes: tolva alimentadora, dispositivo de descascarado, sistema de accionamiento y descarga del material descascarado. La tolva alimentadora es el dispositivo de recepción de los frutos, tiene una compuerta en la parte inferior para regular el flujo del material conducido al sistema de descascarado constituido por dos discos metálicos superpuestos y axialmente coincidentes, uno fijo y otro móvil.

El disco superior tiene 0.4 m de diámetro, está fijo, tiene un orificio central de 90 mm de diámetro, para que pasen los frutos aún con cáscara, y la superficie inferior fue revestida con un anillo de goma con el mismo diámetro que el disco. El otro disco de igual diámetro, localizado debajo del primero, revestido en la superficie superior con un anillo de goma, y con un ángulo interno en bisel (45°) con el mismo diámetro que el disco, fue acoplado a un eje vertical con movimiento giratorio. Ambos discos fueron revestidos con combinaciones diferentes de gomas para determinar el mejor arreglo.

La tolva alimentadora fue llenada constantemente con frutos, de ahí fluyeron hacia los discos de goma y al pasar por la abertura entre ellos, bajo la acción de la fuerza centrífuga producida por el disco inferior y la fricción entre las gomas y el fruto, se separó la cáscara de las semillas de higuerilla que después fueron conducidas a la descarga. Esta máquina no tiene un sistema de separación entre las semillas y las cáscaras desprendidas, y esta operación se realiza en un tamiz fuera de la máquina.

La operación del descascarillador semi-mecanizado, con el mismo principio de funcionamiento de una bicicleta, que accionó un eje a través de una transmisión constituida por dos engranajes, la estrella y el piñón. Este último se localiza en el eje acoplado al disco inferior.

El criterio para establecer la velocidad de rotación ideal del disco se basa en las velocidades usadas por Mialhe et al. (1992), en una máquina con sistema de procesamiento similar al del prototipo evaluado en este estudio. Por tanto, se realizó un ensayo preliminar para someter los frutos al procesamiento en un intervalo de velocidad de 52.56 a 73.30 s -1, y determinar la velocidad más favorable para el proceso de descascarado para definir el conjunto de engranajes.

Etapa II - Desarrollo de una metodología para el descascarado y evaluación de la eficiencia del prototipo

Esta etapa se realizó en las instalaciones de EMBRAPA -Algodão, Campina Grande — PB, Brasil. Las semillas de R. communis L., variedad BRS Energía se obtuvieron del campo experimental de EMBRAPA en Barbalha - CE, cosecha 2009. Para evaluar el prototipo se realizó un análisis biométrico de las cápsulas de los frutos y de las semillas, para determinar las distancias para la prueba. La longitud, anchura y espesor de 100 cápsulas y 100 semillas se determinó con un vernier. Con la media de los datos (Cuadro 1) se establecieron los procedimientos de prueba con distancias de separación entre los discos de 5, 10 y 15 mm y con cuatro combinaciones de gomas (Cuadro 2): goma lonada, con dureza 63 Shore y goma EVA con dureza 22 Shore.

Para cada prueba se usaron 5 kg de frutos, secados al sol, con humedad alrededor de 4 %. Los frutos fueron colocados en la tolva del prototipo y el tiempo fue cronometrado, para determinar la capacidad efectiva del descascarado. La eficacia fue evaluada por los porcentajes de semillas descascaradas (intactas), con cáscara (marineros) y dañadas. Las semillas descascaradas, con cáscara, dañadas y las cáscaras fueron separadas manualmente; cada grupo se pesó y comparó con el peso inicial, y se calculó el porcentaje de eficacia del prototipo y su capacidad de trabajo.

La pureza fue evaluada con las semillas puras e impurezas de cinco muestras. Las impurezas, (MAPA, 2009), son semillas con o sin tegumento, con o sin carúncula y pedazos de semilla (mayores a la mitad de su tamaño original, con o sin tegumento). El porcentaje de pureza se determinó con la relación:

donde Pz=pureza física (%), Mi= masa de impureza (kg) y Ma= masa de la muestra (kg).

La dureza de las gomas se evaluó con el método ASTM D 2240, con un durómetro Woltest de Shore A, con carga de 9.8 N. El indentador fue presionado sobre la muestra de cada tipo de goma (EVA y lonada) por 10 s en cuatro puntos aleatorios (Cuadro 3).

