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Universidad Nacional Jorge Basadre Grohmann Facultad de Ciencias DISEÑO Y EVALUACIÓN DE UN SECADOR SOLAR PARA EL SECADO INDUSTRIAL DEL TOMATE MSc. C...
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Universidad Nacional Jorge Basadre Grohmann Facultad de Ciencias

DISEÑO Y EVALUACIÓN DE UN SECADOR SOLAR PARA EL SECADO INDUSTRIAL DEL TOMATE

MSc. César Rivasplata Cabanillas Br. Richard Calizaya Mendoza Br. Jenny Gutiérrez Gutiérrez Tacna – Perú 2003

DISEÑO Y EVALUACIÓN DE UN SECADOR SOLAR PARA EL SECADO INDUSTRIAL DE TOMATE. RESUMEN Este informe final es el resumen de un trabajo realizado durante un año, bajo la supervisión del COIN y bajo la responsabilidad del Mgr. Cesar Rivasplata y los dos miembros pertenecientes a este proyecto. El COIN durante el transcurro del año ha ido supervisando este proyecto cada tres meses mediante un informe correspondiente. En la primera parte de este proyecto de Diseño y evaluación de un secador solar para el secado industrial de Tomate, se ha recopilado información referidos a la teoría, experiencia peruana e internacional. En la segunda etapa se han realizado las primeras evaluaciones de las muestras en un secador solar tipo cabina y directo. Y en la tercera etapa se ha visto la composición, importancia y consecuencias de la deshidratación de la muestra (tomate), los datos y observaciones durante el proceso de evaluación Por otro lado este proyecto pretende incentivar, la incursión en procesos de transformación de productos agrícolas como es el tomate con la tecnología intermedia, como es, la aplicación técnica de la energía solar en el proceso de producción, en el que los costos de operación sean bajos.

INTRODUCCIÓN La creciente población mundial obliga a la humanidad a disponer de una mayor cantidad de alimentos, principalmente de productos agrícolas tales como granos, vegetales, frutas, legumbres, etc. La producción de tales productos es grandemente influenciada por las condiciones climáticas que favorecen o imposibilitan dicha actividad durante determinados periodos del año. Este hecho nos lleva a la preservación de los excedentes agrícolas para su posterior utilización. Generalmente

esto conlleva el almacenamiento de una porción de las cosechas que puede variar de 3 a 8 meses. Muchos métodos existen para garantizar un almacenamiento apropiado, los cuales varían en cada región climática, estos incluyen la preservación en sal o azúcar, secado o deshidratación, enlatado en seco, congelamiento, etc. Uno de los métodos tradicionalmente usados ha sido el secado al sol, que se practica en todo el mundo, siendo un método natural y relativamente barato, lo que lo hace particularmente atractivo. EVALUACIÓN DE LA RENTABILIDAD DE LOS SECADORES SOLARES Para poder evaluar la factibilidad económica de invertir en un secador solar o para definir el tipo de secador más rentable deben considerarse diversos aspectos: a.

b.

c.

Las ventajas de incorporar el proceso de secado en el ciclo productivo para evitar perdidas de productos perecederos, mejorar el valor agregado e incorporar posibilidades de industrialización o aumentar el numero de cosechas. La eficiencia del secado solar respecto al secado tradicional y/o al secado convencional utilizando electricidad o combustible y la importancia de esta tecnología para la conservación de alimentos y desarrollo de energías nuevas. Algunos elementos técnicos a tener en cuenta para comparar eficiencia respecto al secado tradicional son: ¾ Posibilidades de alcanzar una humedad final del producto realmente adecuada para conservación (HR > 50%). ¾ Temperaturas de sacado que permiten eliminar algunas plagas dañinas apara la conservación (T > 60 °C). ¾ Tiempos de secado más cortos y controlados y posibilidad de evitar exposición directa al sol lo cual favorece la calidad del producto. ¾ Mayor independencia de las condiciones meteorológicas. ¾ Protección de plagas, insectos, roedores o robos.

d.

