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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA AUTOMATIZACIÓN DE UN PROTOTIPO TIPO EVAPORADOR PARA LA OBTENCIÓN DE CONCENTRADO DE JUGO DE NARANJA TESIS COLECTIVA QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE INGENIERO EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN P R E S E N T A N: DARIO MARQUEZ LUIS ANGEL DE LA FUENTE XOCHITIOTZIN BERNARDO ENCARNACIÓN BARRERA OSCAR DAVID ASESORES: ING. SOTO RAMÍREZ HUMBERTO M. en E. HURTADO RANGEL RICARDO MÉXICO, D.F. NOVIEMBRE DE 2015 Automatización de un evaporador prototipo para la concentración de jugo de naranja. Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Unidad Zacatenco Página I Resumen México cuenta con una gran cantidad de pequeñas y medianas empresas, cada una preocupada por crecer e incrementar sus ventas y presencia de mercado, invertir en el desarrollo de tecnología es un gran paso para estas empresas. En el sector alimentario como en otros se han desarrollado prototipos los cuales son el resultado de experiencias e investigaciones, como lo es el caso del prototipo para la obtención de concentrado de jugo de naranja tipo evaporador. Una gran desventaja de este prototipo funciona de manera manual, es decir existen operadores que trabajan al ritmo de la máquina, con lo cual se producen errores de percepción, un producto no homogéneo en cada producción de lotes y un considerado desgaste físico, de ahí surge la idea de saber que si el prototipo puede ser automatizado. La empresa que desarrollo el prototipo buscó automatizarlo en el departamento de Control y Automatización de la Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Unidad Zacatenco, dando la oportunidad a un grupo de trabajo de desarrollar el proyecto. Inicialmente se realizó una investigación para conocer las variables y condiciones importantes del proceso, también se consultó con los operadores los pasos para la operación del prototipo. Posteriormente se propuso y desarrollo una estrategia de automatización que más se adecuara al proceso. Una vez definida la propuesta de solución se realizó la selección de equipo, dicha selección consideró: Electroválvulas, PLC, sensores de nivel, transmisores de presión y temperatura, estos elementos fueron seleccionados de acuerdo a las características que brindan y a las necesidades del prototipo. A la postre se desarrolló la instalación e integración de los equipos, a la par se desarrolló la lógica de funcionamiento del sistema, así como la programación requerida para realizar las operaciones necesarias adecuadamente. También se desarrolló una interfaz gráfica hombre maquina en el software empleado para prototipos LabVIEW, en la cual se puede controlar y monitorear las variables relevantes de proceso. Una vez integrados todos los equipos y terminada la implementación se realizó la primera corrida del sistema con parámetros establecidos anteriormente solo para corroborar la funcionalidad del sistema, como resultado se obtuvo que la lógica de funcionamiento era la adecuada. La automatización busca estandarizar los productos y obtener consistencia en ellos, para constatar que el producto que se obtuvo era el adecuado, se realizó una encuesta a catadores, quienes probaron el producto de cinco lotes, con lo que se verificó que los cinco lotes eran consistentes en sabor, acidez y color. Sin embargo también se propone el uso de un refractografo para tener un resultado analítico de la concentración en grados Brixs del jugo producido. Finalmente se obtuvo como resultado que la propuesta desarrollada tiene la capacidad de producir un jugo consistente, y ahora el operario del prototipo no realiza una actividad física sino más bien una actividad de supervisión o no repetitiva, al mismo tiempo que presenta flexibilidad para realizar un cambio o escalar el prototipo para producciones en mayor cantidad. Automatización de un evaporador prototipo para la concentración de jugo de naranja. Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Unidad Zacatenco Página II Abstrac Mexico has a large number of small and medium enterprises, each concerned with growth and increase sales and market presence, investing in technology development is a big step for these companies. In the food sector and in other prototypes have been developed which are the result of experience and research, as is the case of the prototype to obtain concentrated orange juice type evaporator. A great disadvantage of this prototype works manually, and there are operators working pace of the machine, which misperception, an inhomogeneous product in each batch production and considered physical wear occurs, there arises the idea of knowing that if the prototype can be automated. The company that developed the prototype automate sought in the Departamento de Control y Automatización de la Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Unidad Zacatenco, giving the opportunity for a working group to develop the project. Initially an investigation to determine the important variables and process conditions was performed, operators were consulted steps for the operation of the prototype. Subsequently proposed and developed a strategy automation more be aligned with the process. Once the proposed solution defined team selection was made, the selection considered: Solenoid, PLC, level sensors, pressure and temperature transmitters, these items were selected according to the characteristics and provide the needs of the prototype. Eventually the installation and integration of equipment, along the logic of the system was developed, as well as the programming required to perform the required operations properly developed. A machine man graphical interface software used for prototyping LabVIEW, which can control and monitor relevant process variables are also developed. Once all equipment and integrated implementation completed the first run of the system was performed with parameters set forth above just to confirm the functionality of the system, as a result it was found that the operating logic was flawed. Automation aims to standardize products and get consistency in them, to make sure the product obtained was right, a survey of tasters, who tested the product of five lots, thereby verifying that the five lots were consistent was performed flavor, acid and color. However, the use of a refractometer to have an analytical result of concentration in degrees Brixs juice produced is also proposed. Finally it resulted that the proposal has developed the ability to produce a consistent juice, and now the operator does not perform the prototype but rather physical activity monitoring activity or non-repeating, while having flexibility for a change or scale the prototype to production in larger quantities Automatización de un evaporador prototipo para la concentración de jugo de naranja. Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Unidad Zacatenco Página III Índice General Resumen…………………………………………………………………………... I Abstrac…………………………………………………………………………….. II Índice general…………………………….….…………………………………..... III Índice de figuras………………………………………….………..……………… VI Índice de tablas…………………………………………………..………………... IX Planteamiento del problema…………………………………………..................... XI Hipótesis…………………………………………………………………………... XII Objetivo general…………………………………………………………............... XIII Objetivos particulares……………………………………………………………... XIV Justificación……………………………………………………………………….. XV Alcance…………………………………………………………………………..... XVI Metodología……………………………………..………………………………… XVII Introducción……………………………………………………………………….. XVIII CAPÍTULO I Marco Teórico ............................................................................................ 1 1.1 Sistemas de producción de jugo de naranja .......................................................2 1.1.1 Flujo del proceso productivo y escalas de producción ................................ 2 1.1.2 Flujo del proceso de producción en una escala de pequeña empresa .......... 3 1.2 Manejo del jugo de naranja en la industria ........................................................ 7 1.2.1 Proceso de elaboración ................................................................................ 7 1.2.2 Propiedades y nutrientes del Zumo de naranja ............................................ 7 1.2.3 Métodos para elevar la concentración en el jugo de naranja ....................... 8 1.2.4 Comportamiento del jugo de naranja ante condiciones de vacío ................. 9 1.3 Líquidos Termolábiles ..................................................................................... 11 1.3.1 Manejo de líquidos termolábiles en la industria ........................................ 11 1.4 Evaporadores ................................................................................................... 11 1.4.1 Clasificación de Evaporadores ................................................................... 11 1.4.2 Evaporación a vacío ................................................................................... 16 1.5 Concepto de Automatización ........................................................................... 16 1.5.1 Tipos de Automatización ........................................................................... 17 1.6 Niveles de Automatización .............................................................................. 17 1.7 Control Automático ......................................................................................... 18 1.7.1 Control por retroalimentación .................................................................... 18 1.8 Controlador ...................................................................................................... 