2220_PG_SergioSanabria_Firmado

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Sergio Camilo Sanabria Orjuela
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Diseño y Construcción de un Banco de Prue-
bas para la Caracterización del Proceso de
Extracción de Manteca de Cacao
——
CURSO: IMEC3701 - Proyecto Individual
CURSO: IELE3000 - Proyecto de Grado
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA DEPARTAMENTO DE
INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA
PROYECTO DE GRADO: Diseño y Construcción de un Banco de Pruebas para la
Caracterización del Proceso de Extracción de Manteca de Cacao
SEMESTRE: 2022-20
FECHA: Diciembre 20
CURSO: IMEC3701 - Proyecto Individual
CURSO: IELE3000 - Proyecto de Grado
ESTUDIANTE: Sergio Camilo Sanabria Orjuela CODIGO: 201414771
DECLARACIÓN:
1 - Soy consciente que cualquier tipo de fraude en esta proyecto es considerado como una
falta grave en la Universidad. Al firmar, entregar y presentar esta propuesta de Proyecto, doy
expreso testimonio de que esta propuesta fue desarrollada de acuerdo con las normas estableci-
das por la Universidad. Del mismo modo, aseguro que no participé en ningún tipo de fraude y
que en el trabajo se expresan debidamente los conceptos o ideas que son tomadas de otras fuentes.
2- Soy consciente de que el trabajo que realizaré incluirá ideas y conceptos del autor y el
Asesor y podrá incluir material de cursos o trabajos anteriores realizados en la Universidad y por
lo tanto, daré el crédito correspondiente y utilizaré este material de acuerdo con las normas de
derechos de autor. Así mismo, no haré publicaciones, informes, artículos o presentaciones en
congresos, seminarios o conferencias sin la revisión o autorización expresa del Asesor, quien
representará en este caso a la Universidad.
Sergio Camilo Sanabria Orjuela
Codigo: 201414771
Estudiante
Departamento Ing. Mecánica
Juan Pablo Casas, PhD
Asesor
Departamento Ing. Electrónica
Fredy Enrique Segura, PhD
Asesor
Departamento Ing. Electrónica
Juan José Garcia
Asesor
Contenido
1 INTRODUCCIÓN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.1 Resumen 5
1.2 Objetivos generales 5
1.3 Objetivos específicos 6
2 MARCO TEORICO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.1 Resumen 7
2.2 Contexto Social 7
2.3 Contexto Económico 8
2.4 Contexto Industria 9
2.4.1 Industria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.4.2 Condiciones Extracción Manteca . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
3 METODOLOGÍA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
3.1 Resumen 13
3.2 Elementos del Sistema 13
3.2.1 Sistema Hidráulico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
3.2.2 Sistema de Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
3.2.3 Cámara de Extracción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3.2.4 Servidor WEB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3.3 Matriz de Experimentación 24
3.4 Procedimiento Extracción de Manteca 25
4 CÁLCULOS Y DISEÑO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
4.1 Resumen 28
4.2 Calculo Volumen Cacao y Fuerza Hidráulica 29
4.3 Calculo Espesor Cilindro 29
4.4 Calculo Altura Tapa Superior e Inferior 30
4.5 Diseño Elementos Complementarios Prensa 31
4.6 Calculo Potencia Resistencia Eléctrica 34
4.7 Calibración Sensores 35
4.7.1 Temperatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
4.7.2 Masa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
4.8 Tarjeta Control PID y Adquisición Datos 37
4.9 Tarjeta Complementaria RPI y Señales Digitales 43
5 ANÁLISIS Y RESULTADOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
5.1 Resumen 47
5.2 Resultados 47
5.3 Análisis 48
5.4 Trabajo Futuro 48
6 CONCLUSIONES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
Bibliografía . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
7 Anexos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
7.1 ANEXO 1: PLANOS CILINDRO CÁMARA EXTRACCIÓN 53
7.2 ANEXO 2: PLANOS SOPORTE VÁSTAGO - CILINDRO 55
7.3 ANEXO 3: BASE PERFORADA Y PISTÓN 57
7.4 ANEXO 4: BASE PRENSA 59
7.5 ANEXO 5: EJEMPLO ASME SEC VIII DIV 2 61
7.6 ANEXO 6: TARJETA PCB PID 62
7.7 ANEXO 7: TARJETA PCB PT100 Y CELDA CARGA 64
7.8 ANEXO 8: TARJETA COMPLEMENTARIA RPI ENTRADAS/SALIDAS DIGITALES66
7.9 ANEXO 9: TARJETA COMPLEMENTARIA RPI ENTRADAS ANALOGAS - RTC -
POWER 68
Resumen
Objetivos generales
Objetivos específicos
1. INTRODUCCIÓN
1.1 Resumen
El mercado internacional ha puesto su interés en el cacao colombiano debido a su alta calidad
en sabor y aroma, siendo África el mayor proveedor del cacao mundial en el momento. En el
ámbito nacional, ha tenido mucho impulso, gran parte por su rol en la sustitución de los cultivos
de coca. Con esto en mente, Colombia esta en un proceso de poder transformar todo el Cacao en
productos como coberturas, chocolates o cosméticos, dejando el valor agregado en el país.
Uno de los principales obstáculos es la poca investigación y desarrollo de tecnología local
que puede reducir costos, tecnificar y optimizar los procesos de obtención de productos industri-
alizados derivados de cacao. Por otro lado, existe un gran costo en la adquisición e importación
de la maquinaria necesaria para la transformación del cacao limitando el acceso a este tipo de
proceso solo para grandes empresas o fabricas.
Con esto en mente, este proyecto busca registrar cuales son las condiciones necesarias para
la extracción del aceite o manteca de cacao mediante la creación de un banco de pruebas donde
la masa de cacao se puede comprimir a presiones y temperaturas controladas. Específicamente,
se busca caracterizar el proceso de extracción mediante curvas las cuales permitan optimizar el
proceso que depende principalmente de la presión y el tiempo. Se inició con un estudio de los
tipos de manteca y los parámetros necesarios para su proceso. Teniendo los requerimientos del
proceso se procedió a diseñar los elementos de la cámara de extracción o cilindro principal y
los distintos elementos que componen el sistema de control. Finalmente, con todo el montaje
listo se procedió a realizar las pruebas del prensado del cacao en pasta obteniendo resultados
satisfactorios.
1.2 Objetivos generales
• Caracterizar el proceso de extracción de manteca de cacao mediante la obtención de curvas
de extracción contra tiempo que permitan optimizar el proceso.
• Diseñar y desarrollar un banco de pruebas para la extracción de manteca de cacao, que
Capítulo 1. INTRODUCCIÓN
permita cumplir de manera semi-automática con distintos perfiles o curvas de temperatura
y presión para las distintas clases de prensado.
1.3 Objetivos específicos
• Diseñar y desarrollar un sistema de control para el calentamiento de la pasta de cacao
hasta los 45°C mediante resistencia eléctrica.
• Diseñar y realizar análisis mecánico de la estructura y materiales de la maquina, para
determinar medidas y el factor de seguridad del diseño.