El desarrollo de estos equipos requiere mano de obra local y materiales del lugar. Estos hechos, en la medida que los prototipos se generalizan favorece el desarrollo regional generando empleo en niveles básicos de industrialización

CONDICIONES PARA LA CONSTRUCCIÓN DE UN SECADOR A partir de un pre-diseño adecuado para el producto ha ser deshidratado, deberá conocerse ciertas características, como ser: humedad, temperatura, humedad, etc., entonces tomamos las siguientes condiciones necesarias, para la construcción del secador solar: a. b. c.

METEOROLÓGICAS OPERABILIDAD TIPOS DE BANDEJAS

a. METEOROLÓGICAS.- Para esto debemos conocer el lugar donde va ha ser instalado, o por lo menos tener referencias de las zona como ser: la velocidad del viento, altitud humedad relativa, etc, entonces conociendo todos estos aspectos se toma en cuenta la resistencia del secador ha ser construido. b. OPERABILIDAD.- Esta condición es bastante importante conocer o tener referencia en cuanto a la vía de comunicaciones y distancia de la zona, entonces para zonas alejadas, el secador debe ser desmontable, para así facilitar el transporte, para zonas poco alejadas, los secadores será parcialmente desmontables y por último apara zonas cercanas los secadores pueden ser totalmente fijos. c.

TIPOS DE BANDEJAS.- existen tras tipos de bandejas que están dadas por las característica del producto y el diseño del secador: 1. Bandeja Fijas. 2. Bandejas Móviles 3. Bandejas Combinadas 1. Bandejas Fijas.- Son bandejas que están fijadas en la estructura y que además ayuda a rigidizar en el secador, se utiliza para productos pesados, ejemplos: Durazno, higo, arroz, etc. 2. Bandeja móviles.- Son bandejas portátiles o deslizantes, a través de rieles, la cual permite el fácil manejo del

producto junto con la bandeja, dentro y fuera del secador, facilita la limpieza. Son utilizados para productos livianos, ejemplo: rocoto en rodajas, papa rallada, plátano en rodajas. 3. Bandejas Combinadas.- Es el complemento de los dos tipos de secadores diseñados generalmente con pasillo, existen bandejas fijas y en la parte del pasillo se aprovecha el espacio con las bandejas móviles ya sea deslizantes o portátiles. Son utilizados en productos ligeramente pesados, ejemplos: alfa alfa, etc. OPERATIBILIDAD DE SECADORES SOLARES a.- Secadores Solares Desmontables. b.-Secadores Solares semi-desmontables. c.- Secadores Solares Fijos. a.- Secadores Solares desmontables.- Son aquellos que en su totalidad de sus piezas de la estructura se adosan entre tetones y hembras, donde estas a su vez van aseguradas por pernos. Estos secadores son diseñados más propiamente para prototipos en las cuales no es fácil el traslado, montaje y desmontaje. b.- Secadores Solares Semi-desmontables.- son aquellos secadores que tienen arcos fijos y que simplemente, están separados por travesaños asegurados por pernos en estos secadores las bandejas pueden ser fijas como móviles. c.- Secadores Solares Fijos.- estos secadores son de estructura fija, o sea son unidas en todas sus partes por soldadura oxígeno-acetileno. CLASIFICACIÓN DE LOS SECADORES Se clasifican según el modo de calentarse o manera que se utiliza el calor derivado de la radiación solar: 1. 2. 3. 4. 5.

Secadores solares Secadores solares Secadores solares Secadores solares Otros secadores

directos indirectos mixtos (directos e indirectos) de madera

1.-

SECADORES SOLARES DIRECTOS Son aquellos secadores donde el producto a deshidratarse, se coloca en un receptáculo con cubierta o panales laterales transparentes. El calor es generado por la absorción de radiación solar sobre el producto mismo así como las superficies internas de la cámara secadora. Este calor evapora la humedad del producto que ha de sacar. Además sirve para expandir el aire en el recinto, provocando así la eliminación de la humedad por la circulación del aire. La cubierta de plástico estabilizado impide la filtración de rayos ultravioletas y la disipación de los rayos infrarrojos, la cual evita el daño y pérdidas en cuanto a sus propiedades nutritivas del producto, generalmente son usados para: frutas, legumbres, hortalizas y otros.

2. SECADORES SOLARES INDIRECTOS Son aquellos secadores en el que la radiación no cae directamente sobre el producto, logrando secar en sombra o en oscuridad. Esta clase de secador requiere de un colector adicional, éste absorbe el calor y luego transmite a la cámara de secado, estos secados son fijos en su estructura, se utiliza para plantas medicinales, hierbas, rocoto, etc.

