UNIVERSIDAD PRIVADA BOLIVIANA
FACULTAD DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA
CARRERA DE INGENIERÍA DE LA PRODUCCIÓN
OPTIMIZACIÓN DEL CONSUMO DE ENERGÍA EN EL
SISTEMA DE REMOCIÓN EN SECO DE SAPONINAS DE
QUINUA MEDIANTE EL USO DE UN LECHO FLUIDIZADO DE
TIPO SURTIDOR
TRABAJO FINAL DE GRADO
Presentado por: Mauricio Obando Estrada
Como requisito parcial para optar al título de:
LICENCIATURA EN INGENIERÍA DE LA PRODUCCIÓN
Tutor: Ramiro Escalera Vásquez Ph.D.
Cochabamba, Enero 2012
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CONTENIDO
RESUMEN EJECUTIVO ....................................................................................................................... xiii
I INTRODUCCIÓN.................................................................................................................. 1
1.1 Antecedentes ......................................................................................................................... 1
1.2 Descripción del problema .................................................................................................... 6
1.3 Justificación del Trabajo ....................................................................................................... 9
1.4 Delimitación del Trabajo Final de Grado ......................................................................... 10
II MARCO TEÓRICO ............................................................................................................. 11
2.1 Proceso de beneficiado de quinua desarrollado por el CPTS .................................... 11
2.1.1 Sistema de limpieza por vía seca ................................................................................. 11
2.1.2 Sistema de limpieza por vía húmeda .......................................................................... 12
2.1.3 Sistema de secado de grano húmedo ....................................................................... 12
2.2 Lechos fluidizados ................................................................................................................. 15
2.2.1 Principios de la fluidización ............................................................................................ 15
2.2.2 Lechos fluidizados de tipo surtidor (LFTS) ..................................................................... 16
2.3 Proceso de beneficiado en seco desarrollado por el CIPI y el CIAAA ..................... 18
2.3.1 Condiciones de operación en los reactores cilindro-cónicos ............................... 19
2.3.2 Calidad nutricional del producto generado en el sistema de
beneficiado en seco ...................................................................................................... 21
2.4 Pérdidas de presión en fluidos compresibles .................................................................. 28
2.4.1 Pérdida de presión en ductos de área constante ................................................... 28
2.4.2 Pérdida de presión en accesorios (Rotámetro) ........................................................ 29
2.4.3 Pérdida de presión por ensanchamiento y reducción repentina (boquillas) ..... 30
2.4.4 Pérdida de presión en lechos fluidizados de tipo surtidor ....................................... 32
2.5 Trabajo en fluidos compresibles ........................................................................................ 34
2.5.1 Sistemas adiabáticos ...................................................................................................... 34
2.5.2 Sistemas isotérmicos ........................................................................................................ 35
2.6 Balance de energía para la compresión de gases ...................................................... 36
2.7 Consumo de energía especifico en lechos fluidizado de tipo surtidor ..................... 37
III OBJETIVOS ........................................................................................................................ 39
3.1 Objetivo General .................................................................................................................. 39
3.2 Objetivos Específicos ........................................................................................................... 39
IV METODOLOGÍA ................................................................................................................ 40
4.1 Equipo experimental ............................................................................................................ 40
4.2 Caracterización del lecho .................................................................................................. 41
4.2.1 Pruebas preliminares de consumo energético .......................................................... 41
4.2.2 Pruebas de caracterización de lecho ........................................................................ 41
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4.3 Determinación experimental de condiciones óptimas ................................................ 42
4.3.1 Determinación del contenido de saponinas en muestras tratadas.
Método de la espuma ................................................................................................... 42
4.3.2 Determinación del tiempo óptimo de tratamiento .................................................. 43
4.3.3 Determinación del consumo energético teórico ..................................................... 43
4.4 Modelamiento de la pérdida de presión ........................................................................ 44
4.5 Diseño del equipo industrial bajo condiciones óptimas ............................................... 44
4.6 Evaluación de costos del proceso bajo condiciones óptimas ................................... 45
V RESULTADOS Y DISCUSIÓN .............................................................................................. 46
5.1 Caracterización de lecho .................................................................................................. 46
5.1.1 Pruebas preliminares de consumo energético .......................................................... 46
5.1.2 Pruebas de caracterización de lecho ........................................................................ 49
5.1.2.1 Caracterización del lecho de diámetro de 7,5 cm ............................................ 49
5.1.2.2 Caracterización del lecho de diámetro de 20 cm ............................................. 58
5.2 Determinación experimental de condiciones óptimas de proceso.......................... 66
5.2.1 Condiciones óptimas en el lecho de 7,5 cm de diámetro ..................................... 66
5.2.1.1 Determinación de la altura óptima de lecho ...................................................... 66
5.2.1.2 Resultados de las corridas experimentales ........................................................... 67
5.2.1.3 Evaluación de la remoción de saponinas ............................................................ 68
5.2.1.4 Evaluación de la pérdida de masa ....................................................................... 70
5.2.1.5 Evaluación del consumo de energía ..................................................................... 71
5.2.1.6 Tiempo óptimo de tratamiento y consumo energético del aire ..................... 72
5.2.2 Condiciones óptimas en el lecho de 20 cm de diámetro ...................................... 76
5.2.2.1 Determinación de la altura óptima de lecho ...................................................... 76
5.2.2.2 Resultados de las corridas experimentales ........................................................... 77
5.2.2.3 Evaluación de la remoción de saponinas ............................................................ 78
5.2.2.4 Evaluación de la pérdida de masa ....................................................................... 80
5.2.2.5 Evaluación del consumo de energía ..................................................................... 81
5.2.2.6 Tiempo óptimo de tratamiento y consumo energético del aire ..................... 82
5.3 Modelo de pérdida de presión del sistema de desaponificación
mediante el LFTS ................................................................................................................... 86
5.3.1 Modelamiento del lecho de 7,5 cm de diámetro .................................................... 91
5.3.2 Modelamiento del lecho de 20 cm de diámetro ..................................................... 98
5.3.3 Determinación de condiciones óptimas según el modelo .................................. 104
5.4 Discusión de los resultados obtenidos ............................................................................ 107
5.4.1 Geometría de lecho ..................................................................................................... 107
5.4.2 Condiciones de operación .......................................................................................... 108
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5.4.3 Resultados de las pruebas experimentales bajo condiciones óptimas ............. 110
5.4.3.1 Tiempo óptimo de tratamiento ............................................................................. 110
5.4.3.2 Pérdida de masa durante el proceso de beneficiado .................................... 111
5.4.3.3 Consumo energético del sistema ......................................................................... 111
VI DISEÑO DEL EQUIPO INDUSTRIAL .................................................................................. 113
6.1 Diseño de la distribución de boquillas ............................................................................ 116
6.2 Selección del equipo de provisión de aire ................................................................... 118
6.3 Condiciones de operación del equipo industrial ........................................................ 119
6.4 Comparación del proceso bajo nuevas condiciones óptimas ................................ 120
6.4.1 Diseño de la distribución de puntos de aireación .................................................. 120
6.4.2 Características de operación del sistema de desaponificacion en seco ......... 121
6.4.3 Equipo de provisión de aire seleccionado ............................................................... 122
6.4.4 Análisis comparativo con el proceso establecido por el CPTS ............................ 122
VII EVALUACIÓN FINANCIERA DEL PROCESO ................................................................... 124
7.1 Maquinaria y Equipo .......................................................................................................... 124
7.2 Ahorros en materia prima ................................................................................................. 125
7.3 Ahorros en energía ............................................................................................................. 126
VIII CONCLUSIONES ............................................................................................................. 127
8.1 Conclusiones ....................................................................................................................... 127
8.2 Recomendaciones ............................................................................................................. 129
IX BIBLIOGRAFÍA ................................................................................................................. 131
X ANEXOS .......................................................................................................................... 133
10.1 Características del grano de quinua ............................................................................. 133
10.1.1 Endosperma del grano ................................................................................................. 135
10.1.2 Perisperma del grano .................................................................................................... 136
10.1.3 Episperma del grano ..................................................................................................... 136
10.2 Resultados de las pruebas de caracterización de lecho
(presión y flujo de operación) .......................................................................................... 137
10.3 Resultados de la evaluación del contenido de saponinas residuales .................... 140
10.3.1 Curva de calibración descrita en la norma NB 683 ............................................... 140
10.3.2 Resultados para quinua real Blanca sin procesar .................................................. 141
10.3.3 Resultados de las corridas experimentales ............................................................... 142
10.4 Análisis estadístico .............................................................................................................. 145
10.4.1 Análisis estadístico en el lecho de 7,5 cm de diámetro ........................................ 145
10.4.2 Análisis estadístico en el lecho de 20 cm de diámetro.......................................... 148
10.5 Modelo de cálculo para el consumo energético desarrollado en
el Software EES .................................................................................................................... 152
10.6 Plano de la batería de boquillas diseñada ................................................................... 154
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LISTA DE TABLAS
Tabla Nº 1.1 Exportaciones bolivianas de quinua real. .................................................................. 2
Tabla Nº 2.1 Características y especificaciones de la tecnología
desarrollada por el CPTS. ............................................................................................ 13
Tabla Nº 2.2 Mejoras con la implementación del proceso del CPTS. ...................................... 14
Tabla Nº 2.3 Condiciones de operación para la boquilla de 1,4 mm. .................................... 20
Tabla Nº 2.4 Condiciones de operación para la boquilla de 3,4 mm. .................................... 20
Tabla Nº 2.5 Características del beneficiado en seco del CIPI y CIAAA
bajo condiciones óptimas. ......................................................................................... 23
Tabla Nº 2.6 Características del beneficiado en seco del CIPI y CIAAA
para el lecho de 20 cm de diámetro. ...................................................................... 24
Tabla Nº 2.7 Pérdida de masa para distintos ecotipos de quinua. ........................................... 24
Tabla Nº 2.8 Pérdida de masa para distintos ecotipos de quinua. ........................................... 34
Tabla Nº 5.1 Consumo de energía eléctrica bajo distintas condiciones
de procesamiento. ....................................................................................................... 46
Tabla Nº 5.2 Condiciones de operación en función a la altura (D=7,5 cm). .......................... 49
Tabla Nº 5.3 Características del LFTS formado bajo distintas alturas
de lecho (D=7,5 cm). ................................................................................................... 53
Tabla Nº 5.4 Variación porcentual entre lechos de altura de 12,5 cm y 17,5 cm ................. 57
Tabla Nº 5.5 Comparación de condiciones de operación del presente estudio y del
estudio realizado por el CIPI y CIAAA (D=7,5 cm h=12,5 cm). ............................ 57
Tabla Nº 5.6 Condiciones de operación en función a la altura (D=20 cm). ........................... 58
Tabla Nº 5.7 Características del lecho formado bajo distintas condiciones (D=20 cm). ..... 61
Tabla Nº 5.8 Variación porcentual entre lechos de altura de 12,5 cm y 17,5 cm ................. 65
Tabla Nº 5.9 Condiciones de operación registradas (D=20 cm h=12,5 cm). .......................... 65
Tabla Nº 5.10 Potencia requerida en función de la altura (D=7,5 cm). .................................... 66
Tabla Nº 5.11 Resultados obtenidos en muestras de quinua sometidas a diferentes
condiciones de procesamiento (H=12,5 cm, D=7,5 cm). .................................... 68
Tabla Nº 5.12 Consumo de energía por el aire para distintas condiciones
de operación (H=12,5 cm, D=7,5 cm). ..................................................................... 72
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Tabla Nº 5.13 Análisis de Regresión para las boquillas de 1,4 y 2 mm
(H=12,5 cm, D=7,5 cm). ............................................................................................... 74
Tabla Nº 5.14 Tiempo de tratamiento requerido por distintas boquillas
(H=12,5 cm, D=7,5 cm). ............................................................................................... 75
Tabla Nº 5.15 Pérdida de masa y el consumo especifico de energía
(H=12,5 cm, D=7,5 cm). ............................................................................................ 75
Tabla Nº 5.16 Potencia requerida por el aire para distintas condiciones de
operación (D=20 cm)............................................................................................... 76
Tabla Nº 5.17 Resultados obtenidos en muestras de quinua sometidas a diferentes
condiciones de procesamiento (H=12,5 cm D=20 cm). .................................... 78
Tabla Nº 5.18 Consumo de energía por el aire para distintas condiciones
de operación (H=12,5 cm D=20 cm). .................................................................... 81
Tabla Nº 5.19 Análisis de Regresión para las boquillas de 2,3 y 4 mm
(H=12,5 cm D=20 cm)................................................................................................ 84
Tabla Nº 5.20 Tiempo de tratamiento requerido por distintas boquillas
(H=12,5 cm D=20 cm)................................................................................................ 84
Tabla Nº 5.21 Pérdida de masa y el consumo especifico de energía
(H=12,5 cm D=20 cm)................................................................................................ 85
Tabla Nº 5.22 Condiciones óptimas para los lechos de 7,5 y 20 cm de diámetro. ............... 85
Tabla Nº 5.23 Pérdidas de presión registradas en el sistema de
desaponificacion en seco. ...................................................................................... 87
Tabla Nº 5.24 Pérdidas de presión en la boquilla de alimentación de aire. .......................... 89
Tabla Nº 5.25 Condiciones de operación (D=7,5 cm) ................................................................ 91
Tabla Nº 5.26 Pérdidas de presión por tramos rectos, rotámetro y boquilla
(D=7,5 cm). .................................................................................................................. 92
Tabla Nº 5.27 Pérdida de presión en el lecho (D=7,5 cm) ......................................................... 93
Tabla Nº 5.28 Resultados del análisis de regresión para la pérdida de presión. ................... 94
Tabla Nº 5.29 Pérdidas de presión medida y calculada en todo el sistema. ........................ 95
Tabla Nº 5.30 Condiciones de operación (D=20 cm). ................................................................ 98
Tabla Nº 5.31 Pérdidas de presión por tramos rectos, rotámetro, boquilla y manga
recolectora (D=20 cm). ............................................................................................ 99
Tabla Nº 5.32 Pérdida de presión en el lecho (D=20 cm) ........................................................ 100
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Tabla Nº 5.33 Resultados del análisis de regresión para la pérdida de presión. ................. 101
Tabla Nº 5.34 Pérdidas de presión medida y calculada en todo el sistema. ...................... 102
Tabla Nº 5.35 Diámetro y altura de lecho óptimos para la boquilla de 3,0 mm ................. 105
Tabla Nº 5.36 Diámetro y altura de lecho óptimos para la boquilla de 3,0 mm ................. 106
Tabla Nº 5.37 Análisis comparativo de la geometría establecida en la
fase de laboratorio .................................................................................................. 107
Tabla Nº 5.38 Análisis comparativo de las condiciones óptimas registradas
en la fase de laboratorio. ....................................................................................... 109
Tabla Nº 5.39 Análisis comparativo para la pérdida de masa ................................................ 111
Tabla Nº 6.1 Condiciones de operación óptimas determinadas en la
fase de laboratorio. ................................................................................................. 113
Tabla Nº 6.2 Características del aparato a nivel industrial. ................................................... 119
Tabla Nº 6.3 Análisis comparativo de la distribución de puntos de aireación .................. 120
Tabla Nº 6.4 Análisis comparativo de las características del equipo
de desaponificacion ............................................................................................... 121
Tabla Nº 6.5 Comparación del proceso del CPTS con el proceso de beneficiado
en seco bajo nuevas condiciones óptimas. ...................................................... 123
Tabla Nº 7.1 Maquinaria y Equipo requerido. ............................................................................ 124
Tabla Nº 7.2 Pérdidas anuales de materia prima en el beneficiado de quinua. ............... 125
Tabla Nº 7.3 Ahorro en costos de energía eléctrica. ............................................................... 126
Tabla Nº 10.1 Contenido de aminoácidos en los grano
(mg de amino ácido/16 g de nitrógeno). .......................................................... 133
Tabla Nº 10.2 Contenido de vitaminas de la quinua y otros vegetales ................................ 134
Tabla Nº 10.3 Características de la semilla de algunas variedades de quinua .................. 134
Tabla Nº 10.4 Presión y flujo de operación registrados en laboratorio (D = 7,5 cm). .......... 137
Tabla Nº 10.5 Presión y flujo de operación registrados en laboratorio (D = 7,5 cm). .......... 138
Tabla Nº 10.6 Valores obtenidos para la construcción de la curva de calibración........... 140
Tabla Nº 10.7 Resultados para quinua real Blanca de Uyuni sin procesar. .......................... 141
Tabla Nº 10.8 Resultados de las pruebas realizadas por el método de la espuma
(D=7,5 cm H=12,5 cm). ........................................................................................... 142
Tabla Nº 10.9 Resultados de las pruebas realizadas por el método de la espuma
(D=20 cm H=12,5 cm).............................................................................................. 144
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Tabla Nº 10.10 Análisis ANOVA para el contenido residual de saponinas
(H=12,5 cm D=7,5 cm)............................................................................................. 145
Tabla Nº 10.11 Análisis ANOVA para la pérdida de masa (H=12,5 cm D=7,5 cm) ................ 146
Tabla Nº 10.12 Análisis ANOVA para el consumo específico de energía
(H=12,5 cm D=7,5 cm)............................................................................................. 147
Tabla Nº 10.13 Análisis ANOVA para el contenido residual de saponinas
(H=12,5 cm D=20 cm) .............................................................................................. 148
Tabla Nº 10.14 Análisis ANOVA para la pérdida de masa (H=12,5 cm D=20 cm) ................. 149
Tabla Nº 10.15 Análisis ANOVA para el consumo específico de energía
(H=12,5 cm D=20 cm) .............................................................................................. 150
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LISTA DE FIGURAS
Figura Nº 1.1 Proceso convencional de beneficiado de quinua. ............................................... 3
Figura Nº 1.2 Proceso de beneficiado propuesto por el CIPI y CIAAA. ...................................... 5
Figura Nº 2.1 Clasificador y venteador de grano propuesto por el CPTS. ............................... 11
Figura Nº 2.2 Despedregador, lavador, enjuagador y centrifugador
propuesto por el CPTS.................................................................................................. 12
Figura Nº 2.3 Generador de aire caliente y mesa de secado propuesto por el CPTS. .......... 13
Figura Nº 2.4 Esquema de un lecho fluidizado tipo surtidor (LFTS). ............................................. 17
Figura Nº 2.5 Tipos de lecho fluidizado según la geometría. ....................................................... 18
Figura Nº 2.6 Reactor de lecho fluidizado de tipo surtidor. .......................................................... 19
Figura Nº 2.7 Micrografía SEM de un grano de Quinua Real Blanca
beneficiada en seco. .................................................................................................. 21
Figura Nº 2.8 Micrografía SEM quinua Real Rosada de Uyuni, 30 minutos
de procesamiento. ....................................................................................................... 22
Figura Nº 2.9 Micrografía SEM quinua Real Rosada de Uyuni, 60 minutos
de procesamiento. ....................................................................................................... 22
Figura Nº 2.10 Comportamiento de la cinética de pérdidas de masa. .................................... 25
Figura Nº 2.11 Vistas del reactor propuesto por el CIPI. ................................................................ 26
Figura Nº 2.12 Vista tridimensional del reactor propuesto por el CIPI. ....................................... 27
Figura Nº 2.13 Compresor de Tornillo. ............................................................................................... 27
Figura Nº 2.14 Esquema de un rotámetro. ....................................................................................... 29
Figura Nº 2.15 Ensanchamiento brusco en un conducto ............................................................. 30
Figura Nº 2.16 Reducción brusca en un conducto ....................................................................... 31
Figura Nº 4.1 Equipo experimental con todos los elementos. ................................................... 40
Figura Nº 5.1 Comportamiento del consumo eléctrico (D=7,5cm).......................................... 47
Figura Nº 5.2 Comportamiento del consumo eléctrico (D=20 cm).......................................... 48
Figura Nº 5.3 Presión de operación en función a la altura de lecho (D=7,5 cm). ................ 50
Figura Nº 5.4 Flujo estándar de operación en función a la altura
de lecho (D=7,5 cm). ................................................................................................ 51
Figura Nº 5.5 Velocidad lineal de aire función de la altura de lecho (D=7,5 cm). .............. 51
Figura Nº 5.6 Flujo másico de aire por unidad de área transversal de lecho en
función de la altura de lecho (D=7,5 cm). ........................................................... 52
Figura Nº 5.7 Comportamiento del surtidor generado (D=7,5 cm h=12,5 cm). .................... 55
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Figura Nº 5.8 Comportamiento del surtidor generado (D=7,5 cm h=12,5cm). ..................... 55
Figura Nº 5.9 Comportamiento del surtidor (D=7,5 cm h=15,0cm). ......................................... 56
Figura Nº 5.10 Comportamiento del surtidor generado (D=7,5 cm h=15,0cm). ...................... 56
Figura Nº 5.11 Presión de operación en función a la altura de lecho (D=20 cm)................... 59
Figura Nº 5.12 Flujo estándar de operación en función a la altura de lecho (D=20 cm). ..... 59
Figura Nº 5.13 Velocidad lineal de aire función de la altura de lecho (D=20 cm). ................ 60
Figura Nº 5.14 Flujo másico de aire por unidad de área transversal de lecho
en función de la altura de lecho (D=20 cm). ...................................................... 61
Figura Nº 5.15 Comportamiento del surtidor generado (D=20 cm h=12,5 cm). ...................... 63
Figura Nº 5.16 Comportamiento del surtidor generado (D=20 cm h=15,0 cm). ...................... 64
Figura Nº 5.17 Comportamiento del surtidor generado (D=20 cm h=17,5 cm). ...................... 64
Figura Nº 5.18 Potencia especifica experimental en función de la altura
de lecho(D=7,5 cm) .................................................................................................. 67
Figura Nº 5.19 Contenido de saponinas residuales en función del tiempo de
tratamiento (H=12,5 cm, D=7,5 cm). ...................................................................... 69
Figura Nº 5.20 Porcentaje de remoción de saponina en función del tiempo de
tratamiento (H=12,5 cm, D=7,5 cm). ...................................................................... 70
Figura Nº 5.21 Pérdida de masa en función al tiempo de tratamiento
(H=12,5 cm, D=7,5 cm). ............................................................................................ 71
Figura Nº 5.22 Análisis del tiempo óptimo para la boquilla de 1,4 mm
(H=12,5 cm, D=7,5 cm). ............................................................................................ 73
Figura Nº 5.23 Análisis del tiempo óptimo para la boquilla de 2,0 mm
(H=12,5 cm, D=7,5 cm). ............................................................................................ 74
Figura Nº 5.24 Potencia especifica experimental en función de la altura
de lecho (D=20 cm) .................................................................................................. 77
Figura Nº 5.25 Contenido de saponina residual en función del tiempo de
tratamiento (H=12,5 cm D=20 cm). ........................................................................ 79
Figura Nº 5.26 Porcentaje de remoción de saponina en función al tiempo de
tratamiento (H=12,5 cm D=20 cm). ........................................................................ 79
Figura Nº 5.27 Pérdida de masa en función al tiempo de tratamiento
(H=12,5 cm D=20 cm)................................................................................................ 80
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Figura Nº 5.28 Análisis del tiempo óptimo para la boquilla de 2,0 mm
(H=12,5 cm D=20 cm)................................................................................................ 82
Figura Nº 5.29 Análisis del tiempo óptimo para la boquilla de 3,0 mm
(H=12,5 cm D=20 cm)................................................................................................ 83
Figura Nº 5.30 Análisis del tiempo óptimo para la boquilla de 4,0 mm
(H=12,5 cm D=20 cm)................................................................................................ 83
Figura Nº 5.31 Diagrama del equipo de desaponificación en seco. ........................................ 86
Figura Nº 5.32 Vista en corte de la boquilla empleada. ............................................................... 88
Figura Nº 5.33 Curva de regresión para el modelo de pérdidas de presión
en el lecho (D=7,5 cm). ............................................................................................ 94
Figura Nº 5.34 Comparación entre la pérdida de presión medida y calculada
(D=7,5 cm, boquilla de 1,4 mm) ............................................................................. 96
Figura Nº 5.35 Comparación entre la pérdida de presión medida y calculada
(D=7,5 cm, boquilla de 2,0 mm) ............................................................................. 97
Figura Nº 5.36 Comparación entre la pérdida de presión medida y calculada
(D=7,5 cm, boquilla de 3,0 mm) ............................................................................. 97
Figura Nº 5.37 Comparación entre la pérdida de presión medida y calculada
(D=7,5 cm, boquilla de 4,0 mm) ............................................................................. 98
Figura Nº 5.38 Curva de regresión para el modelo de pérdidas de presión
en el lecho (D=20 cm). ........................................................................................... 101
Figura Nº 5.39 Comparación entre la pérdida de presión medida y calculada
(D=20 cm, boquilla de 2,0 mm) ............................................................................ 103
Figura Nº 5.40 Comparación entre la pérdida de presión medida y calculada
(D=20 cm, boquilla de 3,0 mm) ............................................................................ 103
Figura Nº 5.41 Comparación entre la pérdida de presión medida y calculada
(D=20 cm, boquilla de 4,0 mm) ............................................................................ 104
Figura Nº 5.42 Altura y diámetro de lecho óptimos (Boquilla de 2,0 mm) ............................. 105
Figura Nº 5.43 Altura y diámetro de lecho óptimos (Boquilla de 3,0 mm) ............................. 106
Figura Nº 6.1 Balance de masa para el proceso de beneficiado bajo
condiciones óptimas. .............................................................................................. 115
Figura Nº 6.2 Geometría del volumen de influencia por punto de aireación. ................... 116
Figura Nº 6.3 Vista Isométrica de la batería de boquillas diseñada. .................................... 117
Figura Nº 6.4 Equipo para la provisión de aire en el sistema fluidizado. .............................. 118
Figura Nº 10.1 Micrografía SEM de la quinua Blanca Real ........................................................ 135
Figura Nº 10.2 Estructura del Episperma y Perisperma ............................................................... 136
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Figura Nº 10.3 Curva de calibración para el método de la espuma. .................................... 141
Figura Nº 10.4 Valores residuales de la concentración de saponinas residuales
(H=12,5 cm D=7,5 cm)............................................................................................. 146
Figura Nº 10.5 Valores residuales de la pérdida de masa (H=12,5 cm D=7,5 cm) ............... 147
Figura Nº 10.6 Valores residuales del consumo específico de energía
(H=12,5 cm D=7,5 cm)............................................................................................. 148
Figura Nº 10.7 Valores residuales de la concentración de saponinas residuales
(H=12,5 cm D=20 cm) .............................................................................................. 149
Figura Nº 10.8 Valores residuales de la pérdida de masa (H=12,5 cm D=20 cm) ................ 150
Figura Nº 10.9 Valores residuales del consumo específico de energía
(H=12,5 cm D=7,5 cm)............................................................................................. 151
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RESUMEN EJECUTIVO
La tecnología de beneficiado de quinua en seco, desarrollada por el Centro de
Investigación en Procesos Industriales (CIPI) y el Centro de Investigaciones Agrícolas y
Agroindustriales Andinas (CIAAA) de la UPB, presenta varias ventajas frente a los procesos
disponibles actualmente. Esta tecnología no consume agua, no usa fuentes de energía no
renovable, como el GLP y no genera efluentes contaminados con saponinas. Sin
embargo, su consumo energético es muy elevado y hace que sea menos competitiva
frente a procesos convencionales de beneficiado, como el desarrollado por el Centro de
Promoción de Tecnologías Sostenibles (CPTS).
Se realizaron pruebas de laboratorio con el objetivo de caracterizar el comportamiento
del lecho fluidizado, cubriendo un espectro más amplio que el analizado inicialmente por
el CIPI y CIAAA, en cuanto al diámetro de la entrada de aire.
Se definió como nivel de saponinas mínimo a alcanzar en el proceso, 0,01 % de saponinas
residuales en los granos tratados. Se establecieron condiciones óptimas de diámetro de
lecho, altura de lecho, diámetro de boquilla y tiempo de tratamiento para alcanzar este
nivel de calidad del producto y, a la vez, disminuir en la mayor medida posible el
consumo de energía del sistema.
Las dimensiones óptimas de lecho son: diámetro de 20 cm y altura de 12,5 cm, bajo una
corriente de aire provista por una boquilla de 3,0 mm de diámetro interno. Bajo estas
características, se registró una presión manométrica de operación de 1,2 bares y un flujo
estándar de aire de 145 Lmin-1. El consumo energético en el sistema de laboratorio es de
0,3295 kWhkg-1 de quinua. Este valor representa una reducción del 46,9 % frente al
consumo registrado inicialmente por el CIPI y el CIAAA.
Se realizó el diseño de una batería de boquillas a nivel industrial, para cubrir un nivel de
producción de 4600 kg diarios de quinua. La batería cuenta con 140 puntos de aireación,
con distancia entre ejes de 20 cm y altura de lecho de 12,5 cm. Las mismas están
dispuestas en un arreglo rectangular de 1,4 m de ancho y 4 m de largo.
Con las nuevas condiciones óptimas determinadas en laboratorio, se logró disminuir el
consumo de energía del proceso de beneficiado a nivel industrial hasta 227 kWh/TM de
quinua procesada. Este valor es 30,2 % menor al consumo registrado por los centros de
investigación de la UPB, pero, todavía 51,3 % mayor al consumo repostado por el CPTS.
1
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I INTRODUCCIÓN
1.1 Antecedentes
La quinua (Chenopodium quinoa Willd.) es un pseudocereal con propiedades
nutricionales importantes, ya que posee en promedio 14,6 % y 5,6 % de proteína y lípidos
respectivamente. Es rica en ácidos grasos esenciales como el ácido linoleico, γ-linolénico
y antioxidantes como α-tocoferol y γ-tocoferol. Contiene almidón y minerales como
calcio, fósforo y hierro, además un nivel medio de carbohidratos del 61% [1].
La quinua presenta una gran diversidad genética. Es la planta andina que muestra la
mayor distribución de formas, diversidad de genotipos y de progenitores silvestres [2]. En el
Anexo 10.1 se describen las características de la semilla de algunas variedades de quinua
de manera detallada.
En este pseudocereal se pueden identificar tres partes:
Endosperma (constituido por cotiledones y radícula).
Perisperma (constituido por los granos de almidón).
Episperma (capas externas que recubren a la semilla).
Según estudios realizados, el episperma tiene las siguientes características [3]:
Una primera capa externa rugosa, quebradiza y seca. Esta capa puede ser
parcialmente removida por métodos abrasivos y lavados con agua fría.
Una segunda capa lisa, lustrosa, sin poros, con algunas huellas de la rugosidad
vista en la primera membrana. Esta capa solo puede ser removida después de un
proceso de calentamiento prolongado.
Una tercera capa delgada ligeramente amarillenta y opaca.
Una cuarta capa delgada, translucida que cubre el embrión, formada por una
sola hilera de células de pared gruesa y sin núcleo, unida a un perisperma
compacto con ausencia de espacios de aire.
Muchas variedades de quinua, incluyendo todas los que actualmente poseen interés
comercial, contienen entre 0,6 y 3,0 % de saponinas en el episperma del grano [4]. Las
saponinas incluyen compuestos orgánicos que le otorgan al grano un sabor amargo no
deseado para el consumo, por lo que deben ser eliminadas antes de su comercialización.