El diseño experimental fue completamente al azar, con los procedimientos distribuidos en arreglo factorial 3X 4 (tres distancias entre discos y cuatro combinaciones de goma) y cuatro repeticiones. Con los datos se realizó ANDEVA con la prueba F, y para las medias se usó la prueba de Tukey (p≤0.05).Para estos análisis se usó el programa ASSISTAT Versión 7.5 beta, 2010.

 

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

La máquina tiene los siguientes componentes (Figura 1): alimentador, sistema de descascarado (discos), sistema de accionamiento (bicicleta) y descarga del material descascarado. El alimentador (Figura 1A) es el mecanismo de recepción de los frutos de higuerilla para el proceso de descascarado. La parte superior del alimentador mide aproximadamente 0.4 m de diámetro y 70 mm en la parte inferior; de ahí los frutos se conducen a los discos. Tiene un peine fijo con dientes espaciados a 8 mm; el pedúnculo de los frutos, cuando esté presente, debe removerse para mejorar el descascarado. Para eso el operador encaja el racimo entre los dientes del peine, jala hacia arriba, separa el fruto que no pase entre los dientes y que caerá dentro del alimentador.

El sistema de descascarado tiene dos discos (Figura 1B). El disco superior es fijo y está revestido con goma tipo lonada de 10 mm de espesor, el otro está en la parte inferior, es móvil, está revestido con goma tipo EVA de 10 mm de espesor, y está directamente unido al eje motriz en la parte inferior de la máquina. Cuando los frutos pasan por la abertura entre los discos, bajo la acción de la fuerza centrífuga producida por el movimiento de rotación del disco inferior y la fricción entre las gomas y el fruto, ocurre la separación de la cáscara de la semilla.

El sistema de accionamiento (Figura 2) es un conjunto de engranajes accionados por pedales. El movimiento de los pedales acciona la corona que simultáneamente transmite el movimiento en secuencia a un piñón, una corona, un piñón y finalmente al conjunto de engranes cónicos. Uno de estos cónicos está fijado en el eje del disco inferior, que promueve el movimiento giratorio del disco. Este movimiento corresponde a una velocidad angular de 53.87 s -1, ideal para el descascarado, de acuerdo con la prueba preliminar, al permitir un mayor porcentaje de semillas sin cáscara y el trabajo con un esfuerzo físico aceptable para el operador con velocidad angular promedio de 13.51 s -1 (2.15 revoluciones del pedal por segundo) y variable en función de la intervención del operador.

La descarga (Figura 1D) del material presenta una abertura de 70 × 80 mm y está a 0.1 m del suelo. El compartimiento donde el material es almacenado después de ser sometido a la fricción de los discos, presenta una inclinación de 30° según la máquina descrita por Mialhe (1971), en la parte inferior para facilitar el deslizamiento del material en dirección a la descarga. Además, la carga y descarga son continuas.

Las distancias de 5 y 10 mm entre los discos generaron descascarado mayor, excepto los tratamientos T10 y Tu, debido a la resistencia mayor de los frutos al descascarado por la combinación de goma utilizada (EVA en el disco superior e inferior) (Cuadro 4).

Los frutos no se descascararon significativamente con 15 mm de distancia entre los discos. Este resultado es similar al de Lima et al. (2008), obtenido con semillas de higuerilla variedad BRS Energía y un descascarador de sistema operacional similar. Ellos muestran que con fricción menor (es la distancia mayor entre el cilindro y el cóncavo) el porcentaje de semillas descascaradas fue menor.

Los valores altos de semillas descascaradas más su calidad muestran la eficacia del procesamiento, y la posibilidad de uniformar la población de plantas en el campo. Este es un factor importante en la producción de un cultivo porque según Carvalho et al. (2009), las semillas de alta calidad influyen directamente en el éxito de la agricultura y contribuyen para alcanzar productividad alta en especies cultivadas.

Aunque el valor no fue completamente satisfactorio, si se comparan todas las pruebas, T6 mostró mejor desempeño con 15 mm de distancia entre los discos, debido a la relación de las gomas (goma lonada × goma lonada), cuyo grado de dureza más elevado (63 Shore) proporcionó mayor fricción en los frutos y consecuentemente mayor descascarado. Así, los tratamientos con distancia máxima de 10 mm entre los discos y con al menos una goma lonada, independiente de la posición en los discos, permitieron un descascarado más eficaz y al menos 90 % de semillas intactas.