• Diseñar e implementar la tarjeta electrónica de control complementaria que permita realizar
las distintas operaciones en un ambiente industrial y a que a su vez pueda comunicarse
con módulos PLC por protocolos como modbus, rs485 o rs232.
FES@
Resumen
Contexto Social
Contexto Económico
Contexto Industria
Industria
Condiciones Extracción Manteca
2. MARCO TEORICO
Agricultor
Por lo menos una vez en la vida vas a
necesitar un medico, un abogado, un
arquitecto, pero todos los dias tres veces al dia
vas a necesitar de un agricultor
2.1 Resumen
El cacao esun fruto que abarca demasiados aspectos en Colombia, latinoamerica y otros lugares
del mundo. Debido al papel tan complejo que juega el cacao se dividieron los 3 contextos
principales, los cuales son social, económico e industrial. Sin embargo, existen muchos otros
de igual o mayor complejidad como el cultural, gastronómico, salud entre otros que no se
mencionaran en el marco teórico. Se intentó enfocar los contextos lo mas posible al mercado y
cultura nacional, pensado el cacao como una herramienta para conseguir múltiples soluciones en
el país.
2.2 Contexto Social
Inicialmente, la cadena de producción se inicia en el cultivo, ya sea asociaciones, cooperativas y
productores pequeños, medianos o grandes. Estos son los encargados de principalmente hacer
control agrónomo, recolección de las mazorcas, fermentación y secado de los granos. El producto
final son las semillas de cacao fermentadas y secas, donde la mayor parte del mercado es de
cacao corriente, teniendo un precio entre $6,500 y $7,500 por kilo. Son menores los casos donde
se venden cacao premium, llegando este a un precio por encima de $12,000 en un mercado
normal o hasta de $30,000 en competencias, debido a factores genéticos y principalmente falta
de estandarización y conocimiento en el proceso de fermentación y secado.
Son pocas las asociaciones que transforman las semillas de cacao, por lo que principalmente
se compran los bultos de cacao por múltiples intermediarios para su exportación, donde es
procesado por fuera del país por marcas de chocolatería reconocidas a nivel mundial. Por otro
lado, la industria colombiana esta creciendo por lo que también existen medianas y grandes
Capítulo 2. MARCO TEORICO
industrias, quienes son las encargadas de hacer el producto final al consumidor acá en el país.
El cultivo de cacao está en un crecimiento exponencial, entre otras cosas, por la sustitución
de cultivos de coca en Colombia donde se han sustituido miles de hectáreas por cultivos de cacao
ayudando a más de 14.000 familias [4].
Debido a esto, se han acelerado los esfuerzos para garantizar un cacao de mejor calidad con una
excelente trazabilidad. Sin embargo, el sector del campo ha sido un sector históricamente muy
tradicionalista y reacio al cambio, por lo que llevar innovación no es tarea trivial. Existe una
barrera tecnológica, por lo que no tienen los productores la confianza suficiente para realizar una
inversión en innovación con todos los riegos que esta conlleva. [10]
Es importante empezar a reconocer el trabajo y riesgo que asumen los campesinos, dado que
actualmente este sector se encuentra en crisis [13]. Este sector se ha tenido que unir individual-
mente, sin apoyo del estado, en cooperativas o asociaciones para poder competir con los grandes
productores y no ser absorbidos por estos. Varios son los factores que han llevado a este sector a
este punto
• Informalidad en el campo de hasta 86%. Sin prestaciones ni pensión. [1]
• Baja Competitividad debido a falta de tecnificación en un mercado mundial con alta
tecnificación y subsidios.
• Falta de Industria. Es necesario dar el valor agregado a los productos mediante la transfor-
mación.
• Falta de capacidad de endeudamiento.
• Excesos de Intermediarios. El campesino se queda con la menor margen de ganancia,
mientras el es el que asume los riesgos y trabajos del cultivo. [15]
Es por esto que es necesario captar el valor agregado en el país mediante la transformación de
producto de alta calidad y disminución de los intermediarios, haciendo mas rentable el negocio,
permitiendo así pagar el precio justo al campesino.
2.3 Contexto Económico
La industria del cacao se considera una economía en desarrollo estable, con un alto enfoque
exportador por parte de los países del tercer mundo y una alta demanda de importaciones por
parte de los países del primer mundo. Incluso el cacao se introdujo en las industrias farmacéutica
y cosmética, tan pronto como se presentó en forma de manteca de cacao. Esto ha permitido a
los países exportadores de cacao aumentar significativamente sus ingresos; en 2016, la FAO
registró ingresos de 1650 millones de dólares [14]. La Figura 2.1 muestra el volumen de las
exportaciones, en millones de dólares, registradas a diferentes países de la región en 2018.
Por otro lado, el sector cacaotero ha brindado oportunidades de crecimiento a más de 50.000
familias en territorio nacional. También se han generado más de 160.000 empleos en puestos de
trabajo de pequeños y medianos productores, para productores de cacao en 27 departamentos
y más de 400 municipios de todo el país. Si bien el mercado del cacao aún no alcanza su
máximo crecimiento en Colombia, las cifras a nivel de exportaciones apuntan a que en el futuro
la industria cacaotera y en general la agricultura podría convertirse en uno de los motores más
poderosos de la economía a nivel nacional.
FES@
9
Figure 2.1: Producción Cacao Latinoamerica [14]
2.4 Contexto Industria
2.4.1 Industria
Inicialmente, es necesario conocer los productos derivados del cacao y su cadena de producción.
En la figura 2.1 se observa toda la cadena de producción hasta obtener manteca y cocoa.
• Nibs de Cacao: Pequeños trozos de granos de cacao fragmentados y descascarillados.
Cuentan con un alto índice de grasas saturadas, fibra, proteína, hierro magnesio y potasio.
• Pasta o Licor de Cacao: Se obtiene a partir de la transformación de los nibs. Se conoce
como chocolate amargo. Es la materia prima para la elaboración de chocolatinas finas y
cacao de mesa.
• Manteca de Cacao: Obtenida por la extracción mecánica de la pasta de cacao. Es la grasa
que se extrae de la pasta o licor de cacao, se utiliza para la elaboración de chocolatería
fina y productos farmacéuticos.
• Torta de Cacao: Es el producto resultante después de haber prensado la masa de cacao y
haber extraído el aceite o manteca.
• Cocoa en Polvo Natural: Obtenido por la pulverización de tortas de cacao sin grasa. Se
utiliza para la elaboración de leches achocolatadas, productos bajos en calorías y dietéticos,
chocolates e industria de confitería.
• Cocoa en Polvo Alcalinizada: Obtenido por la pulverización de las tortas de cacao. Se
obtiene tratando la pasta de cacao con sustancias alcalinas (carbonato de calcio) a fin de
aumentar la solubilidad.
• Coberturas: Se obtiene mezclando en distintas proporciones cacao en pasta, manteca de
Cacao, azúcar, leche entre otros ingredientes. Existen distintos tipos de cobertura para
múltiples usos, entre los mas conocidos cobertura de chocolate y cobertura de leche.
