DISEÑO CONCEPTUAL DE MAQUINA PARA DESCASCARADO DE ALMENDRAS

FUNDAMENTOS DE DISEÑO

DIRIGIDO A

Álvaro Arregoces Prieto

Presentado por:

Juan Fernando Campuzano Vallejo (coordinador) 1040041421 jfcampuzanov@unal.edu.co

Lucas Marín Duque 1038410758 lmarind@unal.edu.co

Santiago Gómez López 1152186105 sangomezlop@unal.edu.co

Christian Olaya 1037620218 colayac@unal.edu.co

Juan Camilo Londoño Montoya 1152437071 Juclondonomo@unal.edu.co

Daniel Pineda Jaramillo 1152203298 dpinedaj@unal.edu.co

Lukas Cano Lopez lucanolo@unal.edu.co

Universidad Nacional de Colombia

Sede Medellín

DICIEMBRE 2014

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TABLA DE CONTENIDO1. INTRODUCCIÓN...........................................................................................................6

2. OBJETIVOS...................................................................................................................6

3. LA ALMENDRA..............................................................................................................7

3.1 Tipos de Almendras................................................................................................7

3.1.1 Terminalia Catappa.........................................................................................7

3.2 Principales Usos de la Almendra:...........................................................................9

3.2.1 Leche de almendras........................................................................................9

3.2.2 Culinario..........................................................................................................9

3.2.3 Medicinales....................................................................................................10

3.2.4 Aceite.............................................................................................................10

4. COMERCIALIZACIÓN.................................................................................................10

4.1 Normatividad.........................................................................................................12

5. PROCESAMIENTO.....................................................................................................13

5.1 COSECHA............................................................................................................13

5.2 LIMPIEZA.............................................................................................................14

5.3 PELADO Y DESCASCARADO............................................................................14

5.4 SELECCION.........................................................................................................15

5.5 SECADO...............................................................................................................15

5.6 SELECCIÓN DEL GRANO...................................................................................16

5.7 Diagrama de Proceso...........................................................................................16

6. MAQUINARIA COMERCIAL........................................................................................17

7. PATENTES..................................................................................................................18

8. APROXIMACIÓN AL CONCEPTO DE MÁQUINA......................................................23

8.1 Análisis de las necesidades del cliente................................................................24

8.2 Alternativas de solución funcionales....................................................................28

8.2.1 PRESELECCIÓN SOLUCIONES..................................................................34

8.3 MATRIZ MORFOLÓGICA....................................................................................37

8.3.1 Pre-selección alternativa final.......................................................................40

8.3.2 Selección alternativa final..............................................................................41

8.3.3 Descripción alternativa seleccionada…………………………………..42

9. BIBLIOGRAFIA 43

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1. INTRODUCCIÓN

La almendra es un producto con grandes características que pueden ser aprovechadas por el hombre. Estas pueden ser aprovechadas tanto en usos culinarios, medicinales y en otros como cremas dermatológicas y cosméticos de gran calidad. Sin embargo la producción de almendras en Colombia se ve muy limitada por las condiciones climáticas y de suelo que se presentan.

El siguiente trabajo desarrollado para el curso de fundamentos de diseño, busca plantear un concepto de diseño de un sistema de descascarado de almendra criolla (terminalia catappa), con el fin de promover los cultivos de este fruto a gran escala en Colombia, reemplazando parte de las importaciones echas desde Chile, Canada y otras partes del mundo. Para este propósito se sigue la metodología de diseño trabajada en clase que permite la selección y el desarrollo más apropiado del diseño según las variables más influyentes para el caso.

En el procedimiento a trabajar, inicialmente se hace un estudio de mercado y se caracterizan las almendras, los tipos de almendra y se selecciona la más apropiada para nuestras condiciones, además se revisa el origen de la materia prima y las opciones que se presentan para trabajar con ésta. Escogido el tipo de almendra se verifican las posibilidades o mecanismos de descascarado más apropiado. Para esto se revisan los sistemas existentes en el mercado y sus costos para poder asegurar un sistema competitivo tanto en funcionamiento como comercialmente. El documento finaliza con las conclusiones del proyecto y las recomendaciones finales y puede encontrarse en los anexos la documentación elaborada para dar mayor claridad al proceso de diseño y las decisiones tomadas por el equipo de ingeniería que conducen a satisfacer las necesidades planteadas por el cliente.

2. OBJETIVOS

Objetivo general:

Creación de un diseño conceptual para el proceso de descascarado de la almendra terminalia catappa.

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Objetivos específicos:

Analizar y seleccionar la alternativa tecnológica más adecuada para la realización del proceso de descascarado según los requisitos.