19 1.8.1 PLC ............................................................................................................ 20 1.8.2 Interfaz hombre máquina (HMI) ................................................................ 21 1.9 Instrumentación ............................................................................................... 25 Automatización de un evaporador prototipo para la concentración de jugo de naranja. Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Unidad Zacatenco Página IV 1.9.1 Elementos primarios de medición .............................................................. 25 1.9.2 Elementos secundarios de medición .......................................................... 27 1.9.3 Transmisores de Temperatura .................................................................... 27 1.9.4 Transmisores de presión ............................................................................ 28 1.10 Elementos finales de control ............................................................................ 28 1.10.1 Motores Eléctricos ..................................................................................... 28 1.10.2 Tipos de motores ........................................................................................ 29 1.10.3 Motores de corriente continúa ................................................................... 29 1.10.4 Motores de corriente alterna ...................................................................... 29 1.10.5 Motores trifásicos ...................................................................................... 31 1.10.6 Bombas de vacío ........................................................................................ 32 1.10.7 Calentadores eléctricos .............................................................................. 34 1.10.8 Válvulas de control .................................................................................... 34 1.11 Presión como variable de proceso ................................................................... 36 1.11.1 Presión absoluta ......................................................................................... 37 1.11.2 Presión de vacío ......................................................................................... 37 1.12 Temperatura como variable de proceso ........................................................... 37 1.12.1 Termopares ................................................................................................ 38 1.13 El nivel como variable de proceso ............................................................. 39 1.14 Control mediante HMI Labview ................................................................ 39 1.14.1 Comunicación OPC ................................................................................... 40 CAPÍTULO II Proceso actual y problemática ..................................................... 43 2.1 Proceso actual .................................................................................................. 44 2.1.1 Los evaporadores en la producción de concentrado de jugo ..................... 44 2.1.2 Etapas y componentes del prototipo. ......................................................... 45 2.2 Condiciones actuales del producto ................................................................. 48 2.2.1 Consistencia del producto final .................................................................. 48 2.2.2 Aceptación en el mercado .......................................................................... 50 2.3 Problemática del proceso actual ...................................................................... 51 2.3.1 Análisis de la problemática por diagrama de Causa-Efecto ...................... 51 2.3.2 Análisis atreves de la matriz FODA .......................................................... 52 2.4 Solución propuesta ........................................................................................... 53 2.4.1 Tipo de automatización a emplear ............................................................. 53 2.4.2 Propuesta de automatización ..................................................................... 54 Automatización de un evaporador prototipo para la concentración de jugo de naranja. Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Unidad Zacatenco Página V CAPÍTULO III Selección de equipo ............................................................................... 59 3.1 Selección de equipo ......................................................................................... 60 3.1.1 Selección de bomba ................................................................................... 60 3.1.2 Selección de sensor de temperatura ........................................................... 61 3.1.3 Selección de transmisor de presión ............................................................ 63 3.1.4 Selección de electroválvulas ...................................................................... 64 3.1.5 Selección de sensores de nivel ................................................................... 65 3.1.6 Selección de PLC ....................................................................................... 66 3.1.7 Selección de software para HMI ................................................................ 68 CAPÍTULO IV Desarrollo de ingeniería ......................................................................... 69 4.1 Representación tridimensional del prototipo ................................................... 70 4.1.1 Diagrama de tubería e instrumentación ..................................................... 75 4.1.2 Diagrama de estado tiempo ........................................................................ 79 4.2 Integración ....................................................................................................... 80 4.2.1 Construcción e instalación de sensores de nivel ........................................80 4.2.2 Diagramas eléctricos de fuerza y control ................................................... 82 4.2.3 Instalación de electroválvulas .................................................................... 87 4.2.4 Construcción e instalación del tablero de control ...................................... 88 4.2.5 Conexión de los motores eléctricos ........................................................... 90 4.2.6 Sistema de resistencias calefactoras .......................................................... 91 4.2.7 Instalación del termopar ............................................................................. 92 4.2.8 Instalación del transmisor de presión ......................................................... 94 4.2.9 Conexiones del PLC .................................................................................. 96 4.3 Estrategias de control ....................................................................................... 98 4.3.1 Control de Temperatura ............................................................................. 98 4.3.2 Control de Presión ..................................................................................... 99 4.3.3 Control de nivel ......................................................................................... 99 4.4 Desarrollo de programación e interfaz grafica .............................................. 100 4.4.1 Comunicación y Programación en RS Logix 500 ................................... 100 4.4.2 Desarrollo de HMI en LabVIEW ............................................................. 111 CAPÍTULO V Puesta en marcha y ajuste de sistema .................................................... 116 5.1 Puesta en marcha del Sistema. ....................................................................... 117 5.1.1 Pruebas de comunicación. ........................................................................ 117 5.1.2 Pruebas de comunicación entre la HMI y el programa ............................ 118 Automatización de un evaporador prototipo para la concentración de jugo de naranja. Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Unidad Zacatenco Página VI 5.1.3 Monitoreo de las variables de proceso sin insumo alimenticio. .............. 119 5.1.4 Prueba de funcionamiento de la HMI. ..................................................... 120 5.1.5 Prueba de funcionamiento del tablero de control. ................................... 121 5.2 Pruebas y Resultados ..................................................................................... 121 5.2.1 Obtención del Primer lote. ....................................................................... 121 5.2.2 Medición cualitativa del producto obtenido. ........................................... 122 5.3 Ajuste de parámetros de control .................................................................... 124 5.3.1 Obtención de los cinco lotes para su análisis con los parámetros ajustados. 125 5.4 Costos de proyecto ......................................................................................... 127 5.5 Tiempo de operación ..................................................................................... 128 CAPÍTULO VI Conclusiones ........................................................................................ 130 Conclusiones .............................................................................................................. 131 Recomendaciones y trabajos a futuro ........................................................................ 132 Referencias ..................................................................................................................... 