2
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Durante los últimos años la quinua real, una variedad que se cultiva únicamente en el
territorio boliviano, ha tomado gran interés en mercados internacionales debido a sus
excelentes propiedades nutricionales. Dentro de los ecotipos de quinua real, los de mayor
importancia para la comercialización son: quinua real Blanca, Amarrilla y Rosada. Estos
ecotipos se cultivan en el altiplano boliviano.
La demanda de la quinua real ha crecido exponencialmente en los últimos diez años [5],
especialmente en mercados internacionales donde se tiene gran interés en productos
orgánicos y saludables. La Tabla Nº 1.1 muestra las exportaciones de quinua real desde el
año 1999.
Tabla Nº 1.1 Exportaciones bolivianas de quinua real.
Año Peso Neto
[TM]
Valor FOB
Millones de $US
Precio
[$US/TM]
1 999 2 030 2,73 1 343
2 000 1 431 1,80 1 259
2 001 2 123 2,41 1 136
2 002 2 019 2,33 1 153
2 003 2 802 3,09 1 101
2 004 3 868 4,41 1 140
2 005 4 826 5,57 1 155
2 006 7 645 8,91 1 166
2 007 10 456 13,11 1 254
2 008 10 311 23,03 2 233
2 009 14 376 43,16 3 002
2 010 15 401 46,65 3 029
2 011 18 368 58,11 3 164
Fuente: [5]
Se ha comprobado la inviabilidad de desarrollar la producción de quinua mediante el
cultivo de variedades libres de saponinas, debido a que estas constituyen un mecanismo
de defensa del grano ante parásitos externos durante la etapa de cultivo [4].
Por tanto, el consumo local y la comercialización de los granos de quinua, dependen de
un proceso de beneficiado, que elimine las saponinas contenidas en las capas exteriores
de los granos, así como varios tipos de impurezas presentes.
3
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Los principales productores de quinua real en Bolivia se encuentran en los departamentos
de Oruro y Potosí. Las empresas beneficiadoras del grano utilizan sistemas convencionales
de desaponificación de quinua. La Figura Nº 1.1 muestra las etapas del proceso
convencional de beneficiado.
Figura Nº 1.1 Proceso convencional de beneficiado de quinua.
Fuente: [6]
En estos procesos, los granos de quinua se someten a una clasificación preliminar, con el
objetivo de eliminar todas las impurezas presentes como ser pequeñas piedras o ramas.
Posteriormente, se realiza la remoción parcial del episperma mediante la escarificación.
La quinua se lava y se centrifuga para remover mayor cantidad de saponinas presentes
en el grano. Seguidamente, el grano se seca hasta un porcentaje específico de
4
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humedad, luego se realiza una clasificación final para eliminar todas las impurezas que
no hayan sido eliminadas durante el proceso. Finalmente, la quinua se envasa.
Dentro de los métodos convencionales, el más destacado es el proceso desarrollado por
el Centro de Promoción de Tecnologías Sostenibles (CPTS), el cual permite ahorros de
agua y energía. El proceso ha sido adoptado por beneficiadoras de tamaño
relativamente grande [7]. Si bien este proceso representa ventajas frente a otros métodos
de desaponificacion de tipo convencional, aun presenta desventajas:
Alto consumo de agua durante el proceso de beneficiado (5 m3 / TM de producto
procesado).
Alto consumo de gas licuado de petróleo durante la etapa de secado (10 kg
GLP/TM de producto bruto procesado).
Inviabilidad económica de recuperar todo el polvo de saponinas, que es un
componente de alto valor.
Alto consumo de energía, que asciende a 150 kWh/TM de producto procesado en
los sistemas de limpieza por vía húmeda, vía seca y secado (debido
principalmente al uso de GLP durante la etapa de secado y en menor medida
debido al consumo de energía eléctrica).
Estas desventajas sitúan a las empresas beneficiadoras de quinua en posiciones poco
competitivas debido a los elevados costos de operación, elevado uso de recursos escasos
(agua y energía) y la pérdida de entre 15 y 30% de polvos de alto contenido de saponinas
[7], los cuales son materia prima para la elaboración de productos de alto valor
agregado, principalmente en la industria farmacéutica.
Por otro lado, la generación de aguas altamente contaminadas con saponinas, en
empresas que no utilizan el sistema de beneficiado desarrollado por el CPTS, hace que
estas no cumplan normas establecidas en reglamentos como el Reglamento Ambiental
para el Sector Industrial Manufacturero (RASIM) y el Reglamento de Contaminación
Hídrica de la Ley del Medio Ambiente (Ley 1333).
Para superar estas dificultades, el Centro de Investigación en Procesos Industriales (CIPI) y
el Centro de Investigaciones Agrícolas y Agroindustriales Andinas (CIAAA) de la
Universidad Privada Boliviana (UPB), desarrollaron un sistema de remoción de saponinas en
seco mediante la aplicación de un lecho fluidizado de tipo surtidor (LFTS). La tecnología
propuesta representa una serie de ventajas frente a los sistemas convencionales descritos.
5
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En un LFTS, los granos de quinua, previamente seleccionados y limpiados, se fluidizan
mediante una corriente regulada de aire, generando un lecho en el que:
La fricción y choques continuos entre partículas permite la remoción de las capas
externas del episperma de alto contenido de saponinas, bajo la forma de un polvo
fino.
La pérdida de nutrientes se minimiza debido a la abrasión controlada entre
partículas.
La recuperación de saponinas a través de un ciclón es total.
Se evita la contaminación de aguas.
La Figura Nº 1.2 muestra las etapas del proceso propuesto por los centros de investigación
de la UPB para el beneficiado en seco de variedades amargas de quinua.
Figura Nº 1.2 Proceso de beneficiado propuesto por el CIPI y CIAAA.
Fuente: [6]
6
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El proyecto realizado por los centros de investigación de la UPB, logró determinar las
condiciones de operación y geometría óptimas para la desaponificación de distintos
ecotipos de quinua real: Toledo Salinas de García Mendoza, Blanca de Uyuni, Blanca de
Salinas de García Mendoza, Amarilla de Uyuni y Rosada de Uyuni.
Los resultados del estudio realizado fueron buenos. Se lograron determinar las condiciones
de flujo de aire, presión de operación, altura y diámetro de lecho, para la mayor
remoción de saponinas de la quinua, sin afectar sus propiedades nutricionales, dado un
tiempo de operación fijo de 30 minutos.
El proceso desarrollado mostró una clara ventaja en cuanto al uso de recursos hídricos.
Además, permite la recuperación de polvos de alto contenido de saponinas, que es una
ventaja importante frente a los métodos convencionales.
El sistema propuesto, bajo condiciones óptimas de operación permite reducir los niveles
de saponinas en el grano de quinua hasta valores de 0 a 0,02 % [7].
1.2 Descripción del problema
Los resultados obtenidos en el estudio realizado por los centros de investigación de la UPB,
mostraron que el consumo de energía en el sistema de beneficiado de quinua en seco es
mayor al registrado en el proceso desarrollado por el CPTS, incluida la etapa de secado
de los granos.
En la fase de laboratorio, el consumo energético por unidad de masa registrado por el
CIPI y el CIAAA, fue elevado debido a la baja eficiencia del compresor de aire utilizado.
Se registraron consumos de 1,259 kWh/kg en los reactores de sección circular y de 0,621
kWh/kg en el prototipo piloto [7].
En el proyecto a nivel industrial, los centros de investigación, registraron un consumo de
325 kWh/TM de producto procesado. El consumo energético registrado por el CPTS es de
150 kWh/TM de quinua procesada (130 kWh/TM en la etapa de secado y 20 kWh/TM
como consumo de energía eléctrica) [8].
Los valores registrados dejan en evidencia la necesidad de analizar el proceso desde el
punto de vista de uso de energía. Se deben establecer condiciones de operación que
permitan disminuir el mismo a niveles similares o inferiores a los registrados por el CPTS.
Además, se espera obtener granos de quinua con un nivel de saponinas y calidad
7
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nutricional que sean competitivos frente a los registrados por el proceso del CPTS (0,01 %
saponinas residuales en el grano procesado).
En el estudio realizado por el CIPI y el CIAAA, se determinaron condiciones bajo las cuales
el consumo de energía disminuye. Sin embargo, la remoción de saponinas no era efectiva
bajo dichas condiciones, pues no se alcanzaban los valores comerciales requeridos.
Con el objetivo de determinar las condiciones de geometría de lecho y de operación, los
centros de investigación, realizaron pruebas en columnas de vidrio cilindro-cónicos que
contenían el lecho de quinua a ser fluidizado. Las variables que tomaron en cuenta
fueron:
Ecotipo de quinua.
Diámetro de lecho (7,5 cm y 20 cm).
Altura de lecho (7,5 cm y 12,5 cm).
Diámetro de boquilla para la entrada de aire (1,4 y 3,4 mm).
Como variables dependientes, se analizaron el contenido de saponinas en el grano
tratado, el contenido de proteína, el contenido de materia grasa, la pérdida de masa y el
consumo energético. Sin embargo, el sistema de remoción de saponinas se analizó
manteniendo un tiempo de tratamiento fijo de 30 minutos bajo el cual se supuso que los
granos tratados alcanzaban los niveles de calidad requeridos comercialmente.
Las condiciones óptimas establecidas fueron:
Diámetro de lecho de 7,5 cm.
Altura de lecho de 12,5 cm.
Diámetro de boquilla de 1,4 mm.
Bajo estas condiciones, se observaron consumos energéticos altos principalmente debido
a que la carga de quinua tratada era pequeña y que el tiempo de 30 minutos era mayor
al necesario en el reactor de 7,5 cm de diámetro.
En el reactor de diámetro de 20 cm se contaron con consumos energéticos menores, pero
el nivel de saponinas alcanzado en 30 minutos no cumplía los niveles de comparación
establecidos (0,01 % de contenido de saponinas residuales como valor reportado en el
proceso desarrollado por el CPTS). Sin embargo, incrementando el tiempo de tratamiento
8
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en este sistema es posible generar granos que cumplan los estándares requeridos y
disminuir el consumo específico de energía.
En el presente estudio se analizó el sistema de beneficiado en seco para cada diámetro
de lecho por separado, pues el tiempo de operación, que es la nueva variable
independiente que se incluye, es diferente para cada lecho.
El ecotipo de quinua no se tomó en cuenta como variable independiente, pues para
todas las pruebas realizadas se utilizó quinua real Blanca de Uyuni como materia prima.
Se determinó el tiempo óptimo de tratamiento para cada geometría de lecho, se
comparó el consumo energético y calidad del grano tratado. Además, se estableció la
geometría óptima, junto con las condiciones de operación del sistema.
Los niveles que se consideraron para cada variable dependieron del diámetro de lecho
en el que se trataron los granos de quinua, para el reactor cilindro-cónico de 7,5 cm de
diámetro interno los niveles fueron:
Altura de lecho: 7,5 cm, 10 cm, 12,5 cm, 15 cm y 17,5 cm.
Diámetro de boquilla: 1,4 mm, 2 mm, 3 mm y 4 mm.
Tiempo de tratamiento: 5 min, 10 min, 15 min, 20 min y 25 min.
Para el reactor de 20 cm de diámetro se consideraron:
Altura de lecho: 7,5 cm, 10 cm, 12,5 cm, 15 cm y 17,5 cm.
Diámetro de boquilla: 2 mm, 3 mm y 4 mm.
Tiempo de tratamiento: 30 min, 40 min, 50 min y 60 min.
Además, se estudiaron de manera cualitativa las características del lecho generado y el
comportamiento de los granos de quinua fluidizados, bajo distintas condiciones de
operación establecidas.
Las variables dependientes que se consideraron en este estudio son el contenido residual
de saponinas en el grano procesado, la pérdida de masa y el consumo energético. El
contenido de proteína y materia grasa en el producto no se analizaron, debido a que los
resultados obtenidos inicialmente por el CIPI y el CIAAA, mostraron que el proceso de
beneficiado en seco no afecta de manera significativa estas características [7].
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1.3 Justificación del Trabajo
Los métodos convencionales de beneficiado de quinua aplicados actualmente
presentan altos costos de operación debido al uso elevado de recursos escasos como
agua y energía, además generan gran cantidad de aguas residuales altamente
contaminadas con saponinas. El proceso desarrollado por el CPTS, todavía presenta
consumo elevado de agua (5 m3/TM de quinua procesada) y de GLP durante el proceso
de secado (10 kg GLP/TM de quinua procesada).
Debido al incremento de la demanda de quinua a nivel internacional, se hace necesario
el mejorar o sustituir los procesos de beneficiado de quinua que se utilizan actualmente en
Bolivia.
El proceso de desaponificacion en seco mediante la aplicación de un lecho fluidizado de
tipo surtidor desarrollado por los centros de investigación de la UPB, muestra fuertes
ventajas en cuanto al uso de agua, contenido de saponinas en el grano tratado y
recuperación de los polvos de saponinas. Sin embargo, el consumo de energía es muy
elevado. Para que la tecnología sea competitiva y pueda ser implementada a nivel
industrial, es necesario determinar nuevas condiciones de operación óptimas,
considerando el consumo de energía como variable dependiente y determinante dentro
del proceso.
Para determinar estas condiciones, se deben realizar pruebas de caracterización en
laboratorio. La evaluación de condiciones de operación como diámetro de lecho, altura
de lecho, diámetro de boquilla y tiempo de operación, permitirá realizar el análisis para
establecer condiciones bajo las cuales se alcance una calidad nutricional aceptable del
grano y el consumo de energía en el sistema se disminuya.
Los resultados que se planean obtener, acerca del consumo de energía en el sistema, son
importantes para el proyecto, pues brindan una nueva posibilidad en el desarrollo del
mismo.
El impacto directo del proyecto será, el contar con una alternativa que no solo sea mejor
que los métodos convencionales de beneficiado de la quinua, la propuesta de TFG es
una mejora de la tecnología desarrollada por el CIPI y el CIAAA.
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1.4 Delimitación del Trabajo Final de Grado
El presente estudio, contempla el análisis del beneficiado de quinua mediante la
aplicación de un LFTS, únicamente para el ecotipo de quinua real Blanca de Uyuni. Los
ecotipos Amarilla y rosada de Uyuni no fueron analizados debido a la falta de materia
prima para la realización de corridas experimentales.
Las pruebas experimentales se realizaron en reactores cilindro-cónicos de diámetros de 7,5
y 20 centímetros, el estudio de lechos de diámetros distintos no se realizo debido a la falta
de equipo experimental.
El tamaño de la entrada de aire al lecho de quinua, tuvo un diámetro máximo de 5
milímetros, debido a las características de construcción de los reactores cilindro-cónicos
empleados y a la capacidad del compresor de aire utilizado.
Tomando como base los resultados obtenidos por el CIPI y el CIAAA, se realizó un análisis
comparativo del proceso de beneficiado bajo las condiciones propuestas por los centros
de investigación de la UPB y las condiciones propuestas en el presente estudio.
Los resultados obtenidos en el presente trabajo son una propuesta de mejora a los
resultados obtenidos inicialmente por los centros de investigación de la UPB (CIPI y
CIAAA).
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II MARCO TEÓRICO
2.1 Proceso de beneficiado de quinua desarrollado por el CPTS
El sistema de beneficiado del grano de quinua en bruto desarrollado por Centro de
Promoción de Tecnologías Sostenibles está constituido por tres sistemas [8]:
2.1.1 Sistema de limpieza por vía seca
Este sistema cumple la función de eliminar las impurezas cuyo tamaño es ligeramente
mayor y menor que el del grano de quinua, eliminar un alto porcentaje del episperma del
grano y eliminar un alto porcentaje de pajilla, ramitas y material celulósico similar [8].
El sistema está constituido por:
Un clasificador preliminar y venteador de grano que opera con una turbina de
aire.
Un escarificador de grano de quinua, que opera con una turbina de aire.
Un clasificador selectivo y venteador de grano, que opera con una turbina de aire.
La Figura Nº 2.1 muestra los elementos mencionados anteriormente.
Figura Nº 2.1 Clasificador y venteador de grano propuesto por el CPTS.
Fuente: [8]
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2.1.2 Sistema de limpieza por vía húmeda
Este cumple la función de eliminar las saponinas remanentes en el grano de quinua, así
como toda posible piedrecilla que no haya sido eliminada por la vía seca.
El sistema está constituido por:
Un despedregador de piedrecilla de alta densidad.
Un lavador.
Un despedregador de piedrecilla de baja densidad.
Un enjuagador.
Un centrifugador.
Todos los componentes forman parte de una solo maquina operada con un motor
eléctrico de baja potencia. La Figura Nº 2.2 muestra la maquina formada por los
componentes mencionados anteriormente.
Figura Nº 2.2 Despedregador, lavador, enjuagador y centrifugador propuesto por el CPTS.
Fuente: [8]
2.1.3 Sistema de secado de grano húmedo
Este está constituido por cuatro unidades, cada una de las cuales consta de un
generador de aire caliente, que opera con un circuito electrónico de control y con una
turbina de aire, y una mesa de secado [8]. La Figura Nº 2.3 muestra estos elementos.
13
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Figura Nº 2.3 Generador de aire caliente y mesa de secado propuesto por el CPTS.
Fuente: [8]
La Tabla Nº 2.1 muestra las especificaciones del proceso desarrollado por el CPTS.
Tabla Nº 2.1 Características y especificaciones de la tecnología desarrollada por el CPTS.
Característica Especificación
Capacidad de procesamiento de grano de quinua [TM de quinua / hora] 0,66
Pérdida total de materia prima [%] 6,4
Recuperación de episperma [%] 85 a 95
Potencia eléctrica instalada [kVA] 15,3
Potencia eléctrica real demandada [kW] 13,2
Consumo especifico de energía eléctrica [kWh / TM de quinua] 20,0
Consumo especifico de agua [m3 agua / TM de quinua] 5,0
Consumo especifico de GLP [kg GLP / TM de quinua] 10,0
Fuente: [8]
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El proceso desarrollado por el CPTS, muestra una serie de ventajas en cuanto a los
sistemas tradicionales de beneficiado de quinua. Para mostrar estas ventajas se muestran
los cambios y mejoras que ha sufrido una empresa beneficiadora después de la
implementación de este sistema.
La Tabla Nº 2.2 muestra las ventajas del proceso desarrollado por el CPTS frente a los
procesos tradicionales de beneficiado de quinua que se manejaba. Se comparan
volúmenes de producción, perdida de materia prima, recuperación de polvos de
saponinas, consumos específicos de energía eléctrica, GLP y agua por unidad de
producción.
Tabla Nº 2.2 Mejoras con la implementación del proceso del CPTS.
Característica
Situación
Diferencia Anterior
(Tradicional)
Actual
(CPTS)
Capacidad de beneficiado de grano de quinua
[TM quinua/hora] 0,09 0,66 0,57 (800%)
Rendimiento Global del Beneficiado del grano de
quinua
[Grano beneficiado y envasado/grano en bruto]
0,918 0,936 0,018 (0,18%)
Recuperación de polvo de saponinas
[TM/año] 0,0 19,5 19,5
Potencia eléctrica de la tecnología reemplazada
[kVA] 31,5 15,3 16,2 (51 %)
Consumo específico de energía eléctrica
[kWh/TM de quinua] 101,6 20,0 81,6 (80%)
Consumo específico de agua
[ m3/TM de quinua] 14,0 5,0 9,0 (64%)
Consumo especifico de GLP
[kg de GLP/TM de quinua] 30,0 10,0 20,0 (67%)
Fuente: [8]
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2.2 Lechos fluidizados
2.2.1 Principios de la fluidización
La fluidización se refiere al proceso por el cual se imparte a partículas sólidas granulares
un estado semejante al de un fluido, mediante la aplicación de fuerzas externas
apropiadas [9].
En un lecho de partículas fijo, la percolación en direccion ascendente de un gas o un
líquido a baja velocidad no produce movimiento de las partículas. El fluido percola por los
huecos del lecho perdiendo presión.
Si se aumenta progresivamente la velocidad del fluido, aumenta la caída de presión y el
rozamiento sobre las partículas individuales. Se alcanza un punto en el que las partículas
no permanecen estacionarias por más tiempo, sino que comienzan a moverse y quedan
suspendidas en el fluido, es decir, se fluidizan por la acción del líquido o el gas [10].
Al valor de la velocidad superficial necesaria para que se inicie la fluidización se le
denomina velocidad mínima de fluidización. Posteriores aumentos de la velocidad hacen
que las partículas se separen aún más unas de otras, permaneciendo la diferencia de
presiones aproximadamente igual al peso por unidad de área del lecho.
La fluidización uniforme se obtiene únicamente a velocidades relativamente bajas. A
velocidades elevadas se forman dos fases separadas: la fase continua se denomina fase
densa o de emulsión, y a la discontinua, fase ligera o de burbujas, se dice entonces que la
fluidización es de agregación. El lecho toma el aspecto de un líquido en ebullición, se
observa que los sólidos se mueven vigorosamente y ascienden rápidamente grandes
burbujas a través del lecho [9].
El fluido a alta velocidad pasa a través del lecho en forma de burbujas. Así, al aumentar el
flujo del gas, la velocidad relativa a las partículas en la fase densa puede no variar
apreciablemente. El flujo relativo a las partículas puede continuar siendo laminar incluso a
velocidades globales de flujo muy elevadas. Si la velocidad de paso del gas es alta, y el
lecho es profundo, tiene lugar la coalescencia de las burbujas, y en un recipiente estrecho
el lecho puede fraccionarse.
Cuando la velocidad aumenta más el lecho llega a ser menos denso y finalmente las
partículas pueden ser arrastradas. Esta velocidad máxima permisible es la velocidad
16
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terminal. A esta velocidad, la resistencia por rozamiento, ejercida en una partícula aislada
por el fluido ascendente, se iguala a la fuerza de gravedad [9].
Para describir el comportamiento del lecho relleno se utilizan principalmente las siguientes
magnitudes:
Porosidad del lecho: Es la relación entre el volumen de huecos del lecho y el
volumen total del mismo
Esfericidad de las partículas del lecho: Es la medida más adecuada para el
tratamiento de lechos formados por partículas no esféricas.
Tamaño de la partícula: Esta dado por el diámetro de las partículas en caso de
que estas sean esféricas y para partículas no esféricas está dado por el diámetro
equivalente de la partícula.
2.2.2 Lechos fluidizados de tipo surtidor (LFTS)
Los lechos fluidizados de tipo surtidor son un tipo especial de lecho fluidizado. La
característica principal de estos sistemas es que el área de sección transversal varía en
función a la altura de lecho. Este tipo de sistemas, aseguran un excelente nivel de mezcla
de las partículas que están siendo fluidizadas.
Al igual que la tecnología de fluidización convencional, los LFTS pueden ser aplicados en
procesos de mezclado de sólidos, transferencia de masa, transferencia de calor, secado y
enfriamiento. Estudios previos sobre el tema [11] sostienen que, gracias a la estructura
especial de estos sistemas, el nivel de mezcla de las partículas en el lecho es mayor que
para los lechos fluidizados comunes.
Los lechos de tipo surtidor, permiten tratar partículas sólidas relativamente grandes,
evitando la generación de movimientos caóticos y la aparición de bolsas de aire dentro el
lecho de solidos durante el proceso de fluidización.
Entre los LFTS, el más común es el de geometría cilindro-cónica. En la Figura Nº 2.4 se
pueden observar las partes de un lecho de tipo surtidor de estas características.
17
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Figura Nº 2.4 Esquema de un lecho fluidizado tipo surtidor (LFTS).
Fuente: [7]
A diferencia de los procesos de fluidización convencionales, en un LFTS el fluido ingresa
por la parte inferior del lecho a altas velocidades y genera un canal denominado surtidor
en la parte central del lecho.
En la parte superior se observa una región en la que las partículas sólidas salen del surtidor,
quedan suspendidas en el aire durante un corto tiempo y caen sobre la superficie superior
del relleno a manera de una fuente de agua. Alrededor del surtidor se genera un
movimiento descendente de partículas que finalmente retornan al surtidor atravesando la
zona cónica, generando un ciclo estable.
Existen pocos estudios y publicaciones acerca de los lechos de tipo surtidor que pueden
generarse. Se conocen diferentes tipos de geometrías para los LFTS, dependiendo de la
aplicación se pueden encontrar lechos cónicos, cilindro-cónicos, lechos con una ranura
para la entrada de aire, lechos con dos ranuras paralelas para la entrada de aire, lechos
con ranuras simétricas y entrada de fluido a contra corriente, sistemas con dos ranuras
paralelas para la entrada de gas y sistemas de entrada de gas regulable [11].
18
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La Figura Nº 2.5 muestra los distintos tipos y geometrías de lecho mencionados.
Figura Nº 2.5 Tipos de lecho fluidizado según la geometría.
Fuente: [11]
2.3 Proceso de beneficiado en seco desarrollado por el CIPI y el CIAAA
El proceso de beneficiado de granos de quinua en seco desarrollado por el Centro de
Investigación en Procesos Industriales y el Centro de Investigaciones Agrícolas y
Agroindustriales Andinas de la Universidad Privada Boliviana se basa en la aplicación de
un lecho fluidizado de tipo Surtidor (LFTS) para la remoción de las saponinas contenidas en
el episperma del grano de quinua.
En el estudio realizado, se caracterizó el comportamiento del lecho fluidizado mediante
pruebas de laboratorio en reactores cilindro-cónicos.
19
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La Figura Nº 2.6 muestra la geometría del lecho utilizado en la primera fase del proyecto
mencionado.
Figura Nº 2.6 Reactor de lecho fluidizado de tipo surtidor.
Fuente: [7]
Estudios realizados [7] sostienen que, el diámetro de boquilla en la entrada de aire, el
diámetro de lecho y el ecotipo de quinua son estadísticamente significativos sobre la
remoción de saponinas a un nivel de confianza del 95 %. La altura de lecho tiene poco
efecto sobre la remoción de saponinas. Sin embargo, dicha variable afecta
notablemente a la presión de operación, al flujo volumétrico y al consumo de energía.
2.3.1 Condiciones de operación en los reactores cilindro-cónicos
Para generar una fluidización estable, se requiere que la corriente de aire a la entrada del
lecho tenga una presión y caudal determinados, denominados como presión y flujo de
operación. Estas condiciones dependen de la altura de lecho, el diámetro de lecho y del
diámetro de boquilla empleado para la entrada de aire al lecho.
De manera general, la fuerza necesaria para romper un lecho fijo, aumentan en función a
la altura. Debido a esto, para romper lechos de mayor altura se requieren corrientes de
aire de mayor presión y caudal. Las Tablas Nº 2.3 y 2.4 muestran el flujo volumétrico de aire
(calculado a condiciones estándar de presión y temperatura), la presión de operación y
la velocidad de la corriente de aire, para generar la fluidización.
20
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Tabla Nº 2.3 Condiciones de operación para la boquilla de 1,4 mm.
Altura de
lecho
[cm]
Flujo STP de
aire
[Lmin-1]
Presión
de operación
[kgfcm-2]
Velocidad lineal a la
salida de la boquilla
[ms-1]
5,0 17,7 0,67 162,4
7,5 24,9 1,22 194,9
10,0 33,5 1,70 234,6
12,5 45,2 2,70 267,1
15,0 56,2 3,60 295,9
Fuente: [7]
Tabla Nº 2.4 Condiciones de operación para la boquilla de 3,4 mm.
Altura de
lecho
[cm]
Flujo STP de
operación
[Lmin-1]
Presión de
operación
[kgfcm-2]
Velocidad lineal a la
salida de la boquilla
[ms-1]
5,0 42,4 0,50 70,4
7,5 70,3 0,88 102,2
10,0 91,8 1,23 121,2
12,5 106,7 1,48 132,8
15,0 125,0 1,80 145,6
17,5 140,4 2,10 154,8
20,0 149,8 2,30 159,7
Fuente: [7]
Las boquillas de diámetro de diámetro menor requieren mayores presiones de operación
para generar lechos estables. Por otra parte, el flujo de operación requerido es mayor
para boquillas de diámetros mayores.
En lechos de altura de 12,5 cm, las boquillas de 1,4 mm registran presiones manométricas
de operación de 2,7 kgfcm-2 y flujos volumétricos estándar de 45,2 Lmin-1. En cambio, las
boquillas de 3,4 mm requieren presiones manométricas de 1,48 kgfcm-2 y flujos
volumétricos estándar de 106,7 Lmin-1 [7].
La velocidad lineal de aire a la entrada del surtidor es mayor para las boquillas de 1,4 mm.
Estas registran velocidades que varían desde 160 a 290 ms-1 para alturas de lecho entre 5 y
15 cm. Con boquillas de 3,4 mm el rango de velocidad es de 70 a 160 ms-1 para alturas de
lecho de 5 cm hasta 20 cm [7].
21
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2.3.2 Calidad nutricional del producto generado en el sistema de beneficiado en seco
Estudios realizados [6], sostienen que la remoción de las capas externas del episperma del
grano de quinua mediante el reactor de lecho fluidizado de tipo surtidor es bastante
homogénea.
El beneficiado en seco permite obtener granos cuyo episperma tiene un espesor similar al
registrado en procesos de beneficiado convencionales. Además, dicho proceso permite
generar granos de quinua que tienen mejor apariencia externa ya que presentan una
superficie regular y lisa.
Los granos tratados no presentan daños morfológicos externos, no se presentan daños en
el embrión del grano. La quinua beneficiada por vía húmeda presenta un incremento de
tamaño y deformaciones en las superficies de los granos de almidón [6].
La Figura Nº 2.7 muestra la micrografía de un grano de quinua observada con la ayuda
de un microscopio de alta resolución, Scanning Electron Microscope (SEM).
Figura Nº 2.7 Micrografía SEM de un grano de Quinua Real Blanca beneficiada en seco.
Fuente: [6]
La Figura Nº 2.8 muestra la micrografía SEM de un grano de quinua Real Rosada de Uyuni
tratada en seco durante un tiempo de 30 minutos.
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Figura Nº 2.8 Micrografía SEM quinua Real Rosada de Uyuni, 30 minutos de procesamiento.
Fuente: [6]
La Figura Nº 2.9 muestra la micrografía SEM de la misma variedad de quinua para un
tiempo de procesamiento de 60 minutos.
Figura Nº 2.9 Micrografía SEM quinua Real Rosada de Uyuni, 60 minutos de procesamiento.
Fuente: [6]
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EL sistema en seco bajo las condiciones propuestas, genera granos que no presentan
signos visibles de daños en la superficie. Además, la remoción de las capas externas del
episperma es más homogénea y controlada que en sistemas de beneficiado mediante
vía húmeda [6].
En cuanto al contenido de saponinas en los granos tratados, el contenido de proteína y el
contenido de materia grasa el beneficiado en seco mediante el LFTS muestra buenos
resultados. Para el diámetro de lecho de 7,5 cm los ecotipos de quinua tratados alcanzan
valores de saponina residual menores al 0,12 % a los 15 minutos, menores a 0,06 % (valor
referencial de comercialización) a los 20 minutos y menores a 0,01 % ( valor alcanzado en
el proceso desarrollado por el CPTS) a los 30 minutos [7].