Además, es importante identificar las distintas secciones de transformación.
• Primera sección: Recepción, clasificación o selección, tostado y descascarillado del
FES@
Capítulo 2. MARCO TEORICO
cacao en grano. Es la zona sucia.
• Segunda sección: Se desarrollan los procesos de molienda, refinación, prensado, pul-
verización para obtener nibs, licor de cacao, manteca de cacao, cocoa natural, cocoa
alcalinizada y coberturas, entre otras.
• Tercera sección: Almacenamiento, cuartos fríos, empaque y despacho de nibs, licor
de cacao, cocoa natural, cocoa alcalinizada. Purificación, almacenamiento y empaque y
despacho de la manteca de cacao.
Figure 2.2: Cadena de Producción Cacao
2.4.2 Condiciones Extracción Manteca
Teniendo identificado el proceso general de transformación, se busca tener mas información
especifica del proceso de extracción de manteca. Con esto en mente, el dato más importante
para empezar el análisis del diseño es la presión de operación del sistema, que está directamente
relacionada con el porcentaje residual de la manteca o aceite en la torta de cacao. La cocoa
comercial se categoriza según su porcentaje de aceite residual en la torta; de alto contenido, entre
FES@
11
15-24%, y bajo contenido hasta un 10%. Es por esto, que, según la presión seleccionada de
operación, se obtendrá un porcentaje de aceite residual en la torta. Con esto en mente, se busca
caracterizar el comportamiento del aceite de cacao durante su extracción,variando la presión y
el tiempo de la operación.
Para tener una referencia inicial de los valores de presión y temperatura, se recurrió a la bib-
liografía encontrando valores consistentes entre distintas pruebas. En la figura 3.1 se observa dos
referencias donde los autores logran porcentajes de extracción cercanos a 90%. En la figura 3.2
se observan las pruebas que realizó un tesista de postgrado de México donde realiza la extracción
variando tiempo y presión. Las presiones de 500, 350, 250 o 150 kg/cm2 corresponden a 50, 35,
25 o 15 MPa. Estas presiones varían en tiempos de 60, 45 y 30 minutos.
Es por esto, que en la Figura 2.5 se presenta el esquema de los ensayos a realizar, donde se
espera obtener 3 gráficas de % de extracción contra tiempo para presiones de 35, 25 y 15MPa,
seleccionando el limite de 35MPa, el cual es el limite para obtener cocoa de alto contenido de
manteca.
Figure 2.3: Datos Literatura [12] [16]
Figure 2.4: Datos Ordenados Literatura [5]
FES@
Capítulo 2. MARCO TEORICO
Figure 2.5: Condiciones Prueba
FES@
Resumen
Elementos del Sistema
Sistema Hidráulico
Sistema de Control
Cámara de Extracción
Servidor WEB
Matriz de Experimentación
Procedimiento Extracción de Manteca
3. METODOLOGÍA
3.1 Resumen
En este capitulo de metodología se empieza describiendo de manera general uno a uno los
4 elementos que componen el sistema. Posteriormente, se describe detalladamente todos los
pasos y la matriz de experimentación del procedimiento para realizar las pruebas necesarias de
caracterización. Con esto, se busca tener una idea concisa de todo el sistema antes de empezar la
sección de diseño.
3.2 Elementos del Sistema
Se divide todo el sistema en los siguientes 4 subsistemas.
1. Sistema Hidráulico
2. Sistema de Control
3. Cámara de Extracción
4. Servidor WEB
3.2.1 Sistema Hidráulico
El sistema hidráulico utilizado sera la prensa del laboratorio de manufactura de ingeniería
mecánica, el cual será el encargado de generar la presión necesario para el proceso de extracción
de manteca. En la Figura 3.1 se observa la prensa, la cual alcanza presiones de hasta 5000psi. En
la Figura 4.5 se observa la base original de la prensa, en la cual se montará todo el montaje. En la
Figura 3.3 se observa las válvulas solenoides, las cuales funcionan como válvulas direccionales
para controlar el vástago hidráulico.
3.2.2 Sistema de Control
Es necesario resaltar que aunque dentro de las tarjetas diseñadas hay 6 relés para operar las
válvulas direccionales hidráulicas, no se opera ninguna válvula. El control del sistema hidráulico
fue manejado por un técnico del laboratorio de manufactura. El sistema de control del equipo se
compone de los siguientes subsistemas.
• Control Potencia: Resistencia Eléctrica tipo Abrazadera mediante Rele de Estado Solido
y Circuito Detector de Cruce por Cero.
• Adquisición Datos: PT100 4-20mA x 4 canales y Celda Carga HX711 x 2 canales.
Capítulo 3. METODOLOGÍA
Figure 3.1: Prensa Hidráulica Laboratorio Manufactura
Figure 3.2: Base Prensa Figure 3.3: Válvulas Direccionales Solenoides
• Raspberry Pi 4 y Tarjetas PCB Complementarias: Entradas y Salidas Digitales. Salidas
a Relé y Mosfet. Contactor Trifásico, Válvulas Direccionales Solenoides y Switch Presión.
• Protección Eléctrica: Las resistencias eléctricas al no tener tierra física se instaló un
diferencial en el caso de corto o fuga para que los usuarios estén protegidos. Para los
equipos que si se pueden aterrizar, como la maquina de baño de maria, se aterrizo la
carcasa a la tierra de la red trifásica.
FES@
15
Figure 3.4: Montaje Tablero
Figure 3.5: Raspberry y Tarjetas Complementarias
FES@
Capítulo 3. METODOLOGÍA
Figure 3.6: Tarjeta PCB PID conectada a Relés de Estado Solido
Figure 3.7: Protección Eléctrica
FES@
17
Figure 3.8: Tarjeta Adquisición Datos. Temper-
atura y Peso.
Figure 3.9: Fuentes DC
FES@
Capítulo 3. METODOLOGÍA
Figure 3.10: Diagrama Caja Negra
FES@
19
3.2.3 Cámara de Extracción
Los elementos principales que componen la cámara de extracción son el cilindro principal, la
base perforada y el pistón, como se ve en la Figura 3.13. Para sellar ambas bases se utilizo el
filtro textil de la Figura 4.4. Lo que se busca es poder presionar el contenido interno hasta llegar
a la presión de trabajo.
Figure 3.11: Esquema Montaje
Figure 3.12: Diseño Esquema
Para el drenaje de la manteca se imprimieron los modelos de la Figura 3.17 en PETG para
tener resistencia al calor. Como se ve en la Figura 3.17 el primero consta del acople que se pone
FES@
Capítulo 3. METODOLOGÍA
Figure 3.13: Esquema Cámara Extracción
Figure 3.14: Base Perforada y Pistón
en la base metálica y el de la derecha es el ducto por donde se filtra el aceite hasta que caiga en
el contenedor que esta en cada bascula de la Figura 3.18.
FES@
21
Figure 3.15: Base Perforada en Base Prensa
Figure 3.16: Recepción de la manteca a los contenedores de las basculas.