La acción de los dispositivos de descascarado fue más drástica con distancia menor entre los discos y permitió el funcionamiento mejor de la máquina. Este resultado fue similar al encontrado por Silva et al. (1998) con un descascarador de maní (Arachis hypogaea), ya que al reducir la distancia del semicilindro, respecto a la superficie cóncava, se promueve fricción mayor con los frutos y, por tanto, mayor cantidad de semillas dañadas.

El porcentaje de semillas con cáscara fue mayor (76.20 %) en T12, se caracterizó como descascarado ineficaz, y fue significativamente diferente que el resto. T3 fue similar (p> 0.05) a T11 y ambos mantuvieron porcentajes altos de semillas con cáscara, como T9 y T10. Esto mostró que ni el recubrimiento con goma EVA en los dos discos ni la separación de 15 mm entre ellos, generaron fricción adecuada para el descascarado. Los tratamientos con distancia hasta de 10 mm entre los discos fueron los más eficaces, excepto T10 y T11.

Así, los tratamientos Tp T2, T4, T5, T7 y T8 son adecuados para la industria de extracción de aceite pues, de acuerdo con Silva et al. (2007), el límite máximo de semillas con cápsulas en la industria es 10 % y se obtuvo con estos tratamientos.

De acuerdo con los resultados, la distancia entre los discos del prototipo es uno de los factores principales para el proceso de descascarado de los frutos de la higuerilla, después de conocer el tamaño de los frutos de la variedad que será extraída.

El porcentaje de semillas dañadas es otro factor importante en la industria productora de aceite. El límite máximo aceptado es 3 %, ya que valores mayores reducen la calidad al estimular el aumento de la acidez del aceite (Lago et al., 1985; Silva et al., 2007).

Únicamente T4 y T5 superaron el porcentaje de daño en semillas permitido en la industria (Cuadro 4). Probablemente la fricción en los frutos fue mayor por el revestimiento de ambos disco con la goma lo-nada pues su dureza fue más elevada (63 Shore) que la de la goma EVA. Estos resultados son similares al 3.8 % obtenido por Lima et al. (2008) con frutos de higuerilla sometidos a fricción intensa. Santiago y Usberti (1983) muestran que el procesamiento mecánico intenso disminuyó la calidad física y fisiológica de las semillas de algodón (Gossypium hirsutum L.). La fricción excesiva en los frutos y en las semillas de higuerilla pudo afectar la calidad fisiológica en los tratamientos T4 y T5 pues, según Mondo et al. (2009), el impacto negativo de la fricción aumenta con la presión en el fruto y en la semilla.

Los tratamientos T3, T10, T11 y T12 generaron las cantidades menores de semillas dañadas (<0.33 %); sin embargo, los porcentajes de semillas intactas obtenidos con estos tratamientos no fueron los mejores. Esto se debió a la distancia entre los discos (15 mm en T3) y al tipo de goma (en T10, T11 y T12), pues en los cuatro casos la fricción sobre los frutos fue baja. Algunas semillas, además de quebraduras y fisuras, presentaron amasamientos superficiales, considerados también daños que pueden causar inviabilidad de la semilla (Souza et al., 2009).

El tratamiento más eficaz fue T1 y su eficacia se probó. Así, este tratamiento permitió el descascarado de 275.33 kg de frutos de R. communis L. de la variedad BRS Energía en 1 h de trabajo. Este resultado fue superior al de la máquina usada por Mialhe (1971), con el mismo sistema de descascarado, que permitió descascarar aproximadamente 70 a 105 kg h -1 de una variedad de R. communis L. no identificada. Esto último es relevante porque para el proceso de descascarado debe conocerse el tamaño de la semilla. Lima et al. (2008) obtuvieron 230 kg h -1 de frutos descascarados de la variedad BRS Energía.

La pureza física después del proceso de descascarado fue alta (Cuadro 5). En parte se debió a que la recolección de los frutos se realizó manualmente y el material extraño no se incluyó.

 

CONCLUSIONES

El prototipo permite el descascarado eficiente de los frutos de R. communis L. variedad BRS Energía, con distancia a 5 mm entre los discos y combinación de recubrimientos con goma lonada en el disco superior y goma tipo EVA en el disco inferior, pues cumple con la exigencia de la industria de extracción de aceite.

La capacidad de descascarado de semillas de 275 kg h -1 es excelente y superior a la de las otras máquinas con el mismo sistema.

 

AGRADECIMIENTOS

A la CAPES (Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior), al PPGA (Programa de Pós-Graduação de Agronomia) de la Universida de Federal da Paraíba y a la Embrapa-Algodão.

 

LITERATURA CITADA

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