Se demostró que el diámetro de lecho, altura de lecho y diámetro de boquilla para la
entrada de aire no tienen un efecto significativo sobre el contenido de proteína en el
grano procesado [7]. El contenido de proteína de los granos tratados bajo este sistema
varía entre 10,47 % y 13,46 %.
Los estudios realizados [6] sostienen que, los niveles de materia grasa en el producto
procesado están dentro del rango aceptable. Para la quinua real Blanca de Uyuni el
porcentaje de materia grasa esta alrededor de 7,2 %, y para la quinua rosada y amarilla
se encuentra alrededor de 5,5 %. La pérdida de masa en el proceso es mayor a 7 % para
las condiciones óptimas del proyecto.
La Tabla Nº 2.5 muestra las características del proceso de beneficiado en seco para las
condiciones óptimas establecidas en el proyecto realizado por los centros de
investigación (Altura de lecho de 12,5 cm, diámetro de lecho de 7,5 cm y diámetro de
boquilla de 1,4 mm)
Tabla Nº 2.5 Características del beneficiado en seco del CIPI y CIAAA bajo condiciones
óptimas.
Característica Especificación
Contenido residual de saponinas en el grano tratado [%] 0,006
Remoción de saponinas [%] 98,21
Contenido promedio de proteína en el grano tratado [%] 12,31
Pérdida de masa promedio [%] 7,20
Consumo especifico de energía [kWhkg-1] 0,325
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Además, se identificaron condiciones bajo las cuales el consumo de energía del sistema
era menor. La Tabla Nº 2.6 muestra las características del proceso bajo dichas condiciones
(Altura de lecho de 12,5 cm, diámetro de 20 cm y diámetro de boquilla de 1,4 mm).
Tabla Nº 2.6 Características del beneficiado en seco del CIPI y CIAAA para el lecho de 20
cm de diámetro.
Característica Especificación
Contenido de saponinas en el grano tratado [%] 0,093
Remoción de saponinas [%] 66,55
Contenido promedio de proteína en el grano tratado [%] 11,84
Pérdida de masa promedio [%] 4,93
Consumo especifico de energía [kWhkg-1] 0,283
Bajo estas condiciones, el proceso no logra remover las saponinas en un tiempo de 30
minutos. Sin embargo, el ahorro energético es importante.
La pérdida de masa durante la desaponificacion se da durante los primero minutos de
procesamiento y es mayor para diámetros de boquilla menores, debido a que las
elevadas velocidades de aire a la entrada del surtidor generan mayor fuerza de choque
entre los granos que están siendo procesados [7].
La Tabla Nº 2.7 muestra la pérdida de masa para distintos ecotipos de quinua
beneficiadas en seco en función del tiempo de tratamiento.
Tabla Nº 2.7 Pérdida de masa para distintos ecotipos de quinua.
Tiempo de
tratamiento
[min]
Pérdida de masa [%]
Rosada
Uyuni
Amarilla
Uyuni
Blanca
Uyuni
Blanca
Salinas
Rosada
Salinas
5 5,14 4,12 3,47 4,14 4,25
10 7,91 5,48 4,92 5,76 5,49
15 6,52 5,90 5,06 5,94 5,89
20 6,69 6,17 5,30 6,17 6,23
30 7,43 6,74 6,04 6,41 6,47
Fuente: [7]
25
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Para las condiciones óptimas, la velocidad de remoción de masa es más mayor durante
los primeros 5 minutos y decae paulatinamente a partir de los 10 minutos. Tiempos de
tratamiento mayores a 20 minutos no generan aumentos significativos en la pérdida de
masa de los granos procesados.
Este comportamiento puede observarse en la Figura Nº 2.10 donde se muestra la pérdida
de masa en función del tiempo de tratamiento para quinua real Rosada de Uyuni bajo
condiciones de operación de diámetro de lecho de 7,5 cm, altura de lecho de 12,5 cm y
diámetro de boquilla de 1,4 mm.
Figura Nº 2.10 Comportamiento de la cinética de pérdidas de masa.
Fuente: [7]
El proceso de beneficiado propuesto por el CIPI está constituido por ocho etapas [12]:
Limpieza y clasificación de la materia prima.
Almacenaje.
Despedregado.
Desaponificación en el sistema fluidizado de tipo surtidor.
Tamizado de los granos desaponificados.
Desinfección y Separación magnética de impurezas ferrosas.
Separación óptica de granos de color.
Envase.
0,0
2,0
4,0
6,0
8,0
0 10 20 30 40 50 60
Pér
did
as d
e m
asa
[%]
Tiempo de procesamiento [min]
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La etapa de desaponificacion mediante el LFTS es la más importante del proceso. En esta
etapa los granos previamente limpiados y seleccionados son alimentados al reactor de
desaponificacion.
La parte central del reactor es una cámara rectangular cerrada, dotada de una tolva de
alimentación, con el piso construido con varias filas de canales, al fondo de los cuales se
sitúan, a distancias iguales, varias boquillas de diámetro interior pequeño y por las que
fluye, hacia arriba, aire filtrado a elevada velocidad.
Los granos de quinua, alimentados desde la tolva, recorren transversalmente los canales,
organizando un relleno granular con un surtidor de partículas en la posición de cada
boquilla. Los granos en circulación en este surtidor, reciben un impulso de la corriente
gaseosa y son disparados hacia arriba, chocando entre ellos, de tal manera que las
capas externas de los granos se desintegran bajo la forma de un polvo muy fino, que es
arrastrado fuera de la cámara y recolectado en un ciclón, por medio de un ducto
situado en la parte central del techo.
La Figura Nº 2.11 muestra las vistas en perspectiva del equipo utilizado en el proceso de
desaponificacion propuesto por el CIP y el CIAAA.
(A) Vista Frontal (B) Vista lateral
Figura Nº 2.11 Vistas del reactor propuesto por el CIPI.
Fuente: [12]
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La Figura Nº 2.12 muestra la vista en perspectiva del reactor propuesto.
Figura Nº 2.12 Vista tridimensional del reactor propuesto por el CIPI.
Fuente: [12]
Para la provisión de aire, se emplea un equipo BOGE de modelo S 20-2 que cuenta con
una patente mundial para la compresión por tornillo, una forma eficiente de proveer aire
a presión moderada. El equipo suministra 2,67 m3min-1 de aire filtrado a 7 bar al nivel del
mar y a 5 bar a 4 000 m.s.n.m. La Figura Nº 2.13 muestra el equipo descrito.
Figura Nº 2.13 Compresor de Tornillo.
Fuente: [12]
28
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2.4 Pérdidas de presión en fluidos compresibles
2.4.1 Pérdida de presión en ductos de área constante
Cuando un fluido fluye por una tubería o ducto, se ve expuesto a un esfuerzo cortante a lo
largo del ducto. A medida que el fluido avanza dentro del ducto, la fricción del fluido con
este, se traduce en una perdida irreversible de energía, que se convierte en energía
interna o es desechada hacia el exterior [13].
La pérdida de energía esta relacionada con la rugosidad de la tubería y una constante
denominada factor de fricción de Fanning. En el flujo turbulento y en el flujo laminar, este
factor esta relacionado con el número de Reynolds.
En el caso de los fluidos compresibles, las ecuaciones para la evaluación de la perdida de
presión son bastante complejas. Sin embargo, si se supone que el gas es ideal, se puede
derivar la siguiente ecuación para flujo compresible isotérmico [14]:
(1)
Donde:
P1 es la presión a la entrada de la tubería o ducto en Pa
P2 es la presión a la salida de la tubería o ducto en Pa
f es el factor de fricción de Fanning
ΔL es la longitud del tramo recto en m
G es el flujo másico por unidad de área transversal de la tubería, medido en kgm-2s-1
D es el diámetro interno de la tubería en m
M es el peso molecular del gas que fluye por la tubería en kgkgmol-1
Los resultados para flujo compresible adiabático suelen desviarse muy poco de los del
flujo isotérmico, especialmente en tuberías largas, con una diferencia máxima del 20 %. En
tuberías cuya longitud es cerca de 1000 diámetros, la diferencia máxima es del 5 % [13].
29
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2.4.2 Pérdida de presión en accesorios (Rotámetro)
Los rotámetros son equipos para la medición de caudal, cuya principal característica es el
área variable que presentan. A diferencia de otros medidores de caudal, la variación de
velocidad a lo largo de un área variable, asegura una pérdida de presión constante en el
medidor.
Estudios realizados [13], sostienen que la perdida de presión en un rotámetro es mínima.
Además, esta está relacionada con las características de construcción del mismo,
específicamente con las características del flotador empleado.
Los rotámetros poseen como elemento indicador un flotador, que está contenido dentro
del tubo cónico del rotámetro y está sometido a la corriente de fluido que se desea medir.
Los flotadores pueden construirse de metales de densidad variable, desde el plomo al
aluminio, de vidrio o de plástico. Sin embargo, los flotadores más comunes son los de
acero inoxidable.
La Figura Nº 2.14 muestra el esquema de un rotámetro con flotador de acero inoxidable
cilíndrico con borde sobre saliente.
Figura Nº 2.14 Esquema de un rotámetro.
La pérdida de presión a través del ducto de área variable esta dada por [13]:
30
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*
+ (2)
Donde:
Gf es el peso del flotador provisto en el rotámetro
Vf es el volumen del flotador
ρf es la densidad del fluido medida a las condiciones de operación
Af es el mayor área de sección transversal del flotador
Las variables descritas, deben expresarse en unidades del sistema internacional (SI).
Las pérdidas de presión debido a las conexiones al rotámetro y del tubo de área variable.
Son aproximadamente iguales a las pérdidas del flotador [13], por esta razón se incluye el
factor 2 en la ecuación 2.
2.4.3 Pérdida de presión por ensanchamiento y reducción repentina (boquillas)
Si el corte transversal de un ducto aumenta de manera gradual, las perdidas de presión
que se producen son mínimas. Sin embargo, cuando la sección aumenta repentinamente
se producen pérdidas adicionales debidas a los remolinos formados por la corriente que
se expande. La Figura Nº 2.15 muestra la vista en corte de un ensanchamiento brusco.
Figura Nº 2.15 Ensanchamiento brusco en un conducto
Fuente: [13]
31
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La pérdida de presión debido a la expansión brusca esta dada por [14] :
*( )
+ (3)
Donde:
ΔP es la caída de presión debido a la expansión brusca
A1 es el área de sección trasversal más pequeña
A2 es el área de sección trasversal más grande
V1 es la velocidad corriente arriba en el área más pequeña
α es el factor de corrección de la velocidad de la energía cinética, que toma el valor de
uno para flujo turbulento.
ρprom es la densidad promedio del gas entre los puntos 1 y 2
Cuando el corte transversal se reduce bruscamente, el fluido no puede adaptarse al
borde del ángulo recto y la corriente pierde contacto con la pared del conducto. Como
consecuencia de esto se forma un chorro que se estanca en la parte estrecha del
conducto. El chorro primero se contrae y luego se expande hasta ocupar el volumen de
la sección estrecha, restableciendo la distribución normal de velocidad. La Figura Nº 2.16
muestra la vista en corte de una reducción de sección brusca.
Figura Nº 2.16 Reducción brusca en un conducto
Fuente: [13]
32
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La pérdida de presión debido a la expansión brusca esta dada por [14]:
* ( )
+ (4)
Donde:
ΔP es la caída de presión debido a la expansión brusca
A1 es el área de sección trasversal más grande
A2 es el área de sección trasversal más pequeña
V2 es la velocidad corriente abajo en el área más pequeña
α es el factor de corrección de la velocidad de la energía cinética, que toma el valor de
uno para flujo turbulento.
ρprom es la densidad promedio del gas entre los puntos 1 y 2
2.4.4 Pérdida de presión en lechos fluidizados de tipo surtidor
La resistencia al flujo de un fluido a través de los huecos de un lecho de sólidos es la
resultante del rozamiento total de todas las partículas del lecho. El rozamiento total por
unidad de área es igual a la suma de dos tipos de fuerza [10]:
Fuerzas de rozamiento viscoso.
Fuerzas de inercia.
Para explicar estos fenómenos se hacen varias suposiciones:
Las partículas están dispuestas al azar, sin orientaciones preferentes.
Todas las partículas tienen el mismo tamaño y forma.
Los efectos de pared son despreciables.
La pérdida de presión en lechos fluidizados está gobernada por la ecuación de Ergun. Sin
embargo, los lechos fluidizados de tipo surtidor presentan características especiales que
hace que la perdida de presión se evalué de manera diferente que un lecho fluidizado
convencional [15].
33
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Según R. Lama [15], se puede estimar la pérdida de presión en un lecho mediante la
siguiente ecuación:
(
)
(
)(
)(( )
) (5)
Dónde:
ΔP es la caída de presión a través del lecho de tipo surtidor
H es la altura del lecho fijo de solidos
G es el flujo másico de gas por unidad de área transversal de lecho
µ es la viscosidad del fluido a las condiciones de operación del sistema
λ es el factor de forma de las partículas que conforman el lecho. Se define como la razón
entre el área superficial de la partícula y el área superficial de una esfera que tiene el
mismo volumen que la partícula.
ε es la porosidad del lecho, que se define como la relación entre el volumen de los huecos
en el lecho y el volumen total del mismo.
Dp es el diámetro nominal de la partícula que forma el lecho.
ρf es la densidad del fluido a las condiciones de operación.
K1 es una constante de proporcionalidad, que depende de las características del lecho
fluidizado.
n es una constante que caracteriza al tipo de flujo del gas durante la fluidización, toma un
valor de 1 para flujo completamente laminar y 2 para flujo completamente turbulento.
Todas las cantidades en la ecuación Nº 5, deben estar expresadas en unidades del
sistema internacional (SI).
34
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La Tabla Nº 2.8 muestra algunos de los valores de la constante para distintos tipos de
lechos y formas de partículas de empaque.
Tabla Nº 2.8 Pérdida de masa para distintos ecotipos de quinua.
Tipo de Partícula Altura de lecho
[pulg] K1
Trigo 4-12 78,1
Cebada 4-10 74,8
Semillas 4-16 49,9
Avena 4-12 71,3
Soya 4-5,5 73,1
Arvejas 4 72,6
Fuente: [15]
2.5 Trabajo en fluidos compresibles
En todo proceso continuo de compresión la relación entre la presión y el volumen del gas
durante el proceso, está dada por la relación:
(6)
La constante n, depende del camino termodinámico que sigue el fluido desde la succión
hasta la descarga del mismo. De manera general, el valor de esta constante se encuentra
comprendido entre 1,0 y el valor de la relación de capacidades caloríficas del fluido a
presión y volumen constante (cp/cv) [14].
2.5.1 Sistemas adiabáticos
En sistemas no refrigerados el fluido sigue un proceso de compresión adiabática, en el
cual la constante n toma el valor de la relación cp/cv = γ.
Para sistemas adiabáticos, la relación entre la presión y temperatura en la succión y
descarga está dada por [14]:
35
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(
)
(7)
El trabajo adiabático se calcula según la expresión [14]:
( )
*(
) + (8)
Dónde:
R: Constante universal de los gases ideales en unidades del Sistema Internacional (SI).
γ: Relación cp/cv para el fluido utilizado.
P1, P2: Presión absoluta de succión y de descarga en Pa.
T1: Temperatura absoluta de succión en K.
M: peso molecular del gas en kgkgmol-1
Finalmente la potencia en kilowatts requerida por el fluido se calcula según:
( )*(
) + (9)
m: Flujo másico del fluido en el sistema en kgs-1.
Las unidades de las expresiones descritas, corresponden al sistema internacional (SI).
2.5.2 Sistemas isotérmicos
Otro tipo de proceso de compresión es el isotérmico en el cual el valor de la constante n
es de 1, la relación entre la presión y la densidad del fluido simplemente es [14]:
36
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(10)
La potencia en kilowatts requerida por el fluido está dada por:
( ) (11)
Donde Q1 es el flujo volumétrico del gas en m3s-1 medido a las condiciones de
temperatura y presión de la succión.
Las presiones P1 y P2 se expresan en Pa.
Para una determinada relación de compresión y condiciones de succión, el trabajo que
se requiere en una compresión isotérmica es menor al trabajo requerido en una
compresión adiabática [14].
En procesos que no son isotérmicos ni adiabáticos, se puede hablar de una compresión
politropica, para la cual el valor de n está entre los límites 1 y γ. Este parámetro, debe ser
calculado experimentalmente midiendo la presión y densidad a la entrada y salida del
sistema. La constante n del proceso está dada por:
( )
( ) (12)
2.6 Balance de energía para la compresión de gases
El balance global de energía y el balance de energía mecánica, son los modelos más
conocidos para la descripción de un sistema en términos de energía. Estos modelos
consideran una serie de elementos, como la energía cinética y potencial del fluido.
En el sistema de lecho fluidizado, se tiene una etapa de compresión de gases, los términos
de carga estática, carga de velocidad y fricción pueden ser eliminados [14]. En el caso
de que la compresión del fluido siga un camino adiabático (caso en estudio), el balance
de energía del sistema de fluidización, estará dado por [14]:
37
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( )
*(
) + (13)
Dónde:
R es la constante universal de los gases ideales, en unidades del sistema internacional.
T1 Es la temperatura absoluta de entrada en el sistema, expresada en K.
La constante γ es la relación entre capacidades caloríficas a presión y volumen constante
del fluido utilizado.
P1 es la presión de entrada expresada en kPa.
P2 es la presión final en el sistema, expresada en kPa.
El primer término de la ecuación Nº 13, representa el gasto de energía que ocurre para
elevar la presión del fluido de operación desde un nivel inicial (presión atmosférica local)
hasta el valor necesario para generar un lecho estable. El termino Ws representa el trabajo
teórico que se le debe entregar al sistema, para poder vencer las pérdidas en el lecho y la
energía requerida durante la compresión del fluido utilizado.
Para evaluar el consumo de energía real que del sistema, se debe incluir el término de
eficiencia en la entrega de aire. Este valor depende se encuentra en la información
técnica del equipo utilizado para la provisión de aire al lecho.
2.7 Consumo de energía especifico en lechos fluidizado de tipo surtidor
El consumo de energía especifico en los lechos fluidizados de tipo surtidor, se define como
el uso teórico de energía por parte del fluido (aire), para generar una fluidización estable
(altura de fuente de 12,5 y 15 cm en los lechos de 7,5 y 20 cm de diámetro
respectivamente), divido entre la cantidad de quinua que se trata durante el proceso de
desaponificacion.
Este consumo teórico de energía, puede calcularse según la ecuación Nº 14, que se
deriva de las ecuaciones Nº 9 y Nº 13.
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( )
*(
) + (14)
Donde:
Ee es el consumo teórico de energía por unidad de masa de quinua expresado en
kWhkgquinua -1
m es el flujo másico de gas durante la fluidización en kgs-1.
La constante γ es la relación entre capacidades caloríficas a presión y volumen constante
del fluido utilizado.
R es la constante universal de los gases ideales, en unidades del sistema internacional.
T1 Es la temperatura absoluta de entrada en el sistema, expresada en K.
t es el tiempo de tratamiento medido en horas.
P1 es la presión de entrada expresada en kPa.
P2 es la presión final en el sistema, expresada en kPa.
M es el peso molecular del gas en kgkgmol-1
mq es la masa de quinua tratada en la corrida experimental medida en kg.
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III OBJETIVOS
3.1 Objetivo General
Para la solución del problema planteado, se ha seleccionado el siguiente Objetivo
General:
“Establecer las condiciones óptimas de operación (Diámetro de lecho, altura de lecho,
diámetro de boquilla y tiempo de operación) para disminuir el consumo de energía
eléctrica en el sistema de remoción de saponina de la quinua basado en la aplicación de
un lecho fluidizado tipo surtidor”
3.2 Objetivos Específicos
Para lograr el Objetivo General arriba propuesto, se ha identificado los siguientes Objetivos
Específicos:
Caracterizar el comportamiento del lecho bajo condiciones de operación
propuestas en el estudio.
Contar con un informe de laboratorio sobre el consumo optimizado de energía, el
contenido de saponinas residuales y la pérdida de masa en el grano procesado.
Modelar las pérdidas de presión en el sistema.
Contar con el diseño de un equipo industrial bajo nuevas condiciones óptimas.
Contar con la evaluación de costos del proceso bajo las nuevas condiciones
establecidas.
40
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IV METODOLOGÍA
4.1 Equipo experimental
El equipo experimental utilizado para realizar las corridas experimentales constaba de:
Un compresor de aire de tipo pistón, con capacidad de flujo de aire de 400 Lmin-1
y presión máxima de 12 bares.
Filtro de humedad, provisto de un manómetro, para regular la presión de
alimentación de aire al lecho.
Dos medidores de flujo de aire (rotámetros), uno de capacidad de 10-100 Lmin-1 y
otro de capacidad de 50-280 Lmin-1.
Boquillas de distintos diámetros internos correctamente calibradas.
Dos columnas de vidrio cilindro-cónicas, una de 7,5 cm de diámetro interno y otra
de 20 cm de diámetro interno, con ángulos de inclinación de 45º. Ambas
columnas tienen un tubo de entrada de aire de 10 mm de diámetro externo, al
que se pueden adaptar boquillas de distintos diámetros.
Un filtro-manga recolector de polvos de tela de porosidad adecuada, provisto de
una malla que no deja pasar los granos.
La Figura Nº 4.1 muestra el esquema del equipo experimental utilizado.
Figura Nº 4.1 Equipo experimental con todos los elementos.
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4.2 Caracterización del lecho
4.2.1 Pruebas preliminares de consumo energético
Se realizaron pruebas preliminares con granos de quinua previamente tratados, las
variables dependientes consideradas fueron:
Diámetro de lecho 7,5 cm y 20 cm
Altura de lecho 7,5 cm y 12,5 cm
Diámetro de boquilla desde 1 hasta 5 mm con intervalos de 1 mm
Las Boquillas de diámetro mayor a 2 mm fueron dotadas de mallas milimétricas, para
evitar el ingreso de los granos de quinua en las mismas.
Se calculó el consumo específico de energía eléctrica durante cada prueba, midiendo el
tiempo de funcionamiento del compresor provisto en el sistema y la carga de quinua
tratada por corrida experimental.
4.2.2 Pruebas de caracterización de lecho
Se realizaron pruebas en cada columna cilindro-cónica disponible (lechos de 7,5 cm y 20
cm de diámetro), para determinar experimentalmente las condiciones de operación
requeridas para generar un lecho fluidizado estable y apropiado para la remoción de
saponinas, en el cual la altura de la fuente es de 12,5 cm para el lecho de menor
diámetro y de 15 cm para el lecho de mayor diámetro.
Para cada columna, la altura de lecho fijo se varió entre 7,5 y 17,5 centímetros, con
intervalos de 2,5 centímetros. Se utilizaron boquillas de 1,4, 2, 3 y 4 milímetros en el lecho de
7,5 centímetros de diámetros. En el lecho de 20 centímetros de diámetro, no se consideró
la boquilla de 1,4 milímetros.
Para cada prueba se midieron:
Flujo de operación.
Presión manométrica de operación.
Flujo estándar de aire.
Velocidad lineal de aire a la salida de la boquilla.
42
UPB © 2012
Además, se evaluó de manera cualitativa el comportamiento del lecho generado y el
movimiento de los granos de quinua bajo distintas condiciones.
4.3 Determinación experimental de condiciones óptimas
En función a los resultados de la fase de caracterización, se determinó la altura de lecho
óptima. Se tomó como criterio, minimizar la potencia por unidad de masa de quinua
requerida por el aire, para operar el lecho fluidizado.
Para la columna de diámetro de 7,5 centímetros se realizaron pruebas variando el tiempo
de tratamiento de 5 a 25 minutos, con intervalos de 5 minutos. Se utilizaron boquillas de
diámetro de 1,4; 2; 3 y 4 milímetros.
Para la columna de diámetro de 20 centímetros se realizaron las pruebas variando el
tiempo de tratamiento de 30 a 60 minutos, con intervalos de 10 minutos. Se utilizaron
boquillas de diámetro de 2; 3 y 4 milímetros.
Se midieron:
Pérdida de masa
Contenido de saponinas en las muestras sin tratar
Contenido de saponinas en las muestras tratadas
Energía requerida teóricamente por el aire, por unidad de masa de quinua
tratada, para operar el lecho fluidizado.
El contenido de saponinas residuales fue medido en una muestra aleatoria de la quinua
procesada en cada corrida experimental, mediante el método de la espuma (NB 683).
4.3.1 Determinación del contenido de saponinas en muestras tratadas. Método de la
espuma
Inicialmente se construyó la curva de calibración descrita en el método descrito en la
Norma Boliviana NB 683 y se verificó la validez de la misma. Mediante un análisis de
regresión lineal, se evaluó el coeficiente de correlación obtenido durante esta etapa.
Para la evaluación del contenido de saponinas de las muestras tratadas, se pesaron en
tubos de ensayo de base plana, aproximadamente 0,5 gramos de quinua (el peso real de
la muestra fue registrado) y se agregaron 20 ml de agua destilada.
43
UPB © 2012
Se agitó cada tubo de ensayo durante un tiempo de 1 minuto y posteriormente se dejó en
reposo durante 15 minutos. Finalmente, se midió la altura de la espuma formada en el
tubo de ensayo con la ayuda de una regla milimétrica.
El contenido de saponinas en las muestras de quinua tratada, se cuantificó en base a la
altura medida y la curva de calibración construida. Las determinaciones del contenido de
saponinas se realizaron por duplicado.
4.3.2 Determinación del tiempo óptimo de tratamiento
Se estableció como el nivel de saponinas residuales, el nivel alcanzado por el proceso
desarrollado por el CPTS (0,01 % de saponinas residuales en el grano de quinua).
Se realizó un análisis de regresión en función a los datos experimentales obtenidos para el
contenido de saponinas residuales. Para la aceptación de las curvas propuestas, se
evaluó el coeficiente de correlación, estableciendo como valor de correlación mínimo el
de 0,99.
Con las funciones de regresión construidas, se calculó del tiempo de tratamiento
requerido para alcanzar el valor de saponinas residuales establecido.
La estimación de estos datos solo se realizó para boquillas que alcanzaban valores muy
cercanos a 0,01 % de saponinas, en el tiempo máximo de tratamiento establecido
experimentalmente. Para boquillas cuyos niveles de saponina eran muy superiores a 0,01
%, no se realizó la estimación debido a que el análisis de regresión no era representativo y
no se consideraron en el estudio.
4.3.3 Determinación del consumo energético teórico
En función a las condiciones de operación establecidas: Flujo de operación, presión de
operación, tiempo de tratamiento y carga de quinua tratada, se evaluó el consumo
específico de energía según la ecuación Nº 14. Con la ayuda del software Engineering
Equation Solver versión 8.400 se cuantificó la energía consumida en cada caso.
Posteriormente, se realizó un análisis comparativo entre cada geometría (lecho de 7,5
centímetros de diámetro y lecho de 20 centímetros de diámetro) tomando en cuenta la
presión de operación, flujo de operación, consumo teórico de energía, pérdida de masa
44
UPB © 2012
registrada, comportamiento y estabilidad del lecho generado. En función a estos
parámetros se seleccionó la geometría más adecuada.
4.4 Modelamiento de la pérdida de presión
Se realizaron pruebas adicionales para medir la pérdida de presión real bajo distintas
condiciones de diámetro de lecho, altura de lecho y diámetro de boquilla. Se realizó la
evaluación teórica de la pérdida de presión en el sistema descrito en la Figura Nº 4.1. Se
consideraron:
Pérdidas de presión en mangueras de alimentación
Pérdida de presión en el rotámetro
Pérdida de presión en la boquilla de alimentación de aire al lecho
Pérdida depresión a través del lecho
Pérdida de presión en la manga recolectora
Se validó el modelo, comparando la pérdida de presión calculada, contra la caída de
presión real medida en el sistema (lectura del manómetro). Se cuantificó el error relativo
para los valores obtenidos mediante el modelo de perdida de presión.
4.5 Diseño del equipo industrial bajo condiciones óptimas
En función a las condiciones óptimas determinadas en la fase de laboratorio del proyecto,
se realizó el diseño de una batería de boquillas que permitan tratar los granos de quinua a
nivel industrial.
Se consideró un nivel de producción de 100 quintales de quinua tratada por día. En
función a esta capacidad se calculó el número de boquillas necesarias, el área de la
batería de boquillas y la altura de lecho de quinua.
En función a los requerimientos de presión y flujo de aire de operación se procedió a
seleccionar el equipo para el suministro de aire adecuado y en función a las
especificaciones técnicas del mismo y las condiciones de operación establecidas, se
calculó el consumo específico de energía real en la etapa de desaponificacion.
Se realizó un análisis comparativo entre las condiciones establecidas en el presente
proyecto y las condiciones registradas por los centros de investigación de la UPB (CIPI y
45
UPB © 2012
CIAAA) en su fase inicial. Además, se realizó la comparación con la tecnología
desarrollada por el Centro de Promoción de Tecnologías Sostenibles (CPTS).
4.6 Evaluación de costos del proceso bajo condiciones óptimas
Se realizó un análisis comparativo entre el proceso de desaponificacion bajo las
condiciones establecidas en el presente proyecto y las condiciones determinadas en el
estudio inicial de los centros de investigación de la UPB. Se evaluó los ahorros en cuanto a:
Inversión en maquinaria y equipo.
Pérdidas de materia prima.
Consumo energético.
Se realizó la comparación de estos tres parámetros con los costos registrados en el
proyecto realizado por los centros de investigación de la UPB y, además, la comparación
con la tecnología desarrollada por el CPTS.
46
UPB © 2012
V RESULTADOS Y DISCUSIÓN
5.1 Caracterización de lecho
5.1.1 Pruebas preliminares de consumo energético
La Tabla Nº 5.1 muestra el consumo de energía eléctrica del compresor en el sistema de
remoción de saponina en seco (LFTS) bajo distintas condiciones (diámetro de lecho, altura
de lecho y diámetro de boquilla), para un tiempo de tratamiento de 30 minutos.
Tabla Nº 5.1 Consumo de energía eléctrica bajo distintas condiciones de procesamiento.
Corrida
Nº
Diámetro de
lecho
[cm]
Altura de
lecho
[cm]
Diámetro de la
boquilla
[mm]
Consumo específico
de energía eléctrica
[kWhkg-1]
1 20 12,5 5,0 0,734
2 20 7,5 2,0 0,670
3 7,5 12,5 5,0 2,484
4 7,5 12,5 4,0 2,395
5 7,5 7,5 1,0 0,978
6 20 7,5 3,0 1,346
7 20 12,5 2,0 0,571
8 7,5 7,5 4,0 3,258
9 20 7,5 4,0 1,201
10 20 12,5 3,0 0,696
11 20 7,5 1,0 0,390
12 7,5 7,5 5,0 3,240
13 7,5 12,5 3,0 2,302
14 7,5 7,5 2,0 1,554
15 7,5 7,5 3,0 2,293
16 20 12,5 4,0 0,711
17 7,5 12,5 2,0 1,848
18 20 7,5 5,0 1,302
19 20 12,5 1,0 0,423
20 7,5 12,5 1,0 1,317
47
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El consumo de energía eléctrica mostrado en la Tabla Nº 5.1 se calculó según:
(15)
Donde tf es el tiempo de funcionamiento del compresor durante la prueba, P es la
potencia nominal del motor del compresor y mquinua es la masa de quinua tratada. Todas
las variables deben expresarse en unidades del sistema internacional (SI)
La Figuras Nº 5.1 y 5.2 muestran el comportamiento del consumo específico de energía
eléctrica en función del diámetro de boquilla para los lecho de diámetro de 7,5 cm y 20
cm respectivamente.