FES@
Capítulo 3. METODOLOGÍA
(a) Acople Base Metálica (b) Ducto Manteca
Figure 3.17: Drenaje Manteca Cacao
FES@
23
3.2.4 Servidor WEB
Para la comunicación de todos los elementos se creo un red LAN mediante un router, con el cual
se tiene un red local 192.168.1.1 que permite múltiples protocolos de comunicación como HTTP
Requests, MQQT, WebSockets entre otros. La raspberry pi 4 actúa como control de las tarjetas
complementarias y también como servidor. El sistema operativo instalado es Raspberry OS
Linux Lite, en el cual se instalaron los paquetes necesarios para la parte del front-end y back-end.
Para el front-end se manejó los lenguajes básicos HTML, CSS y JS en un instancia de servidor
apache. Por el lado del back-end, se utilizo un Framework de Python llamado FastAPI, en el
cual se pudo implementar de manera sencilla los protocolos de comunicación HTTP. Para la base
de datos, simplemente se guardan los datos en archivos de texto y existe un archivo JSON para
guardar las variables de configuración necesarias.
A continuación, se muestra la interfaz web de control generada cuando se entra a la dirección
local http://192.168.1.133
Figure 3.18: Interfaz WEB de Control.
FES@
Capítulo 3. METODOLOGÍA
3.3 Matriz de Experimentación
A continuación, se presenta la matriz de experimentación en la cual se va a llevar un control de
las variables de interés. Además de las variables del proceso como tal de temperatura, presión, %
de manteca resultante y tiempo necesario, se revisaron los diámetro exterior y interior del ajuste
de las tapas o bases centrales debido a su importancia a la hora de sellar el recipiente con el filtro
textil. Si bien la temperatura y la presión no van a variar para este caso especifico, se incluyen
dentro de la matriz debido a que son las 2 variables controlables principales en el proceso.
Figure 3.19: Matriz Experimental.
FES@
25
3.4 Procedimiento Extracción de Manteca
Para el desarrollo de las pruebas de caracterización del proceso de extracción de la manteca se
definió el siguiente procedimiento:
Antes de empezar es necesario que todas las piezas estén precalentadas a 90 grados. Además,
es necesario fijar la cama de la prensa junto con la base receptora para que estas estén perfecta-
mente alineadas con el vástago hidráulico para garantizar un correcto funcionamiento.
1. Se hace un control antes de iniciar donde se revisa:
• Empezar una prueba nueva en la interfaz WEB de control.
• Los valores recibidos de los sensores.
• Los contenedores donde se recibe la manteca estén limpios y bien posicionados.
• La presión de trabajo del sistema hidráulico se ajusta al valor requerido.
2. Colocar base perforada y filtro de tela sobre la base del cilindro. Es necesario asegurarse de
que los canales de la base perforada estén alineado con la base receptora, sino la manteca
no tiene camino para salir.
Figure 3.20: Se Posiciona la Base Perforada
3. Introducir cilindro con ayuda del sistema hidráulico. Para esto se utiliza la cabeza del
vástago hidráulico junto con la lamina rectangular mediante 2 tornillos quese apoyan
en los soportes laterales del cilindro. Con esto se asegura que la base inferior entre
perfectamente alineado con el cilindro.
Figure 3.21: Se introduce la base perfora en el cilindro
FES@
Capítulo 3. METODOLOGÍA
4. Liberar los soportes laterales del cilindro y retirar la lamina rectangular.
5. Introducir 1kg de pasta de cacao a 45 grados como se observa en la Figura 3.22b. Mediante
la maquina de baño de maria de la Figura 3.22a se derrite la pasta de cacao hasta que este
liquido. Es importante mantener la temperatura entre 40 y 50 grados para mantener las
propiedades del cacao.
(a) Maquina Baño Maria (b) Se introduce 1kg de Cacao liquido
Figure 3.22: Pasta de Cacao a 45 grados
6. Introducir la base pistón con su filtro con la ayuda del sistema hidráulico. Una vez entre
el pistón se empezará a ejercer la presión dentro del sistema por 1 hora y la manteca
empezará a fluir. Para esto se realizan ciclos de pulsos de presión por un minuto y otros
dos minutos donde no se ejerce presión, a pesar que en el sistema sigue existiendo presión
pero no es la presión de trabajo.
(a) Antes de introducir el Pistón (b) Ejerciendo Presión
Figure 3.23: Inicio de la Extracción
7. Una vez se complete el tiempo se sube el vástago hidráulico para proceder a levantar la
FES@
27
cámara de extracción mediante los soportes laterales, para liberal los elemento internos.
Una vez el cilindro este levantado por el vástago hidráulico se introduce la base circular
debajo para reposar el cilindro sobre esta.
(a) Se introduce la base retirable
(b) El cilindro se posiciona encima de la base re-
tirable
Figure 3.24: Inicia Proceso de sacar los elementos aprisionados
8. Introducir presión hidráulica para liberar la torta de cacao, base y pistón.
(a) Sale la primera base metálica (b) Sale la torta de cacao o bagazo
Figure 3.25: Se liberan los elementos internos
FES@
Resumen
Calculo Volumen Cacao y Fuerza
Hidráulica
Calculo Espesor Cilindro
Calculo Altura Tapa Superior e Inferior
Diseño Elementos Complementarios Prensa
Calculo Potencia Resistencia Eléctrica
Calibración Sensores
Temperatura
Masa
Tarjeta Control PID y Adquisición Datos
Tarjeta Complementaria RPI y Señales Digi-
tales
4. CÁLCULOS Y DISEÑO
4.1 Resumen
En este capitulo se profundiza uno a uno todos los cálculos necesarios para realizar el banco
de pruebas. Inicialmente, se hacen los cálculos geométricos básicos para definir los espacios
necesarios para contener 1 kilo de masa de cacao. Con estas medidas se hace un análisis mecánico
para determinar los espesor y medidas necesarias para cumplir los requerimientos mecánicos
necesarios de la prueba. Posterior a esto, se hicieron los cálculos de los elementos que componen
el sistema de calentamiento PID de la cámara de extracción compuesto por la resistencia eléctrica,
un sensor PT100 y la electrónica del PID y del control principal. A continuación se muestran las
propiedades del cacao y del material acero 4140 necesarias para los posteriores cálculos.
29
4.2 Calculo Volumen Cacao y Fuerza Hidráulica
Primero, se necesita establecer el volumen que ocupará el cacao líquido, por lo que con la
densidad del cacao liquido se puede calcular todas las medidas deseadas.
Con esto se puede se puede calcular el área del cilindro interno, lo que permitirá hacer el
cálculo de la fuerza hidráulica necesaria para lograr la presión requerida, es decir, 35 MPa o 5
ksi.