3. SECADORES SOLARES MIXTOS (Directos e Indirectos) En estos secadores, la acción combinada de la radiación no cae directamente sobre el material que se ha de secar, precalentado en colector solar y se conduce luego a la cámara de secado para deshidratar el producto. 4. SECADORES SOLARES DE MADERA Estos secadores se han puesto en una categoría especial, porque constituyen una importante aplicación de esta tecnología, en la mayoría de los casos se utiliza ventilación forzada, ya que la circulación apropiado del aire ayuda a moderar el ritmo del secado a fin de evitar el endurecimiento superficial. 5. OTROS SECADORES En los sacadores de cámara el material se seca en receptáculo. En los secadores bastidores o de bandejas el material se coloca sobre bastidores de tela metálica o similar. En los secadores híbridos se utilizan potra fuente de energía como ser: un combustible o electricidad, apara suministrar calor o ventilación suplementarios. PARTES DE UN SECADOR

Para secadores solares directo con flujo natural consta:

a. b. c. d.

Colector Bandeja Estructura Cubierta

e. f. g.

Cámara de secado Puertas Entrada y salida de aire

Para Secadores Solares Indirectos con flujo natural:

a. b. c.

Colector Cabina de secado Chimenea

d. e. f.

Estructura Bandejas Soporte

Para Secadores Solares Directos e Indirectos con flujo forzado: Simplemente agregamos:

a. b. c.

Extractor Ducto Controles de aire

IMPORTANCIA DE CONSERVAR LOS ALIMENTOS. La humanidad desde tiempos inmemoriales encontró razones de importancia que lo llevaron a decidir producir y conservar los alimentos que no podía consumir de forma inmediata y completa luego de la cosecha. Quizás algunas de estas razones fueron: • • • • • • •

Porque al prolongar la vida útil se aumenta su disponibilidad y consumo. Porque así se protegen de otras especies que también compiten por su consumo. Porque facilita alimentar de manera variada a amplias poblaciones aún alejadas de los sitios de cultivo en forma simultánea. Porque le ahorran tiempo y esfuerzo al consumidor y a la vez le dan placer y bienestar. Porque es posible aplicar técnicas de conservación que le mantienen su alta calidad sensorial y nutricional a costos razonables. Porque permite estabilizar el suministro y los precios de los diferentes vegetales estacionales. Porque permite disponer en cualquier lugar y en cualquier momento de cantidades suficientes de los alimentos sometidos a conservación.

CONSECUENCIAS DE LA DESHIDRATACIÓN DE ALIMENTOS Por lo general la deshidratación produce cambios físicos, químicos y sensoriales en los alimentos. Entre los cambios físicos están el encogimiento, endurecimiento y la termoplasticidad. Los cambios químicos contribuyen a la calidad final, tanto de los productos deshidratados como de sus equivalentes reconstituidos, por lo referente al color, sabor, textura, viscosidad, velocidad de reconstitución, valor nutritivo y estabilidad en el almacenamiento. Con frecuencia estos cambios ocurren solo en determinados productos, pero algunos de los principales tienen lugar en casi todos los alimentos sometidos a deshidratación, y el grado en que ocurren depende de la composición del alimento y la severidad del método de secado. El oscurecimiento también puede deberse a reacciones no enzimáticas. Estas se aceleran cuando los alimentos se someten a altas temperaturas y el alimento posee elevada concentración de grupos reactivos y el secado alcanza niveles del 15 a 20%. Cuando se superan los niveles de deshidratación como el 2% los cambios en el color son menos intensos. Otra consecuencia de la deshidratación de alimentos es la dificultad en la rehidratación. Las causas son de origen físico y químico, teniendo en cuenta por una parte el encogimiento y la distorsión de las células y los capilares y por otra, la desnaturalización de las proteínas ocasionada por el calor y la concentración de sales. En estas condiciones estas proteínas de las paredes celulares no podrán absorber tan fácil de nuevo el agua, perdiendo así la turgencia y alterando la textura que caracteriza a un determinado alimento. El punto crítico es que el material biológico que son los alimentos nunca es completamente homogéneo y tiende a comportarse de manera diferente debido a que es diferente su composición inicial, cantidad y características del agua que posee; los patrones de encogimiento, migración de solutos y más importante, que cambian sus propiedades a lo largo de la operación de secado. Por todo lo anterior es definitivo combinar unas buenas condiciones de proceso, equipos adecuados y experiencia con los productos a deshidratar. Es de la máxima importancia conservar secos los productos deshidratados, pues la presencia de un mínimo de humedad