Figura Nº 5.1 Comportamiento del consumo eléctrico (D=7,5cm).
En el LFTS de 7,5 de diámetro, se observó que el consumo específico de energía para la
altura de lecho de 7,5 cm se incrementa fuertemente con el diámetro de la boquilla
hasta 4 mm. En cambio, a una altura de 12,5 cm esta dependencia se hace más suave
hasta 3 mm. Los valores del consumo son mayores que para el lecho de menor altura,
cuando las boquillas son de diámetro pequeño (1 y 2 mm) y son menores cuando las
boquillas son de diámetro mayor (3 y 4 mm).
0,0
1,0
2,0
3,0
4,0
0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0
Co
nsu
mo
esp
ecí
fico
de
en
erg
ía
elé
ctri
ca [
kWh
kg-1
]
Diámetro de boquilla [mm]
H=7,5 cm H=12,5 cm
48
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Figura Nº 5.2 Comportamiento del consumo eléctrico (D=20 cm).
Para el lecho de mayor diámetro (20 cm) se aprecia la misma tendencia observada en el
lecho de 7,5 cm. Sin embargo, los valores de consumo específico a una altura de 12,5 cm
son substancialmente menores que para el lecho de 7,5 cm de diámetro, debido a las
mayores masas tratadas (440 -1450 g para el lecho de 7,5 cm vs. 190 – 350 g para el de 20
cm).
Por otra parte, se observa que el diámetro de boquilla de 5 mm no genera ahorros
significativos en cuanto a consumo específico de energía, aún en el lecho de mayor
masa.
Estas tendencias indican que a menores diámetros de boquilla (menores flujos de aire),
mayores diámetros de lecho y mayores alturas de lecho (mayores cargas de quinua), los
consumos específicos de energía eléctrica se minimizan. Estos resultados concuerdan con
los reportados en el estudio anterior [7]. Sin embargo, las boquillas de diámetro menor o
igual a 1 mm requieren presiones de rompimiento del lecho estático mayores a 6 kgfcm-2
para alturas de lecho de 12,5 cm, en lechos de diámetro pequeño y no pueden romper el
lecho a diámetros más grandes. Por otra parte, se ha observado que estas boquillas no
permiten la remoción homogénea de saponinas, generando lechos que se estancan en
la región anular descendente [6,7].
0,0
1,0
2,0
3,0
4,0
0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0Co
nsu
mo
esp
ecíf
ico
de
en
ergí
a el
ectr
ica
[kW
hkg
-1]
Diámetro de boquilla [mm]
H=7,5 cm H=12,5 cm
49
UPB © 2012
Las boquillas de mayor diámetro, permiten romper y generar lechos estables con
presiones bastante más bajas a flujos de aire mayores, con consumos específicos
relativamente pequeños (Ver Figura 5.2).
5.1.2 Pruebas de caracterización de lecho
5.1.2.1 Caracterización del lecho de diámetro de 7,5 cm
La Tabla Nº 5.2 muestra los resultados obtenidos de la presión de operación, flujo de
operación, flujo estándar de aire (STP), velocidad lineal del aire a la salida de la boquilla y
flujo másico de aire por unidad de área transversal de lecho en función a la altura de
lecho, para el diámetro de lecho de 7,5 cm.
Tabla Nº 5.2 Condiciones de operación en función a la altura (D=7,5 cm).
Altura de
lecho
[cm]
Diámetro
de boquilla
[mm]
Presión de
operación
[kgfcm-2]
Flujo de
operación
[Lmin-1]
Flujo STP
de aire
[Lmin-1]
Velocidad
lineal de aire
[ms-1]
Flujo másico
de aire por
área
[kgs-1m-2]
7,5 1,4 1,25 18,0 25,31 194,88 0,113
10,0 1,4 1,70 22,0 34,21 238,19 0,159
12,5 1,4 2,60 25,0 45,50 270,67 0,203
15,0 1,4 3,60 28,0 58,04 303,15 0,259
7,5 2,0 0,90 42,0 53,67 222,82 0,240
10,0 2,0 1,10 50,0 67,63 265,26 0,302
12,5 2,0 1,30 58,0 82,69 307,70 0,369
15,0 2,0 1,90 65,0 105,09 344,84 0,469
17,5 2,0 2,10 68,8 115,53 365,00 0,515
7,5 3,0 0,70 69,0 82,71 162,69 0,369
10,0 3,0 0,80 75,0 92,92 176,84 0,415
12,5 3,0 0,95 86,8 111,12 204,66 0,503
15,0 3,0 1,20 95,0 131,89 224,00 0,589
17,5 3,0 1,30 101,0 143,99 238,14 0,642
7,5 4,0 0,40 90,0 96,21 119,37 0,430
10,0 4,0 0,50 105,0 116,96 139,26 0,522
12,5 4,0 0,60 115,0 133,29 152,52 0,594
15,0 4,0 0,80 128,0 158,59 169,77 0,708
17,5 4,0 0,90 130,4 166,93 172,95 0,744
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Los resultados obtenidos muestran que la presión manométrica y el flujo volumétrico de
operación necesarios para establecer un lecho estable aumentan en función a la altura
de lecho. El flujo estándar está calculado a condiciones estándar de presión y
temperatura (25ºC y 1 atm).
Las Figuras Nº 5.3, 5.4, 5.5 y 5.6 muestran el comportamiento de las condiciones de
operación en función a la altura de lecho.
Figura Nº 5.3 Presión de operación en función a la altura de lecho (D=7,5 cm).
La presión de operación requerida por el sistema es menor para boquillas de mayor
diámetro, esto se puede explicar, en parte, por las caídas de presión mayores que se
originan en las boquillas de menor diámetro, debido a una mayor reducción de área.
Además, se observa que con la boquilla de 1,4 mm de diámetro se requiere una presión
de operación de un orden mucho mayor. Para alturas de lecho mayores a 15 cm, el lecho
no se puede romper el lecho fijo con esta boquilla.
0,0
1,0
2,0
3,0
4,0
5,0 7,5 10,0 12,5 15,0 17,5 20,0
Pre
sió
n d
e o
per
ació
n [
kgfc
m-2
]
Altura de lecho [cm]
Boquilla 1,4 mm Boquilla 2 mm
Boquilla 3 mm Boquilla 4 mm
51
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Figura Nº 5.4 Flujo estándar de operación en función a la altura de lecho (D=7,5 cm).
Se observa que el flujo de operación, expresado como flujo estándar, aumenta en
función a la altura de lecho. Las boquillas de diámetro mayor requieren mayores flujos de
operación para generar lechos estables. Para todos los diámetros de boquilla el
incremento de flujo con la altura, es similar.
Figura Nº 5.5 Velocidad lineal de aire función de la altura de lecho (D=7,5 cm).
0
50
100
150
200
5,0 7,5 10,0 12,5 15,0 17,5 20,0
Flu
jo S
TP d
e ai
re [
Lmin
-1]
Altura de lecho [cm]
Boquilla 1,4 mm Boquilla 2 mm
Boquilla 3 mm Boquilla 4 mm
0
100
200
300
400
5,0 7,5 10,0 12,5 15,0 17,5 20,0
Vel
oci
dad
lin
eal a
la
salid
ad d
e la
bo
qu
illa
[ms-1
]
Altura de lecho [cm]
Boquilla 1,4 mm Boquilla 2 mm
Boquilla 3 mm Boquilla 4 mm
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Las boquillas de diámetros menores (1,4 y 2 mm) presentan velocidades lineales elevadas
que pueden generar la destrucción del grano de quinua y perdida de propiedades
nutricionales del mismo, así como el incremento en la pérdida de masa en el proceso.
Figura Nº 5.6 Flujo másico de aire por unidad de área transversal de lecho en función de la
altura de lecho (D=7,5 cm).
Las boquillas de mayor diámetro, presentan mayores gastos másicos de aire. Se observa
que el incremento del flujo másico por unidad de área de lecho en función a la altura de
lecho es similar para todas las boquillas.
Además, se estudió el comportamiento del lecho fluidizado bajo distintas condiciones de
operación. Se observó que la altura de lecho influía en su comportamiento para cualquier
diámetro de boquilla. Con el incremento de altura de lecho, el movimiento de los granos
de quinua en el LFTS se tornaba irregular.
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
5,0 7,5 10,0 12,5 15,0 17,5 20,0Flu
jo m
ásic
o p
or
un
idad
de
áre
a [k
gs-1
m-2
]
Altura de lecho [cm]
Boquilla 1,4 mm Boquilla 2 mm
Boquilla 3 mm Boquilla 4 mm
53
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La Tabla Nº 5.3 resume las características del lecho fluidizado formado en cada caso.
Tabla Nº 5.3 Características del LFTS formado bajo distintas alturas de lecho (D=7,5 cm).
Diámetro de
boquilla [mm]
Altura de
lecho [cm] Características del surtidor formado
1,4
7,5 Fuente estable, movimiento homogéneo de los
granos de quinua, presión de rompimiento baja.
10,0 Movimiento regular de los granos de quinua, la
presión de rompimiento aumenta, el LFTS es estable.
12,5 Fuente estable, movimiento homogéneo de las
partículas en el lecho.
15,0 El lecho fluidizado es generado con presión de
operación muy alta, inestable y tiende a colapsar.
17,5
No se pudo generar el rompimiento del lecho,
debido a que la presión necesaria superaba la
capacidad del equipo experimental.
2,0
7,5 Movimiento regular de los granos de quinua en el
LFTS, presión de rompimiento baja.
10,0
Movimiento homogéneo de los granos de quinua,
buen nivel de mezcla de los mismos, fuente regular,
presión de rompimiento baja.
12,5
Lecho estable, movimiento homogéneo de las
partículas en la base cónica, fuente estable. Nivel
de mezcla muy bueno.
15,0 Lecho poco estable, movimiento caótico de las
partículas en el lecho.
17,5
Movimiento irregular de la fuente, los granos de
quinua tienen a chocar contra las paredes de
reactor, presión de rompimiento muy alta.
3,0
7,5 Presión de rompimiento baja, movimiento
homogéneo, fuente poco estable.
10,0 Presión de rompimiento baja, movimiento irregular
de los granos de quinua en el LFTS.
12,5
Presión de rompimiento baja, se genera un lecho
estable, el movimiento de los sólidos en el sistema
no es uniforme.
15,0
Movimiento caótico de los granos de quinua, los
granos de quinua en la fuente golpean contra las
paredes del reactor.
17,5
Fuente irregular, movimiento caótico, los granos de
quinua golpean contra las paredes del reactor, el
lecho tiende a colapsar.
54
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Diámetro de
boquilla [mm]
Altura de
lecho [cm] Características del surtidor formado
4,0
7,5
(Continuación)
Presión de rompimiento muy baja, movimiento
irregular de los granos de quinua, la fuente es
irregular.
10,0 El movimiento de los solidos en el lecho no es
homogéneo, la fuente generada es irregular.
12,5
Presión de rompimiento baja, movimiento irregular
de los sólidos en el lecho. La Fuente muestra un
comportamiento irregular.
15,0
Fuente inestable, los granos de quinua tienen a
realizar un movimiento heterogéneo y chocar
contra las paredes del reactor.
17,5
Fuente inestable, movimiento caótico, los granos de
quinua golpean contra las paredes del reactor, el
lecho tiende a colapsar.
De manera general en el reactor de 7,5 cm de diámetro se observó mayor tasa de
movimiento de los granos de quinua con boquillas de diámetros pequeños. Las boquillas
de diámetro mayor a 2 mm remueven las saponinas lentamente y el consumo de energía
se eleva.
Las Figuras 5.7 a 5.10 muestran en comportamiento del sistema bajo distintos diámetros de
boquilla y distintas alturas de lecho. Las figuras muestran que el lecho más estable se
obtiene para una altura de 12,5 cm con boquillas de diámetro pequeño (1 a 2 mm) y que
las boquillas de diámetro mayor (3 a 4 mm) no generan un movimiento uniforme de los
granos de quinua en el lecho.
55
UPB © 2012
(A) (B)
Figura Nº 5.7 Comportamiento del surtidor generado (D=7,5 cm h=12,5 cm).
(A) Boquilla de 1,4 mm (B) Boquilla de 2 mm.
(A) (B)
Figura Nº 5.8 Comportamiento del surtidor generado (D=7,5 cm h=12,5cm).
(A) Boquilla de 3 mm (B) Boquilla de 4 mm.
56
UPB © 2012
(A) (B)
Figura Nº 5.9 Comportamiento del surtidor (D=7,5 cm h=15,0cm).
(A) Boquilla de 1,4 mm (B) Boquilla de 2 mm
(A) (B)
Figura Nº 5.10 Comportamiento del surtidor generado (D=7,5 cm h=15,0cm).
(A) Boquilla de 3 mm (B) Boquilla de 4 mm.
57
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Se observó que con alturas de lecho mayores a 15,0 cm el lecho fluidizado generado es
irregular, independientemente del diámetro de boquilla utilizado. El aumento de la altura
de lecho, causa que la presión y el flujo de operación se incrementen en mayor medida
que la carga de quinua tratada. Estos valores se pueden observar en la Tabla Nº 5.4,
donde se muestra el incremento porcentual de la presión de operación, flujo de
operación y carga de quinua tratada en función de la altura.
Tabla Nº 5.4 Variación porcentual entre lechos de altura de 12,5 cm y 17,5 cm
(D=7,5 cm).
Diámetro de
boquilla [mm]
Incremento de la
carga de quinua [%]
Incremento de la presión
de operación [%]
Incremento del flujo de
operación estándar [%]
2,0 51,43 61,54 40,01
3,0 51,43 44,45 29,12
4,0 51,43 50,00 23,95
Las boquillas utilizadas muestran valores de presión, flujo y velocidad lineal de operación
similares a los registrados en el estudio inicial realizado por el CIPI y el CIAAA. La Tabla Nº
5.5 muestra la comparación entre las condiciones de operación en el estudio y las
condiciones registradas en la bibliografía.
Tabla Nº 5.5 Comparación de condiciones de operación del presente estudio y del
estudio realizado por el CIPI y CIAAA (D=7,5 cm h=12,5 cm).
Característica
Valores iniciales
registrados por el CIPI y
CIAAA
Valores Obtenidos en la fase
de caracterización
Diámetro de boquilla [mm] 1,4 3,4 2,0 3,0 4,0
Presión de operación [kgfcm-2] 2,7 1,48 1,32 0,92 0,63
Flujo estándar de operación [Lmin-1] 45,20 106,70 82,95 111,59 134,04
Velocidad lineal de operación [ms-1] 267,10 132,80 307,70 204,66 152,52
En esta geometría Las boquillas de diámetros menores a 2 mm son las más adecuadas,
debido a que la disminución en el flujo requerido es más significativa que la disminución
de presión de operación requerida. Además, bajo la acción de boquillas de diámetro
pequeño el lecho generado es más homogéneo.
58
UPB © 2012
5.1.2.2 Caracterización del lecho de diámetro de 20 cm
La Tabla Nº 5.6 muestra los resultados obtenidos de la presión de operación, flujo de
operación, flujo estándar de aire (STP), velocidad lineal del aire a la salida de la boquilla y
el flujo másico de aire por unidad de área de lecho en función a la altura de lecho, para
el diámetro de lecho de 20 cm.
Tabla Nº 5.6 Condiciones de operación en función a la altura (D=20 cm).
Altura de
lecho
[cm]
Diámetro
de boquilla
[mm]
Presión de
operación
[kgfcm-2]
Flujo de
operación
[Lmin-1]
Flujo STP
de aire
[Lmin-1]
Velocidad
lineal de aire
[ms-1]
Flujo másico
de aire por
área
[kgs-1m-2]
7,5 2,0 1,10 41,2 55,72 218,57 0,035
10,0 2,0 1,60 52,1 79,35 276,40 0,050
12,5 2,0 2,20 61,2 104,37 324,68 0,066
15,0 2,0 3,20 75,0 147,91 397,89 0,093
7,5 3,0 0,70 85,2 102,13 200,89 0,064
10,0 3,0 0,90 92,0 117,57 216,92 0,074
12,5 3,0 1,20 101,2 140,50 238,61 0,088
15,0 3,0 1,75 115,0 180,63 271,15 0,113
17,5 3,0 2,20 128,8 219,66 303,69 0,138
7,5 4,0 0,55 105,1 119,36 139,39 0,075
10,0 4,0 0,85 125,2 157,58 166,05 0,099
12,5 4,0 1,15 154,2 214,08 204,51 0,134
15,0 4,0 1,80 180,0 285,52 238,73 0,179
17,5 4,0 2,30 201,2 348,87 266,85 0,219
Los resultados obtenidos muestran que la presión manométrica y el flujo volumétrico de
operación necesarios aumentan en función a la atura del lecho.
Se observa que, tanto la presión de operación como el flujo de operación, son mayores
que para el reactor de 7,5 centímetros de diámetro. Esto se debe a que la cantidad de
quinua tratada en este sistema es mucho mayor y el flujo de aire se distribuye radialmente
por el lecho, aumentando la pérdida de presión en el lecho. Por tanto, la presión de
operación requerida se incrementa. Las Figuras Nº 5.11, 5.12, 5.13 y 5.14 muestran el
comportamiento de las condiciones de operación en función a la altura de lecho.
59
UPB © 2012
Figura Nº 5.11 Presión de operación en función a la altura de lecho (D=20 cm).
La velocidad de incremento correspondiente al lecho de 20 cm es mayor a la registrada
en el lecho de 7,5 cm de diámetro. Este resultado sugiere que, el aporte de la caída de
presión en la boquilla a la caída de presión global es más importante en el caso del lecho
de diámetro menor, debido al menor recorrido del aire en dirección lateral dentro el
lecho. En lechos de diámetro mayor el aporte de la caída de presión en el lecho se hace
más significativo debido a que el aire recorre el lecho de manera radial.
Figura Nº 5.12 Flujo estándar de operación en función a la altura de lecho (D=20 cm).
0,0
1,0
2,0
3,0
4,0
5,0 7,5 10,0 12,5 15,0 17,5 20,0
Pre
sió
n d
e o
pe
raci
ón
[kg
fcm
-2]
Altura de lecho [cm]
Boquilla 2 mm Boquilla 3 mm Boquilla 4 mm
0
100
200
300
400
5,0 7,5 10,0 12,5 15,0 17,5 20,0
Flu
jo S
TP d
e a
ire
[Lm
in-1
]
Altura de lecho [cm]
Boquilla 2 mm Boquilla 3 mm Boquilla 4 mm
60
UPB © 2012
Los flujos volumétricos son mayores para boquillas de mayor diámetro y para mayores
alturas de lecho. Los flujos requeridos en este sistema son mayores a los requeridos con un
diámetro de lecho de 7,5 cm debido a que la carga de quinua procesada es mayor para
el diámetro de 20 cm.
Figura Nº 5.13 Velocidad lineal de aire función de la altura de lecho (D=20 cm).
En general, se observa que la velocidad lineal aumenta a medida que se trata lechos de
mayor altura. Además, las boquillas de mayor diámetro presentan velocidades lineales
menores, lo cual disminuye la pérdida de masa durante el proceso de desaponificacion.
En general las velocidades de aire fueron algo mayores a las registradas en el lecho de 7,5
cm. Esto se debe a que los flujos registrados fueron mucho mayores. El incremento de flujo
volumétrico y de velocidad lineal al ingreso del surtidor se debe a que, en estas
condiciones, la carga de quinua procesada es mucho mayor, por lo tanto se requiere
mayor energía para generar un surtidor y fuente estables.
Los valores de la velocidad lineal registrados en el estudio inicial realizado por el CIPI y
CIAAA [7], para lechos de diámetro de 7,5 centímetros, varían entre 160 - 290 ms-1 para
boquillas de 1,4 mm de diámetro interno y entre 70 - 160 ms-1 para boquillas de 3,4 mm de
diámetro interno.
0
100
200
300
400
500
5,0 7,5 10,0 12,5 15,0 17,5 20,0
Vel
oci
dad
lin
eal a
la s
alid
a d
e la
bo
qu
illa
[ms-1
]
Altura de lecho [cm]
Boquilla 2 mm Boquilla 3 mm Boquilla 4 mm
61
UPB © 2012
Figura Nº 5.14 Flujo másico de aire por unidad de área transversal de lecho en función de
la altura de lecho (D=20 cm).
Se observó que el comportamiento del surtidor bajo distintos diámetros de boquilla y
alturas de lecho era diferente al comportamiento observado en el reactor de diámetro de
7,5 cm.
La Tabla Nº 5.7 resume el comportamiento del lecho de 20 cm de diámetro.
Tabla Nº 5.7 Características del lecho formado bajo distintas condiciones (D=20 cm).
Diámetro de
boquilla [mm]
Altura de
lecho [cm] Características del lecho formado
2,0
7,5 Fuente regular, poco movimiento de los granos de
quinua, presión de rompimiento baja
10,0
Movimiento de los granos de quinua únicamente
cerca de la línea central, presión de rompimiento
baja.
12,5 Lecho estable, movimiento de los granos de quinua
únicamente cerca de la línea central del lecho.
15,0 Poco nivel de mezcla de los granos de quinua,
movimiento solo en la línea central del lecho.
17,5 No se pudo generar el lecho fluidizado.
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
5,0 7,5 10,0 12,5 15,0 17,5 20,0Flu
jo m
ásic
o p
or
un
idad
de
áre
a [k
gs-1
m-2
]
Altura de lecho [cm]
Boquilla 2 mm Boquilla 3 mm Boquilla 4 mm
62
UPB © 2012
Diámetro de
boquilla [mm]
Altura de
lecho [cm] Características del lecho formado
3,0
7,5
(Continuación)
Presión de rompimiento baja, los granos de quinua
se mezclan homogéneamente, fuente regular.
10,0 Movimiento homogéneo de los granos de quinua,
fuente regular y estable.
12,5
Presión de rompimiento baja, los granos de quinua
se mezclan homogéneamente. Existe mezcla de los
granos a lo largo de todo el lecho.
15,0
Movimiento caótico de los granos de quinua en la
fuente, los granos de quinua golpean contra las
paredes del reactor.
17,5
Movimiento caótico, los granos de quinua golpean
contra las paredes del reactor. Presión de
operación elevada.
4,0
7,5
Movimiento caótico de los granos de quinua en la
fuente, mezclado irregular de los granos en el LFTS,
los granos tienen a chocar contra las paredes de
lecho
10,0
Movimiento caótico y brusco de los granos de
quinua, los cuales tienen a chocar con las paredes
del reactor y formar una fuente irregular, presión de
rompimiento baja.
12,5
Movimiento homogéneo, los granos de quinua en la
fuente tienden a chocar contra las paredes del
reactor.
15,0
Los granos de quinua en la fuente muestran un
movimiento irregular, chocan contra las paredes del
reactor. Se observa buena mezcla de los granos.
17,5
Movimiento caótico, los granos de quinua golpean
contra las paredes del reactor, el lecho tiende a
colapsar.
En este reactor (diámetro de 20 cm), se observó que diámetros de boquilla pequeños no
generan una mezcla homogénea y rápida de los granos de quinua que están siendo
tratados, debido a la mayor cantidad de quinua, por lo cual, el tiempo de tratamiento
debe ser mayor. En este sistema, las boquillas de diámetro mayor generan mayor mezcla
63
UPB © 2012
de los granos durante su tratamiento, lo cual disminuye el tiempo de tratamiento
necesario.
Además, se observó que en esta geometría los diámetros de boquilla pequeños requieren
presiones muy altas para romper el lecho de quinua, en algunos casos no se logró el
rompimiento del lecho fijo. Es por esto que para esta geometría las boquillas de diámetro
mayor son las más adecuadas para disminuir el consumo de energía.
Las Figuras 5.15 a 5.17 muestran el comportamiento del surtidor bajo distintos diámetros de
boquilla y distintas alturas de lecho, las figuras muestran que el lecho más regular se
obtiene para una altura de 12,5 cm con boquillas de diámetro grande (3 y 4 mm). Se
observa que para la boquilla de 2 mm el lecho generado es poco estable y tiende a
colapsar, debido a las presiones de operación elevadas que se registran con esta
boquilla.
(A) (B) (C)
Figura Nº 5.15 Comportamiento del surtidor generado (D=20 cm h=12,5 cm).
(A) Boquilla de 2 mm (B) Boquilla de 3 mm (C) Boquilla de 4 mm.
64
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(A) (B) (C)
Figura Nº 5.16 Comportamiento del surtidor generado (D=20 cm h=15,0 cm).
(A) Boquilla de 2 mm (B) Boquilla de 3 mm (C) Boquilla de 4 mm.
(A) (B)
Figura Nº 5.17 Comportamiento del surtidor generado (D=20 cm h=17,5 cm).
(A) Boquilla de 3 mm (B) Boquilla de 4 mm.
65
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Al igual que en el reactor de 7,5 centímetros de diámetro, se observa que, con alturas de
lecho mayores a 12,5 cm, la fuente generada es irregular, independientemente del
diámetro de boquilla utilizado.
El aumento de la altura de lecho permite incrementar la carga de quinua tratada durante
el proceso. Sin embargo, las condiciones de operación (presión manométrica y flujo
volumétrico de aire) se incrementan en mayor medida. Valores elevados de presión y flujo
de operación hacen que el lecho que se genera sea menos manejable y tienda a
colapsar.
La Tabla Nº 5.8 muestra el incremento de carga de quinua, presión de operación y flujo de
operación en función de la altura de lecho.
Tabla Nº 5.8 Variación porcentual entre lechos de altura de 12,5 cm y 17,5 cm
(D=20 cm).
Diámetro de
boquilla [mm]
Incremento de la
carga de quinua [%]
Incremento de la presión
de operación [%]
Incremento del flujo de
operación estándar [%]
2,0 79,31 68,20 64,43
3,0 79,31 83,33 56,34
4,0 79,31 91,67 62,96
Las boquillas utilizadas muestran valores de presión, flujo y velocidad lineal de operación
similares a los registrados en el estudio inicial realizado por el CIPI y CIAAA [7]. La Tabla Nº
5.9 muestra la comparación entre las condiciones de operación en el estudio y las
condiciones registradas en la bibliografía.
Tabla Nº 5.9 Condiciones de operación registradas (D=20 cm h=12,5 cm).
Característica
Valores iniciales
registrados por el CIPI y
CIAAA
Valores Obtenidos en la fase
de caracterización
Diámetro de boquilla [mm] 1,4 3,4 2,0 3,0 4,0
Presión de operación [kgfcm-2] 3,6 2,2 2,2 1,2 1,2
Flujo estándar de operación [Lmin-1] 79,5 188,63 104,55 140,75 214,45
Velocidad lineal de operación [ms-1] 357,28 174,40 324,68 238,61 204,52
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5.2 Determinación experimental de condiciones óptimas de proceso
Se realizaron pruebas de laboratorio, para determinar los valores óptimos de las variables
independientes propuestas en el estudio, que permitan disminuir el consumo de energía
en el sistema de beneficiado en seco, sin comprometer la calidad nutricional del
producto generado. Las pruebas se realizaron por separado para cada reactor.
5.2.1 Condiciones óptimas en el lecho de 7,5 cm de diámetro
5.2.1.1 Determinación de la altura óptima de lecho
Para determinar la altura de lecho optima, se midió la potencia requerida por el aire para
tratar lechos de distintas alturas. La Tabla Nº 5.10 muestra el flujo estándar, presión de
operación y potencia específica (por unidad masa de quinua tratada) para lechos con
distintas alturas.
Tabla Nº 5.10 Potencia requerida en función de la altura (D=7,5 cm).
Altura de
lecho [cm]
Diámetro
de boquilla
[mm]
Masa de
quinua
[g]
Presión de
operación
[kgf cm-2]
Flujo de
operación
[Lmin-1]
Flujo STP de
aire
[Lmin-1]
Potencia
Requerida
[kW kg quinua-1]
7,5 1,4 175 1,25 18,0 25,3 0,378
10,0 1,4 263 1,90 22,0 34,2 0,548
12,5 1,4 350 2,60 25,0 45,5 0,725
15,0 1,4 438 3,60 28,0 58,0 1,030
7,5 2,0 175 0,90 42,0 53,7 0,569
10,0 2,0 263 1,10 50,0 67,6 0,589
12,5 2,0 350 1,30 58,0 82,7 0,642
15,0 2,0 438 1,90 65,0 105,1 0,971
17,5 2,0 525 2,10 68,8 115,5 0,984
7,5 3,0 175 0,70 69,0 82,7 0,674
10,0 3,0 263 0,80 75,0 92,9 0,580
12,5 3,0 350 0,95 86,8 111,1 0,631
15,0 3,0 438 1,20 95,0 131,9 0,755
17,5 3,0 525 1,30 101,0 144,0 0,746
7,5 4,0 175 0,40 90,0 96,2 0,438
10,0 4,0 263 0,50 105,0 117,0 0,447
12,5 4,0 350 0,60 115,0 133,3 0,462
15,0 4,0 438 0,80 128,0 158,6 0,594
17,5 4,0 525 0,90 130,4 166,9 0,589
67
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Los resultados muestran un comportamiento irregular del consumo de energía. En el caso
de las boquillas de 1,4 y 2,0 mm la menor potencia se obtiene con una altura de lecho de
7,5 cm. Para la boquilla de 3,0 mm, la menor potencia se obtiene con altura de lecho
entre 9 y 11 cm. Finalmente, con la boquilla de 4,0 mm, el menor requerimiento potencia
se obtiene con una altura entre 10 y 12 cm. La Figura Nº 5.18 muestra este
comportamiento.
Figura Nº 5.18 Potencia especifica experimental en función de la altura de lecho
(D=7,5 cm)
Para la selección de altura de lecho empleada durante las corridas experimentales,
también se consideró lo resultados obtenidos en el estudio inicial realizado por el CIPI y el
CIAAA. La altura de lecho óptima para el reactor de 7,5 cm de diámetro corresponde a
12,5 cm [7].
5.2.1.2 Resultados de las corridas experimentales
Se realizaron corridas experimentales con granos de quinua real Blanca, se varió los
tiempos de tratamiento, y el diámetro de boquilla. Las pruebas se realizaron para una
altura de lecho fija de 12,5 centímetros los resultados del estudio inicial realizado por el
CIPI y el CIAAA [7].
0,0
0,4
0,8
1,2
5 7 9 11 13 15 17 19
Po
ten
cia
esp
ecíf
ica
[kW
kg-1
]
Altura de lecho [cm]
Boquilla 1,4 mm Boquilla 2 mm
Boquila 3 mm Boquilla 4 mm
68
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La Tabla Nº 5.11 muestra los resultados obtenidos del contenido de saponinas, porcentaje
de remoción de saponina, pérdida de masa para cada una de las corridas realizadas en
el reactor de diámetro de 7,5 cm.
Tabla Nº 5.11 Resultados obtenidos en muestras de quinua sometidas a diferentes
condiciones de procesamiento (H=12,5 cm, D=7,5 cm).