4.3 Calculo Espesor Cilindro
Con esto, se puede empezar a calcular el espesor de pared necesario. Para esto se hacen 2
aproximaciones distintas, la primera netamente teórica bajo el modelo de cilindro de pared
gruesa y la segunda bajo la norma de recipientes a presión “ASME Boiler and Pressure Vessel
Code an International Code” Para este tipo de recipientes, la literatura dice que se genera la
falla del recipiente debido al esfuerzo tangencial, por lo que solo se enfocará en este esfuerzo
mientras que el esfuerzo radial no será tenido en cuenta. Ambos esfuerzos tienen su máximo en
las paredes internas del cilindro y su mínimo en la pared exterior.
La norma utilizada para el diseño del cilindro fue “ASME Boiler and Pressure Vessel Code an
International Code”, específicamente la sección 2 que muestra las propiedades de los materiales
FES@
Capítulo 4. CÁLCULOS Y DISEÑO
comerciales mas comunes y la sección 8 que indica las fórmulas y parámetros utilizados para
distintos escenarios de recipientes a presión. Dentro de la sección 8 se encuentran 3 divisiones.
Para el diseño se tuvieron en cuenta las primeras dos secciones para poder tener múltiples
referencias.
• DIV 1: Presiones menores a 3000 psi.
• DIV 2: Presiones entre 3000 psi y 10000 psi.
• DIV 3: Presiones superiores a 10000 psi.
A continuación, se muestran las formulas utilizadas y los resultados obtenidos al seguir las
divisiones 1 y 1 de la sección 8 de la norma ASME. [2]
En base a estos resultados, es posible asegurar que los espesores teóricos y de la norma están
dentro del mismo rango, verificando el factor de seguridad de 2.5 asumido inicialmente. Debido
a que la presión de diseño es superior a los 3000 psi se elegiría el espesor de la división 2.
Una vez obtenidos los parámetros mínimos para cumplir los requerimientos de presión se
procedió a buscar comercialmente barras perforadas que cumplan estos parámetros. Se encontró
una barra perforada perteneciente a una tubería de petróleo de 3in de diámetro interno, 5 in de
diámetro externo y 22 cm de largo. Una vez con el material comprado, se procedió a utilizar el
servicio de torno del laboratorio de mecánica donde se ajustaron el diámetro interior y exterior y
se refrentaron las caras superior e inferior. Después del servicio de torno, se procedió a cortar
una platina de acero 1020 de espesor ! de pulgada para los soportes laterales u orejas con la
máquina de corte plasma. Finalmente, se soldaron los soportes laterales en la parte superior de
la cara exterior del cilindro. Los planos de todos los diseños y procesos se encuentran en los
anexos.
4.4 Calculo Altura Tapa Superior e Inferior
Para saber el espesor de la tapas superior e inferior es necesario tener en cuenta el esfuerzo
cortante máximo, dado que estas piezas fallan por este tipo de esfuerzo. Primero, se identifica el
esfuerzo cortante admisible en base a las propiedades mecánicas del material. Posterior, se halla
la altura o espesor de las tapas partiendo de la definición de esfuerzo cortante. Con esta medida
ya se puede saber el volumen total del cilindro interior.
La tapa superior permite que el vástago hidráulico se ajuste perfectamente en el centro para
garantizar un correcto funcionamiento. Para esto fue necesario utilizar un torno mecánico. Por
otro lado, la tapa inferior, o base perforada, es la que permite que la manteca se filtre y salga por
unos caminos que dirigen la manteca hacia afuera para su recolección. Para esto se utilizó tanto
el servicio de torno como de fresa para realizar las 18 perforaciones de 2.5mm y los caminos de
6 mm ancho y 4 mm de profundidad.
FES@
31
Figure 4.1: Recepción Material
Figure 4.2: Material Manufacturado
Un factor clave en el diseño de la cámara de extracción, es el juego o ajuste que tiene
que tener las tapas con el cilindro principal para sellar correctamente el recipiente a la presión
de trabajo. Para esto, inicialmente se utilizó un ajuste de holgura H8/f8. Adicionalmente, es
necesario una malla de acero inoxidable AISI 304 de 100 mesh y un filtro textil para sellar el
recipiente y contener el cacao liquido dentro del cilindro.
4.5 Diseño Elementos Complementarios Prensa
Partiendo de la base de la prensa del laboratorio, mostrada en la Figura 4.5, se diseñaron las
demás piezas para que se pudieran fijar y centrar con bridas, tornillos y prensas tipo C. La Figura
4.6, muestra la base inferior donde se direcciona el aceite o manteca hacia el punto de recolección.
Esta lamina es de espesor de pulgada y media debido a que es necesario aumentar la altura para
que el aceite fluya por gravedad hacia los envasesde recolección. Por otro lado, la Figura 4.6
muestran las piezas utilizadas para ajustar inicialmente el cilindro y para levantar el cilindro a la
hora de retirar las piezas internas después de que el proceso termine. Se compone de una nueva
cabeza para el vástago hidráulico la cual cuenta con agujeros atornillados que permiten sujetar la
FES@
Capítulo 4. CÁLCULOS Y DISEÑO
Figure 4.3: Base Perforada y Pistón
Figure 4.4: Elementos Complementarios Base Perforada
placa que sostiene el cilindro mediante los soportes laterales. Para estos elementos se utilizaron
también los servicios de torno y fresa.
FES@
33
Figure 4.5: Base Existente Prensa Laboratorio
Figure 4.6: Base Inferior y Elementos Subir Cilindro
FES@
Capítulo 4. CÁLCULOS Y DISEÑO
4.6 Calculo Potencia Resistencia Eléctrica
Para determinar la potencia necesaria de la resistencia se necesitará el calor especifico de la pasta
de caco y el calor especifico del acero 4140. Con esto en mente, se halla el volumen total de la
masa de cacao y el cilindro de acero. Es necesario hallar el Calor o Energía (Joules) necesario
para que el cacao líquido y para que el cilindro suba de la temperatura inicial a la temperatura
final. Para hallar la potencia se suma ambos calores necesarios y los dividimos en el tiempo en
segundo que se quiere que dure el proceso, en este caso 600s o 10 minutos. Además, se asume
perdidas del 25% por lo que la potencia final necesaria es de 1.3kW. Para facilidad de montaje se
eligieron 2 resistencia iguales para poner el sensor entre estas. La resistencia que se consiguieron
fue de 750W cada una, para un total de 1.5kW.
Para garantizar que halla el menor flujo de calor hacia el exterior se tiene que pensar en
alguna manera de aislar el calor. Es por esto que se utiliza la ley de Euler de transferencia de
calor en cilindros para encontrar cual es el aislante óptimo para reducir el flujo de calor hacia el
exterior.
Figure 4.7: Ley Euler Cilindro [7]
Se selecciona un aislante de fibra de vidrio con una conductividad eléctrica de 0.05 W/(m°C)
FES@
35
y un espesor de 10mm. Con el aislante de calor seleccionado se redujo el flujo de calor de 77W
a 18W, lo que reduce las perdidas casi a un 25%. Debido a las opciones del fabricante de la
resistencia se seleccionó como aislante un material cerámico con espesor 6mm que utilizan muy
comúnmente. Además, es necesario censar la temperatura del cilindro sin realizarle ningún
mecanizado sobre el cilindro. Esto debido a que al soportar altas presiones la norma ASME BVP
DIV 3 específica sobre posibles concentradores de esfuerzos ocasionados en los mecanizados
superficiales de las piezas. Es por esto que se seleccionó un sensor PT100 adhesivo el cual va a
ir ubicado en el centro del cilindro.