puede ser suficiente para iniciar el proceso de enmohecimiento, y, en consecuencia, arruinar nuestro trabajo. El método de trabajo es casi siempre el mismo, y es muy sencillo, y todos hemos comprobado en diferentes ocasiones la rapidez con que el calor y el aire seco actúan sobre los alimentos.

COMPOSICIÓN DEL TOMATE De acuerdo con las investigaciones más recientes, las nuevas características del tomate, mencionan que este fruto contiene de 93 a 95% de agua y de 5 a 7% de sólidos solubles con un rango del pH, que va de 4,21 a 4,59. Entre sus componentes destacan la vitamina A, la vitamina C, el potasio, la glucosa, la fructuosa, las proteínas, los ácidos, los lípidos y los antioxidantes. Al realizar un análisis de su composición, podemos imaginarnos la gran importancia que tiene el contenido de agua en el fruto, la cual influye de manera determinante tanto en la composición de las células, como en la firmeza y la vida de anaquel del fruto. El tomate encierra en sus rojas carnes todos los nutrientes esenciales. Es también un auténtico fármaco de huerta carente de efectos secundarios y riesgo de sobredosis que ayuda al organismo en muchas de sus funciones vitales. Vitaminas. Es rico en vitaminas C y A (carotenoides), lo que le convierte en un protector de lujo frente a los primeros rayos del sol. Además, contiene vitaminas del grupo B, K y PP. Minerales. El tomate también atesora una buena colección de minerales, en especial hierro, fósforo, calcio, manganeso, magnesio, cobre, potasio, zinc y sodio. Antioxidantes. Otro de sus atributos son los carotenoides no provitamínicos, como el licopeno. Esta sustancia, responsable de su peculiar color, tiene propiedades antioxidantes y protege frente a numerosos tipos de cáncer (estómago, vejiga, pulmón, próstata, colon, mama, esófago, páncreas...). Además, el licopeno previene la arterioesclerosis.

Depurativos. La presencia del glutatión, un tripéptido compuesto de glicina, cisteína y ácido glutámico, le confiere un poder antioxidante intracelular. Este ingrediente favorece también la depuración de productos tóxicos e impide la acumulación de metales pesados, como el plomo. Bioflavoniodes. Otro de sus componentes estrella son los flavonoides. Se trata de unos pigmentos fenólicos que toman parte en el mantenimiento de la integridad de la pared celular, haciéndola menos frágil y permeable. Composición de un Fruto de Tomate de 135 Gramos Elemento Proteína Grasa Carbohidratos Calcio Fósforo Hierro Potasio Tiamina Riboflavina Niacina Acido ascórbico Vitamina A Energía Agua

Unidad 1 gr Trazas 6 gr. 16 mg 33 mg 0,6 mg 300 mg 0,07 mg 0,05 mg 0,9 mg 28 mg 7,500 unidades 25 k/calorías 94%

Contenido de Vitaminas de un Tomate Maduro Rango de valores por cada 100 grs de pulpa A (beta caroteno 1200 y licopeno) 900 B1 (thiamina) 50 60 B2 (riboflavina) 50 20 B3 (ácido 750 pantoteico) 50 B6 (complejo) 80 110 Ácido nicotínico 700 (niacina) 500 Ácido fólico 6 20 Biotina 1 4 Vitamina C 1500 2300 Vitamina E 40 1200

PH: indica la acidez de la pulpa en base a la concentración de iones de H; de importancia para la transformación industrial.

Acidez total: Relacionada con los niveles de ácido cítrico en el fruto. Acidez volátil: Relación de los elementos que generan el aroma del fruto. Fructuosa y glucosa: Determinan el sabor y el aroma. EVALUACIÓN 1. MATERIA PRIMA. 30 Kg de Tomate maduros de color rojo, firmes y sanos. 2. MATERIALES. -

Cuchillos en buen estado. Bandejas, para poner productos. Pesa, para obtener rendimientos. Baldes o cubetas plásticas. Lejía Deshidratador solar básico. (secador solar tipo cabina y directo) Secador tipo cabina de 6 bandejas. Secador directo de 2 ambientes. Cloro. Agua. Cuchillo. Balanza y pesas.