133 Glosario .......................................................................................................................... 135 Anexos ........................................................................................................................... 137 A.-Manual de Operación. ............................................................................................... 139 B.-Manual de Mantenimiento ........................................................................................ 149 Índice de figuras Figura 1. 1 Diagrama de flujo de proceso de producción de jugo de naranja .................. 3 Figura 1. 2 Prensa de gusano ............................................................................................. 4 Figura 1. 3 Separador centrífugo ....................................................................................... 5 Figura 1. 4 Evaporador concentrador a vacío .................................................................... 9 Figura 1. 5 Evaporador de tubos horizontales ................................................................. 12 Figura 1. 6 Evaporador de alimentación directa .............................................................. 12 Figura 1. 7 Evaporador de alimentación a contracorriente .............................................. 13 Figura 1. 8 Evaporador de alimentación mixta ................................................................ 13 Figura 1. 9 Evaporador de alimentación en parelelo ....................................................... 14 Figura 1. 10 Evaporador de tubos verticales. ................................................................... 14 Figura 1. 11 Evaporador de cesta ..................................................................................... 15 Figura 1. 12 Clasificación de evaporadores ..................................................................... 15 Figura 1. 13 Lazo Cerrado de Control ............................................................................. 19 Figura 1. 14 PLC Micrologix 1000 .................................................................................. 20 Figura 1. 15 PLC Nano TSX-NANO ............................................................................... 20 Figura 1. 16 PLC Compacto MELSEC ........................................................................... 21 Figura 1. 17 Estructura general del software HMI .......................................................... 22 Figura 1. 18 Estructura general del software HMI .......................................................... 23 Figura 1. 19 Estructura general del software HMI ......................................................... 25 Automatización de un evaporador prototipo para la concentración de jugo de naranja. Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Unidad Zacatenco Página VII Figura 1. 20 Medidor analógico de presión con diafragma ............................................. 26 Figura 1. 21 Sensor magnético y símbolo........................................................................ 27 Figura 1. 22 Transmisor de temperatura .......................................................................... 28 Figura 1. 23 Motor eléctrico WEG .................................................................................. 29 Figura 1. 24 Rotor jaula de ardilla ................................................................................... 30 Figura 1. 25 Motor trifásico inducción tipo jaula de ardilla ............................................ 31 Figura 1. 26 Conexión delta y conexión estrella ............................................................. 31 Figura 1. 27 Bomba de vacío (funcionamiento) .............................................................. 32 Figura 1. 28 Bomba de vacío de pistón oscilante ............................................................ 33 Figura 1. 29 Válvula de Control Típica ........................................................................... 35 Figura 1. 30 Diagrama de presiones ................................................................................ 36 Figura 1. 31 Servidor OPC del software RSLinx ............................................................40 Figura 1. 32 Estructura OPC Server ................................................................................ 42 Figura 2. 1 Operación general de evaporadores .............................................................. 45 Figura 2. 2 Llenado manual de evaporador ..................................................................... 45 Figura 2. 3 Generación de vacío mediante interruptor manual ........................................ 46 Figura 2. 4 Aumento de temperatura de la materia prima ............................................... 47 Figura 2. 5 Extracción manual de concentrado ................................................................ 48 Figura 2. 6 Encuesta consistencia entre degustaciones .................................................... 49 Figura 2. 7 Encuesta variación entre degustaciones ........................................................ 49 Figura 2. 8 Encuesta percepción de origen de degustaciones .......................................... 50 Figura 2. 9 Encuesta percepción de la calidad del producto ............................................ 50 Figura 2. 10 Encuesta adquisición del producto .............................................................. 51 Figura 2. 11 Diagrama de causa y efecto de la problemática del evaporador ................. 52 Figura 2. 122 Análisis de la problemática mediante matriz FODA ................................. 53 Figura 2. 13 Propuesta de automatización de acuerdo a elementos y etapas ................... 57 Figura 2. 14 Propuesta de automatización de acuerdo a su integración .......................... 58 Figura 3. 1 Bomba A.M.P. QB-60 .................................................................................. 60 Figura 3. 2 Termopar tipo K ............................................................................................ 62 Figura 3. 3 Transmisor de presión Cerabar T PMC131 .................................................. 64 Figura 3. 4 Electroválvula para proceso ......................................................................... 65 Figura 3. 5 Diseño de sensor de nivel .............................................................................. 66 Figura 3. 6 Sensor de nivel fabricado ............................................................................. 66 Figura 3. 7 PLC seleccionado ......................................................................................... 67 Figura 3. 8 LabVIEW ...................................................................................................... 68 Figura 4. 1 Representación isométrica del prototipo ....................................................... 70 Figura 4. 2 Ubicación de bomba ...................................................................................... 71 Figura 4. 3 Ubicación de electroválvulas ......................................................................... 71 Figura 4. 4 Ubicación de transmisor ................................................................................ 72 Figura 4. 5 Ubicación de calentadores de resistencia ...................................................... 72 Figura 4. 6 Ubicación de termopar .................................................................................. 73 Figura 4. 7 Ubicación de sensores de nivel ..................................................................... 73 Figura 4. 8 Ubicación de compresor ................................................................................ 74 Figura 4. 9 Ubicación de Tablero de control ................................................................... 74 file:///C:/Users/OSCAR/Desktop/Tesis19FEB.docx%23_Toc412455533 Automatización de un evaporador prototipo para la concentración de jugo de naranja. Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Unidad Zacatenco Página VIII Figura 4. 10 Banco de relevadores-contactores ............................................................... 75 Figura 4. 11 Clemas de conexión ..................................................................................... 75 Figura 4. 12 Diagrama de tubería e instrumentación ....................................................... 76 Figura 4. 13 Diagrama estado – tiempo ........................................................................... 80 Figura 4. 14 Conexión y funcionamiento de un interruptor magnético ........................... 81 Figura 4. 15 Sistema de Flotador ..................................................................................... 81 Figura 4. 16 Sistema de Flotador Instalación Física ........................................................ 82 Figura 4. 17 Diagrama de fuerza 1 Sistema Europeo (Motores y resistencias) ............... 83 Figura 4. 18 Diagrama de fuerza 2 Sistema Europeo (Electroválvulas) ......................... 84 Figura 4. 19 Diagrama de lámparas piloto Sistema Europeo .......................................... 85 Figura 4. 20 Clemas de alimentación ............................................................................... 85 Figura 4. 21 Conexiones físicas de los relevadores ......................................................... 86 Figura 4. 22 Conexiones de los relevadores .................................................................... 86 Figura 4. 23 Clemas de control ........................................................................................ 86 Figura 4. 