4.7 Calibración Sensores
4.7.1 Temperatura
En la industria, al existir varios motores, variadores de frecuencia o rectificadores en un mismo
ambiente se genera ruido electrónico. Este ruido puede afectar principalmente las señales de
voltaje, por lo que en la industria se utilizan las señales de corriente. Específicamente el protocolo
4-20mA que consiste en definir una escala lineal donde 4mA y 20mA son los limites inferior y
superior del valor de la variable que se quiere transmitir. En este caso se quiere leer temperaturas
entre 0°C y 140°C, por lo que el limite inferior de 4mA sera equivalente a 0°C y 20mA sera
equivalente a 140°C. Con esto en mente, es necesario ajustar las dos perillas que tienen a los lados
para ajustar dichos limites. El sensor PT100 varia su resistencia dependiendo de la temperatura,
por lo que esencialmente se necesita un puente de Wheastone. El transmisor 4-20mA convierte
ese cambio de resistencia en una señal de corriente. Aun no se tiene una manera para decirle al
transmisor, que funciona con cambio de resistencia, cual es la resistencia para cada temperatura.
Para esto se utiliza un calibrador de PT100, pero al no poseer uno se simulo la señal con un
trimmer conociendo el valor de resistencia para cada temperatura de la tabla de la Figura 4.9.
Figure 4.8: Transmisor 4-20mA PT100.
FES@
Capítulo 4. CÁLCULOS Y DISEÑO
Figure 4.9: Tabla Resistencia PT100
4.7.2 Masa
La celda de carga consiste de un material piezoeléctrico el cual cuando se deforma genera
cambios de voltaje, por lo que se puede cuantificar la fuerza o peso ejercida sobre el elemento
como un delta de voltaje. En una celda de carga hay múltiples materiales piezoeléctricos, por lo
que se tiene que saber el delta de voltaje en cada uno de estos para saber la fuerza que siente el
elemento. Para esto se utilizó el modulo HX711 el cual convierte estos cambios de voltaje en un
valor de masa y lo transmite por un pin digital. Como todas las celdas de carga con distintas se
necesita calibrar las 2 celdas de cargas que se usaron para las 2 basculas. Para esto se asume que
el comportamiento de las celdas de carga es casi lineal en el rango de operación, por lo que se
hicieron dos tomas de calibración, una con una pesa de 1N y otro con una pesa de 10N, ambas
pesas son calibradas.
Figure 4.10: HX711
FES@
37
4.8 Tarjeta Control PID y Adquisición Datos
(a) Burst Firing Control (b) Phase Angle Control
Figure 4.11: Control Modulacion AC [6]
Al querer un control PID, o en su nivel más básico solo control proporcional, se necesita una
manera de controlar la potencia que se le entrega a la resistencia que no sea el control básico de
ON-OFF. Es por esto que se busca implementar un controlador de fase de modulación AC PWM.
Este controlador de fase consta principalmente de un circuito detector de cruce por cero y un
circuito de disparo con un TRIAC o SSR. Esto permitirá tener un control mucho más preciso
de la temperatura del cilindro. En este documento se muestran 2 tipos de control “Burst Firing”
y “Phase Angle”, los cuales constan del mismo hardware, pero difieren de la manera en que se
controla. Ambos se muestran en la Figura 4.11. Se observa también la importancia de saber
el momento exacto cuando se cruza por cero, ya que si no existe una sincronización se genera
demasiado ruido llegando afectar el funcionamiento.
Figure 4.12: Resistencia Eléctrica Tipo Collar
Figure 4.13: PT100 Adhesivo
Estas 2 tarjetas se manufacturaron en el departamento de ingeniera electrónica y poseen
FES@
Capítulo 4. CÁLCULOS Y DISEÑO
características similares. Ambas tienen dos capas, el mismo microcontrolador (Atmega328 –
Arduino Nano), mismo modulo Ethernet y mismo circuito de alimentación. Los esquemáticos y
diseños PCB de ambas tarjetas están en los anexos.
Figure 4.14: Alimentacion DC
El circuito de alimentación es sencillo y consta de dos reguladores de voltaje lineal SMD.
Un regulador 7805 para regular 12V a 5V y otro regulador LM1117-3.3 para regular 5V a
3.3V que es lo que necesita el módulo ethernet. Es muy importante a la hora del diseño de la
PCB colocar cerca los capacitores de sus respectivos pines, para reducir el rizado de voltaje al
máximo. Además, para la selección de los valores de las capacitancias se acudió a cada una de
los datasheet donde especifican como calcular estos parámetros.
Figure 4.15: Arduino Nano
Para la facilidad del montaje se utilizó una tarjeta de Arduino nano la cual se conecta en
las 2 tarjetas, esta tarjeta tiene un microcontrolador Atmega328 el cual maneja lógica de 8
bit, memoria Flash de 32KB, SRAM de 2KBy EEPROM 1KB. A pesar, que tiene memorias y
funciones muy limitas son suficientes para cumplir los requerimientos de ambas tarjetas.
Ya que la comunicación será a través de una red LAN, se necesita un módulo compatible
con Arduino que permita la comunicación por ethernet. El módulo ENC28J60 permite la
comunicación por ethernet y se controla por el protocolo SPI, por lo que en las tarjetas se dejó
un conector pensando para conectarlo fácilmente sin necesidades de jumpers o cables.
La tarjeta PID, consta de dos circuitos detectores de cero y tres salidas mosfets de 24v para
energizar los relés de estado sólido que alimentan las resistencias eléctricas del cilindro.A
continuación, se puede observar el circuito utilizado para detectar el cruce por cero de una señal
monofásica.
FES@
39
Figure 4.16: Modulo Ethernet ENC28J60
Figure 4.17: Circuito Detector Cruce Cero
El circuito consiste principalmente de un rectificador de onda completa, seguido de un
optoacoplador de uso general 4N35SM de FAIRCHILD el cual consiste en un diodo emisor de
arsénico de Galio excitando un fototransistor de silicio. Con estos elementos se obtiene una
salida como en la parte superior de la Figura 4.19, por lo que se agregan otros elementos para
tener una señal con menos ruido que el microprocesador puede leer de mejor manera, parecida a
la parte inferior de la Figura 4.19. Dentro de los elementos adicionales está el inversor de una sola
puerta SN74LVCC1 de TexasInstruments que acondiciona la señal a la salida del optoacoplador
y el transitor, diodo y condensador que macondiana la señal antes del optoacoplador.
Figure 4.18: Optoacoplador General 4N35SM [11]
Adicionalmente, en la misma tarjeta PID existen 3 salidas de mosfets de 24v, las cuales están
pensadas para activar únicamente un relé de estado sólido por salida, por lo que la salida de
corriente está limitada a 250mA. Cuando hay una señal alta en la base del transistor el colector
se aterriza permitiendo el flujo de corriente hacia el Relé. Otro factor importante es la frecuencia
de switch por lo que se aseguró que el transistor es capaz de soportar frecuencias hasta de 1khz.