3. PROCESAMIENTO. 3.1 Recepción, pesado y selección. Se recepcionan los tomates, se pesan para rendimientos industriales y se seleccionan los tomates sanos y de color uniforme. 3.2 Lavado. Con abundante agua potable. 3.3 Eliminación del cáliz y pedúnculo.

Eliminar ambas partes con cuidado de no dañar los tomates. 3.4 Cortado longitudinal o transversalmente. Se cortaron en mitades. 3.5 Inmersión en solución de metabisulfito de sodio. La concentración de la solución es de 1 gramo por litro de agua. Sumergir por 15 a 20 minutos. 3.6 Secado de trozos al sol. Se escurre el exceso de solución y se colocan en bandejas de malla plásticas del secador solar. El periodo de secado es hasta que los trozos sean quebradizos. DATOS OBTENIDOS Primer día (Viernes) Total del producto 30 kilos Temp. Inicial del secador tipo cabina Tiempo de inicio 3:10 p.m

26ºC

Temperatura en el colector 55ºC

33ºC

Segundo día (sábado) 31ºC Hora: 12:00 Peso 1era bandeja 3.745 kg. No presentó problema alguno Cuarto día (lunes) Hora: 10:00 a.m. 2da 3ra 4ta bandeja bandeja bandeja 2.720 2.887 3.175 Observaciones: Secador tipo cabina

5ta bandeja 2.752

6ta bandeja 2.858

o Por la mañana se sacó del secador las 2 primera bandejas estas fueron colocados en el secador directo. o Los tomates presentaban hongos y mosquitos. Esto se debió al exceso del producto y a la saturación del aire. o Se trato de mantener una temperatura constante o hacer que circule el aire durante la noche, para esto colocamos un foco de 150 W (5 – 8 p.m) Secador directo o Por la tarde algunos tomates estaban quemados. Esto se debió a que el plástico que cubría el producto no era el indicado. o Se cambió el plástico transparente por un plástico opaco. Quinto día (martes) Hora: 11:30 a.m. Secador directo 1ra bandeja (sellado por los contornos) 1.142 Kg Secador tipo cabina

2da bandeja (cerrado con una tapa) 1.465 Kg

6ta bandeja 1.725 gr

Observaciones: Secador tipo cabina o Al parecer el foco que habíamos colocado no producía el calor necesario para que circule el aire. o La luz atraía más a los mosquitos. o Durante el día la presencia de mosquitos desaparece. Secador directo o No ha presentado problema alguno ya sea hongos, mosquitos ni quemaduras del producto. o La primera bandeja ha sido cubierto totalmente con plástico. Y la segunda bandeja ha sido tapado con una tapa forrado con plástico. o En la primera bandeja el proceso de secado se ha llevado con mayor rapidez, esto lo podemos apreciar en el peso del producto. o En la primera bandeja se han formado gotas de agua debido ha que se han cerrado algunas salidas de aire por error.

Sexto día (miércoles) Hora: 12:00 a.m. Secador directo 1ra bandeja (sellado por los contornos) 412 gr Secador tipo cabina

2da bandeja (cerrado con una tapa) 642 gr

6ta bandeja 1.185 gr

Observaciones: Secador tipo cabina o La mayoría del producto se ha ido pudriendo. o Durante la tarde y al siguiente día (6 p.m. hasta 7 a.m.) presenta mosquitos. Secador directo o No ha presentado problema alguno. Sétimo día (jueves) Hora: 12:00 a.m. Secador directo 1ra bandeja (sellado por los contornos) 237 gr Secador tipo cabina

2da bandeja (cerrado con una tapa) 215 gr

6ta bandeja 628 gr

Observaciones: Secador tipo cabina o El producto se ha ido pudriendo. o El proceso de secado ha sido lento Secador directo El proceso de secado ha terminado o Este producto ha secado desde el día viernes a las 12:00 m en el secador tipo cabina siendo llevado al secador directo el día Viernes en el secador tipo cabina y el día lunes ha sido llevado al secador directo, concluyendo su secado en 6 días: 3 días en el secador tipo cabina