Corrida
Nº
Diámetro de
Boquilla
[mm]
Tiempo de
tratamiento
[min]
Saponinas en
el Grano
[%]
Remoción
Saponinas
[%]
Pérdida de
masa
[%]
1 1,4 5 0,123 46,55 5,02
2 1,4 10 0,089 57,28 5,10
3 1,4 15 0,055 71,67 5,20
4 1,4 20 0,021 94,66 5,52
5 1,4 25 0,008 96,44 5,98
6 2,0 5 0,116 49,87 3,22
7 2,0 10 0,076 67,12 3,89
8 2,0 15 0,048 79,01 5,15
9 2,0 20 0,029 87,63 5,51
10 2,0 25 0,015 93,37 6,47
11 3,0 5 0,121 47,68 1,80
12 3,0 10 0,101 56,32 2,84
13 3,0 15 0,083 63,92 3,50
14 3,0 20 0,071 69,30 4,09
15 3,0 25 0,065 72,07 4,73
16 4,0 5 0,121 47,76 1,67
17 4,0 10 0,098 57,46 2,18
18 4,0 15 0,088 61,77 2,73
19 4,0 20 0,078 66,09 3,41
20 4,0 25 0,072 68,77 4,35
5.2.1.3 Evaluación de la remoción de saponinas
El contenido de saponina residual en las muestras de quinua tratadas, se evaluó mediante
el método de la espuma descrito en la norma boliviana NB 683. Se construyó la curva del
contenido de saponinas residuales en función del tiempo para distintos diámetros de
boquilla para el lecho de diámetro de 7,5 cm y altura de 12,5 cm.
La Figura Nº 5.19 muestra el comportamiento de la cinética de remoción de saponinas
para la quinua real Blanca de Uyuni.
69
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Figura Nº 5.19 Contenido de saponinas residuales en función del tiempo de tratamiento
(H=12,5 cm, D=7,5 cm).
Se observa que las boquillas de menor diámetro tienen mayores velocidades de remoción
de saponinas, por tanto se requieren menores tiempos de operación para alcanzar el
valor referencial registrado por el CPTS (0,01 % saponinas residuales). Las boquillas de
diámetro de 3 y 4 milímetros requieren un tiempo de tratamiento mucho mayor a 30
minutos para generar granos con porcentajes de 0,01 % de saponinas residuales. Esto se
debe a que las boquillas de diámetro grande no son adecuadas en esta geometría.
La Figura Nº 5.20 muestra el porcentaje de remoción de saponinas del grano de quinua
tratado en función al tiempo de procesamiento. Este porcentaje se calculó en función al
contenido de saponinas de los granos de quinua sin tratar (quinua real Blanca de Uyuni) el
cual era de 0,231 % en masa.
0,000
0,020
0,040
0,060
0,080
0,100
0,120
0,140
0 5 10 15 20 25 30
% S
apo
nin
as r
esi
du
ale
s
Tiempo de tratamiento [min]
Boquilla 2 mm Boquilla 3 mm boquilla 4 mm Boquilla 1,4 mm
70
UPB © 2012
Figura Nº 5.20 Porcentaje de remoción de saponina en función del tiempo de tratamiento
(H=12,5 cm, D=7,5 cm).
El estudio realizado por el CIPI y el CIAAA [6], sostiene que la remoción de saponinas es
mayor durante los primeros 5 minutos de procesamiento. Este comportamiento puede
observarse para las boquillas de 1,4 mm y 2 mm. Sin embargo, para las boquillas de
diámetro de 2 y 3 mm se observa que la remoción de saponinas es más lenta. Este
comportamiento se debe a que en estas boquillas las velocidades de ingreso de aire al
surtidor son menores, lo cual disminuye la velocidad y la fuerza de choque de los granos
de quinua en el LFTS.
5.2.1.4 Evaluación de la pérdida de masa
La figura Nº 5.21 muestra el comportamiento de la pérdida de masa en función al tiempo
para distintos diámetros de boquilla.
0
20
40
60
80
100
0 5 10 15 20 25 30
% R
em
oci
ón
de
sap
on
inas
Tiempo de tratamiento [min]
Boquilla 2 mm Boquilla 3 mm Boquilla 4 mm Boquilla 1,4 mm
Porcentaje inicial de saponinas = 0,231 %
(Quinua Blanca Real de Uyuni)
71
UPB © 2012
Figura Nº 5.21 Pérdida de masa en función al tiempo de tratamiento
(H=12,5 cm, D=7,5 cm).
Se observa que la pérdida es menor para diámetros de boquilla mayores, esto se debe a
que en estas boquillas las velocidades de aire al ingreso del surtidor son menores, lo cual
reduce el desgaste del grano de quinua durante el proceso de desaponificacion.
Las boquillas de diámetro de 3 y 4 mm las pérdidas alcanzan un valor de 4,7 % y 4,3 %
respectivamente, estos valores son mucho menores a los registrados en los estudios
iniciales del CIPI y del CIAAA [7], para condiciones óptimas, donde las pérdidas de masa
ascienden a 7,2 %.
Las boquillas de diámetro 1,4 y 2 mm las perdidas alcanzan valores de 5,5 % y 6,4 %
respectivamente para un tiempo de tratamiento de 25 minutos.
5.2.1.5 Evaluación del consumo de energía
La Tabla Nº 5.12 muestra el consumo de energía realizado por el aire en el sistema
fluidizado, el mismo se expresa como consumo por unidad de masa de quinua tratada.
Además, se muestra las condiciones de operación registradas para cada prueba
experimental.
0,0
1,0
2,0
3,0
4,0
5,0
6,0
7,0
0 5 10 15 20 25 30
Pé
rdid
a d
e m
asa
[%]
Tiempo de tratamiento [min]
Boquilla 2 mm Boquilla 3 mm Boquilla 4 mm Boquilla 1,4 mm
72
UPB © 2012
Tabla Nº 5.12 Consumo de energía por el aire para distintas condiciones de operación
(H=12,5 cm, D=7,5 cm).
Corrida
Nº
Diámetro de
boquilla
[mm]
Tiempo de
tratamiento
[min]
Presión de
operación
[kgf cm-2]
Flujo de
operación
[Lmin-1]
Consumo de
energía
[kWh kg quinua-1]
1 1,4 5 2,6 25 0,0586
2 1,4 10 2,7 26 0,1285
3 1,4 15 2,7 26 0,1927
4 1,4 20 2,6 25 0,2342
5 1,4 25 2,6 26 0,3045
6 1,4 30 2,7 25 0,3706
7 2,0 5 1,3 58 0,0519
8 2,0 10 1,3 58 0,1038
9 2,0 15 1,4 58 0,1723
10 2,0 20 1,3 58 0,2076
11 2,0 25 1,3 58 0,2595
12 2,0 30 1,3 58 0,3114
13 3,0 5 0,95 88 0,0517
14 3,0 10 0,9 85 0,0931
15 3,0 15 0,95 88 0,1552
16 3,0 20 0,9 85 0,1861
17 3,0 25 0,9 88 0,2408
18 3,0 30 0,95 88 0,3104
19 4,0 5 0,63 115 0,0397
20 4,0 10 0,63 115 0,0794
21 4,0 15 0,63 115 0,1191
22 4,0 20 0,63 115 0,1588
23 4,0 25 0,63 115 0,1985
24 4,0 30 0,63 115 0,2382
5.2.1.6 Tiempo óptimo de tratamiento y consumo energético del aire
El tiempo de tratamiento necesario se definió como el tiempo necesario para obtener
granos de quinua con un 0,01 % de saponinas residuales en base al valor referencial
registrado por el proceso desarrollado por el CPTS.
Para determinar el tiempo de tratamiento óptimo se realizó un análisis de regresión para
las boquillas de 1,4 y 2 milímetros de diámetro, en función a los datos obtenidos en las
corridas experimentales.
73
UPB © 2012
Las boquillas de 2 y 3 milímetros de diámetro no logran alcanzar niveles de saponinas
residuales cercanos a 0,01%, en tiempos de tratamiento menores a 40 minutos. El análisis
de regresión en estos casos no es representativo y por eso no se incluye en la
determinación de tiempo óptimo.
En las Figuras Nº 5.22 y 5.23 se muestra la cinética de remoción de saponinas y la curva de
regresión para la boquilla de 1,4 y 2 mm de diámetro. Se incluye el coeficiente de
correlación obtenido durante el análisis.
Figura Nº 5.22 Análisis del tiempo óptimo para la boquilla de 1,4 mm
(H=12,5 cm, D=7,5 cm).
0,00
0,02
0,04
0,06
0,08
0,10
0,12
0,14
0,16
0 5 10 15 20 25 30
% S
apo
nin
as r
esi
du
ale
s
Tiempo de tratamiento [min]
Valores Experimentales Valor Referencial CPTS Curva de Regresión
r = 0,997
74
UPB © 2012
Figura Nº 5.23 Análisis del tiempo óptimo para la boquilla de 2,0 mm
(H=12,5 cm, D=7,5 cm).
La Tabla Nº 5.13 muestra las ecuaciones de regresión y los coeficientes de correlación
correspondientes al análisis realizado con cada boquilla.
Tabla Nº 5.13 Análisis de Regresión para las boquillas de 1,4 y 2 mm (H=12,5 cm, D=7,5 cm).
Diámetro de
Boquilla [mm] Función de Regresión
Coeficiente de
Correlación (r)
1,4 0,997
2,0 1,0
Con las funciones de regresión determinadas se procedió a calcular los tiempos de
tratamiento requeridos por cada boquilla para alcanzar un nivel de saponinas residuales
de 0,01 % (valor alcanzado por el CPTS). La Tabla Nº 5.14 muestra el tiempo de tratamiento
necesario para cada boquilla.
0,00
0,02
0,04
0,06
0,08
0,10
0,12
0,14
0,16
0 5 10 15 20 25 30
% S
apo
nin
as r
esid
ual
es
Tiempo de tratamiento [min]
Valores Experimentales Valor Referencial CPTS Curva de Regresión
r = 1
75
UPB © 2012
Tabla Nº 5.14 Tiempo de tratamiento requerido por distintas boquillas
(H=12,5 cm, D=7,5 cm).
Diámetro de Boquilla
[mm]
Tiempo de tratamiento [min]
(Para alcanzar 0,01 % de saponina residual)
1,4 23,5
2,0 27,4
3,0 Mayor a 30 minutos
4,0 Mayor a 30 minutos
En función al tiempo de tratamiento requerido por cada boquilla, se realizó el balance de
energía para determinar el consumo de energía teórico para cada boquilla, el mismo se
expresó como consumo por unidad de masa de quinua tratada. Además, se evaluó la
pérdida de masa sufrida bajo las condiciones de operación seleccionadas. La Tabla Nº
5.15 muestra los resultados obtenidos.
Tabla Nº 5.15 Pérdida de masa y el consumo especifico de energía
(H=12,5 cm, D=7,5 cm).
Diámetro
de Boquilla
[mm]
Tiempo de
tratamiento
[min]
Saponina
residual
[%]
Pérdida de
masa
[%]
Consumo de
Energía
[kWh kg quinua-1]
1,4 23,5 0,01 5,84 0,3019
2,0 27,4 0,01 6,56 0,2845
Los resultados muestran que el menor consumo energético se registra con la boquilla de 2
mm, el tiempo requerido por esta boquilla es de 27,4 minutos.
La pérdida de masa es una variable muy importante en el proceso de desaponificacion,
pues la mayor parte del costo está reflejado en el costo de materia prima. La pérdida de
masa registrada por esta boquilla es de 6,56 %.
Los resultados muestran que las condiciones para este sistema son de diámetro de lecho
de 7,5 cm, altura de lecho de 12,5 cm, diámetro de boquilla de 2 mm y un tiempo de
tratamiento de 27,4 minutos. Sin embargo, la pérdida de masa registrada aún sigue siendo
elevada esto debido al uso de boquillas de diámetro pequeño.
76
UPB © 2012
5.2.2 Condiciones óptimas en el lecho de 20 cm de diámetro
5.2.2.1 Determinación de la altura óptima de lecho
La Tabla Nº 5.16 muestra la potencia requerida por el aire en el reactor de 20 centímetros
de diámetro. Además, se muestra las condiciones de operación registradas para cada
prueba experimental. Las pruebas realizadas en el reactor de diámetro de 20 cm, no se
realizaron con la boquilla de 1,4 mm debido a que la presión de operación con esta
boquilla era muy elevada, además el lecho generado era muy inestable y mostraba
tendencia a colapsar.
Tabla Nº 5.16 Potencia requerida por el aire para distintas condiciones de operación
(D=20 cm).
Altura de
lecho
[cm]
Diámetro de
boquilla
[mm]
Masa de
quinua
[g]
Presión de
operación
[kgfcm-2]
Flujo de
operación
[Lmin-1]
Flujo STP de
operación
[Lmin-1]
Potencia
Requerida
[kW kg quinua-1]
7,5 2,0 350 1,10 41,2 55,72 0,3642
10,0 2,0 830 1,60 52,1 79,35 0,3323
12,5 2,0 1450 2,20 61,2 104,37 0,3380
15,0 2,0 2074 3,20 75,0 147,91 0,4923
7,5 3,0 350 0,70 85,2 102,13 0,4162
10,0 3,0 830 0,90 92,0 117,57 0,2628
12,5 3,0 1450 1,20 101,2 140,50 0,2424
15,0 3,0 2074 1,75 115,0 180,63 0,3231
17,5 3,0 2696 2,20 128,8 219,66 0,3830
7,5 4,0 350 0,55 105,1 119,36 0,3782
10,0 4,0 830 0,85 125,2 157,58 0,3618
12,5 4,0 1450 1,15 154,2 214,08 0,3644
15,0 4,0 2074 1,80 180,0 285,52 0,5259
17,5 4,0 2696 2,30 201,2 348,87 0,6368
En lechos de altura menor a 10 cm, la carga de quinua tratada es pequeña, esto hace
que la potencia por kilogramo de quinua se incremente. En lechos de altura superior a
12,5 cm, el incremento de la presión y flujo de operación es más significativo que el
incremento en la carga de quinua, esto hace que la potencia requerida por kilogramo de
quinua sea mayor. La Figura Nº 5.24 muestra este comportamiento.
77
UPB © 2012
Figura Nº 5.24 Potencia especifica experimental en función de la altura de lecho
(D=20 cm)
Se observa que la altura de lecho que requiere menor potencia específica esta entre 10 y
12 cm para las boquillas de 2 y 4 mm y para la boquilla de 3 mm entre 12 y 13 cm. Para
incrementar la carga de quinua tratada por corrida experimental, se eligió la altura de
lecho de 12,5 cm.
5.2.2.2 Resultados de las corridas experimentales
Se realizaron corridas experimentales con granos de quinua real Blanca, se varió el tiempo
de tratamiento y el diámetro de boquilla según la definición de niveles establecida. Las
pruebas se realizaron para una altura de lecho fija de 12,5 centímetros.
La Tabla Nº 5.17 muestra los resultados obtenidos del contenido de saponinas, porcentaje
de remoción de saponina, pérdida de masa para cada una de las corridas realizadas en
el reactor de diámetro de 20 cm.
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
5 7 9 11 13 15 17 19
Po
ten
cia
esp
ecíf
ica
[kW
kg-1
]
Altura de lecho [cm]
Boquilla 2 mm Boquilla 3 mm Boquilla 3 mm4
78
UPB © 2012
Tabla Nº 5.17 Resultados obtenidos en muestras de quinua sometidas a diferentes
condiciones de procesamiento (H=12,5 cm D=20 cm).
Corrida
Nº
Diámetro
de Boquilla
[mm]
Tiempo de
tratamiento
[min]
Saponinas
en el Grano
[%]
Remoción
Saponinas
[%]
Pérdida de
masa
[%]
1 2,0 30 0,076 67,11 5,287
2 2,0 40 0,042 81,67 5,617
3 2,0 50 0,019 91,94 6,277
4 2,0 60 0,011 95,19 7,356
5 3,0 30 0,076 67,11 4,252
6 3,0 40 0,040 82,75 4,509
7 3,0 50 0,025 88,99 4,729
8 3,0 60 0,013 94,37 4,938
9 4,0 30 0,086 62,82 3,563
10 4,0 40 0,049 78,90 3,793
11 4,0 50 0,022 90,29 4,022
12 4,0 60 0,015 93,67 4,248
De manera general la remoción de saponinas en el lecho de diámetro de 20 centímetros,
es mejor que en el lecho de 7,5 cm de diámetro. Además, la perdida de masa registrada
es menor para el diámetro de lecho de 20 cm.
5.2.2.3 Evaluación de la remoción de saponinas
La Figura Nº 5.25 muestra la curva del contenido de saponina residual en función del
tiempo de tratamiento para distintos diámetros de boquilla para el reactor de diámetro
de 20 cm.
En el lecho de diámetro de 20 cm, las velocidades de remoción de saponinas no difieren
mucho con el diámetro de la boquilla. Sin embargo, todas requieren tiempos un poco
mayores de 60 min para llegar al valor referencial de 0,01 %.
79
UPB © 2012
Figura Nº 5.25 Contenido de saponina residual en función del tiempo de tratamiento
(H=12,5 cm D=20 cm).
La Figura Nº 5.26 muestra el porcentaje de remoción de saponinas del grano de quinua
tratado en función al tiempo de procesamiento.
Figura Nº 5.26 Porcentaje de remoción de saponina en función al tiempo de
tratamiento (H=12,5 cm D=20 cm).
0
0,02
0,04
0,06
0,08
0,1
20 30 40 50 60 70
% S
apo
nin
as R
esi
du
ale
s
Tiempo de tratamiento [min]
Boquilla 2 mm Boquilla 3 mm Boquilla 4 mm
20,0
40,0
60,0
80,0
100,0
20 30 40 50 60 70
% R
emo
ció
n d
e sa
po
nin
as
Tiempo de tratamiento [min]
Boquilla 2 mm Boquilla 3 mm Boquilla 4 mm
Porcentaje inicial de saponinas = 0,231 %
(Quinua Blanca Real de Uyuni)
80
UPB © 2012
En este sistema se observa que la remoción de saponinas no es uniforme, durante los
primeros 30 minutos del proceso se remueven cerca del 60 % de saponinas en el grano, en
los siguientes 10 minutos se remueve cerca del 20 % de saponinas y a partir de este punto
la remoción se hace más lenta debido a que las capas internas del episperma son más
difíciles de remover, entre los minutos 40 y 50 se observa una remoción de cerca del 10 %
para todas las boquillas.
En un tiempo de operación de 60 minutos, se logra eliminar el 95 % de saponinas para la
boquilla de 2 mm, 91% para la boquilla de 3 mm y 93 % para la boquilla de 4 mm. Con
estos niveles de remoción se obtiene un producto cuyo contenido de saponinas está
cercano al nivel aceptable (0,01 % de saponinas residuales), lo cual indica que el tiempo
de tratamiento requerido en estos sistemas está alrededor de los 60 minutos.
Un aspecto importante es que las distintas boquillas tienen comportamientos similares en
cuanto a la remoción de saponinas. Sin embargo en cuanto a consumo energético su
comportamiento es distinto.
5.2.2.4 Evaluación de la pérdida de masa
La Figura Nº 5.27 muestra el comportamiento de la pérdida de masa en función al tiempo
de tratamiento para distintos diámetros de boquilla.
Figura Nº 5.27 Pérdida de masa en función al tiempo de tratamiento
(H=12,5 cm D=20 cm).
0,0
2,0
4,0
6,0
8,0
20 30 40 50 60 70
Pér
did
a d
e m
asa
[%
]
Tiempo de tratamiento [min]
Boquilla 2 mm Boquilla 3 mm Boquilla 4 mm
81
UPB © 2012
Se observa que la pérdida es menor para diámetros de boquilla mayores debido a que
estas muestran velocidades de aire al ingreso del surtidor menores, disminuyendo la fuerza
de choque entre los granos de quinua, lo cual reduce el desgaste del grano de quinua
durante el proceso de desaponificacion.
En el intervalo de tiempo de estudio, se observa que la boquilla de 3 milímetros presenta
una pérdida de masa entre 4 y 5 %. En cambio, la boquilla de 4 milímetros presenta
pérdidas entre el 3 % y 4,5%. La boquilla de 2 mm presenta perdidas de masa desde 5 %
hasta 7,5 %.
Las pérdidas de masa para las boquillas de 3 y 4 milímetros son menores debido a que el
movimiento de los granos de quinua en el surtidor generado por estas boquillas, es más
regular que para boquillas de diámetros menores.
5.2.2.5 Evaluación del consumo de energía
La Tabla Nº 5.18 muestra el consumo de energía específico realizado por el aire en el
reactor de 20 centímetros de diámetro, durante la desaponificación. Además, se muestra
las condiciones de operación registradas para cada prueba experimental.
Tabla Nº 5.18 Consumo de energía por el aire para distintas condiciones de operación
(H=12,5 cm D=20 cm).
Nº
Diámetro
de boquilla
[mm]
Tiempo de
tratamiento
[min]
Presión de
operación
[kgf cm-2]
Flujo de
operación
[Lmin-1]
Flujo STP de
operación
[Lmin-1]
Consumo de
energía
[kWh kg quinua-1]
1 2 30 2,20 62 105,92 0,1662
2 2 40 2,20 62 105,92 0,2216
3 2 50 2,20 60 102,50 0,2681
4 2 60 2,20 60 102,50 0,3217
5 3 30 1,20 100 139,07 0,1163
6 3 40 1,20 100 139,07 0,1551
7 3 50 1,20 103 143,24 0,1996
8 3 60 1,20 103 143,24 0,2396
9 4 30 1,15 155 215,56 0,1803
10 4 40 1,15 153 212,78 0,2373
11 4 50 1,15 153 212,78 0,2966
12 4 60 1,15 155 215,56 0,3605
82
UPB © 2012
De manera general los flujos de operación registrados en este sistema son mayores a los
registrados para el reactor de 7,5 cm de diámetro. Sin embargo, las presiones de
operación son mucho menores.
El consumo de energía realizado por el aire es menor al registrado en el reactor pequeño,
esto se debe principalmente a la diferencia entre la carga de quinua que se puede tratar
en este sistema (1450 gramos frente a 350 gramos para el reactor pequeño). El tiempo de
tratamiento es mayor, pero no influye en mayor medida que la carga de quinua tratada.
5.2.2.6 Tiempo óptimo de tratamiento y consumo energético del aire
El tiempo óptimo de tratamiento se calculó en base al tiempo requerido para obtener un
producto que alcance un contenido residual de saponinas que cumpla con los
estándares requeridos (0,01 % de saponinas residuales según el valor referencial registrado
por el CPTS).
Para determinar el tiempo de tratamiento óptimo se realizó un análisis de regresión para
las distintas boquillas utilizadas en función a los datos obtenidos en las corridas
experimentales. En las Figuras Nº 5.28, 5.29 y 5.30 se muestra la cinética de remoción de
saponinas y la curva de regresión para la boquilla de 2,3 y 4 mm de diámetro. Se incluye
el coeficiente de correlación obtenido durante el análisis.
Figura Nº 5.28 Análisis del tiempo óptimo para la boquilla de 2,0 mm
(H=12,5 cm D=20 cm).
0,00
0,02
0,04
0,06
0,08
0,10
20 30 40 50 60 70
% S
apo
nin
as R
esid
ual
es
Tiempo de Tratamiento [min]
Valores Experimentales Valor Referencial CPTS Curva de Regresión
r = 0,996
83
UPB © 2012
Figura Nº 5.29 Análisis del tiempo óptimo para la boquilla de 3,0 mm
(H=12,5 cm D=20 cm).
Figura Nº 5.30 Análisis del tiempo óptimo para la boquilla de 4,0 mm
(H=12,5 cm D=20 cm).
0,00
0,02
0,04
0,06
0,08
0,10
20 30 40 50 60 70
% S
apo
nin
as R
esid
ual
es
Tiempo de Tratamiento [min]
Valores Experimentales Valor Referencial CPTS Curva de Regresión
0,00
0,02
0,04
0,06
0,08
0,10
20 30 40 50 60 70
% S
apo
nin
as R
esid
ual
es
Tiempo de Tratamiento [min]
Valores Experimentales Valor Referencial CPTS Curva de Regresión
r = 0,997
r = 0,996
84
UPB © 2012
La Tabla Nº 5.19 muestra las ecuaciones de regresión y los coeficientes de correlación
correspondientes al análisis realizado con cada boquilla.
Tabla Nº 5.19 Análisis de Regresión para las boquillas de 2,3 y 4 mm (H=12,5 cm D=20 cm).
Diámetro de
Boquilla [mm] Función de Regresión
Coeficiente de
Correlación (r)
2,0 0,996
3,0 0,997
4,0 0,996
Para la boquilla de 2 milímetros de diámetro interno, se observa que el tiempo requerido
para alcanzar el valor referencial de saponinas residuales es de 60 minutos. Las boquillas
de 3 y 4 milímetros requieren tiempos algo mayores a 60 minutos.
Con las funciones de regresión determinadas se procedió a calcular los tiempos de
tratamiento requeridos por cada boquilla para alcanzar un nivel de saponinas residuales
de 0,01 % (valor alcanzado por el CPTS).
La Tabla Nº 5.20 muestra Los tiempos de tratamiento requeridos por cada boquilla.
Tabla Nº 5.20 Tiempo de tratamiento requerido por distintas boquillas
(H=12,5 cm D=20 cm).
Diámetro de Boquilla
[mm]
Tiempo de tratamiento [min]
(Para alcanzar 0,01 % de saponina residual)
2,0 60,0
3,0 68,0
4,0 75,0
En función al tiempo de tratamiento requerido por cada boquilla, se realizó el balance de
energía para determinar el consumo de energía teórico para cada boquilla, el mismo se
expresó como consumo por unidad de masa de quinua tratada. Además, se evaluó la
pérdida de masa sufrida bajo las condiciones de operación seleccionadas.
85
UPB © 2012
La Tabla Nº 5.21 muestra os resultados obtenidos.
Tabla Nº 5.21 Pérdida de masa y el consumo especifico de energía (H=12,5 cm D=20 cm).
Diámetro de
Boquilla
[mm]
Tiempo de
tratamiento
[min]
Saponina
residual
[%]
Pérdida de
masa
[%]
Consumo de
Energía
[kWh kg quinua-1]
2,0 60,0 0,01 7,356 0,3325
3,0 68,0 0,01 5,132 0,2636
4,0 75,0 0,01 4,589 0,4507
Los resultados muestran que para esta geometría de lecho (Diámetro de 20 cm y altura
de 12,5 cm) la boquilla de 3,0 mm de diámetro es la más adecuada pues permite
alcanzar el valor de saponina residual deseado con el menor gasto de energía. Además
se observa que la pérdida de masa corresponde a 5,132 %.
La Tabla Nº 5.22 muestra la comparación de las condiciones determinadas en cada
reactor.
Tabla Nº 5.22 Condiciones óptimas para los lechos de 7,5 y 20 cm de diámetro.
Característica
Diámetro de lecho de
7,5 cm
(Reactor Pequeño)
Diámetro de lecho de
20 cm
(Reactor Grande)
Altura de Lecho [cm] 12,5 12,5
Diámetro de Boquilla [mm] 2,0 3,0
Presión de Operación [kgf cm-2] 1,40 1,20
Flujo Estándar de Operación [Lmin-1] 82,69 143,24
Consumo estándar de aire [m3kg de quinua-1] 6,47 6,72
Tiempo de Tratamiento [min] 27,4 68,0
Contenido de Saponinas Residuales [%] 0,01 0,01
Pérdida de Masa [%] 6,560 5,132
Consumo de Energía [kWh kg quinua-1] 0,2845 0,2636
La boquilla de diámetro de 3,0 mm en este sistema, genera un consumo energético de
0,2636 kWh por kilogramo de quinua tratado. Este valor es menor que el consumo
generado por la boquilla de 2,0 mm en el lecho de 7,5 cm de diámetro, que es de 0,2845
86
UPB © 2012
kilowatts hora por kilogramo de quinua. Las condiciones óptimas corresponden al lecho
de diámetro de 20 centímetros. Si bien, la diferencia de consumo energético entre ambos
sistemas no es muy grande, existen otros aspectos que influyen en la selección de esta
geometría.
La pérdida de masa generada con la boquilla de 3,0 mm en el lecho de 20 cm de
diámetro es menor a la generada por la boquilla de 2 mm en el lecho de 7,5 cm de
diámetro. Además, la presión de operación requerida en este sistema es menor a la del
lecho de 7,5 cm, lo cual influye en la estabilidad y manejabilidad del lecho.
El lecho de diámetro de 20 centímetros, presenta un movimiento de los granos de quinua
más uniforme y estable. La robustez del lecho generado es mucho mayor para esta
geometría. Las condiciones óptimas del proceso corresponden a las condiciones óptimas
registradas para el lecho de diámetro de 20 centímetros (Reactor Grande).
5.3 Modelo de pérdida de presión del sistema de desaponificación
mediante el LFTS
Se evaluó la pérdida de presión en el sistema de desaponificacion. La Figura Nº 5.31
muestra los elementos que lo componen.
Figura Nº 5.31 Diagrama del equipo de desaponificación en seco.
87
UPB © 2012
El punto 1, representa la salida del filtro de aire, donde se mide la presión con un
manómetro. Los puntos 2 y 3 representan la entrada y salida del rotámetro
respectivamente. Los puntos 4 y 5 representan la entrada y salida de la boquilla de
alimentación de aire respectivamente. El punto 6 representa la parte superior del lecho de
quinua tratado. Finalmente, el punto 7 representa la parte superior de la manga
recolectora de polvo de saponinas provista en el sistema.
El análisis se realizó entre los puntos 1 y 7 mostrados en el diagrama. La pérdida de presión
total es la suma de las pérdidas de presión registradas entre cada punto.
La Tabla Nº 5.23 muestra las características de las pérdidas de presión registradas entre
cada región definida.
Tabla Nº 5.23 Pérdidas de presión registradas en el sistema de desaponificacion en seco.
Elemento Descripción
Pérdida de presión por tramo recto entre los puntos 1 y 2
Pérdida de presión en el rotámetro
Pérdida de presión por tramo recto entre los puntos 3 y 4
Pérdida de presión en la boquilla
Pérdida de presión en el lecho de quinua
Pérdida de presión en la manga recolectora de polvo de saponinas
Las pérdidas en los tramos rectos, corresponden a la caída de presión debido a la fricción
dentro de las mangueras de alimentación. Las mangueras tienen una rugosidad
equivalente de 0,0004, y un diámetro interno de 10 mm. La rugosidad relativa de es de
0,04. La caída de presión esta dada por [14]:
(1)
Las longitudes del primer y segundo tramo recto son de 54 y 75 cm respectivamente.
88
UPB © 2012
La caída de presión en el rotámetro, es mínima y está en función sus características de
construcción [12]. La pérdida de presión está dada por:
*
+ (2)
La perdida de presión en la boquilla de alimentación de aire, se debe a la contracción
brusca desde la manguera de alimentación hasta la entrada de la boquilla, a la
contracción desde la entrada hasta la salida de la boquilla y a una expansión brusca
hacia el lecho fluidizado. La Figura Nº 5.32 muestra el diagrama en corte del tipo de
boquilla utilizada.
Figura Nº 5.32 Vista en corte de la boquilla empleada.