Por otro lado, la tarjeta de adquisición de datos tiene 4 entradas de corriente de 4-20mA y
2 conectores para conectar 2 celdas de carga. La entrada de corriente 4-20mA consiste de un
FES@
Capítulo 4. CÁLCULOS Y DISEÑO
Figure 4.19: Salida Circuito Detector Cruce Zero [9] [8]
Figure 4.20: Circuito transistor
integrado de TexasInstruments ADS1115 el cual es un conversor ADC de 16 Bits de resolución
con un empaque MSOP-10 controlado por el protocolo I2C, el cual mide de manera muy precisa
el voltaje en una resistencia de 150Ohmios por la cual fluye la corriente que se quiere medir.
Para la celda de carga, se utiliza el módulo HX711 el cual convierte la señal análoga de la celda
de carga en una señal digital fácilmente leíble por el microcontrolador.
Figure 4.21: ADS1115 [11]
FES@
41
Figure 4.22: Diagrama Interno ADS1115 [11]
Figure 4.23: Tarjeta PCB PID Conecta a Relés de Estado Solido
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Capítulo 4. CÁLCULOS Y DISEÑO
Figure 4.24: Tarjeta PCB Adquisición de Datos
FES@
43
4.9 Tarjeta Complementaria RPI y Señales Digitales
El cerebro de estas dos tarjetas es la Raspberry Pi 4 de 4G RAM la cual es una placa de
microordenador de alto desempeño con procesador de 4 núcleos de 64 bit, 2.4/5.0 GHz Wifi,
Bluetooth 5.0 entre otras características que hacen que esta tarjeta sea ideal para múltiple variedad
de proyectos.
Figure 4.25: Raspberry PI 4 [11]
Debido a que se tienen 6 salidas AC de Relé, 8 salidas DC de Mosfets y 4 entradas DC
24-12V se utilizará el integrado MCP23017 de 16 pines bidireccionales para dejar la mayor
cantidad de pines libres en la raspberry. Este integrado de Microchip de empaque 28-Lead SOIC
es un extensor de pines digitales que se puede controlar por I2C o SPI, cada pin tiene resistencia
pull up y puede manejar corrientes de 25mA por pin, lo que lo hace ideal para encender mosfets
u otros componentes distintos de leds. Los esquemáticos y diseños PCB de ambas tarjetas están
en los anexos.
Figure 4.26: MCP23007 [11]
Para las salidas de los mosfets se utilizó el siguiente circuito. El cual consta de un mosfets
tipo P de FAIRCHILD FQD11P06 que se acciona por un optoacoplador de Vishay ILD207T de
empaque SOIC-8 para aislar los circuitos de baja y alta potencia.
Para las salidas de los Relé, se utilizó el circuito de la Figura 4.30 el cual consta sencillamente
de un transistor el cual es el mismo circuito utilizado en la tarjeta PID.
Para las entradas digitales se utilizó en circuito de la Figura 4.31. Su principal componente es
el optoacoplador ILD207T utilizado anteriormente. Adicional, tiene un led para poder visualizar
el valor de la entrada.
Para el acondicionamiento de las señales se utilizaron los integrados 74HC14D y SN74HC541.
Tanto para las entradas como las salidas se utilizó el integrado de TexasInstruments SN74HC541
de empaque de DW R-PDSO-G20, el cual es un seguidor de 8 canales independientes que
permite eliminar ruido de las señales. Además, todas las entradas se controlan por dos pines
FES@
Capítulo 4. CÁLCULOS Y DISEÑO
Figure 4.27: Diagrama Interno MCP23007 [11]
Figure 4.28: Circuito Mosfets de Potencia
Figure 4.29: IDL207T [11]
Figure 4.30: Circuito Activación Relé
FES@
45
Figure 4.31: Circuito Entradas Digitales
de los cuales depende que todos los pines tengan alta o baja impudencia lo que controla el
funcionamiento.
Figure 4.32: Inversor SN74HC541 [11]
Figure 4.33: Diagrama Inversor SN74HC541 [11]
Para las entradas digitales se utilizó también el integrado 74HC14 el cual es un inversor de 6
FES@
Capítulo 4. CÁLCULOS Y DISEÑO
canales de disparador Schmitt utilizado para obtener niveles de umbral reducidos con el fin de
interactuar con niveles lógicos TTL. Este se usa solo en las entradas debido a que puede existir
un efecto “bouncing” o tiempos de respuesta que impidan leer las señales de botones o cierto
tipo de sensores.
Figure 4.34: Schmitt Trigger 74HC14D [11]
Figure 4.35: Raspberry PI 4 junto con las tarjetas complementarias.
FES@
Resumen
Resultados
Análisis
Trabajo Futuro
5. ANÁLISIS Y RESULTADOS
5.1 Resumen
En esta sección se revisaran los distintos ensayos realizados para la obtención de la curva carac-
terística, así como el resultado físico final. Posterior, se revisara la matriz de experimentación
resultante en la cual se comentará acerca de sus variables de interés. Por ultimo, se hacen
comentarios generales sobre el análisis y resultados.
5.2 Resultados
Inicialmente, se separó satisfactoriamente la grasa o manteca de la torta de cacao como se ve
en la Figura 5.1. Cuando la manteca se enfría queda de color blanco, mientras el bagazo, lo
que quedó dentro de la cámara después de la extracción, queda de color café como se observa.
Ahora es necesario revisar que porcentaje le corresponde a cada uno para saber si es un producto
comercial o no.
Figure 5.1: Resultado Físico
Capítulo 5. ANÁLISIS Y RESULTADOS
Para lograr este resultado fueron necesarias 5 pruebas fallidas previas, las cuales están docu-
mentadas en la matriz de experimentación de la figura 5.2. La variable de control era el ajuste
entre el cilindro exterior y las tapas o bases internas, lo cual al tener un ajuste muy reducido
rompe los filtros haciendo que la prueba se terminé sin poder tomar resultados finales. Se empezó
con un ajuste H8/f8 y se fue reduciendo de a décima de milímetro en el radio para cada prueba.
En la ultima prueba se consiguió obtener un sello funcional sin que se rompa el filtro textil.
Figure 5.2: Matriz Experimental Resultados.
5.3 Análisis
Para este caso, solo se consiguió extraer cerca del 50% de la manteca total, siendo ideal extraer
superior al 80% debido a que la cocoa comercial se empieza a vender es a partir del 20% de
manteca residual. Como se puede observar en la Figura 5.3, después de 1 hora se consiguió el
valor final.
Además, es necesario resaltar que la mayoría de pruebas que se hicieron, como en la Figura
5.4, no se pudieron completar debido a que los filtros textiles se rompían debido a que el ajuste
entre el cilindro y las bases era muy ajustado. En la Figura 5.5 se observan filtros que se
rompieron y filtros que superaron la prueba.