3 días en el secador directo Octavo día (viernes) Hora: 12:00 a.m. Secador directo 1ra bandeja (sellado por los contornos) 207 gr Secador tipo cabina

2da bandeja (cerrado con una tapa) 225 gr

6ta bandeja 340 gr 5ta bandeja 469 gr

Observaciones: Secador tipo cabina o La 5ta y 6ta bandeja han sido colocado en el secador directo después de 7 días de secado en el secador tipo cabina. El producto se encuentra un poco seco presenta hongos. Onceavo día (lunes) Las bandejas 6 y5 fueron sacadas del secador presentando un buen secado sin hongos y mosquitos. Doceavo día (martes) Hora: 12:00 a.m. Secador tipo cabina 4ta bandeja 193 gr 3ra bandeja 194 gr Treceavo día (miércoles) Hora: 12:00 a.m. Secador tipo cabina 4ta bandeja 187 gr 3ra bandeja 189 gr Catorceavo día (jueves) Hora: 12:00 a.m. Secador tipo cabina

4ta bandeja 172 gr 3ra bandeja 170 gr

Quinceavo día (viernes) Hora: 12:00 a.m. Secador tipo cabina 4ta bandeja 168 gr 3ra bandeja 164 gr

directo

RECOMENDACIONES -

Utilizar preferentemente los de carne firme. Partirlos a rodajas de 1 cm aproximadamente y dejarlos escurrir.

-

Colocarlos en el interior del secador, sobre una bandeja de secado, y éste expuesto al sol. Controlar diariamente el avance de la desecación y retirar de inmediato cualquier muestra que presente señales de moho o se "pique".

-

Al cabo de pocos días toman un color rojo que indica que están a punto de almacenarlos

-

Mantener la continuidad de temperatura del secado.

-

Mejorar las condiciones de secado mediante una circulación forzada.

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Tratar de que la radiación que llega al colector se constante, ya que en nuestro caso no era así debido a los árboles cercanos al área de trabajo.

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Se recomienda realizar el la toma de tatos por la tarde para evitar pérdidas de calor.

CONCLUSIONES •

Al iniciar este secado se colocaron 6 bandejas, donde cada una de ellas tenía 5kg de tomate. Estas bandejas se han ido sacando y colocando de 2 en 2 en el secado directo, reduciendo así el peso y las bandejas en el secado tipo cabina quedando al final sólo 2 bandejas.



El proceso de secado en el secado tipo cabina ha culminado después de 2 semanas



Y el secado el secador directo ha sido en 1 semana.



En el secador tipo cabina el producto entro en etapa de descomposición durante el secado.



Por experiencia se sabe, que con el cielo nublado, el secado es muy lento. Mientras más fuerte es el sol, mejor funciona el secado.



Otro factor, además del sol, es el viento. Mientras mas seco es el aire, mejor funciona el secado. Como durante mediodía el sol es más fuerte, el aire esta más seco.



El calor solar secará nuestros productos. Si tenemos algo de viento, mayor cantidad de calor se mueve alrededor de los productos y este quita la humedad más rápidamente.

BIBLIOGRAFÍA -

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REINHARD MAYER FALK. Introducción al secado solar técnico de productos agrícolas. La Paz Bolivia 1992 THOMAS REBOHLE. Asesoría sobre la tecnología de alimentos sometidos al secado solar. Informe elaborado en el marco del proyecto de secado solar. Lima, Febrero 1988. II SEMINARIO NACIONAL DE ENERGÍA SOLAR 9-10-11 de Setiembre. La Paz 1992. II SEMINARIO DE SECADO SOLAR. Cusco, 21-24 Abril 1986. INTRODUCCIÓN AL SECADO SOLAR TÉCNICO DE PRODUCTOS AGRÍCOLAS. La paz – Bolivia Agosto -1992. Información Previa para un Estudio de Factibilidad del Secador Técnico, Proyecto de la Cooperación Técnica Peruano – Alemana, Noviembre 1984. Informe Elaborado en el Marco del Proyecto de Secado Solar, Lima Febrero de 1988.

REFERENCIAS -

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