24 Colocación de Electroválvula SD en la tubería ........................................... 87 Figura 4. 25 Distribución de los elementos en el tablero de operación .......................... 88 Figura 4. 26 Conexiones eléctricas del tablero de operación .......................................... 89 Figura 4. 27a Fotografía del tablero de operación instalado y conectado [Vista Frontal] ......................................................................................................................................... 90 Figura 4. 28 Caja de conexiones de motor trifásico ........................................................ 91 Figura 4. 29 Caja de conexiones del compresor .............................................................. 91 Figura 4. 30 Resistencias calefactoras ............................................................................. 92 Figura 4. 31 Instalación del termopar .............................................................................. 92 Figura 4. 32 Diagrama de AD595 .................................................................................... 93 Figura 4. 33 Conexiones del AD595 ............................................................................... 93 Figura 4. 34 Conexiones físicas del AD595 .................................................................... 94 Figura 4. 35 Instalación del transmisor de presión absoluta ............................................ 94 Figura 4. 36 Conexión del transmisor de presión absoluta .............................................. 95 Figura 4. 37 Conexiones de los relevadores .................................................................... 97 Figura 4. 38 Instalación y conexión del PLC ................................................................... 97 Figura 4. 39 Diagrama de bloques del lazo de control de temperatura ........................... 98 Figura 4. 40 Diagrama de bloques del lazo de control de presión ................................... 99 Figura 4. 41 Diagrama de bloques del lazo de control de nivel ....................................... 99 Figura 4. 42 Asignación de IP ....................................................................................... 100 Figura 4. 43 RSlinx ventana de configuración de drivers .............................................. 101 Figura 4. 44 Configuración de drivers ........................................................................... 102 Figura 4. 45 Asignación de IP .......................................................................................102 Figura 4. 46 Comunicaciones establecidas .................................................................... 103 Figura 4. 47 Asignación de IP a PLC ............................................................................ 100 Figura 4. 48 RsLogix 500, selección de PLC ................................................................ 104 Figura 4. 49 Ambiente de trabajo para programación ................................................... 104 Figura 4. 50 Diagrama GRAFCET ................................................................................ 105 Figura 4. 51 Botones de selección de operación ........................................................... 106 Figura 4. 52 Arranque de operación manual .................................................................. 106 Figura 4. 53 Etapa de llenado ........................................................................................ 106 Figura 4. 54 Programa para la etapa de evaporado ........................................................ 107 Figura 4. 55 Etapa de vaciado ........................................................................................ 108 Automatización de un evaporador prototipo para la concentración de jugo de naranja. Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Unidad Zacatenco Página IX Figura 4. 56 Accionamiento automático ........................................................................ 108 Figura 4. 57 Etapa de llenado automático ..................................................................... 108 Figura 4. 58 Etapa de evaporación automática ............................................................. 109 Figura 4. 59 Etapa de vaciado automático ..................................................................... 110 Figura 4. 60 Salidas y Etapas ........................................................................................ 110 Figura 4. 61 Bosquejo representativo. ........................................................................... 111 Figura 4. 62 Archivo de control en LabVIEW .............................................................. 112 Figura 4. 63 Archivo de control (ambiente de trabajo) .................................................. 112 Figura 4. 64 Archivo de control (elementos a editar) .................................................... 113 Figura 4. 65 Edición de componentes en LabVIEW ..................................................... 113 Figura 4. 66 Edición de componentes ............................................................................ 114 Figura 4. 67 Componente editado .................................................................................. 114 Figura 4. 68 Interfaz Hombre Maquina propuesta ......................................................... 115 Figura 5. 1 Continuidad de las conexiones. ................................................................... 117 Figura 5. 2 Asignación de IP a la PC. ............................................................................ 117 Figura 5. 3 Árbol de comunicación en RSLinx. ............................................................ 118 Figura 5. 4 Selección del OPC. ...................................................................................... 118 Figura 5. 5 Etiqueta en LabVIEW para algún elemento. ............................................... 118 Figura 5. 6 Lectura del termopar. .................................................................................. 119 Figura 5. 7 Señales analógicas en RSLogix 500. ........................................................... 119 Figura 5. 8 Variables en la HMI. ................................................................................... 120 Figura 5. 9 Etapa de llenado. ......................................................................................... 120 Figura 5. 10 Tablero de control ..................................................................................... 121 Figura 5. 11 Parámetros establecidos en la HMI. .......................................................... 122 Figura 5. 12 Funcionamiento del prototipo. .................................................................. 122 Figura 5. 13 Cualidades del producto anterior. .............................................................. 123 Figura 5. 14 Cualidades del producto del primer lote. ................................................... 124 Figura 5. 15 HMI con ajuste de variables. ..................................................................... 124 Figura 5. 16 Prototipo y jugo. ........................................................................................ 125 Figura 5. 17 Cualidades del producto de los 5 lotes. ..................................................... 126 Figura 5. 18 Comparación graficas de las figuras 5.14 y 5.17. ..................................... 126 Índice de tablas Tabla 1. 1 Escalas de Producción ...................................................................................... 2 Tabla 1. 2 Información nutricional del zumo de naranja ................................................... 8 Tabla 1. 3 Pérdidas de ácido ascórbico en vegetales cocidos por diferentes métodos .... 10 Tabla 1. 4 Dispositivos Industriales de medición de temperatura. .................................. 26 Tabla 2. 1 Evaporadores y sus sustancias de trabajo ....................................................... 44 Tabla 2. 2 Ventajas y desventajas de tipos de automatización ........................................ 54 Tabla 3. 1 Selección de bomba centrifuga ....................................................................... 60 Tabla 3. 2 Tipos de termopar y sus características……………………………………61 Tabla 3. 3 Comparación entre transmisores de presión ................................................... 63 Automatización de un evaporador prototipo para la concentración de jugo de naranja. Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Unidad Zacatenco Página X Tabla 3. 4 Comparación entre electroválvulas ................................................................ 64 Tabla 3. 5 Comparación entre sensores de nivel ............................................................. 65 Tabla 3. 6 Comparación de PLC ...................................................................................... 67 Tabla 4. 1 Descripciones de etiquetas y elementos del sistema ....................................... 77 Tabla 4. 2 Lista de entradas ............................................................................................. 96 Tabla 4. 3 Lista de salida ................................................................................................. 96 Tabla 5. 1 Estudio del producto ..................................................................................... 123 Tabla 5. 2 Estudio del producto del primer lote ............................................................ 123 Tabla 5. 3 Estudio del producto obtenido en los 5 lotes ................................................ 125 Tabla 5. 4 Costos de equipos seleccionados .................................................................. 127 Tabla 5. 