EL punto a, representa a la manguera de alimentación, cuyo diámetro interno es de 10
mm. El punto b, representa a la parte inferior de la boquilla de diámetro interno de 5 mm.
El punto c, representa la salida de la boquilla hacia el lecho, cuyo diámetro varia según la
boquilla elegida. Finalmente, el punto d representa el lecho de quinua, cuya área
trasversal se considera mucho mayor al área de la manguera y de la boquilla.
89
UPB © 2012
La Tabla Nº 5.24 muestra las perdidas de presión sufridas en la boquilla.
Tabla Nº 5.24 Pérdidas de presión en la boquilla de alimentación de aire.
Elemento Descripción
Contracción brusca desde diámetro de 10
mm hasta diámetro de 5 mm.
Contracción brusca desde diámetro de 5
mm hasta el diámetro de salida de la
boquilla.
Expansión brusca desde el área de salida
hasta un área mucho mayor (área
transversal del lecho).
La caída de presión para una expansión brusca esta dada por [14]:
*( )
+ (3)
La caída de presión para una contracción brusca esta dada por [14]:
* ( )
+ (4)
La pérdida de presión en la manga recolectora de polvo de saponinas (pérdida de
presión entre los puntos 6 y 7 de la Figura Nº 5.18), se midió experimentalmente. Se midió la
presión de operación requerida para forma un LFTS estable, quitando la manga
recolectora. La diferencia de presiones medida, es la perdida de presión en la manga
recolectora de polvo de saponinas.
Finalmente, se modeló la caída de presión en el lecho de quinua mediante la ecuación
de R. Lama [15], la cual debe adecuarse a las condiciones atípicas del lecho estudiado.
La ecuación general que describe la pérdida de presión en un lecho de solidos es [15]:
90
UPB © 2012
(
)
(
) (
) (( )
) (5)
Se midió el diámetro de los granos de quinua (Dp). Para el factor de forma, se midió la
altura del grano de quinua y se aproximó la forma del mismo a un cilindro con las partes
superiores redondeadas.
Con el factor de forma se calculó la esfericidad de los granos de quinua y se calculo la
porosidad (ε) para un lecho suelto [16]. Los resultados fueron:
Diámetro de partícula (Dp) de 2,45 mm.
Factor de forma (λ) de 1,02
Porosidad de lecho (ε) de 0,43
La ecuación 5 puede escribirse como:
(16)
Donde KT es una constante que incluye las características del lecho, la constante descrita
en la ecuación original y la densidad promedio del fluido que entra al lecho.
La constante KT definida esta dada por:
( )
(
)(
( )
) (17)
El valor de Kt es fijo, para valores constantes de n y de la densidad del fluido. Bajo las
condiciones de presión y temperatura a la entrada del lecho, se observó que la densidad
del aire a la entrada del lecho variaba muy poco en cada corrida, lo cual permitió utilizar
la densidad promedio en la ecuación 16. La constante KT esta dada por:
La ecuación 25 puede expresarse de la forma:
91
UPB © 2012
(
) ( ) ( ) (18)
La ecuación 17 tiene la forma de una línea recta, en función a los datos experimentales
obtenidos, se realizó el análisis de regresión para determinar el modelo de perdida de
presión para cada diámetro de lecho disponible.
5.3.1 Modelamiento del lecho de 7,5 cm de diámetro
La Tabla Nº 5.25 muestra las condiciones de operación medidas para el sistema LFST con
diámetro de lecho de 7,5 cm.
Tabla Nº 5.25 Condiciones de operación (D=7,5 cm)
Altura de
lecho
[cm]
Diámetro
de boquilla
[mm]
Presión de
operación
[kgfcm-2]
Flujo de
operación
[Lmin-1]
7,5 1,4 1,25 18,0
10,0 1,4 1,90 22,0
12,5 1,4 2,60 25,0
15,0 1,4 3,60 28,0
7,5 2,0 0,90 42,0
10,0 2,0 1,10 50,0
12,5 2,0 1,30 58,0
15,0 2,0 1,90 65,0
17,5 2,0 2,10 68,8
7,5 3,0 0,70 69,0
10,0 3,0 0,80 75,0
12,5 3,0 0,95 86,8
15,0 3,0 1,20 95,0
17,5 3,0 1,30 101,0
7,5 4,0 0,40 90,0
10,0 4,0 0,50 105,0
12,5 4,0 0,60 115,0
15,0 4,0 0,80 128,0
17,5 4,0 0,90 130,4
92
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En el caso del lecho de 7,5 cm de diámetro, la perdida de presión medida en la manga
recolectora es despreciable.
La Tabla Nº 5.26 muestra las pérdidas de presión calculadas en el primer tramo recto, en el
rotámetro, en el segundo tramo recto y en la boquilla de alimentación de aire.
Tabla Nº 5.26 Pérdidas de presión por tramos rectos, rotámetro y boquilla (D=7,5 cm).
Altura de
lecho
[cm]
Diámetro de
boquilla
[mm]
(calculado)
[kgfcm-2]
(calculado)
[kgfcm-2]
(calculado)
[kgfcm-2]
(calculado)
[kgfcm-2]
(calculado)
[kgfcm-2]
7,5 1,4 0,0008 0,0314 0,0011 1,1105 1,1438
10,0 1,4 0,0015 0,0314 0,0021 1,7279 1,7629
12,5 1,4 0,0024 0,0314 0,0034 2,3722 2,4094
15,0 1,4 0,0040 0,0314 0,0055 3,2955 3,3364
7,5 2,0 0,0034 0,0314 0,0048 0,7350 0,7746
10,0 2,0 0,0054 0,0314 0,0077 0,8808 0,9253
12,5 2,0 0,0080 0,0314 0,0114 1,0340 1,0848
15,0 2,0 0,0130 0,0314 0,0184 1,5347 1,5975
17,5 2,0 0,0157 0,0314 0,0222 1,6283 1,6976
7,5 3,0 0,0081 0,0314 0,0116 0,4622 0,5133
10,0 3,0 0,0102 0,0314 0,0146 0,5042 0,5604
12,5 3,0 0,0150 0,0314 0,0215 0,6338 0,7017
15,0 3,0 0,0206 0,0314 0,0295 0,7526 0,8341
17,5 3,0 0,0245 0,0314 0,0351 0,8247 0,9157
7,5 4,0 0,0110 0,0314 0,0209 0,1862 0,2495
10,0 4,0 0,0162 0,0314 0,0235 0,2093 0,2804
12,5 4,0 0,0210 0,0314 0,0305 0,2342 0,3171
15,0 4,0 0,0299 0,0314 0,0435 0,3268 0,4316
17,5 4,0 0,0331 0,0314 0,0480 0,3596 0,4721
La caída de presión en el lecho, corresponde a la diferencia entre la presión de
operación medida y la pérdida de presión hasta la entrada del lecho. Esto se debe a que
en la parte superior del reactor cilindro-cónico, la presión del aire utilizado, toma el valor
de la presión atmosférica local.
La Tabla Nº 5.27 muestra la pérdida de presión por unidad de altura de lecho (
)
calculada en el lecho, el flujo másico de aire por unidad de área de lecho, el flujo másico
por unidad de área de lecho y la densidad del aire a la entrada del lecho.
93
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Tabla Nº 5.27 Pérdida de presión en el lecho (D=7,5 cm)
Altura de
lecho
[cm]
Diámetro de
boquilla
[mm]
(
)
[kgf cm-2 m-1]
Flujo másico
por unidad de
área
[kgs-1m-2]
Densidad del aire
a la entrada del
lecho
[kgm-3]
7,5 1,4 1,4175 0,1595 1,601
10,0 1,4 1,3712 0,2578 1,730
12,5 1,4 1,5242 0,3699 1,783
15,0 1,4 1,7577 0,5374 1,616
7,5 2,0 1,6718 0,3075 1,191
10,0 2,0 1,7474 0,4100 1,214
12,5 2,0 1,7216 0,5266 1,202
15,0 2,0 2,0164 0,7617 1,364
17,5 2,0 2,2993 0,8667 1,309
7,5 3,0 2,0166 0,4444 1,301
10,0 3,0 1,9783 0,5161 1,325
12,5 3,0 1,9869 0,6545 1,298
15,0 3,0 2,4395 0,8208 1,353
17,5 3,0 2,1964 0,9170 1,307
7,5 4,0 2,0071 0,4610 1,143
10,0 4,0 2,1957 0,5840 1,178
12,5 4,0 2,2630 0,6902 1,221
15,0 4,0 2,4563 0,8808 1,321
17,5 4,0 2,4456 0,9546 1,390
En base a los resultados mostrados en la Tabla Nº 5.14, se graficó el logaritmo decimal de
la pérdida de presión por unidad de altura de lecho, contra el logaritmo decimal del flujo
másico por unidad de sección transversal de lecho.
La Figura Nº 5.33 muestra el ajuste de los valores experimentales de pérdida de presión en
el lecho, a una línea recta.
94
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Figura Nº 5.33 Curva de regresión para el modelo de pérdidas de presión en el lecho
(D=7,5 cm).
La Tabla Nº 5.28 muestra los resultados de la regresión.
Tabla Nº 5.28 Resultados del análisis de regresión para la pérdida de presión.
Descripción Valor determinado
Log (KT) 0,3816
KT 2,4077
K 9,2572
n 0,3388
Finalmente, se puede estimar la pérdida de presión por unidad de altura de lecho en para
un lecho de 7,5 cm de diámetro mediante la ecuación:
(19)
0,00
0,10
0,20
0,30
0,40
0,50
-1,0 -0,8 -0,6 -0,4 -0,2 0,0
Log
(ΔP
/H)
Log (G)
Valores experimentales Curva de regresión
r = 0,901
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Donde:
ΔP es la caída de presión a través del lecho de tipo surtidor, en kgfcm-2m-1
H es la altura del lecho fijo de solidos en m
G es el flujo másico de aire por unidad de área transversal de lecho en kg s-1m-2
Para el lecho en estudio, la ecuación 18 se puedes expresar de la forma:
(
)
(
)(
( )
) (20)
Donde µ es la viscosidad del aire a 20ºC, Dp es el diámetro de los granos de quinua (2,45
mm), λ es el factor de forma de la quinua (1,02), ε es la porosidad del lecho (0,43) y ρf es la
densidad del aire a las condiciones de operación.
Se evaluaron las pérdidas de presión según la ecuación 18. La Tabla Nº 5.29 muestra la
perdida de presión medida y la perdida de presión calculada en el sistema. Además, se
incluye el porcentaje de error de los datos medidos con respecto al modelo desarrollado.
Tabla Nº 5.29 Pérdidas de presión medida y calculada en todo el sistema.
Altura de
lecho
[cm]
Diámetro de
boquilla
[mm]
Pérdida de
presión
medida
[kgf cm-2]
Pérdida de
presión
calculada
[kgf cm-2]
Error
[%]
7,5 1,4 1,250 1,241 0,75
10,0 1,4 1,900 1,915 0,79
12,5 1,4 2,600 2,624 0,94
15,0 1,4 3,600 3,629 0,81
7,5 2,0 0,900 0,896 0,48
10,0 2,0 1,100 1,103 0,30
12,5 2,0 1,300 1,327 2,08
15,0 2,0 1,900 1,927 1,41
17,5 2,0 2,100 2,099 0,05
7,5 3,0 0,700 0,686 2,01
10,0 3,0 0,800 0,795 0,68
12,5 3,0 0,950 0,962 1,30
96
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Altura de
lecho
[cm]
Diámetro de
boquilla
[mm]
Pérdida de
presión
medida
[kgf cm-2]
Pérdida de
presión
calculada
[kgf cm-2]
Error
[%]
15,0
3,0
1,200
1,172
(Continuación)
2,35
17,5 3,0 1,300 1,325 1,91
7,5 4,0 0,400 0,388 2,91
10,0 4,0 0,500 0,481 3,78
12,5 4,0 0,600 0,583 2,91
15,0 4,0 0,800 0,778 2,81
17,5 4,0 0,900 0,887 1,47
Las Figuras Nº 5.34 a 5.37 muestran la pérdida de presión en el lecho medida y la pérdida
calculada con el modelo desarrollado para cada diámetro de boquilla. Se observa que la
caída de presión calculada tiene un valor muy cercano al valor medido para todas las
boquillas utilizadas.
Figura Nº 5.34 Comparación entre la pérdida de presión medida y calculada
(D=7,5 cm, boquilla de 1,4 mm)
0,0
1,0
2,0
3,0
4,0
5,0
5 7,5 10 12,5 15 17,5
Pé
rdid
a d
e p
resi
ón
[kg
fcm
-2]
Altura de lecho [cm]
Pérdida de presión calculada Pérdida de presión medida
97
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Figura Nº 5.35 Comparación entre la pérdida de presión medida y calculada
(D=7,5 cm, boquilla de 2,0 mm)
Figura Nº 5.36 Comparación entre la pérdida de presión medida y calculada
(D=7,5 cm, boquilla de 3,0 mm)
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
5 7,5 10 12,5 15 17,5 20
Pé
rdid
a d
e p
resi
ón
[kg
fcm
-2]
Altura de lecho [cm]
Pérdida de presión calculada Pérdida de presión medida
0
0,4
0,8
1,2
1,6
5 7,5 10 12,5 15 17,5 20
Pé
rdid
a d
e p
resi
ón
[kg
fcm
-2]
Altura de lecho [cm]
Pérdida de presión calculada Pérdida de presión medida
98
UPB © 2012
Figura Nº 5.37 Comparación entre la pérdida de presión medida y calculada
(D=7,5 cm, boquilla de 4,0 mm)
5.3.2 Modelamiento del lecho de 20 cm de diámetro
La Tabla Nº 5.30 muestra las condiciones de operación para el LFST de diámetro de 20 cm.
Tabla Nº 5.30 Condiciones de operación (D=20 cm).
Altura de
lecho
[cm]
Diámetro
de boquilla
[mm]
Presión de
operación
[kgfcm-2]
Flujo de
operación
[Lmin-1]
7,5 2,0 1,10 41,2
10,0 2,0 1,60 52,1
12,5 2,0 2,20 61,2
15,0 2,0 3,20 75,0
7,5 3,0 0,70 85,2
10,0 3,0 0,90 92,0
12,5 3,0 1,20 101,2
15,0 3,0 1,75 115,0
17,5 3,0 2,20 128,8
7,5 4,0 0,55 105,1
10,0 4,0 0,85 125,2
12,5 4,0 1,15 154,2
15,0 4,0 1,80 180,0
17,5 4,0 2,30 201,2
0,0
0,3
0,6
0,9
1,2
5 7,5 10 12,5 15 17,5 20
Pé
rdid
a d
e p
resi
ón
[kg
fcm
-2]
Altura de lecho [cm]
Pérdida de presión calculada
99
UPB © 2012
La Tabla Nº 5.31 muestra las pérdidas de presión calculadas en el primer tramo recto, en el
rotámetro, en el segundo tramo recto y en la boquilla de alimentación de aire.
Tabla Nº 5.31 Pérdidas de presión por tramos rectos, rotámetro, boquilla y manga
recolectora (D=20 cm).
Altura de
lecho
[cm]
Diámetro de
boquilla
[mm]
(calculado)
[kgfcm-2]
(calculado)
[kgfcm-2]
(calculado)
[kgfcm-2]
(calculado)
[kgfcm-2]
(medido)
[kgfcm-2]
7,5 2,0 0,0037 0,0314 0,0052 0,5856 0,150
10,0 2,0 0,0074 0,0314 0,0105 1,0286 0,150
12,5 2,0 0,0129 0,0314 0,0182 1,8737 0,150
15,0 2,0 0,0259 0,0314 0,0365 2,3745 0,150
7,5 3,0 0,0123 0,0314 0,0177 0,4005 0,150
10,0 3,0 0,0164 0,0314 0,0235 0,5424 0,150
12,5 3,0 0,0234 0,0314 0,0335 0,7286 0,150
15,0 3,0 0,0387 0,0314 0,0556 1,1830 0,150
17,5 3,0 0,0574 0,0314 0,0826 1,5299 0,150
7,5 4,0 0,0169 0,0314 0,0244 0,3282 0,150
10,0 4,0 0,0295 0,0314 0,0428 0,4628 0,150
12,5 4,0 0,0548 0,0314 0,0802 0,6157 0,150
15,0 4,0 0,0979 0,0314 0,1448 0,9455 0,150
17,5 4,0 0,1470 0,0314 0,2199 1,2989 0,150
La caída de presión en el lecho, corresponde a la diferencia entre la presión de
operación medida y la pérdida de presión hasta la entrada del lecho. Esto se debe a que
en la parte superior del reactor cilindro-cónico, la presión del aire utilizado, toma el valor
de la presión atmosférica local.
La Tabla Nº 5.32 muestra la pérdida de presión por unidad de altura de lecho (
)
calculada en el lecho, el flujo másico de aire por unidad de área de lecho, el flujo másico
por unidad de área de lecho y la densidad del aire a la entrada del lecho.
100
UPB © 2012
Tabla Nº 5.32 Pérdida de presión en el lecho (D=20 cm)
Altura de
lecho
[cm]
Diámetro de
boquilla
[mm]
(
)
[kgf cm-2 m-1]
Flujo másico
por unidad de
área
[kgs-1m-2]
Densidad del aire
a la entrada del
lecho
[kgm-3]
7,5 2,0 1,112 0,04751 1,164
10,0 2,0 1,462 0,07619 1,237
12,5 2,0 1,432 0,11220 1,275
15,0 2,0 2,142 0,18388 1,441
7,5 3,0 1,286 0,07717 1,179
10,0 3,0 1,528 0,09471 1,244
12,5 3,0 1,577 0,12296 1,296
15,0 3,0 1,620 0,17883 1,349
17,5 3,0 1,721 0,23614 1,417
7,5 4,0 1,548 0,08545 1,202
10,0 4,0 1,827 0,12502 1,279
12,5 4,0 1,935 0,18735 1,348
15,0 4,0 2,319 0,28548 1,472
17,5 4,0 2,412 0,38131 1,558
En base a los resultados mostrados en la Tabla Nº 5.32, se graficó el logaritmo decimal de
la pérdida de presión por unidad de altura de lecho, contra el logaritmo decimal del flujo
másico por unidad de sección transversal de lecho.
La Figura Nº 5.38 muestra el ajuste de los valores experimentales de pérdida de presión en
el lecho, a una línea recta.
101
UPB © 2012
Figura Nº 5.38 Curva de regresión para el modelo de pérdidas de presión en el lecho
(D=20 cm).
La Tabla Nº 5.33 muestra los resultados de la regresión.
Tabla Nº 5.33 Resultados del análisis de regresión para la pérdida de presión.
Descripción Valor determinado
Log (KT) 0,5239
KT 3,3412
K 12,8463
n 0,3451
Finalmente, se puede estimar la pérdida de presión por unidad de altura de lecho en para
un lecho de 20 cm de diámetro mediante la ecuación:
(20)
Donde:
ΔP es la caída de presión a través del lecho de tipo surtidor, en kgfcm-2m-1
H es la altura del lecho fijo de solidos en m
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
-1,5 -1,0 -0,5 0,0
Log
(ΔP
/H)
Log (G)
Valores experimentales
r = 0,908
102
UPB © 2012
G es el flujo másico de aire por unidad de área transversal de lecho en kg s-1m-2
Para el lecho en estudio, la ecuación 18 se puedes expresar de la forma:
(
)
(
)(
( )
) (21)
Donde µ es la viscosidad del aire a 20ºC, Dp es el diámetro de los granos de quinua (2,45
mm), λ es el factor de forma de la quinua (1,02), ε es la porosidad del lecho (0,43) y ρf es la
densidad del aire a las condiciones de operación.
Se evaluaron las pérdidas de presión según la ecuación 20. La Tabla Nº 5.34 muestra la
perdida de presión medida y la perdida de presión calculada en el sistema. Además, se
incluye el porcentaje de error de los datos medidos con respecto al modelo desarrollado.
Tabla Nº 5.34 Pérdidas de presión medida y calculada en todo el sistema.
Altura de
lecho
[cm]
Diámetro de
boquilla
[mm]
Pérdida de
presión
medida
[kgf cm-2]
Pérdida de
presión
calculada
[kgf cm-2]
Error
[%]
7,5 2,0 1,100 1,039 5,56
10,0 2,0 1,600 1,574 1,61
12,5 2,0 2,200 2,257 2,61
15,0 2,0 3,200 3,278 2,45
7,5 3,0 0,700 0,657 6,10
10,0 3,0 0,900 0,889 1,25
12,5 3,0 1,200 1,252 4,30
15,0 3,0 1,750 1,902 8,66
17,5 3,0 2,200 2,448 11,27
7,5 4,0 0,550 0,495 10,02
10,0 4,0 0,850 0,838 1,40
12,5 4,0 1,150 1,269 10,37
15,0 4,0 1,800 1,942 7,89
17,5 4,0 2,300 2,553 11,00
Las Figuras Nº 5.39, 5.40 y 5.41 muestran la pérdida de presión en el lecho medida y la
pérdida calculada con el modelo desarrollado para cada diámetro de boquilla. Se
103
UPB © 2012
observa que la caída de presión calculada tiene un valor muy cercano al valor medido
para todas las boquillas utilizadas.
Figura Nº 5.39 Comparación entre la pérdida de presión medida y calculada
(D=20 cm, boquilla de 2,0 mm)
Figura Nº 5.40 Comparación entre la pérdida de presión medida y calculada
(D=20 cm, boquilla de 3,0 mm)
0,0
1,0
2,0
3,0
4,0
5 7,5 10 12,5 15 17,5
Pé
rdid
a d
e p
resi
ón
[kg
fcm
-2]
Altura de lecho [cm]
Pérdida de presión calculada Pérdida de presión medida
0,0
1,0
2,0
3,0
5 7,5 10 12,5 15 17,5 20
Pé
rdid
a d
e p
resi
ón
[kg
fcm
-2]
Altura de lecho [cm]
Pérdida de presión calculada Pérdida de presión medida
104
UPB © 2012
Figura Nº 5.41 Comparación entre la pérdida de presión medida y calculada
(D=20 cm, boquilla de 4,0 mm)
5.3.3 Determinación de condiciones óptimas según el modelo
Mediante las constantes k y n de las ecuaciones Nº 20 y 21para los lechos de 7,5 y 20 cm
de diámetro respectivamente, se obtuvieron las constantes para cualquier diámetro de
lecho mediante interpolación con polinomios de LaGrange de grado 1.
Se obtuvieron las superficies de respuesta para el consumo específico de energía en
función de la altura de lecho y el diámetro de lecho, manteniendo el diámetro de
boquilla constante.
Se analizaron los diámetros de boquilla de 2,0 y 3,0 milímetros, pues con estas la
fluidización es estable para lechos de diámetro pequeño y grande.
La Figura Nº 5.42 muestra la superficie de respuesta para la boquilla de 2,0 milímetros,
donde se observa la variación del consumo de energía, debido a la caída de presión a
través del lecho, en función a la altura y diámetro de lecho.
0,0
1,0
2,0
3,0
5 7,5 10 12,5 15 17,5 20
Pé
rdid
a d
e p
resi
ón
[kg
fcm
-2]
Altura de lecho [cm]
Pérdida de presión calculada Pérdida de presión medida
105
UPB © 2012
Figura Nº 5.42 Altura y diámetro de lecho óptimos (Boquilla de 2,0 mm)
La Tabla Nº 5.35 muestra los valores óptimos de altura y diámetro de lecho, para minimizar
el consumo de energía debido a la caída de presión a través del lecho.
Tabla Nº 5.35 Diámetro y altura de lecho óptimos para la boquilla de 3,0 mm
Elemento Valor óptimo
Altura de lecho [cm] 11,0-13,0
Diámetro de lecho [cm] 11,5-13,0
Para estos rangos de valores, el consumo específico de energía a través del lecho se
reduce hasta un valor de 0,0286 kWhkg-1.
106
UPB © 2012
La Figura Nº 5.3 muestra la superficie de respuesta para la boquilla de 3,0 milímetros,
donde se observa la variación del consumo de energía, debido a la caída de presión a
través del lecho, en función a la altura y diámetro de lecho.
Figura Nº 5.43 Altura y diámetro de lecho óptimos (Boquilla de 3,0 mm)
La Tabla Nº 5.36 muestra los valores óptimos de altura y diámetro de lecho, para minimizar
el consumo de energía debido a la caída de presión a través del lecho.
Tabla Nº 5.36 Diámetro y altura de lecho óptimos para la boquilla de 3,0 mm
Elemento Valor óptimo
Altura de lecho [cm] 11,5-13,0
Diámetro de lecho [cm] 10,5-12,5
Para estos rangos de valores, el consumo específico de energía a través del lecho se
reduce hasta un valor de 0,0154 kWhkg-1.
107
UPB © 2012
5.4 Discusión de los resultados obtenidos
Durante la fase de laboratorio del estudio, se lograron determinar las condiciones
geométricas y de operación que permiten disminuir el consumo de energía para el
sistema de desaponificación en seco mediante el uso del LFTS.
Los resultados obtenidos en el presente estudio, en cuanto a al consumo de energía y la
pérdida de masa durante el proceso de desaponificación son menores a los registrados
en estudios previos acerca del tema [7]. Estos resultados hacen que el proceso de
desaponificación en seco sea más competitivo y atractivo a la hora de su
implementación a nivel industrial.
5.4.1 Geometría de lecho
La Tabla Nº 5.37 muestra las ventajas de las condiciones establecidas en este estudio
frente a las condiciones registradas en el proyecto desarrollado por los centros de
investigación de la UPB.
Tabla Nº 5.37 Análisis comparativo de la geometría establecida en la fase de laboratorio
Descripción
Resultados Registrados en el
estudio realizado por el CIPI y
CIAAA
Resultados obtenidos en la fase
de laboratorio del presente
estudio
Diámetro de lecho
Lecho de quinua de 7,5
centímetros de diámetro, tratado
en un reactor cilindro-cónico
Lecho de quinua de 20
centímetros de diámetro, tratado
en un reactor cilindro-cónico
Altura de lecho Lecho de quinua de 12,5 cm de
altura
Lecho de quinua de 12,5 cm de
altura
Carga de quinua tratada 350 gramos por corrida
experimental
1450 gramos por corrida
experimental
La cantidad de quinua tratada durante una corrida experimental es mayor debido a que
el lecho de quinua que se logró tratar en este estudio tiene un mayor diámetro.
En cuanto a la estabilidad de lecho y la manejabilidad del proceso, las condiciones
geométricas determinadas en este estudio, permitieron generar lechos de quinua con
108
UPB © 2012
mayor nivel de mezcla entre partículas y mayor estabilidad que las condiciones
registradas en los estudios previos realizados [7]. La posibilidad de poder manejar de
manera fácil un lecho de mayor volumen y por tanto tratar mayores cantidades de
quinua, hace que los requerimientos de energía por unidad de masa de quinua tratada
disminuyan.
En cuanto al ángulo de inclinación de la parte cónica de los reactores, se determinó un
valor de 45º de inclinación que puede ser variado hasta 30º sin afectar la manejabilidad
del sistema. Este resultado coincide con el ángulo de inclinación determinado en el
proyecto realizado por los centros de la UPB.
La altura de lecho óptima determinada, no difiere del valor determinado en estudios
previos [7]. Esto se debe a que los lechos de mayor altura a 12,5 centímetros, tienden a ser
inestables, mostrando comportamientos irregulares en el mezclado de los granos de
quinua dentro el lecho. Además, se requieren presiones de operación y flujos volumétricos
de aire muy elevados, los lechos de alturas mayores a 12,5 centímetros tienden a
colapsar, disminuyendo la manejabilidad de los mismos, aspecto que es fundamental a la
hora de la implementación a nivel industrial.
5.4.2 Condiciones de operación
Los estudios previos del lecho fluidizado, aplicado a la desaponificacion de quinua, tenían
como fuertes desventajas la alta presión manométrica de operación y la velocidad lineal
de aire requeridas para generar el movimiento de los granos de quinua en el lecho.
En este estudio se logró disminuir la presión manométrica de operación y generar un mejor
movimiento y mezcla de los granos de quinua dentro el lecho.
La Tabla Nº 5.38 muestra las condiciones de operación registradas bajo condiciones
óptimas en el presente estudio, comparadas con las que se registraron por los centros de
investigación de la UPB.
109
UPB © 2012
Tabla Nº 5.38 Análisis comparativo de las condiciones óptimas registradas en la fase de
laboratorio.
Elemento
Resultados Registrados en
el estudio inicial del CIPI y
CIAAA
Resultados obtenidos en la
fase de laboratorio del
presente estudio
Diámetro de boquilla óptimo [mm] 1,4 3,0
Presión manométrica para generar
el lecho fluidizado [bar] 2,8 1,2
Flujo Volumétrico de aire de
operación [L min-1] 25 100
Flujo Volumétrico Estándar de aire
[L min-1] 45 145
Flujo especifico de aire (STP)
[m3 kg quinua-1] 4,0 6,7
Tiempo de tratamiento [min] 30 68
Consumo de energía [kWh lg-1] 0.621 0.2636
Se observa que la presión registrada es menor que la registrada en la bibliografía. El flujo
de aire requerido para las condiciones establecidas es mayor al flujo registrado en la
bibliografía [7]. Sin embargo, el efecto del flujo volumétrico de aire sobre el consumo
energético es menor que el efecto de la presión. Además, la presión de operación es un
factor crítico en la estabilidad y manejabilidad del lecho fluidizado, como se mencionó
anteriormente, cuando la presión de operación es elevada, el lecho tiendo a ser difícil de
manejar y a colapsar.
Los flujos volumétricos altos tienen a incrementar el nivel de mezcla de los granos de
quinua durante el proceso de desaponificacion. Por otro lado, si bien el flujo de operación
es mucho mayor que el flujo registrado en la bibliografía, se observa que el gasto
específico de aire es cercano al que se registra en la misma.
La velocidad de aire a la entrada del surtidor es otro factor importante en la estabilidad
del lecho y en la pérdida de masa. Las velocidades registradas son menores a las que se
registraron en estudios anteriores [7]. Esto se debe al uso de una boquilla para la entrada
de aire que tiene mayor diámetro interno.
110
UPB © 2012
Esta boquilla asegura un flujo de aire de menor velocidad y disminuye las pérdidas de
masa durante el proceso. Este comportamiento se explica debido a que mayores
velocidades de aire, generan una mayor fuerza de choque entre los granos de quinua
durante el proceso, esto tiende a desgastar con mayor velocidad los granos de quinua y
elevar las pérdidas de masa.
5.4.3 Resultados de las pruebas experimentales bajo condiciones óptimas
5.4.3.1 Tiempo óptimo de tratamiento
Para la determinación del tiempo óptimo de tratamiento, se estableció que los granos de
quinua tratados, debían alcanzar un nivel de saponinas residuales de 0,01 %, esto es un
porcentaje de remoción mayor al 95 %. Este nivel se definió para establecer un proceso
competitivo frente a los valores registrados por el proceso de beneficiado de quinua
desarrollado por el CPTS.
En función a los resultados obtenidos para las corridas experimentales, se determinó que el
tiempo de tratamiento bajo condiciones óptimas, es de 68 minutos. El tiempo de
tratamiento establecido por los centros de investigación de la UPB, en la fase de
laboratorio era de 30 minutos, bajo el cual se lograban remociones mayores al 95%.