5.4 Trabajo Futuro
Para solucionar el problema que se rompan los filtros, se propone incorporar una bolsa del mismo
textil dentro de la cámara de extracción que evite que el cacao liquido se riegue si el filtro se
rompe. Con esto en mente, se sugiere hacer la misma prueba a 3000 y 4000psi para hallar las
curvas de caracterización del proceso.
FES@
49
Figure 5.3: Gráfica % Extracción vs Tiempo
Figure 5.4:Intento Fallido Figure 5.5: Filtros Usados
FES@
6. CONCLUSIONES
Al inicio del documento se habló de la falta de investigación y maquinaria local que reduce
el sector de la transformación de cacao, por lo que se quiere dejar bases para entender este
proceso mediante investigación local que esta enfocada a crear una alternativa para pequeñas
y medianas industria cacaoeteras que quieran empezar en el mundo de la transformación. Por
esto, el principal objetivo es obtener curvas características del proceso con las cuales es posible
optimizar el proceso mediante la selección de un tiempo óptimo.
Por un lado, se diseñó de manera satisfactoria los componentes mecánicos mediante un
análisis teórico y la norma ASME, validando y comparando estos dos valores entre si. Asi
mismo, se diseñó y desarrolló los sistemas de calentamiento y adquisición de datos necesarios
para controlar la temperatura de la cámara de extracción hasta 90 grados mediante 2 tarjetas
PCB. Por otro lado, se diseñó y desarrolló 2 tarjetas PCB complementarias a un procesador
(RPi) capaz de recibir las información de las otras tarjetas y controlar las variables necesarias,
así como su comunicación en un ambiente industrial.
La parte que mas ocasionó inconvenientes fue la del ajustes interno del cilindro junto con su
filtro textil. Fue necesario probar 3 distintos filtros variando ligeramente el ajuste, sin embargo,
fue un factor determinante para las fallas ocasionadas. Es por esto que se plantea la opción de
realizar una bolsa tipo media de este mismo material textil, con lo que se busca contener el cacao
liquido para evitar derramamientos.
Finalmente, se cumplió el propósito final de conseguir una curva de caracterización para
el proceso de extracción a 2000 psi y 80°C, con la cual se puede estudiar y entender mejor el
proceso para futura optimización comprobando los resultados obtenidos en la literatura estudiada.
Se dejan bases de investigación y se muestra una manera en que se puede implementar esto
para fabricas pequeñas y medianas. Posteriormente, se espera realizar esta misma prueba para
presiones entre 3000 y 4000 psi para alcanzar un producto con manteca residual menor al 20%,
lo que se compra comercialmente.
Bibliografía
Libros
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Capítulo 6. CONCLUSIONES
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FES@
ANEXO 1: PLANOS CILINDRO CÁMARA EX-
TRACCIÓN
ANEXO 2: PLANOS SOPORTE VÁSTAGO -
CILINDRO
ANEXO 3: BASE PERFORADA Y PISTÓN
ANEXO 4: BASE PRENSA
ANEXO 5: EJEMPLO ASME SEC VIII DIV 2
ANEXO 6: TARJETA PCB PID
ANEXO 7: TARJETA PCB PT100 Y CELDA
CARGA
ANEXO 8: TARJETA COMPLEMENTARIA RPI
ENTRADAS/SALIDAS DIGITALES
ANEXO 9: TARJETA COMPLEMENTARIA RPI
ENTRADAS ANALOGAS - RTC - POWER
7. Anexos
7.1 ANEXO 1: PLANOS CILINDRO CÁMARA EXTRACCIÓN
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Capítulo 7. Anexos
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Figure 7.2: Plano Soldadura Cilindro
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7.2 ANEXO 2: PLANOS SOPORTE VÁSTAGO - CILINDRO
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Capítulo 7. Anexos
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7.3 ANEXO 3: BASE PERFORADA Y PISTÓN
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Capítulo 7. Anexos
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7.4 ANEXO 4: BASE PRENSA
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Capítulo 7. Anexos
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Figure 7.8: Base Removible
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61
7.5 ANEXO 5: EJEMPLO ASME SEC VIII DIV 2
Figure 7.9: Ejemplo con Solución [3]
FES@
Capítulo 7. Anexos
7.6 ANEXO 6: TARJETA PCB PID
Figure 7.10: PCB PID
FES@
63
Figure 7.11: Esquemático PID
FES@
Capítulo 7. Anexos
7.7 ANEXO 7: TARJETA PCB PT100 Y CELDA CARGA
Figure 7.12: PCB Adquisición
FES@
65
Figure 7.13: Esquemático Adquisición
FES@
Capítulo 7. Anexos
7.8 ANEXO 8: TARJETA COMPLEMENTARIA RPI ENTRADAS/SALIDAS DIGITALES
Figure 7.14: PCB Señales Entrada-Salida
FES@
67
Figure 7.15: Esquemático Señales Entrada-Salida
FES@
Capítulo 7. Anexos
7.9 ANEXO 9: TARJETA COMPLEMENTARIA RPI ENTRADAS ANALOGAS - RTC -
POWER
Figure 7.16: PCB Power RPI
FES@
69
Figure 7.17: Señales Entrada-Salida Power RPI
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	INTRODUCCIÓN
	Resumen
	Objetivos generales
	Objetivos específicos
	MARCO TEORICO
	Resumen
	Contexto Social
	Contexto Económico
	Contexto Industria
	Industria
	Condiciones Extracción Manteca
	METODOLOGÍA
	Resumen
	Elementos del Sistema
	Sistema Hidráulico
	Sistema de Control
	Cámara de Extracción
	Servidor WEB
	Matriz de Experimentación
	Procedimiento Extracción de Manteca
	CÁLCULOS Y DISEÑO
	Resumen
	Calculo Volumen Cacao y Fuerza Hidráulica
	Calculo Espesor Cilindro
	Calculo Altura Tapa Superior e Inferior
	Diseño Elementos Complementarios Prensa
	Calculo Potencia Resistencia Eléctrica
	Calibración Sensores
	Temperatura
	Masa
	Tarjeta Control PID y Adquisición Datos
	Tarjeta Complementaria RPI y Señales Digitales
	ANÁLISIS Y RESULTADOS
	Resumen
	Resultados
	Análisis
	Trabajo Futuro
	CONCLUSIONES
	Bibliografía
	Anexos
	ANEXO 1: PLANOS CILINDRO CÁMARA EXTRACCIÓN
	ANEXO 2: PLANOS SOPORTE VÁSTAGO - CILINDRO
	ANEXO 3: BASE PERFORADA Y PISTÓN
	ANEXO 4: BASE PRENSA
	ANEXO 5: EJEMPLO ASME SEC VIII DIV 2
	ANEXO 6: TARJETA PCB PID
	ANEXO 7: TARJETA PCB PT100 Y CELDA CARGA
	ANEXO 8: TARJETA COMPLEMENTARIA RPI ENTRADAS/SALIDAS DIGITALES
	ANEXO 9: TARJETA COMPLEMENTARIA RPI ENTRADAS ANALOGAS - RTC - POWER