5 Costos de mano de obra ................................................................................ 127 Tabla 5. 6 Costos secundarios ........................................................................................ 128 Tabla 5. 7 Tiempos de operación ................................................................................... 129 Tabla A. 1 Unidades de presión y sus factores de conversión ....................................... 137 Figura A. 1 Simbología GRAFCET .............................................................................. 137 Figura A. 2 Simbología empleada ISA .......................................................................... 138 Figura A. 3 Simbología Eléctrica Empleada del Sistema Europeo ...............................138 Automatización de un evaporador prototipo para la concentración de jugo de naranja. Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Unidad Zacatenco Página XI Planteamiento del problema México a nivel mundial es uno de los grandes productores de jugo de naranja ya que en el país se cosecha esta fruta en grandes cantidades, por lo cual en los últimos años su producción se ha incrementado a más del doble, esto se puede constatar ya que en el año 2009 la exportación de este producto alcanzó la cantidad de 86.1 millones de litros mientras que en el mismo año la importación logró alcanzar los 3.8 millones de litros. A diferencia de las importaciones, la mayor parte del jugo de naranja que nuestro país exporta es la presentación congelada, en el año 2009 el congelado represento el 85.9% de las exportaciones totales, por lo cual en el mismo año Estados Unidos adquirió el 71.7% de la exportaciones nacionales. La exportación de dicho producto ha tomado gran interés en los productores nacionales, los cuales han comenzado a producir concentrado de jugo de naranja el cual puede ser embazado, congelado, empaquetado etc. Con lo cual se mantiene las propiedades del jugo y se facilita su transporte, dando como resultado la incorporación en nuevos mercados, tomando en cuenta que en la actualidad la sociedad mexicana ha comenzado a migrar de consumir jugo de naranja en fresco a la adquisición de jugos embotellados debido a la practicidad e higiene. La frase popular que dice "no hay como un jugo hecho en casa" empieza a perder vigencia en los consumidores mexicanos con la amplia variedad de jugos envasados y concentrados que se venden en supermercados, tiendas y quioscos. La mayoría de los productores nacionales son pequeñas o medianas empresas las cuales tienen la intención de expandir su mercado a través de la producción de concentrado de jugo de naranja, debido a que este tipo de producto ha comenzado a tener gran aceptación en el extranjero como en la sociedad mexicana, pero al no contar con los recursos económicos necesarios, dichas empresas han comenzado a diseñar y producir su propia tecnología para la obtención de este producto, ya que dicha tecnología opera de forma manual dando como resultado una producción no consistente en tiempos de fabricación y en un producto sin ningún estándar de calidad. Automatización de un evaporador prototipo para la concentración de jugo de naranja. Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Unidad Zacatenco Página XII Hipótesis Con la implementación de la automatización en el prototipo evaporador concentrador a vacío, es posible que tanto el proceso de manufactura, como la calidad del producto sean beneficiados, pudiendo reducir tiempos de producción, aumentando la cantidad de producción y en dado caso poder obtener un producto homogéneo, es posible que la intervención humana se vea drásticamente reducida. Automatización de un evaporador prototipo para la concentración de jugo de naranja. Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Unidad Zacatenco Página XIII Objetivo general Automatizar un prototipo evaporador de vacío, para la obtención de concentrado de jugo de naranja, proponiendo la integración de las estrategias y elementos necesarios para la manipulación de temperatura, flujo y presión, así como el desarrollo de un HMI para la gestión y elaboración de un producto homogéneo. Automatización de un evaporador prototipo para la concentración de jugo de naranja. Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Unidad Zacatenco Página XIV Objetivos particulares 1. Seleccionar los elementos necesarios para la automatización y control de las variables de proceso, de acuerdo a los parámetros de operación. 2. Implementar la estrategia de automatización que más se adecue al proceso. 3. Manipular y monitorear el proceso a través de una HMI. 4. Eficientar los tiempos de fabricación del producto. 5. Minimizar la participación o intervención humana en el proceso de elaboración del concentrado. 6. Estandarizar la consistencia del producto en todos los lotes de producción con parámetros semejantes. Automatización de un evaporador prototipo para la concentración de jugo de naranja. Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Unidad Zacatenco Página XV Justificación Debido a la gran competencia del mercado en producción de concentrados de jugos las empresas han optado por diseñar sus tecnologías de obtención del producto; para aumentar la producción, disminuir los costos y así poder verse beneficiadas en el ámbito económico, ya que mediante estudios pertinentes realizados por las mismas empresas han comprobado que la construcción de estos equipos es mucho más barato que la adquisición de uno comercial debido a la innovación que estos presentan en el ámbito mencionado. Entonces es necesario ofrecer un producto de calidad para incursionar en el mercado, para ello se pretende automatizar este proceso existente con el fin de que sea más sencillo para el hombre, ya que actualmente es operado de forma manual y el producto final presenta desvíos en sus características. Además que los costos para la implementación serán severamente inferiores a los necesarios para adquirir un producto del mercado con funciones y características semejantes. Esto impactara directamente en la manufactura y los ingresos económicos, ya que la producción aumentara utilizando menos recursos humanos lo cual beneficiara a los trabajadores no exponiéndolos al peligro tomando en cuenta que al mismo tiempo se proporcionara al consumidor un producto de buena calidad para satisfacer su necesidad. Automatización de un evaporador prototipo para la concentración de jugo de naranja. Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Unidad Zacatenco Página XVI Alcance En el presente trabajo se pretende mejorar la forma de operar de un prototipo evaporador concentrador a vacío utilizado por una fábrica para la obtención de concentrado de jugo de naranja, identificando los recursos tecnológicos necesarios para la implementación. De igual forma se identificaran los aumentos en la producción y calidad del producto al concluir el trabajo. Para el desarrollo de esta propuesta de implementación existe un prototipo diseñado por una empresa, en el cual se tendrán que identificar los elementos y estrategias para que su operación sea de forma autónoma, es decir hacerlo más sencillo para el hombre además de realizar un producto homogéneo. Este trabajo pretende generar cambios notorios en dos importantes ámbitos, el primero en la manufactura y el segundo en la calidad del producto. La manufactura se verá afectada de forma positiva en lo posible reflejando las ventajas de integrar las herramientas seleccionadas mediante una comparativa (antes-después) de tiempos de producción, cantidad producida, etc. y la calidad del producto mejorara con respecto a la que hoy día se tiene ya que se han registrado desvíos en las características del producto final es decir no presenta homogeneidad en su fabricación. Cabe mencionar que el trabajo solo se enfocara en el prototipo propuesto y si en un futuro se quisiera llevar a un plano más complejo y de mayor envergadura se tendría que hacer los estudios pertinentes para ver su viabilidad en esos términos.Automatización de un evaporador prototipo para la concentración de jugo de naranja. Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Unidad Zacatenco Página XVII Metodología El propósito del trabajo de tesis es llegar a la formulación técnica y al desarrollo de una nueva forma de operar de un prototipo utilizado para la obtención de concentrado de jugo tipo evaporador. Considerando las características de operación anteriores en este proceso los métodos empíricos, estadísticos y teóricos desempeñan un papel importante en la investigación de la solución. Los métodos empíricos permitieron la obtención de datos de los hechos fundamentales que caracterizan al proceso esto mediante la observación, medición y experimentación, llevado a cabo por el personal encargado del proceso. Además para el análisis la metodología más apropiada y conducente consiste en la aplicación de una estrategia de estudio de carácter cualitativo, basada en la realización de encuestas y test a los consumidores del producto. Los resultados nos auxiliaran a sustentar la propuesta en datos concretos que provendrán de las respuestas obtenidas; mismas que a su vez nos permitirán analizar variables indispensables para identificar las percepciones, inquietudes y preferencias de los consumidores sobre el producto. Finalmente el análisis de los datos que surjan a partir de la aplicación del estudio y las conclusiones que resulten de este proceso establecerán el fundamento a partir del cual podremos tener la certeza de que si se llegara a materializar la realización y producción que estamos planteando, para la solución del problema, sería un respuesta exitoso puesto que respondería a las expectativas y los gustos de su audiencia objetiva. Es decir se identificaría el principal problema a solucionar, el cual sería el que tenga mayor repercusión ya que si se soluciona este estaremos encontrando la respuesta a gran parte de la inquietud, esto mediante algunos métodos teóricos que nos permitirán la construcción y desarrollo de la teoría científica, en el enfoque general para abordar los problemas de la ciencia. En los métodos teóricos, el análisis nos permitió descomponer en diversas partes el proceso para así poderlo abordar desde diferentes aspectos para después realizar la síntesis, es decir la unión entre partes, para así dar origen a una hipótesis mediante la deducción. Automatización de un evaporador prototipo para la concentración de jugo de naranja. Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Unidad Zacatenco Página XVIII Introducción La presente tesis es un trabajo que tiene por objetivo automatizar un prototipo para producción de concentrado de jugo tipo evaporador, el cual ha sido operado de forma manual durante algunos años. La preocupación por mejorar la producción en cuestiones de calidad y tiempo de la misma, nos obliga a reflexionar acerca de la enseñanza del área Físico – Matemático para hacer uso estas en la realización del trabajo. Los datos se obtuvieron de: el prototipo y de los conocimientos empíricos de los operadores. Desafortunadamente, las investigaciones que existen al respecto son poco difundidas y no permean la práctica. Por ello este trabajo trata de proponer una nueva forma de producción, bajo una línea mejorada, donde el producto final y el proceso de producción se optimicen de forma positiva con respecto a las características que se tenían en este proceso antes de la elaboración de este trabajo. En el nuevo contexto de producción, la automatización ha pasado a formar una materia prioritaria para dicho sector debido a las demandas de los diferentes productos, esto relacionado con el aumento de calidad y productividad al hacer uso de esta materia en los últimos años. Por ello, los objetivos que se persiguen con este trabajo son: Mejorar la forma de producción. Aumentar la calidad del producto. Obtener un proceso seguro. Este trabajo presenta los siguientes capítulos: En el capítulo I se abordan los aspectos teóricos relacionados a las bases de la automatización, es decir desde lo elementos primarios hasta la HMI; así como los sistemas de producción de jugo de naranja, tipos de evaporadores y las variables involucradas en el proceso. En el capítulo II se abordan los aspectos del proceso actual, es decir la descripción del mismo así como la problemática que presenta. En el capítulo III se presenta la selección de equipo a usarse debido a los parámetros que presentan el proceso, es decir desde los elementos primarios hasta los software a ser empleados en su automatización del proceso. En el capítulo IV se aborda el desarrollo de ingeniería básica y de detalle, mostrando el diagrama de tubería e instrumentación del proceso, así como la metodología empleada para la elaboración de la programación y de la HMI. Asimismo la instalación de todos los dispositivos a emplear con sus respectivas estrategias de control. En el capítulo V que es el penúltimo de esta tesis se puede ver los resultados obtenidos del trabajo mediante la puesta en marcha del prototipo, ya con la automatización implementada en el mismo y los ajustes de los parámetros definidos, así mismo la evaluación de los productos obtenidos mediantes sus características cualitativas. En el capítulo VI finalmente se dan las conclusiones del trabajo así como algunas recomendaciones aplicables a este trabajo en un futuro. Automatización de un evaporador prototipo para la concentración de jugo de naranja. Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Unidad Zacatenco Página 1 CAPÍTULO I Marco Teórico En el presente capitulo se abordan conceptos relacionados con la producción de concentrado de jugo de naranja así como de los elementos necesarios para desarrollar una propuesta de automatización para el sistema artesanal. Automatización de un evaporador prototipo para la concentración de jugo de naranja. Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Unidad Zacatenco Página 2 1.1 Sistemas de producción de jugo de naranja La producción de concentrado de pulpa es un proceso empleado por empresas líderes de mercado como Grupo Jumex, Grupo Herdez, Jugos Del Vale, TetraPack entre otros cuentan con un sistema de producción de gran capacidad, podemos encontrar cantidad de procesos como numero de fabricantes existen, sin embargo cada empresa sigue una línea para la producción del concentrado. La Secretaria de Economía a través del Instituto Nacional del Emprendedor pública en su portal Guías Empresariales procesos de producción que están estandarizados para pequeñas y medianas empresas, a continuación se menciona el flujo proceso tomado del portal para la producción de jugo de naranja. 1.1.1 Flujo del proceso productivo y escalas de producción La elaboración de jugos es similar para las diferentes variedades de frutas y verduras ya que los procesos productivos tienen las mismas características comunes. Así mismo se pueden obtener subproductos de las cáscaras, pulpas, huesos, como son: aceites, forrajes y esencias [1]. Las escalas posibles de producción que se pueden se muestran en la tabla 1.1. Tabla 1. 1 Escalas de Producción Escala (rango de producción) Microempresa/artesanal De 20 a 500 Litros / Día Pequeña empresa De 500 a 3,000 Litros / Día Mediana empresa De 3,000 a 10,000 Litros / Día Gran empresa Más de 10,000 Litros / Día En cuanto al grado de actualización tecnológica se destaca lo siguiente: Microempresa/artesanal: Se puede considerar a un puesto de jugos ubicado en la calle como una Microempresa, aunque su volumen de producción es muy reducido y sin tecnología. Pequeña empresa: En este tipo de industrias y con la tecnología modernase aprovecha casi la totalidad de la naranja obteniéndose subproductos derivados de huesos, cáscaras y pulpa, los cuales tienen usos como los siguientes [1]: - El bagazo y la pulpa seca se utiliza como alimento para ganado. - La pectina es un producto valioso en la industria alimenticia principalmente para preparar jaleas. Automatización de un evaporador prototipo para la concentración de jugo de naranja. Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Unidad Zacatenco Página 3 - Aceite, se utiliza en la industria de aromas y sabores mediante un proceso de refinación para producir aceite esencial; se utiliza en la industria perfumera y en menor escala en la medicinal. 1.1.2 Flujo del proceso de producción en una escala de pequeña empresa El proceso desde la recepción y almacenamiento de materia prima, incluyendo la inspección de contenidos y el control de calidad, hasta llegar por el transporte al almacenaje y almacenaje del producto terminado, se muestra en el diagrama de flujo de la figura 1.1. Figura 1. 1 Diagrama de flujo de proceso de producción de jugo de naranja 1.- Recepcion y almacenamiento de materia prima 2.- Inspeccion y transporte al area de lavado 3.- Lavado 4.- Cepillado 5.- Transporte al área de extracción 6.- Extracción7.- Refinado 8.- Clasificación 9.- Inspección de contenidos 10.- Corrección 11.- Transporte al sistema de Desaireación 12.- Desaireación 13.- Envasado 14.- Transporte al area de esterilización 15.- Esterilización 16.- Transporte al area de enfriamiento 17.- Enfriamiento 18.- Transporte al area de etiquetado y empaque 19.Etiquetado y empaque 20.-Transporte al almacen de producto terminado 21.- Almacenaje de producto terminado Automatización de un evaporador prototipo para la concentración de jugo de naranja. Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Unidad Zacatenco Página 4 1. Recepción y almacenamiento de materia prima.- Por lo general la naranja es transportada a granel (su consistencia lo permite). Hay que evitar golpear las naranjas ya que fácilmente se estropearían por la zona del golpe si estuviesen almacenadas algunos días. El almacenamiento de la naranja deber hacerse en un lugar fresco de humedad media, de forma que no gravite mucho peso sobre el fruto. 2. Inspección y transporte al área de lavado.- Transporte de la naranja al área de lavado mediante una banda transportadora. Durante el recorrido de la fruta por la banda transportadora se realiza una inspección visual, desechando las naranjas que no llenan los requisitos para su industrialización (que estén sobre maduras, golpeadas o que tengan algún otro defecto). 3. Lavado.- La banda lleva a la naranja a la primera operación de lavado, a un tanque con agua que está recibiendo chorros de agua a presión desde diferentes ángulos. Este lavado es importante para eliminar agentes extraños y otros de microorganismos. 4. Cepillado.- Un transportador pasa la fruta a la segunda sección de lavado, donde se pasa sobre un tren de cepillos con regadera de agua sobre ellos, con el objeto de terminar la limpieza de la superficie de la fruta. 5. Transporte al área de extracción.- Transporte de la naranja al área de exprimido mediante un transportador helicoidal. 6. Extracción.- La naranja es llevada a unos extractores (figura 1.2) o prensas de gusano helicoidal en forma de conos de bronce con paredes perforadas por donde escurre el jugo. Al ir disminuyendo el volumen de cono, la fruta va siendo comprimida, aplastándola completamente para obligar a romper las celdillas que contienen el jugo de la naranja, la cáscara, hueso y la pulpa salen por el diámetro reducido del cono, pasando a un extractor el cual separa el aceite contenido en ellas. Figura 1. 