Si bien el tiempo de tratamiento determinado es mayor al registrado por el CIPI, un
aspecto importante es la cantidad de quinua que puede ser tratada durante este
periodo Para la geometría óptima de laboratorio, se pueden tratar 1450 gramos de
quinua en un tiempo de 70 minutos.
Se logró disminuir el tiempo necesario por unidad de masa de quinua desde 86 minutos
por kilogramo de quinua (valor registrado en el proyecto del CIPI y CIAAA) hasta un valor
de 48 minutos por kilogramo de quinua tratados con una boquilla para la entrada de aire.
Este es un aspecto muy importante a la hora del escalamiento a nivel industrial y tiene
mucha importancia en la disminución del consumo energético.
El tiempo de tratamiento, está definido por el nivel de remoción de saponinas que se
requiera alcanzar. En este estudio se alcanzaron valores de 0,01 % para generar un
proceso competitivo frente a otros procesos de beneficiado de quinua, como el que fue
desarrollado por el CPTS. Sin embargo, si los niveles de comercialización requeridos son de
0,06 % de saponinas en el grano de quinua, el tiempo de tratamiento podría disminuirse
111
UPB © 2012
considerablemente para productos que cuyo requerimiento únicamente sea alcanzar
este nivel.
5.4.3.2 Pérdida de masa durante el proceso de beneficiado
La pérdida de masa es un aspecto fundamental durante el proceso, debido al elevado
costo de la materia prima. Se logró disminuir de manera significativa la pérdida de masa
registrada los primeros estudios sobre desaponificacion en seco [7].
La Tabla Nº 5.39 muestra la comparación de los resultados obtenidos frente a los primeros
estudios de desaponificacion en seco.
Tabla Nº 5.39 Análisis comparativo para la pérdida de masa
Elemento Resultados del
CIPI y CIAAA
Resultados
obtenidos
Porcentaje de
disminución
Pérdida de masa bajo condiciones óptimas
[%] 7,20 5,13 28,75 %
Costo asociado a la pérdida de masa
(sobre la base de 100 kg de materia prima)
[$us/kg Materia Prima]
0,16 0,11 28,75 %
5.4.3.3 Consumo energético del sistema
El principal aspecto de interés en el proyecto, es el consumo de energía del sistema. Los
valores de consumo energético registrados en la primera fase del proyecto realizado por
los centros de investigación de la UPB, están muy por encima al consumo energético
registrado por el proceso desarrollado por el CPTS (0,150 kWh/kg de quinua procesada).
El presente proyecto logro establecer condiciones de operación bajo las cuales el
consumo de energía disminuye notablemente frente a los registrados por el CIPI y CIAAA,
además los valores alcanzados son mucho más cercanos a los valores de consumo
energético del CPTS.
El consumo de energía registrado en el proyecto, bajo una eficiencia en la entrega de
aire al sistema del 80 %, es de 0, 3295 kWh/kg quinua. Este valor muestra una disminución
porcentual del 46,9 % frente al consumo registrado para el prototipo piloto desarrollado
por los centros de investigación de la UPB (0,621 kWh/kg).
112
UPB © 2012
Un aspecto importante es el nivel de saponinas residuales establecido (0,01 % en masa). El
consumo de energía bajo las condiciones de operación establecidas en el presente
proyecto, disminuye de manera notable si se alcanzan niveles de solo 0,06 % de saponinas
residuales (nivel mínimo requerido comercialmente).
En el proceso a nivel industrial, el consumo de energía es menor que el que se registra en
la fase de laboratorio, debido a los factores de escalamiento empleados. Esto hace que
el gasto de energía sea más próximo al que registra el proceso desarrollado por el CPTS.
113
UPB © 2012
VI DISEÑO DEL EQUIPO INDUSTRIAL
La Tabla Nº 6.1 muestra las condiciones óptimas determinadas en la fase de laboratorio
para el diseño del equipo industrial.
Tabla Nº 6.1 Condiciones de operación óptimas determinadas en la fase de laboratorio.
Característica Especificación
Diámetro de lecho [cm] 20,0
Altura de Lecho [cm] 12,5
Diámetro de Boquilla [mm] 3,0
Presión de Operación [kgf cm-2] 1,20
Flujo Estándar de Operación [Lmin-1] 145
Consumo estándar de aire [m3 kg quinua-1] 6,56
Tiempo de Tratamiento [min] 68,0
Contenido de Saponinas Residuales [%] 0,01
Pérdida de Masa [%] 5,132
Consumo teórico de Energía
[kWh kg quinua-1] 0,2636
El proceso de beneficiado consta de las mismas etapas propuestas por los centros de
investigación de la UPB. Sin embargo, las condiciones de operación en el sistema de
fluidización están dadas por los resultados obtenidos en el presente proyecto. El proceso
está conformado por las siguientes etapas:
Limpieza y clasificación de la materia prima.
Almacenaje.
Despedregado.
Desaponificación en el sistema fluidizado de tipo surtidor.
Tamizado de los granos desaponificados.
114
UPB © 2012
Desinfección y Separación magnética de impurezas ferrosas.
Separación óptica de granos de color.
Envase.
Para elaborar el diseño del equipo de desaponificacion se consideró una capacidad de
producción diaria de 100 quintales de 46 kilogramos, es decir, 4 600 kg/día o 1 150
TM/año.
Para efectos de comparación, se consideró que este nivel de producción debe ser
cubierto en dos turnos de ocho horas, con tiempos de preparación de una hora, a 250
días de operación anual.
Para determinar la cantidad de quinua real que se trata en el sistema de
desaponificacion en seco, se realizó el balance de masa del proceso en función a la
capacidad de producción requerida. Las pérdidas de masa en este sistema son las
pérdidas registradas en la fase de laboratorio y perdidas en las demás etapas del proceso
se calcularon en base a los resultados obtenidos por los centros de investigación de la
UPB.
La pérdida de masa, bajo condiciones óptimas de operación, se disminuyó, por tanto la
cantidad de materia prima necesaria para alcanzar el nivel de 100 quintales diarios de
producción es menor a la registrada en la primera fase del proyecto realizado por el CIPI y
CIAAA.
115
UPB © 2012
La Figura Nº 6.1 muestra el balance de masa para el proceso expresado en kg/día.
Figura Nº 6.1 Balance de masa para el proceso de beneficiado bajo condiciones óptimas.
116
UPB © 2012
6.1 Diseño de la distribución de boquillas
En función a los resultados obtenidos en la fase de laboratorio, se establecieron las
siguientes condiciones geométricas para cada punto de aireación:
Una boquilla de 3 mm de diámetro interno dotada de una rejilla apropiada para
impedir el paso de granos de quinua dentro de la boquilla.
Una superficie de influencia de 400 cm2 y altura de relleno de 12,5 cm según
resultados obtenidos en laboratorio.
Una base cónica de un ángulo de 30º en la base del punto de inyección de aire,
para estabilizar la operación.
La Figura Nº 6.2 muestra las características de cada punto de aireación.
(A) (B)
Figura Nº 6.2 Geometría del volumen de influencia por punto de aireación.
(A) Área de influencia (B) Vista frontal del volumen de influencia.
La parte inferior es de forma plana, para la instalación de las boquillas. En función a las
características geométricas definidas para cada punto de aireación, se calculó el número
de boquillas necesarias para cubrir la capacidad de producción establecida.
Los resultados del balance de masa muestran que en el reactor de desaponificacion se
debe tratar 4866 kilogramos de quinua diariamente.
117
UPB © 2012
En función al volumen por punto de aireación (0,00385 m3) y la densidad de lecho
determinada experimentalmente (793 kgm-3), cada punto de aireación tiene una
capacidad de procesamiento de 3050 gramos, se trabaja en dos jornadas de 8 horas con
tiempos de preparación de 1 hora al inicio de cada jornada de trabajo por tanto el
número de puntos de aireación estará dado por:
(22)
Y en función al área de influencia determinada en la fase de laboratorio, se obtuvieron los
siguientes resultados:
Número de puntos de aireación: 140 distribuidos en una batería rectangular de 20
filas y 7 columnas.
La batería tendrá un largo de 4 metros y un ancho de 1,4 metros.
Las boquillas estarán acomodadas en canales que cuentan con una inclinación
de 30º
La Figura Nº 6.3 muestra la batería de boquillas diseñada en función a las condiciones
óptimas determinadas en laboratorio.
Figura Nº 6.3 Vista Isométrica de la batería de boquillas diseñada.
118
UPB © 2012
Los canales a 30º tienen una altura de 6 centímetros y ancho de 20 centímetros, existe un
pequeño desnivel entre canales para asegurar el flujo de los granos de quinua hasta la
última fila. Los canales están ubicados sobre una placa plana con un ángulo de
inclinación pequeño (5º) y espesor de 3 mm.
6.2 Selección del equipo de provisión de aire
Para la selección de equipo de aire los principales aspectos considerados fueron la
presión de operación requerida durante la fluidización y el consumo de aire requerido
para cubrir la capacidad de producción definida (4600 kg de quinua diariamente).
El sistema de fluidización, requiere de:
Presión manométrica de operación de 1,2 bares por punto de aireación
Un flujo estándar de aire de 17 [m3/min]
Bajo estas especificaciones el equipo seleccionado es un soplador de aire centrífugo. La
Figura Nº 6.4 muestra el equipo seleccionado.
Figura Nº 6.4 Equipo para la provisión de aire en el sistema fluidizado.
El equipo seleccionado es un soplador (Cyclo-Blower) de la marca GARDNER DENVER. El
modelo seleccionado, en función a los requerimientos de operación es 5CDL9 de 5000
RPM. Este modelo asegura un flujo de aire de hasta 620 PCM y una presión de descarga
de 25 PSIG. La potencia del equipo seleccionado es de 69,3 BHP, es decir 52 kW.
119
UPB © 2012
El equipo descrito proporciona una corriente de aire libre de aceite y humedad, por lo
que se evita el uso de filtros de aceite y agua en la corriente de aire antes de la entrada
al LFTS.
Para asegurar un flujo de aire adecuadamente distribuido, el suministro del soplador
pasará a una cámara de aire presurizado situada debajo de la batería diseñada. Se
alimentará al lecho de quinua mediante ocho áreas de distribución reguladas por 7
válvulas específicas.
6.3 Condiciones de operación del equipo industrial
Para determinar las condiciones de operación del equipo a nivel industrial se consideraron
las condiciones óptimas establecidas en la fase de laboratorio. La Tabla Nº 6.2 muestra las
condiciones de operación.
Tabla Nº 6.2 Características del aparato a nivel industrial.
Característica Especificación del
Equipo
Presión Manométrica de Operación [bar] 1,2
Flujo Estándar de Aire (STP) [m3 / min] 17,5
Tiempo de Tratamiento [min] 68
Capacidad de produccion [kg quinua procesada / h] 328,6
Gasto de aire especifico (STP) [m3 aire/TM quinua procesada] 3200
Gasto másico de aire [TM aire/TM quinua procesada] 5,1
Consumo Especifico de Energía [kWh/TM quinua procesada] 158,3
120
UPB © 2012
6.4 Comparación del proceso bajo nuevas condiciones óptimas
6.4.1 Diseño de la distribución de puntos de aireación
La Tabla Nº 6.3 muestra las características de la distribución de puntos de aireación
diseñada frente a la batería diseñada en la primera fase del proyecto realizado por los
centros de investigación de la UPB.
Tabla Nº 6.3 Análisis comparativo de la distribución de puntos de aireación
Elemento Resultados del
CIPI y CIAAA
Resultados
obtenidos
Número de puntos de aireación 240 140
Características de la batería de
boquillas
20 canales transversales con
un ángulo de inclinación de
45º y en 12 líneas en paralelo.
20 canales transversales con
un ángulo de inclinación de
30º y en 7 líneas en paralelas
Dimensiones 2,2 metros de largo y 1,2
metros de ancho
4 metros de largo y 1,4
metros de ancho
Distancia entre ejes [cm] 10 20
Diámetro de las boquillas [mm] 1,4 3
Flujo estándar por punto de
aireación [Lmin-1] 45 145
Presión de operación [bar] 4 1,2
Altura de relleno [cm] 15,0 12,5
Carga de quinua tratada por
punto de aireación [g] 750 3050
En cuanto al número de puntos de aireación, el proyecto muestra una disminución de 100
puntos, esto hace que el lecho se mas fácil de operar y que la estabilidad del mismo
mejore. Además, se logra una mejor distribución del aire provisto por el soplador.
Un aspecto negativo es que la batería de boquillas diseñada, presenta mayor área, esto
se debe a que la distancia entre boquillas es mucho mayor (20 centímetros frente a 10). El
costo de la batería se incrementa debido a su mayor tamaño. Sin embargo, la distancia
entre ejes es mayor y esto permite que se puedan tratar mayores cantidades de quinua
por punto de aireación.
121
UPB © 2012
En la altura de lecho, se ve que el diseño establecido tiene una altura de 12,5 centímetros,
lo cual mejora la estabilidad y manejabilidad del lecho. Sin embargo, disminuye en cierta
medida la cantidad de quinua a tratar.
El gasto de aire es mucho mayor (145 LPM frente a 45 LPM), debido al diámetro de
boquilla que se usa. Sin embargo, la presión de operación requerida es mucho menor (1,2
frente a 4 bares). Esto hace que la manejabilidad del lecho aumente y que el consumo
especifico de energía disminuya.
6.4.2 Características de operación del sistema de desaponificacion en seco
Otro aspecto importante fue el consumo de energía y de aire durante el proceso de
beneficiado. La Tabla Nº 6.4 muestra la comparación del equipo diseñado.
Tabla Nº 6.4 Análisis comparativo de las características del equipo de desaponificacion
Característica Resultados iniciales del
CIPI y CIAAA
Especificación
del Equipo
Tiempo de Tratamiento [min] 30 68
Gasto de aire especifico (STP)
[m3 aire/TM quinua procesada] 1 850 3 200
Gasto másico de aire
[TM aire/TM quinua procesada] 4,5 5,1
Consumo Especifico de Energía
[kWh/TM quinua procesada] 278,3 180,9
Se observa que el gasto de aire en el sistema desarrollado es mayor al gasto de aire
registrado por el proyecto del CIPI y CIAAA. Sin embargo, el consumo energético a nivel
industrial, para la etapa de desaponificación, aún es menor bajo las condiciones del
presente proyecto. Esto se debe principalmente a la presión de operación determinada.
Se consideró el sistema de desaponificacion como punto de comparación entre
procesos, debido a que esta es la etapa crítica en el beneficiado en seco. Además, las
mejoras obtenidas en el presente proyecto afectan únicamente a esta etapa del
122
UPB © 2012
proceso, las demás etapas no se varían y el consumo de energía en estas se mantiene
invariable.
El consumo específico de energía en todo el proceso desarrollado por los centros de
investigación de la UPB, es de 325 kWh/TM de quinua procesado, bajo las condiciones de
mejora propuestas en este trabajo, este consumo se reduce hasta 227 kWh/TM de quinua
procesada. Esta mejora representa un 30,2 % de disminución en el consumo energético
frente al que registraba el proyecto inicial.
6.4.3 Equipo de provisión de aire seleccionado
Una de las ventajas del sistema de desaponificacion diseñado, es la baja presión de
operación requerida para establecer el lecho fluidizado de quinua. La presión de
operación necesaria es de 1,2 bares. Este aspecto permitió la selección de un soplador de
aire industrial (Cyclo-Blower).
El proyecto desarrollado por los centros de investigación de la UPB, presentaba presiones
de operación del orden de 4 bares, lo cual resulto en la selección de un compresor de
tornillo como aparato para la provisión de aire al sistema.
El soplador presenta varias ventajas frente a un compresor de aire, pues es un equipo que
requiere menores cantidades de energía ya que trabaja a presiones relativamente bajas.
Por otro lado puede proveer mayores caudales de aire con menor cantidad de energía.
El proceso es más estable con el uso de un soplador de aire. Además, este representa un
ahorro importante en cuanto al uso de espacio físico y no se requieren filtros de aceite y
humedad.
6.4.4 Análisis comparativo con el proceso establecido por el CPTS
La Tabla 6.5 muestra el análisis comparativo del proceso de beneficiado en seco inicial,
incluyendo las mejoras obtenidas en el presente estudio, frente al proceso de beneficiado
de quinua desarrollado por el CPTS.
123
UPB © 2012
Tabla Nº 6.5 Comparación del proceso del CPTS con el proceso de beneficiado en seco
bajo nuevas condiciones óptimas.
Característica
Especificación
Proceso desarrollado por el
CPTS
Proceso del CIPI y CIAAA bajo
nuevas condiciones optimas
Capacidad de procesamiento
de grano de quinua 0,6 a 1,08 TM de quinua / hora 0,33 TM de quinua / hora
Porcentaje de pérdida total de
materia prima 6,4 %
7,13 % ( 5,13 % en la
desaponificacion y 2 % en las demás
etapas)
Porcentaje de recuperación de
episperma 85 a 95 % 98 %
Consumo específico de energía
eléctrica 20 kWh / TM de quinua 46 kWh / TM de quinua
Consumo especifico de agua 5 m3 agua / TM de quinua ---
Consumo especifico de GLP 10 kg GLP / TM de quinua ---
Consumo de energía especifico
en la desaponificacion --- 158,3 kWh / TM de quinua
Consumo especifico de energía
(TOTAL) 150 kWh / TM de quinua 227 kWh / TM de quinua
El proceso de beneficiado en seco presenta ventajas en cuanto a la recuperación de
saponinas, uso de agua y uso de GLP.
La pérdida de masa del proceso a nivel industrial es superior a la registrada por el CPTS. El
consumo específico de energía registrado es mayor en un 51,3 % al consumo que reporta
el proceso desarrollado por el CPTS.
Un aspecto importante es que el consumo de energía está sujeto al nivel de remoción de
saponinas alcanzado, para valores mayores de saponina residual en el grano tratado
(0,06 % como valor requerido para la comercialización) el consumo energético es mucho
menor, sin embargo no sería adecuada una comparación entre procesos que generan
productos de distintas calidades (0,01 % de saponinas residuales frente a 0,06 %).
124
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VII EVALUACIÓN FINANCIERA DEL PROCESO
7.1 Maquinaria y Equipo
La evaluación financiera se realizó para la etapa de desaponificacion mediante el uso
del lecho fluidizado tipo surtidor.
La Tabla Nº 7.1 muestra los equipos necesarios para esta etapa bajo las condiciones
propuestas en el presente estudio.
Tabla Nº 7.1 Maquinaria y Equipo requerido.
Descripción Características Costo Total
Cotizado ($US)
Reactor Fluidizado
de Tipo Surtidor
(LFTS)
Reactor provisto de una batería de 140 boquillas de 3
milímetros de diámetro interno, para el ingreso de aire,
dispuestas en 20 filas acanaladas con ángulo de
inclinación de 30º y 7 columnas perpendiculares, con
relleno granular de 12,5 cm de altura, para desaponificar
un flujo de 100 quintales por día de granos de quinua, en
dos jornadas de 8 horas, con 1 hora de tiempo de
preparación y 68 minutos de operación, dotado de
paredes translúcidas de plástico y conectado a un
ciclón para separar el polvo de saponinas y episperma,
del aire.
15 000
Soplador de aire
(Cyclo-Blower)
Soplador de aire de la marca GARDNER DENVER,
modelo 5CDL9 de 5000 RPM. Con capacidad de flujo de
aire de 620 PCM y presión de descarga de 20 PSIG.
18 000
TOTAL 33 000
Los equipos adicionales requeridos para el proceso de beneficiado son los mismos que se
proponen en el proyecto desarrollado por los centros de investigación de la UPB (CIPI y
CIAAA).
125
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Los equipos adicionales requeridos para el beneficiado de quinua son:
Limpiadora y clasificadora.
Batería de silos.
Despedregador.
Tamizador inclinado.
Esterilizador y separador magnético.
Separador óptico.
Envasadora semi automática.
En cuanto a inversión en maquinaria, los equipos anteriormente descritos no representan
un ahorro. Sin embargo, en cuanto al equipo de desaponificacion y de suministro de aire
se tiene un ahorro de 62 000 $us (65 %) frente al sistema de desaponificacion utilizado en el
proyecto desarrollado por el CIPI Y CIAAA
7.2 Ahorros en materia prima
El proceso de desaponificacion bajo las condiciones propuestas, tiene un ahorro en
cuanto a las pérdidas de materia prima durante la etapa de desaponificacion.
La producción anual de quinua asciende a 1 150 toneladas métricas anuales (250 días de
operación anual). La Tabla Nº 7.2 muestra las pérdidas de materia prima generadas en el
lecho fluidizado tipo surtidor durante un periodo de un año.
Tabla Nº 7.2 Pérdidas anuales de materia prima en el beneficiado de quinua.
Descripción Valor Registrado por el
proceso propuesto
Cantidad de materia prima necesaria [TM] 1 220
Perdidas bajo condiciones del proyecto [%] 5,132
Pérdidas Totales en Materia Prima [TM] 63
Pérdidas anuales en Materia Prima[miles de $us] 136,5
El ahorro en materia prima es de 55 200 $us con respecto a las condiciones registradas por
los centros de investigación de la UPB.
126
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7.3 Ahorros en energía
El consumo de energía eléctrica durante el proceso de desaponificacion pudo ser
disminuido desde 325 kWh / TM de quinua procesada según los resultados a nivel industrial
reportados por el CIPI y el CIAAA, hasta un valor de 227 kWh / TM de quinua procesada.
Esta disminución representa una disminución en los costos de operación de la tecnología
desarrollada por los centros de investigación de la UPB.
La Tabla Nº 7.3 muestra los ahorros en costos de energía gracias a la mejora desarrollada.
Además, se muestra la comparación con los valores registrados por el CPTS.
Tabla Nº 7.3 Ahorro en costos de energía eléctrica.
Descripción Proceso CIPI y CIAAA Proceso CPTS Proceso bajo nuevas
condiciones optimas
Uso de energía eléctrica
[kWh / año] 373 750 23 000 261 050
Uso de GLP en el secado
[kg / año] --- 11 500 ---
Costo total de la energía
[$us / año] 22 425 4 600 15 663
Los resultados muestran que el proceso bajo las nuevas condiciones óptimas representa
un ahorro de 6762 $us al año, en costos de energía eléctrica.
El nuevo proceso de beneficiado tiene un costo de energía mayor al costo registrado por
el CPTS. Sin embargo, el proceso no requiere del uso de un combustible que genere
contaminantes, durante el proceso. El costo de energía registrado bajo las nuevas
condiciones, aún es mayor al registrado por el CPTS.
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VIII CONCLUSIONES
8.1 Conclusiones
Caracterización del lecho
La presión de operación, flujo de operación y velocidad lineal necesarias para
establecer un lecho fluidizado estable se incrementan en función a la altura de
lecho (mayor carga de quinua).
En el lecho de 7,5 cm de diámetro, las boquillas de diámetro pequeño son las que
brindan mejor estabilidad al proceso. La boquilla de 2 mm genera el lecho más
estable con presiones de operación entre 0,9 y 1,3 kgfcm-2, flujos de operación
entre 58 y 70 Lmin-1 y velocidades lineales entre 310 y 370 ms-1 para distintas alturas
de lecho.
En el lecho de 7,5 cm, las boquillas de 3 y 4 mm de diámetro generan un
movimiento irregular de los granos de quinua. La fuente que se forma tiene un
movimiento caótico y los granos tienden a chocar contra las paredes del reactor.
En el lecho de 20 cm de diámetro, las boquillas de diámetro grande son las que
brindan mejor estabilidad al proceso. La boquilla de 3 mm genera el lecho más
estable con presiones de operación entre 1,2 y 2, kgfcm-2, flujos de operación entre
100 y 130 Lmin-1 y velocidades lineales a la entrada del surtidor entre 240 y 305 ms-1,
para distintas alturas de lecho.
En el lecho de 20 cm las boquillas de diámetro menor a 2 mm no son adecuadas,
pues no generan un mezclado homogéneo de los granos de quinua en el anillo
descendente del lecho. El movimiento se produce solo en la línea central del
mismo.
Los lechos de altura mayor a 15 cm, son inestables independientemente del
diámetro de lecho y del diámetro de boquilla utilizados en el presente estudio.
Determinación de condiciones de procesamiento óptimas
La altura de lecho óptima es de 12,5 cm independientemente del diámetro de
lecho y diámetro de boquilla que se utilice.
El tiempo de tratamiento para cualquier configuración de lecho depende del nivel
de remoción de saponinas que se alcance. Mayores porcentajes de remoción de
saponina requieren mayores tiempos de tratamiento.
128
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En el lecho de 7,5 cm de diámetro las condiciones de procesamiento óptimas
corresponden a una altura de lecho de 12,5 cm, diámetro de boquilla de 2 mm y
tiempo de procesamiento de 23,5 minutos.
El consumo especifico de energía para el lecho de diámetro de 7,5 cm bajo
condiciones óptimas es de 0,2845 kWh/kg de quinua procesada.
En el lecho de 20 cm de diámetro las condiciones de procesamiento óptimas
corresponden a una altura de lecho de 12,5 cm, diámetro de boquilla de 3 mm y
tiempo de procesamiento de 68 minutos.
El consumo especifico de energía para el lecho de diámetro de 20 cm bajo
condiciones óptimas es de 0,2636 kWh/kg de quinua procesada.
Las pérdidas de masa en el proceso son mayores cuando se utilizan boquillas de
diámetros pequeños (menores a 2 mm). Para la boquilla de 1,4 mm la perdida de
masa esta entre 5 y 6 %.
Bajo condiciones óptimas, el lecho de 20 cm de diámetro es más adecuado en
cuanto a la pérdida de masa durante el proceso. Las pérdidas de masa mínimas
son de 5,1 % frente a 6,6 % para el lecho de 7,5 cm de diámetro.
En los lecho de 7,5 cm y 20 cm se requieren tiempos de tratamiento de 30 y 70
minutos respectivamente, para alcanzar un nivel de saponinas residuales de 0,01 %
(valor referencial del CPTS).
La geometría óptima es el lecho de diámetro de 20 cm. La presión de operación
registrada es de 1,2 kgfcm-2, el flujo de operación estándar es de 145 Lmin-1.
Bajo las condiciones de operación establecidas a nivel laboratorio, se obtiene una
disminución del consumo específico de energía del 45 % y una disminución de la
pérdida de masa del 28,75 % frente a los resultados de la fase inicial del proyecto
realizado por el CIPI y el CIAAA.
Modelamiento de las pérdidas de presión en el sistema
Las mayores pérdidas de presión en el sistema se dan en la boquilla (dos
contracciones bruscas y una expansión brusca) y a lo largo del lecho de quinua.
La pérdida de presión en la manga recolectora no es significativa en el lecho de
7,5 cm. En cambio, en el lecho de 20 cm esta pérdida debe tomarse en cuenta.
Los modelos teóricos para la perdida de presión en el lecho (ecuaciones de
Madonna y Lama) deben ajustarse a las condiciones atípicas del sistema. El
modelo que describe el sistema está caracterizado por una constante que
depende de las condiciones de operación, para el lecho de diámetro de 7,5 cm,
129
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se tiene K= 9,2572 y n=0,3388. Para el lecho de diámetro de 20 cm se tiene K=
12,8463 y n=0,3451
Las caídas de presión en las demás regiones del sistema, pueden ser modeladas
mediante las ecuaciones respectivas. El comportamiento teórico se acerca
mucho al comportamiento real, registrado para el sistema LFTS.
La altura óptima de lecho esta entre 9 y 11 cm para el lecho de 20 cm de
diámetro.
Diseño del equipo industrial
El proceso de desaponificacion a nivel industrial registra un consumo energético
de 180 kWh/TM en el reactor de lecho fluidizado y 47 kWh/TM en las demás etapas.
Las condiciones de operación establecidas, junto con el diseño del equipo
industrial, representan un ahorro en cuanto a perdidas en materia prima, consumo
de energía y el equipo de suministro de aire, respecto a los resultados obtenidos en
la primera fase del proyecto realizado por el CIPI y el CIAAA.
El ahorro en energía a nivel industrial, frente a los resultados registrados por los
centros de investigación de la UPB es del 30,2 % (227 kWh/TM vs 325 kWh/TM
registrado por los centros de investigación de la UPB).
Se tiene un ahorro en por perdida de materia prima de 55 200 $us, por inversión en
maquinaria de 62 000 $us y un ahorro de energía de 6 762 $us anualmente bajo las
nuevas condiciones de operación.
El consumo energético en el proceso de desaponificacion bajo condiciones
establecidas es 51,3 % mayor al consumo registrado por el CPTS (262 kWh/TM vs 160
kWh/TM para el CPTS).
8.2 Recomendaciones
Modelar el sistema bajo un rango más amplio de condiciones de operación, y
estudiar los efectos del diámetro de lecho sobre la perdida de presión en a lo largo
del lecho.
Utilizar boquillas de diámetros mayores o iguales a 3 milímetros, para minimizar la
pérdida de masa durante la desaponificacion.
Realizar un análisis del comportamiento de la porosidad del lecho bajo distintas
condiciones de operación (Flujo volumétrico de aire y presión de entrada).
130
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Además, estudiar la variación de esta magnitud con la altura de lecho y las
características de la fuente formada.
Aumentar la carga de quinua tratada en un punto de aeración mediante el uso
de boquillas de mayor diámetro e incrementando el diámetro o área de acción
de la boquilla. No se recomienda incrementar la altura de lecho pues el
comportamiento a alturas mayores a 12,5 cm es inestable.
Estudiar de comportamiento del lecho bajo distintos ángulos de inclinación pues es
un aspecto importante en la estabilidad del lecho y la carga de quinua trata por
punto de aireación
Cubrir un espectro más amplio de diámetros de boquilla a la entrada del lecho.
Realizar estudios con boquillas cuya disminución de área transversal sea de
manera gradual. Es decir, mejorar los diseños de las boquillas para disminuir la
caída de presión y, por tanto, el consumo específico de energía.
131
UPB © 2012
IX BIBLIOGRAFÍA
[1] Koziol M.J., "Chemical Composition and Nutricional Evaluacion of Quinua
(Chenopodium quinoa Willd.)," Journal of Food Compostion and Análysis, no. 5, pp.
35-68, 1998.
[2] Angel Mujica Sven-E Jacobson, La quinua y sus parientes silvestres, 2006.
[3] Villacorta S. Talavera V., "Anatomía del Grano de Quinua (Chenopodium Quinoa
Wild)," Anales Cientificos UNA, vol. 1, no. 14, pp. 39-45, 1996.
[4] Carmen Carla Quiroga Ledezma Carlos Ramiro Escalera Vásquez Cristian Ricardo
Nogales Carvajal Juan Francisco Montaño Anaya, "Proyecto de prefactibilidad para
un proceso de beneficiado en seco de variedades amargas de quinua, basado en la
aplicacion de un lecho fluidizado de tipo surtidor," Universidad Privada Boliviana,
Cochabamba, Informe Primera Fase de Ejecución 2010.
[5] INE Bolivia. (2010, Septiembre) Estadisticas Internacionales. Comercio Exterior de
Bolivia. [Online]. http://www.ine.gob.bo:8082/comex/Main
[6] Carla Quiroga Ledezma Ramiro Escalera Vásquez, "Evaluación de la calidad
nutricional y morfología del grano de variedades amargas de quinua beneficiadas en
seco, mediante el novedoso empleo de un reactor de lecho fluidizado de tipo
surtidor," Investigación y Desarrollo, vol. 1, no. 10, pp. 23-36, Noviembre 2010.
[7] Ramiro Escalera Vásquez Carla Quiroga Ledezma Luis Arteaga Weill, "Desarrollo y
Desempeño de un proceso de beneficiado en seco de variedades amargas de
quinua basado en la aplicación de un lecho fluidizado de tipo surtidor (LFTS),"
Investigación y Desarrollo, vol. 1, no. 10, pp. 5-22, Noviembre 2010.
[8] Centro de Promoción de Tecnologias Sostenibles, "Mayor Productividad y
Rentabilidad con Producción mas Limpia," Centro de Promoción de Tecnologias
Sostenibles, La Paz, Estudio de Caso PML-029 2006.
[9] Juan Connesa Ferrer, Principios de fluidizacion, 5th ed. Mexico D.F., Mexico, 2002.
[10] Pedro Luis López Corsino, "Simulacion numérica de un lecho fluido bidimencional para
la determinación de la velocidad de mínima de fluidización," Universidad Carlos III de
Madrid, Madrid, Proyecto Fin de Carrera 2009.
[11] O. Gryczka S. Heinrich V. Miteva N.G. Deen J.A.M. Kuipers M. Jacob L. Morl,
"Characterization of the behavior of a novel spouted be apparatus with two
adjustable gas inlets," ELSEVIER, vol. 1, no. 63, pp. 791-814, October 2008.
[12] Carla Quiroga Ledezma Ramiro Escalera Vásquez Luis Arteaga Weill Francisco Motaño
Ricardo Nogales, "Informe Final Proyecto de prefactibilidad para el beneficiado en
seco de variedades amargas de quinua mediante la apliacion de un lecho fluidizado
tipo suritdor," PIEB, Cochabamba, Reporte 2010.
132
UPB © 2012
[13] Warren L. McCabe Julian C. Smith, Operaciones básicas de Ingeniería Química.
Barcelona, España: REVERTE S.A., 1998.
[14] Christie J. Geankoplis, Procesos de Transporte y Operaciones Unitarias. Mexico D.F.,
Mexico: Continental S.A. De C.V., 1998.
[15] R. F. Lama, "Pressure Drop in Spouted Beds," University of Ottawa, Ottawa, Tesis
Magistral EC52387, 1977.
[16] Jhon Wiley, Unit Operations. New York, USA: G. G. Brown and Associates, 1950.
[17] Victor L. Streeter E. Benjamin Wyle, Mecanica de los fluidos, Octava ed. Mexico D.F.,
Mexico: McGRAW-HILL, 1987.
[18] Max Leva, "Chemical Engineering Progrma," no. 43, pp. 549-554, 1947.
133
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X ANEXOS
10.1 Características del grano de quinua
La quinua es un cereal muy importante, debido a sus excelentes propiedades
nutricionales y a la diversidad de ecotipos que presenta.
La Tabla Nº 10.1 muestra el contenido de algunos aminoácidos contenidos en la quinua
frente a otros cereales.
Tabla Nº 10.1 Contenido de aminoácidos en los grano
(mg de amino ácido/16 g de nitrógeno).
Componente Quinua Kañiwa Kiwicha Arroz Trigo
Ácido aspártico 7,8 7,9 7,4 8,0 4,7
Treonina 3,4 3,3 3,3 3,2 2,9
Serina 3,9 3,9 5,0 4,5 4,6
Ácido glutámico 13,2 13,6 15,6 16,9 31,3
Prolina 3,4 3,2 3,4 4,0 10,4
Glicina 5,0 5,2 7,4 4,1 6,1
Alanina 4,1 4,1 3,6 5,2 3,5
Valina 4,2 4,2 3,8 5,1 4,6
Isoleucina 3,4 3,4 3,2 3,5 4,3
Leucina 6,1 6,1 5,4 7,5 6,7
Tirosina 2,5 2,3 2,7 2,6 3,7
Fenilalanina 3,7 3,7 3,7 4,8 4,9
Lisina 5,6 5,3 6,0 3,2 3,8
Histidina 2,7 2,7 2,4 2,2 2,0
Arginina 8,1 8,3 8,2 6,3 4,8
Metionina 3,1 3,0 3,8 3,6 1,3
Cistina 1,7 1,6 2,3 2,5 2,2
Triptófano 1,1 0,9 1,1 1,1 1,2
% N del grano 2,05 2,51 2,15 1,52 2,24
% Proteína 12,8 15,7 13,4 9,5 14,0
Fuente: [2]
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La Tabla Nº 10.2 muestra el contenido de vitaminas de la quinua frente a otras fuentes
vegetales:
Tabla Nº 10.2 Contenido de vitaminas de la quinua y otros vegetales
(ppm en base de materia seca).
Vitamina Quinua Arroz Cebada Fríjol Papa Trigo
Niacina 10,7 57,3 58,3 25,7 51,8 47,5
Tiamina (B1) 3,1 3,5 3,3 5,3 4,4 6,0
Riboflavina (B2) 3,9 0,6 1,3 2,1 1,7 1,4
Ácido Ascórbico (C ) 49,0 0 0 22,5 3,8 0
Alfa-Tocoferol (E ) 42,3 --- --- --- --- ---
Carotenos 5,3 0 3,7 0,1 0,3 0
Fuente: [2]
Tabla Nº 10.3 Características de la semilla de algunas variedades de quinua
Variedades Color del grano Forma Tamaño
[mm]
Sajama Blanco Cónica 2,0-2,5
Real Blanco Cónica 2,2-2,8
Kcancolla Blanco Cónica 1,2-1,9
Blanca de July Blanco Cónica 1,2-1,6
Koitu Marrón ceniciento Esferoidal 1,8-2,0
Misa Jupa Blanco-Rojo Cónica 1,4-1,8
Amarilla Marangani Amarillo anaranjado Cónica 2,0-2,8
Tunkahua Blanco Redondo aplanado 1,7-2,1
Ingapirca Blanco opaco Esférico 1,7-1,9
Imbaya Blanco opaco Esférico 1,8-2,0
Cochasqui Blanco opaco Esférico 1,8-1,9
Negra de Oruro Negro Redonda 2,1-2,8
Roja Coporaque Purpura Cónica 1,9-2,1
Toledo Blanco Cónica 2,2-2,8
Pandela Blanco Cónica 2,2-2,8
Chullpi Cristalino Esférica aplanada 1,2-1,8
Fuente: [2]
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La microestructura de un grano de quinua Blanca Real se puede ver en la Figura Nº 10.1,
donde se muestra un corte longitudinal del grano de quinua, en el que se observan las
capas del grano mencionadas.
Figura Nº 10.1 Micrografía SEM de la quinua Blanca Real
Fuente: [6]
Estudios realizados [3], sostienen que el Endosperma y Perisperma son capas internas del
grano, en cambio el Episperma es la capa que recubre al grano de quinua, cuyo espesor
varía desde 20 µm en la parte central de las caras hasta más de 100 µm en los extremos,
cerca al embrión.
La capa más externa del epsiperma es la de mayor espesor. La misma puede
fragmentarse ligeramente durante la manipulación del grano. La remoción de dicha
capa es efectiva a través de procesos físicos o químicos.
10.1.1 Endosperma del grano
Estudios indican que el endosperma del grano de quinua es de tipo celular, formado por
varias capas que rodea completamente al embrión y separado de él por una capa de
aire y que probablemente, después que la semilla se hidrata, las células del endosperma
136
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se ponen en contacto con el embrión que lo consume rápidamente durante su
crecimiento. [2]
10.1.2 Perisperma del grano
El perisperma es el principal tejido de almacenamiento y está constituido mayormente por
granos de almidón, es de color blanquecino y representa prácticamente el 60% de la
superficie de la semilla, sus células son grandes de mayor tamaño que las del
endosperma, de forma poligonal con paredes delgadas, rectas y con grandes agregados
de almidón, estos agregados están compuestos por miles de gránulos de almidón
individuales, de forma hexagonal en la mayoría de los casos. [2]
10.1.3 Episperma del grano
La Figura Nº 10.2 muestra el episperma y Perisperma de un grano de quinua Blanca Real
sin tratar cortado transversalmente.
Figura Nº 10.2 Estructura del Episperma y Perisperma
Fuente: [6]
El episperma es la parte de mayor interés de la quinua en el presente estudio, ya que en
esta se encuentra contenidas las saponinas. Compuestos que le dan sabor amargo al
grano. Según estudios esta capa es quebradiza y se divide en cuatro regiones con
propiedades diferentes en cada una. La primera capa del episperma es la que contiene
las saponinas y puede ser removida mediante métodos abrasivos o lavados con agua fría.
137
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10.2 Resultados de las pruebas de caracterización de lecho (presión y flujo
de operación)
Para establecer las condiciones de operación y las características del lecho bajo distintas
alturas, se realizaron pruebas para medir el flujo de operación y la presión de operación
para generar un lecho fluidizado estable. La Tablas Nº 10.4 y 10.5 muestran las mediciones
obtenidas durante la caracterización del lecho, para los lechos de 7,5 y 20 cm de
diámetro.
Tabla Nº 10.4 Presión y flujo de operación registrados en laboratorio (D = 7,5 cm).
Medición
Nº
Diámetro de
lecho [cm]
Altura de
lecho
[cm]
Diámetro de
boquilla [mm]
Presión de
operación
[kgfcm-2]
Flujo de
operación
[Lmin-1]
1 7,5 12,5 2,0 1,30 58
2 7,5 12,5 2,0 1,30 58
3 7,5 12,5 2,0 1,30 58
4 7,5 12,5 2,0 1,30 58
5 7,5 12,5 2,0 1,40 58
6 7,5 15,0 2,0 1,90 65
7 7,5 15,0 2,0 1,90 65
8 7,5 15,0 2,0 1,90 65
9 7,5 15,0 2,0 1,90 65
10 7,5 15,0 2,0 1,80 65
11 7,5 17,5 2,0 2,10 68
12 7,5 17,5 2,0 2,10 68
13 7,5 17,5 2,0 2,10 68
14 7,5 17,5 2,0 2,20 70
15 7,5 17,5 2,0 2,20 70
16 7,5 12,5 3,0 0,90 85
17 7,5 12,5 3,0 0,90 88
18 7,5 12,5 3,0 0,90 85
19 7,5 12,5 3,0 0,95 88
20 7,5 12,5 3,0 0,95 88
21 7,5 15,0 3,0 1,20 95
22 7,5 15,0 3,0 1,20 95
23 7,5 15,0 3,0 1,20 95
138
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N corrida Diámetro de
lecho [cm]
Altura de
lecho
[cm]
Diámetro de
boquilla [mm]
Presión de
operación
[kgfcm-2]
Flujo de
operación
[Lmin-1]
24
7,5
15,0
3,0
1,20
(continuación)
95
25 7,5 15,0 3,0 1,20 98
26 7,5 17,5 3,0 1,30 100
27 7,5 17,5 3,0 1,30 100
28 7,5 17,5 3,0 1,30 100
29 7,5 17,5 3,0 1,35 105
30 7,5 17,5 3,0 1,30 100
31 7,5 12,5 4,0 0,63 115
32 7,5 12,5 4,0 0,63 115
33 7,5 12,5 4,0 0,63 115
34 7,5 12,5 4,0 0,63 115
35 7,5 12,5 4,0 0,63 115
36 7,5 15,0 4,0 0,87 128
37 7,5 15,0 4,0 0,87 128
38 7,5 15,0 4,0 0,87 128
39 7,5 15,0 4,0 0,87 128
40 7,5 15,0 4,0 0,87 130
41 7,5 17,5 4,0 0,90 130
42 7,5 17,5 4,0 0,90 130
43 7,5 17,5 4,0 0,87 130
44 7,5 17,5 4,0 0,87 130
45 7,5 17,5 4,0 0,90 132
Tabla Nº 10.5 Presión y flujo de operación registrados en laboratorio (D = 7,5 cm).
Medición
Nº
Diámetro de
lecho [cm]
Altura de
lecho [cm]
Diámetro de
boquilla [mm]
Presión de
operación
[kgfcm-2]
Flujo de
operación
[Lmin-1]
1 20 12,5 2,0 2,2 62
2 20 12,5 2,0 2,2 62
3 20 12,5 2,0 2,2 60
4 20 12,5 2,0 2,2 60
5 20 12,5 2,0 2,2 62
6 20 15,0 2,0 3,2 75
7 20 15,0 2,0 3,2 75
139
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Medición
Nº
Diámetro de
lecho [cm]
Altura de
lecho [cm]
Diámetro de
boquilla [mm]
Presión de
operación
[kgfcm-2]
Flujo de
operación
[Lmin-1]
8
20
15,0
2,0
3,2
(Continuación)
73
9 20 15,0 2,0 3,2 73
10 20 15,0 2,0 3,2 75
11 20 12,5 3,0 1,2 100
12 20 12,5 3,0 1,2 100
13 20 12,5 3,0 1,2 100
14 20 12,5 3,0 1,2 103
15 20 12,5 3,0 1,2 103
16 20 15,0 3,0 1,8 115
17 20 15,0 3,0 1,8 115
18 20 15,0 3,0 1,75 115
19 20 15,0 3,0 1,75 115
20 20 15,0 3,0 1,75 115
21 20 17,5 3,0 2,2 128
22 20 17,5 3,0 2,2 128
23 20 17,5 3,0 2,2 128
24 20 17,5 3,0 2,2 130
25 20 17,5 3,0 2,2 130
26 20 12,5 4,0 1,15 155
27 20 12,5 4,0 1,15 155
28 20 12,5 4,0 1,2 153
29 20 12,5 4,0 1,15 153
30 20 12,5 4,0 1,15 155
31 20 15,0 4,0 1,8 182
32 20 15,0 4,0 1,8 182
33 20 15,0 4,0 1,8 182
34 20 15,0 4,0 1,8 180
35 20 15,0 4,0 1,8 180
36 20 17,5 4,0 2,4 202
37 20 17,5 4,0 2,4 202
38 20 17,5 4,0 2,4 200
39 20 17,5 4,0 2,4 200
40 20 17,5 4,0 2,4 202
140
UPB © 2012
10.3 Resultados de la evaluación del contenido de saponinas residuales
10.3.1 Curva de calibración descrita en la norma NB 683
El método de la espuma descrito en la norma Boliviana NB 683, se basa en la propiedad
de las saponinas de disminuir la tensión superficial del agua. La cantidad de espuma
formada es linealmente proporcional a la concentración de saponinas presentes en una
muestra.
Para realizar la cuantificación del contenido de saponinas residuales en los granos de
quinua según el método de la espuma, inicialmente se debe construir una curva de
calibración.
La Tabla Nº 10.6 muestra los resultados obtenidos para la construcción de la curva de
calibración.
Tabla Nº 10.6 Valores obtenidos para la construcción de la curva de calibración.
Corrida
Nº
C1
[mg kg-1]
Volumen
patrón
[ml]
Volumen
agua
[mL]
Volumen
total
[mL]
Altura leída
[mm]
3 0 0 30 30 0
2 5 1,5 28,5 30 2
3 10 3 27 30 4
4 20 6 24 30 6,5
5 30 9 21 30 11
6 40 12 18 30 16
7 50 15 15 30 19,5
8 60 18 12 30 24,5
9 70 21 9 30 27,5
Fuente: [18]
En función a los valores obtenidos se construye una curva de calibración. La Figura Nº 10.3
muestra la curva construida para la evaluación del contenido de saponina de las
muestras tratadas.
141
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Figura Nº 10.3 Curva de calibración para el método de la espuma.
Fuente: [18]
10.3.2 Resultados para quinua real Blanca sin procesar
La Tabla Nº 10.7 muestra los resultados obtenidos para la quinua Blanca Real de Uyuni sin
procesar.
Tabla Nº 10.7 Resultados para quinua real Blanca de Uyuni sin procesar.
Prueba
Nº Ecotipo
Altura
leída [mm] C [ppm]
m quinua
[g]
V muestra
[L]
Saponina
[mg/100g]
Saponinas
[%]
1 Blanca Uyuni 22,5 57,0200 0,5002 0,02 227,9886 0,2280
2 Blanca Uyuni 23 58,2668 0,5004 0,02 232,8810 0,2329
3 Blanca Uyuni 23 58,2668 0,4996 0,02 233,2539 0,2333
4 Blanca Uyuni 22,7 57,5187 0,5004 0,02 229,8909 0,2299
y = 0,401x - 0,365 r = 0,9981
0
5
10
15
20
25
30
0 10 20 30 40 50 60 70 80
Alt
ura
[m
m]
Concentracion [ppm]
Saponinas Quinua
142
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10.3.3 Resultados de las corridas experimentales
Para cada corrida experimental realizada bajo la altura óptima de lecho de 12,5 cm se
tomaron muestras aleatorias y se cuantifico en contenido de saponinas residuales
mediante el método de la espuma. Para la cuantificación, se utilizó la curva de
calibración obtenida anteriormente.
La Tabla Nº 10.8 muestra los resultados obtenidos para las muestras generadas en el
reactor de diámetro de 7,5 cm.
Tabla Nº 10.8 Resultados de las pruebas realizadas por el método de la espuma
(D=7,5 cm H=12,5 cm).
N º Boquilla
[mm]
Tiempo
[min]
h leída
[mm]
C
[ppm]
m quinua
[g]
Saponina
[mg/100g]
Saponinas
[%]
1 1,4 5 12 30,835 0,5002 123,2923 0,1233
2 1,4 5 12 30,835 0,5002 123,2923 0,1233
3 1,4 10 8,5 22,107 0,5002 88,3936 0,0884
4 1,4 10 8,8 22,855 0,5002 91,3849 0,0914
5 1,4 15 5 13,379 0,5002 53,4948 0,0535
6 1,4 15 5,5 14,626 0,5002 58,4803 0,0585
7 1,4 20 2 5,898 0,5002 23,5816 0,0236
8 1,4 20 1,5 4,651 0,5002 18,5961 0,0186
9 1,4 25 0,5 2,157 0,5002 8,6250 0,0086
10 1,4 25 0,2 1,409 0,5002 5,6337 0,0056
11 2,0 5 11,5 29,589 0,5002 118,3068 0,1183
12 2,0 5 11,0 28,342 0,5004 113,2760 0,1133
13 2,0 10 7,0 18,367 0,4996 73,5252 0,0735
14 2,0 10 7,5 19,613 0,5004 78,3912 0,0784
15 2,0 15 4,0 10,885 0,5002 43,5237 0,0435
16 2,0 15 5,0 13,379 0,5005 53,4627 0,0535
17 2,0 20 3,0 8,392 0,4997 33,5862 0,0336
18 2,0 20 2,0 5,898 0,5002 23,5816 0,0236
19 2,0 25 1,5 4,651 0,5002 18,5961 0,0186
143
UPB © 2012
N º Boquilla
[mm]
Tiempo
[min]
h leída
[mm]
C
[ppm]
m quinua
[g]
Saponina
[mg/100g]
Saponinas
[%]
20
2,0
25
1
3,404
0,5002
13,6105
(Continuación)
0,0136
21 3,0 5 12,0 29,589 0,4999 118,3778 0,1184
22 3,0 5 12,0 30,835 0,5000 123,3416 0,1233
23 3,0 10 9,5 24,601 0,5003 98,3450 0,0983
24 3,0 10 10,0 25,848 0,4997 103,4536 0,1035
25 3,0 15 8,0 20,860 0,5004 83,3747 0,0834
26 3,0 15 8,0 20,860 0,5008 83,3081 0,0833
27 3,0 20 6,5 17,120 0,5002 68,4514 0,0685
28 3,0 20 7,0 18,367 0,5007 73,3636 0,0734
29 3,0 25 6,0 15,873 0,5002 63,4659 0,0635
30 3,0 25 6,5 17,120 0,5002 68,4514 0,0685
31 4,0 5 12,00 30,835 0,5007 123,1692 0,1232
32 4,0 5 11,50 29,589 0,5007 118,1887 0,1182
33 4,0 10 9,00 23,354 0,5007 93,2859 0,0933
34 4,0 10 10,00 25,848 0,5007 103,2470 0,1032
35 4,0 15 8,50 22,107 0,5007 88,3053 0,0883
36 4,0 15 8,50 22,107 0,5007 88,3053 0,0883
37 4,0 20 7,50 19,613 0,5007 78,3442 0,0783
38 4,0 20 7,50 19,613 0,5007 78,3442 0,0783
39 4,0 25 7,00 18,367 0,5002 73,4370 0,0734
40 4,0 25 6,60 17,369 0,5002 69,4485 0,0694
Para las pruebas realizadas en el reactor de 20 centímetros de diámetros se realizó el
mismo procedimiento de toma de muestra al final de cada corrida experimental. La Tabla
Nº 10.9 muestra los resultados obtenidos para las muestras generadas en el reactor de
diámetro de 20 cm.
144
UPB © 2012
Tabla Nº 10.9 Resultados de las pruebas realizadas por el método de la espuma
(D=20 cm H=12,5 cm).
Nº Boquilla
[mm]
tiempo
[min]
h leída
[mm]
C
[ppm]
m quinua
[g]
Saponina
mg/100g % Saponina
1 2,0 30 7,5 19,613 0,5002 78,4225 0,0784
2 2,0 30 7,0 18,367 0,5002 73,4370 0,0734
3 2,0 40 4,5 12,132 0,5002 48,5093 0,0485
4 2,0 40 3,5 9,638 0,5002 38,5382 0,0385
5 2,0 50 1,5 4,651 0,5002 18,5961 0,0186
6 2,0 50 1,5 4,651 0,5002 18,5961 0,0186
7 2,0 60 1,0 3,404 0,5002 13,6105 0,0136
8 2,0 60 0,5 2,157 0,5002 8,6250 0,0086
9 3,0 30 7,0 18,367 0,5002 73,4370 0,0734
10 3,0 30 7,5 19,613 0,5002 78,4225 0,0784
11 3,0 40 4,0 10,885 0,5002 43,5237 0,0435
12 3,0 40 3,5 9,638 0,5002 38,5382 0,0385
13 3,0 50 2,0 5,898 0,5002 23,5816 0,0236
14 3,0 50 2,5 7,145 0,5002 28,5671 0,0286
15 3,0 60 1,0 3,404 0,5002 13,6105 0,0136
16 3,0 60 1,0 3,404 0,5002 13,6105 0,0136
17 4,0 30 8,0 20,860 0,5002 83,4080 0,0834
18 4,0 30 8,5 22,107 0,5002 88,3936 0,0884
19 4,0 40 4,5 12,132 0,5002 48,5093 0,0485
20 4,0 40 4,5 12,132 0,5002 48,5093 0,0485
21 4,0 50 2,5 7,145 0,5002 28,5671 0,0286
22 4,0 50 1,5 4,651 0,5002 18,5961 0,0186
23 4,0 60 1,2 3,903 0,5002 15,6047 0,0156
24 4,0 60 1,0 3,404 0,5002 13,6105 0,0136
145
UPB © 2012
10.4 Análisis estadístico
Se realizo el análisis multifactorial para evaluar la influencia del diámetro de boquilla y del
tiempo de tratamiento sobre el porcentaje de saponinas residuales, la pérdida de masa y
el consumo específico de energía.
El análisis se realizo por separado para los lechos de 7,5 cm y 20 cm de diámetro. Para
ambos diámetros de lecho, las pruebas se realizaron con una altura de lecho de 12,5 cm
(valor óptimo determinado experimentalmente).
10.4.1 Análisis estadístico en el lecho de 7,5 cm de diámetro
La Tabla Nº 10.10 muestra los resultados ANOVA del diseño multifactorial para el contenido
residual de saponinas en los granos tratados.
Tabla Nº 10.10 Análisis ANOVA para el contenido residual de saponinas
(H=12,5 cm D=7,5 cm)
Source Sum of
Squares Df Mean Square F-Ratio P-Value
A:Tiempo de tratamiento 0,0345507 1 0,0345507 496,47 0,0000
B:Diámetro de boquilla 0,00700969 1 0,00700969 100,72 0,0000
AA 0,000987109 1 0,000987109 14,18 0,0006
AB 0,00422185 1 0,00422185 60,67 0,0000
BB 0,0000647644 1 0,0000647644 0,93 0,3415
Total error 0,00236615 34 0,0000695925
Total (corr.) 0,0486386 39
Los resultados del análisis ANOVA muestran que tanto el tiempo de tratamiento como el
diámetro de boquilla tienen un efecto estadísticamente significativo, al 95 % de confianza,
sobre el contenido de saponinas residuales.
Además se realizó el análisis de residuos, para comprobar el comportamiento aleatorio de
los mismos. La Figura Nº 10.4 muestra este comportamiento.
146
UPB © 2012
Figura Nº 10.4 Valores residuales de la concentración de saponinas residuales
(H=12,5 cm D=7,5 cm)
La Tabla Nº 10.11muestra los resultados ANOVA para la pérdida de masa de los granos
tratados.
Tabla Nº 10.11 Análisis ANOVA para la pérdida de masa (H=12,5 cm D=7,5 cm)
Source Sum of
Squares Df Mean Square F-Ratio P-Value
A:Tiempo de tratamiento 27,7936 1 27,7936 208,06 0,0000
B:Diámetro de boquilla 34,7146 1 34,7146 259,87 0,0000
AA 0,0180036 1 0,0180036 0,13 0,7159
AB 0,961886 1 0,961886 7,20 0,0113
BB 0,659667 1 0,659667 4,94 0,0332
Total error 4,40828 33 0,133584
Los resultados del análisis ANOVA muestran que tanto el tiempo de tratamiento como el
diámetro de boquilla tienen un efecto estadísticamente significativo, al 95 % de confianza,
sobre la pérdida de masa.
Además se realizó el análisis de residuos, para comprobar el comportamiento aleatorio de
los mismos. La Figura Nº 10.5 muestra este comportamiento.
147
UPB © 2012
Figura Nº 10.5 Valores residuales de la pérdida de masa (H=12,5 cm D=7,5 cm)
La Tabla Nº 10.12 muestra los resultados ANOVA para el consumo específico de energía
Tabla Nº 10.12 Análisis ANOVA para el consumo específico de energía
(H=12,5 cm D=7,5 cm)
Source Sum of
Squares Df Mean Square F-Ratio P-Value
A:Tiempo de tratamiento 0,2007 1 0,2007 3572,95 0,0000
B:Diámetro de boquilla 0,0167373 1 0,0167373 297,97 0,0000
AA 0,000127289 1 0,000127289 2,27 0,1417
AB 0,00411858 1 0,00411858 73,32 0,0000
BB 0,0000588783 1 0,0000588783 1,05 0,3134
Total error 0,00185368 33 0,000056172
Total (corr.) 0,224217 39
Los resultados del análisis ANOVA muestran que tanto el tiempo de tratamiento como el
diámetro de boquilla tienen un efecto estadísticamente significativo, al 95 % de confianza,
sobre el consumo específico de energía.
Además se realizó el análisis de residuos, para comprobar el comportamiento aleatorio de
los mismos. La Figura Nº 10.6 muestra este comportamiento.
148
UPB © 2012
Figura Nº 10.6 Valores residuales del consumo específico de energía (H=12,5 cm D=7,5 cm)
10.4.2 Análisis estadístico en el lecho de 20 cm de diámetro
La Tabla Nº 10.13 muestra los resultados ANOVA del diseño multifactorial para el contenido
residual de saponinas en los granos tratados.
Tabla Nº 10.13 Análisis ANOVA para el contenido residual de saponinas
(H=12,5 cm D=20 cm)
Source Sum of
Squares Df Mean Square F-Ratio P-Value
A:Tiempo de tratamiento 0,0145237 1 0,0145237 947,76 0,0000
B:Diametro de boquilla 0,000137265 1 0,000137265 8,96 0,0078
AA 0,000957114 1 0,000957114 62,46 0,0000
AB 0,0000189027 1 0,0000189027 1,23 0,2813
BB 0,00000598504 1 0,00000598504 0,39 0,5398
Total error 0,000275836 18 0,0000153242
Total (corr.) 0,0159188 23
Los resultados del análisis ANOVA muestran que tanto el tiempo de tratamiento como
el diámetro de boquilla tienen un efecto estadísticamente significativo, al 95 % de
confianza, sobre el contenido de saponinas residuales.
149
UPB © 2012
Además se realizó el análisis de residuos, para comprobar el comportamiento aleatorio de
los mismos. La Figura Nº 10.7 muestra este comportamiento.
Figura Nº 10.7 Valores residuales de la concentración de saponinas residuales
(H=12,5 cm D=20 cm)
La Tabla Nº 10.14 muestra los resultados ANOVA para la pérdida de masa de los granos
tratados.
Tabla Nº 10.14 Análisis ANOVA para la pérdida de masa (H=12,5 cm D=20 cm)
Source Sum of
Squares Df Mean Square F-Ratio P-Value
A:Tiempo de tratamiento 4,36242 1 4,36242 142,08 0,0000
B:Diametro de boquilla 19,8397 1 19,8397 646,17 0,0000
AA 0,0812821 1 0,0812821 2,65 0,1211
AB 1,04926 1 1,04926 34,17 0,0000
BB 0,911547 1 0,911547 29,69 0,0000
Total error 0,552665 18 0,0307036
Total (corr.) 26,7968 23
Los resultados del análisis ANOVA muestran que tanto el tiempo de tratamiento como el
diámetro de boquilla tienen un efecto estadísticamente significativo, al 95 % de confianza,
sobre la pérdida de masa.
150
UPB © 2012
Además se realizó el análisis de residuos, para comprobar el comportamiento aleatorio de
los mismos. La Figura Nº 10.8 muestra este comportamiento.
Figura Nº 10.8 Valores residuales de la pérdida de masa (H=12,5 cm D=20 cm)
La Tabla Nº 10.15 muestra los resultados ANOVA para el consumo específico de energía
Tabla Nº 10.15 Análisis ANOVA para el consumo específico de energía
(H=12,5 cm D=20 cm)
Source Sum of
Squares Df Mean Square F-Ratio P-Value
A:Tiempo de tratamiento 0,0777548 1 0,0777548 998,79 0,0000
B:Diametro de boquilla 0,0023571 1 0,0023571 30,28 0,0000
AA 0,000006615 1 0,000006615 0,08 0,7740
AB 0,00037758 1 0,00037758 4,85 0,0409
BB 0,0331906 1 0,0331906 426,35 0,0000
Total error 0,00140128 18 0,0000778487
Total (corr.) 0,115088 23
Los resultados del análisis ANOVA muestran que tanto el tiempo de tratamiento como el
diámetro de boquilla tienen un efecto estadísticamente significativo, al 95 % de confianza,
sobre el consumo específico de energía.
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Además se realizó el análisis de residuos, para comprobar el comportamiento aleatorio de
los mismos. La Figura Nº 10.9 muestra este comportamiento.
Figura Nº 10.9 Valores residuales el consumo específico de energía
(H=12,5 cm D=7,5 cm)
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10.5 Modelo de cálculo para el consumo energético desarrollado en el
Software EES
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10.6 Plano de la batería de boquillas diseñada
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