2 Prensa de gusano Foto tomada del Instituto Nacional del Emprendedor, Secretaria de Economía [1] Automatización de un evaporador prototipo para la concentración de jugo de naranja. Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Unidad Zacatenco Página 5 El aceite es de los subproductos más importantes por lo que debe separarse de las partículas sólidas, que contaminan dicho producto, para esto se utiliza una máquina separadora centrífuga. Los aceites esenciales, la pulpa y las cáscaras se utilizan para fabricar esencias, mermeladas y alimento para ganado. Figura 1. 3 Separador centrífugo Foto tomada del Instituto Nacional del Emprendedor, Secretaria de Economía [1] 7. Refinado.- El jugo obtenido en el extractor se bombea hacia un refinador donde se separa el bagacillo y la semilla que pudo haber arrastrado el jugo. La refinación se puede realizar con una máquina tamizadora. 8. Clasificación.- El jugo refinado es impulsado por una bomba hacia un clasificador con el fin de retirar sedimentos finos que no pudieran haber sido separados con anterioridad, los cuales ocasionarían incrustaciones en el equipo posterior. 9. Inspección de contenidos y control de calidad.- En esta actividad se verifican los contenidos de azúcar y ácidos del jugo. 10. Ajuste o corrección.- El jugo clasificado es impulsado por medio de una bomba al interior de unos tanques de corrección que se utilizan para regular las variaciones de azúcar y ácidos contenidas en el jugo así como para mezclar los conservadores requeridos, siendo los más usuales entre otros benzoato de sodio, sulfito y bisulfito de sodio, así como anhídrido sulfuroso. 11. Transporte al sistema de desaireación.- Se transporta por medio de una bomba y a través de un enfriador. Automatización de un evaporador prototipo para la concentración de jugo de naranja. Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Unidad Zacatenco Página 6 12. Enfriador y desaireación.- El objeto de que el jugo pase a través de un enfriador es para alimentar dicho jugo al sistema desaireador a una temperatura adecuada. Debido a que todos los jugos extraídos contienen considerables cantidades de aire (el oxígeno del cual reacciona particularmente con el ácido ascórbico del jugo) lo que resulta en una pérdida de vitamina C y en cambios indeseables en el sabor y color. La desaireación significa la extracción más efectiva del aire y demás gases contenidos en los jugos. Esta es una operación muy importante cuando los jugos deben someterse a tratamientos térmicos como la pasteurización, ya que la combinación de aire y calor constituye la condición más adecuada y favorable para la oxidación de los jugos. El mejor método de desaireación es la llevada al vacío, es decir el jugo es admitido en forma de una película dentro de una cámara en la que reina un alto vacío. El jugo frío entra en el desaireador mediante el vacío en la cámara creado y mantenido por una bomba de alto vacío. 13. Envase.- Inmediatamente después del proceso de deareación el producto es envasado automáticamente mediante una máquina envasadora conectada al deareador. Posteriormente se cierra el envase. 14. Transporte al área de pasteurización.- Transporte del producto al proceso de pasteurización. 15. Pasteurización.- La pasteurización se realiza por medio de un autoclave donde es introducido el producto. La pasteurización se realiza a altas temperaturas en corto tiempo, estas temperaturas inactivan las enzimas y retienen su acción aún en los tiempos más cortos de residencia. 16. Transporte al área de enfriamiento.- El producto se transporta al área de enfriado por medio de una banda transportadora. 17. Enfriado.- El producto es llevado al área de enfriado para que éste baje su temperatura a temperatura ambiente para facilitar su manejo y empaque final. El enfriado se realiza rociándole agua al producto o sumergiéndolo en ella. 18. Transporte al área de etiquetado y empaquetado.- El producto se transporta por medio de un montacargas, al área de etiquetadoy empaquetado. 19. Etiquetado y empaquetado.- En esta área el producto es etiquetado (por medio de una etiquetadora) y empacado en cajas de cartón. 20. Transporte al almacén o producto terminado.- El producto final se transporta por medio de diablos o montacargas al almacén de producto terminado. 21. Almacenaje del producto terminado.- En este punto el producto terminado es almacenado quedando listo para su distribución. Automatización de un evaporador prototipo para la concentración de jugo de naranja. Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Unidad Zacatenco Página 7 1.2 Manejo del jugo de naranja en la industria LA NORMA OFICIAL MEXICANA NOM-120-SSA1-1994, BIENES Y SERVICIOS. PRÁCTICAS DE HIGIENE Y SANIDAD PARA EL PROCESO DE ALIMENTOS, BEBIDAS NO ALCOHÓLICAS Y ALCOHÓLICAS. Se habla sobre las especificaciones y las medidas a tomar para con los productos alimenticios, en la sección 10.2 se tiene: 1.2.1 Proceso de elaboración En la elaboración de productos se debe tener en cuenta las siguientes consideraciones [2]: Seguir los procedimientos dados en los manuales de proceso como son: orden de adición de componentes, tiempos de mezclado, agitación y otros parámetros de proceso y registrar su realización en bitácoras. Las áreas de fabricación deben estar limpias y libres de materiales extraños al proceso. Durante la fabricación de productos, se debe cuidar que la limpieza realizada no genere polvo ni salpicaduras de agua que puedan contaminar los productos. Todas las materias primas o productos en proceso, que se encuentren en tambores y cuñetes deben estar tapados y las bolsas mantenerse cerradas, para evitar su posible contaminación por el ambiente. Se debe evitar la contaminación con materiales extraños (polvo, agua, grasas, etc.), que vengan adheridos a los empaques de los insumos que entran a las áreas de producción. Todos los insumos, en cualquier operación del proceso, deben estar identificados. No deben depositarse ropa ni objetos personales en las áreas de producción. En el proceso se debe asegurar que los equipos que tienen partes lubricadas no contaminen el producto en las diferentes etapas de elaboración. Todas las operaciones del proceso de producción, incluso el envasado, se deben realizar en condiciones sanitarias que eliminen toda posibilidad de contaminación. Los métodos de conservación deben ser adecuados al tipo de producto y materia prima que manejen; los controles necesarios deben ser tales, que protejan contra la contaminación o la aparición de un riesgo para la salud pública. Registros de elaboración o producción. De cada lote debe llevarse un registro continuo, legible y con la fecha de los detalles pertinentes de elaboración. Estos registros deben conservarse por lo menos durante el tiempo que se indique como vida de anaquel. 1.2.2 Propiedades y nutrientes del Zumo de naranja El zumo de naranja fresco tiene un sabor frutal y ácido. Contiene gran cantidad de vitamina C (ácido ascórbico). Algunas fábricas añaden ácido cítrico o ácido ascórbico a sus productos, además de otros nutrientes como el calcio y la vitamina D. El Automatización de un evaporador prototipo para la concentración de jugo de naranja. Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Unidad Zacatenco Página 8 zumo de naranja parece más nutritivo que las versiones sin pulpa debido a la existencia de flavonoides que existen en la pulpa [3]. Este alimento, pertenece al grupo de los zumos naturales de frutas. A continuación se muestra información sobre las características nutricionales, propiedades y beneficios que aporta el zumo de naranja al organismo, así como la cantidad de cada uno de sus principales nutrientes. Se asocia el zumo de naranja con la buena salud, debido a que el zumo de la naranja tiene fama de ser un alimento imprescindible que debe incluir un desayuno saludable. Nutrientes del zumo de naranja El zumo de naranja se encuentra entre los alimentos bajos en sodio ya que 100 g. de este alimento contienen tan solo 1 mg. Entre las propiedades nutricionales del zumo de naranja cabe destacar que tiene los siguientes nutrientes: 0,15 mg. de hierro, 0,69 g. de proteínas, 10,78 mg. de calcio, 0,70 g. de fibra, 143 mg. de potasio, 1 mg. de yodo, 0,11 mg. de zinc, 9,40 g. de carbohidratos, 10,89 mg. de magnesio, 2,58 ug. de vitamina A, 0,07 mg. de vitamina B1, 0,02 mg. de vitamina B2, 0,27 mg. de vitamina B3, 0,23 ug. de vitamina B5, 0,05 mg. de vitamina B6, 1 ug. de vitamina B7, 18,63 ug. de vitamina B9, 0 ug. de vitamina B12, 39 mg. de vitamina C, 0 ug. de vitamina D, 0,25 mg. de vitamina E, 0,10 ug. de vitamina K, 15 mg. de fósforo, 43,56 kcal. de calorías, 0 mg. de colesterol, 0,20 g. de grasa, 9,40 g. de azúcar y 0 mg. de purinas [4]. Debido a que tiene un bajo nivel de sodio, el tomar el zumo de naranja es beneficioso para quienes padecen hipertensión o tienen exceso de colesterol. Tabla 1. 2 Información nutricional del zumo de naranja Nutrientes Cantidad Calorías 43,56 kcal. Grasa 0,20 g. Colesterol 0 mg. Sodio 1 mg. Carbohidratos 9,40 g. Fibra 0,70 g. Azúcares 9,40 g. Proteínas 0,69 g. Vitamina A 2,58 ug. Vitamina C 39 mg. Vitamina B12 0 ug. Calcio 10,78 mg. Hierro 0,15 mg. Vitamina B3 0,27 mg. La cantidad de los nutrientes que se muestra en la tabla 1.2, corresponde a 100 gramos de este zumo [4]. 1.2.3 Métodos para elevar la concentración en el jugo de naranja Par a la concentración de jugo de naranja existen procesos como número de proveedores o empresas dedicadas a la producción de concentrado existan, sin embargo se encontró una empresa dedicada a la manufactura de maquinaria para procesos generales como lo es la concentración de líquidos. Automatización de un evaporador prototipo para la concentración de jugo de naranja. Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Unidad Zacatenco Página 9 En Maquinaria JERSA se desarrollan soluciones de Maquinaria para la Industria de Alimentos, Farmacéutica, Química, Home, Cuidado Personal entre Otras, desde equipos hechos a la medida hasta líneas completas de proceso [14]. Maquinaria JERSA dentro de sus productos ofrece un Evaporador a Vacío Modelo CVF-30 (Figura 1.4), el cual concentra productos líquidos o semilíquidos tales como pulpa de fruta, néctares, mermeladas, jarabes, salsas y hasta leche, por medio de una marmita enchaquetada de calentamiento a vapor, y columna de condensación con bomba a vacío. Figura 1. 4 Evaporador concentrador a vacío Imagen tomada de la página oficial Maquinaria JERSA [14] Esto queda como precedente ya que en la industria existe un equipo capaz de realizar una función similar a las del prototipo a automatizar en este trabajo. 1.2.4 Comportamiento del jugo de naranja ante condiciones de vacío Uno de los componentes principales del zumo de naranja como se aclaró en el punto 1.2.2 es la vitamina C, la cual es buscada ya que es requerida para un cierto número de reacciones metabólicas en los seres vivos, además en todos los animales y plantas y es creada internamente por casi todos los organismos, siendo los humanos una notable http://es.wikipedia.org/wiki/Metabolismo Automatización de un evaporador prototipo para la concentración de jugo de naranja. Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Unidad Zacatenco Página 10 excepción, de ahí la necesidad del consumo del zumo de naranja, para así tener una fuente de Vitamina C. Aunque está demostrado que la Vitamina C aporta grandes beneficios al cuerpo humano también es sabido que ayuda al desarrollo de dientes y encías, huesos, cartílagos, a la absorción del hierro, al crecimiento y reparación del tejido conectivo normal (piel más suave, por la unión de las células que necesitan esta vitamina para unirse), también resulta esta vitaminaun factor potenciador para el sistema inmune aunque algunos estudios ponen en duda esta última actividad de la vitamina C[15]. La vitamina C es esencial para el desarrollo y mantenimiento del organismo, por lo que su consumo es obligatorio para mantener una buena salud sin embargo es sabido que esta vitamina C es la más sensible de las vitaminas, es lábil en presencia de humedad y oxígeno, pH, agentes oxidantes, temperatura y presencia de iones metálicos especialmente cobre y hierro. La vitamina C es soluble en agua, se pierde fácilmente en procesos húmedos. Sin embargo, en alimentos procesados las pérdidas más significativas son debido a degradación química. En relación a la cocción, se observa en la Tabla 1.3 como influyen en forma combinada factores como la cantidad de agua y el tiempo de cocción en la retención neta de ácido ascórbico, debido a la alta sensibilidad del ácido ascórbico generalmente se utilizan las variaciones en su contenido como un índice de evaluación de estabilidad de vitaminas [16]. Tabla 1. 3 Pérdidas de ácido ascórbico en vegetales cocidos por diferentes métodos Tabla tomada de Perdidas de vitaminas durante el procesamiento de los alimentos” Judith King [16]. % Vitamina C Método Destrucción Extracción en el agua Retención en el alimento Vegetales verdes Ebullición(tiempo prolongado, agua (+) 10 – 15 45 – 60 25 – 45 Ebullición (tiempo corto, agua (-) 10 – 15 15 – 30 55 – 75 Vapor 30 – 40 < 10 60 – 70 Olla a presión 20 – 40 < 10 60 – 80 Podemos observar cuando se produce una cocción a corto tiempo y a bajas temperaturas la cantidad de Vitamina C recuperada en los vegetales es mayor, con ello podemos deducir que las altas temperaturas y grandes tiempos de cocción el ácido ascórbico se pierde o diluye. http://es.wikipedia.org/wiki/Diente http://es.wikipedia.org/wiki/Enc%C3%ADa http://es.wikipedia.org/wiki/Hueso http://es.wikipedia.org/wiki/Tejido_cartilaginoso http://es.wikipedia.org/wiki/Hierro http://es.wikipedia.org/wiki/Sistema_inmunitario Automatización de un evaporador prototipo para la concentración de jugo de naranja. Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Unidad Zacatenco Página 11 1.3 Líquidos Termolábiles Un producto lábil es aquel que pierde sus propiedades o características químicas cuando es sometido a factores ajenos a ellos (calor, luz, oxidantes, reductores, humedad, ácidos, bases), un líquido termolábil o termo sensible es un producto que pierde propiedades químicas y organolépticas cuando es sometido a un incremento en su temperatura. 1.3.1 Manejo de líquidos termolábiles en la industria La industria donde se manejan líquidos o sustancias lábiles es en la química, en la sintetización de enzimas o en la procuración y producción de vitaminas, para ello emplean dispositivos con los cuales son capaces de producir las condiciones requeridas para el manejo de las variables que perjudican a sus productos, las que más aparecen en estos procesos son: Temperatura Presión Concentración Luz ultravioleta Existen procesos como números de productos químicos existen, para producir las condiciones necesarias de proceso cada productor emplea su propia tecnología patentada lo cual hace difícil el encontrar referencias de dispositivos particulares que emplean inclusive se tienen patentes de toda la línea de producción o sintetización de vacunas, medicinas o vitaminas. 1.4 Evaporadores Un evaporador es un intercambiador de calor de coraza y tubos. Las partes esenciales de un evaporador son la cámara de calefacción y la cámara de evaporación. El haz de tubos corresponde a una cámara y la coraza corresponde a la otra cámara. La coraza es un cuerpo cilíndrico en cuyo interior está el haz de tubos. Las dos cámaras están separadas por la superficie sólida de los tubos, a través de la cual tiene lugar el intercambio de calor. La forma y la disposición de estas cámaras, diseñadas para que la eficacia sea máxima, da lugar a distintos tipos de evaporadores. 1.4.1 Clasificación de Evaporadores Podemos clasificar los evaporadores en dos grandes grupos: Evaporadores de tubos horizontales. El vapor calefactor es vapor de agua saturado que cede su calor de condensación y sale como agua líquida a la misma temperatura y presión de entrada. Este evaporador se denomina de tubos horizontales porque los tubos están dispuestos horizontalmente. Automatización de un evaporador prototipo para la concentración de jugo de naranja. Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Unidad Zacatenco Página 12 Figura 1. 5 Evaporador de tubos horizontales El evaporador de la figura 1.5 presenta una clasificación propia que es la siguiente: Evaporador múltiple efecto. Un evaporador de múltiple efecto consta de un conjunto de evaporadores, donde el primer efecto es el primer evaporador y así sucesivamente. Durante el funcionamiento, el vapor producido en el primer efecto se utiliza como vapor calefactor del segundo efecto. Métodos de alimentación en los múltiples efectos: Alimentación directa (Figura 1.6). El alimento entra en el primer efecto y sigue el mismo sentido de circulación que el vapor, saliendo el producto en el último efecto. El líquido circula en el sentido de las presiones decrecientes y no es necesario aplicar ninguna energía auxiliar para que el líquido pase de un efecto al otro. Solo hacen falta dos bombas, una para introducir el líquido en el primer efecto y otra para extraer el producto del último efecto. Figura 1. 6 Evaporador de alimentación directa Automatización de un evaporador prototipo para la concentración de jugo de naranja. Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Unidad Zacatenco Página 13 Alimentación a contracorriente (Figura 1.7). El líquido a evaporar entra en el último efecto y sale concentrado por el primero. El líquido a concentrar y el vapor calefactor circulan en sentido contrario. Aquí el líquido circula en sentido de presiones crecientes y esto requiere el uso de bombas en cada efecto para bombear la disolución concentrada de un efecto al siguiente . Esto supone una complicación mecánica considerable que se suma al hecho de hacer trabajar las bombas a presiones inferiores a la atmosférica. Así, si no hay otras razones, se prefiere el sistema de alimentación directa. Figura 1. 7 Evaporador de alimentación a contracorriente Alimentación mixta. Cuando en una parte del sistema de alimentación es directa y en la otra parte es a contracorriente. Este sistema es útil si tenemos disoluciones muy viscosas. Si utilizamos la corriente directa pura, nos encontramos que el último efecto, donde hay menos temperaturas la viscosidad de la disolución concentrada aumenta, lo que hace disminuir sensiblemente el coeficiente global, U, en este efecto. Para contrarrestar eso, se utiliza la alimentación a contracorriente o la mixta. La disolución diluida entra en el segundo efecto i sigue el sentido de la alimentación directa, pasando después del último efecto al primero, para completar la evaporación a temperatura elevada. Figura 1. 8 Evaporador de alimentación mixta Automatización de un evaporador prototipo para la concentración de jugo de naranja. Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Unidad Zacatenco Página 14 Alimentación en paralelo (Figura 1.9): Cuando el alimento entra simultáneamente a todos los efectos y el líquido concentrado se une en una sola corriente. Sistema utilizado en la concentración de disoluciones de sal común, donde los cristales depositados hacen que resulte difícil la disposición de la alimentación directa. Figura 1. 9 Evaporador de alimentación en parelelo Evaporadores de tubos verticales (Figura 1.10). El principio de funcionamiento es igual que el evaporador de tubos horizontales
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