Diseño de un dispositivo que posea la capacidad de procesar 230 Kg/h de almendras

Lograr eficiencia del procesamiento de mínimo 95%, teniendo implícito la entrega de semilla entera y lograrla despegar de la cascara.

Lograr la manufactura de un dispositivo que pueda procesar la almendra sin generar contaminaciones del alimento.

3. LA ALMENDRA Las almendras son un alimento sumamente versátil, disponible en una amplia gama de variedades y formas adecuadas para las más diversas aplicaciones. Las almendras pertenecen al grupo de frutos secos oleaginosos y se caracterizan porque poseen un gran valor nutritivo debido a su alto contenido en hidratos de carbono (20%) y proteínas (20%) de aceptable valor biológico; asimismo contienen entre un 59% y 63% de grasa, porcentaje responsable del enorme valor calórico de las almendras.[1]

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3.1 Tipos de Almendras

3.1.1 Terminalia Catappa.

Grafico 1: Árbol y fruto de terminalia catappa L.

Fuente: Extraído de [2]

La especie de almendro cultivado en nuestro país es una especie originaria de la malacia y la india; los climas de óptimo crecimiento se dan en un clima trópico húmedo con un nivel de precipitaciones entre 750 y 1500 mm, crece en variedad de suelos como desechos de construcción y lo favorece la cercanía a zonas costeras. Se cultiva a nivel mundial como especie ornamental y sombra, es un árbol que crece entre 15 a 25 m de altura, como también de gran envergadura radial.

Un valor de la semillas que produce, tienen un sabor similar al de las nueces de la almendra comercial (Prunus amygdalus). Contienen un aceite comestible, con un excelente sabor, que constituye alrededor del 55 por ciento del peso de la semilla. Las semillas no se explotan a gran escala porque son difíciles de abrir.[3]

El valor principal de la almendra es como un árbol de ornamento y de sombra. Es favorecido por el encendido color de su follaje antes de la caída de las hojas, por la simetría estratificada de sus ramas y por su forma placentera a la vista, y debido a que crece en una variedad de suelos y en relleno de construcción.[4]

El fruto se compone de núcleo (10,32%), cubierta fibrosa (8,97%), cáscara (34,08%) y endocarpio duro (46,63%)[3]

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La Semilla comestible que se encuentra dentro del hueso de este fruto, mide entre 1 y 1.5 cm. de largo, es ovalada, con uno de sus extremos terminado en punta y el otro redondeado, compacta, blanca y está cubierta por una cáscara muy delgada de color café rojizo.

Grafico 2: Zona de climas adecuados para el cultivo de Terminalia catappa L.

Fuente: Extraído de [5]

3.2 Principales Usos de la Almendra:

3.2.1 Leche de almendrasLa leche de almendras se obtiene moliendo almendras secas y peladas para una posterior mezcla con agua (Prunus amygdalus)

Leche de Almendra instantánea, es producida con semillas orgánicas, sin lactosa, sin azúcar, sin glúten siendo así un alimento de alto valor biológico por su riqueza en calcio y proteína. Además es una fuente rica en hierro, magnesio, potasio, selenio y zinc.

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3.2.2 CulinarioEste es su principal uso, la almendra es un producto ampliamente empleado en la cocina mediterránea, formando parte de distintos platos y salsas, es muy frecuente el uso de la almendra como aperitivo en sus distintas modalidades, cruda, frita o tostada destacando entre sus aplicaciones alimenticias, su utilización en la industria de la pastelería y repostería.[10]

3.2.3 Medicinales La almendra es reconstituyente, laxante y depurativa. Estimula además las secreciones lácteas, por lo que es muy conveniente su consumo durante la lactancia. También ayudan a la regeneración del sistema nervioso y son un antiséptico intestinal.

3.2.4 Aceite El aceite de almendras tiene aplicaciones dermatológicas y es muy utilizado en la industria cosmética debido a que mejorar la apariencia y el estado general de la piel, especialmente en casos de sequedad, deshidratación o escamación. Es un aceite rico en vitaminas A y E., proteínas, sales minerales y ácidos grasos resultando que el aceite de almendras es muy nutritivo y apto para todo tipo de piel, especialmente para las más sensibles y secas.[11]

Fuente: Extraído de [11]

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4. COMERCIALIZACIÓN

El mercado colombiano por su posición geográfica posee una gran afinidad por las almendras Chilenas por la cercanía geográfica entre los dos países, el proyecto se enfocara a procesar parte de esta demanda requerida por el mercado colombiano.

Haciendo un símil de la producción de almendra que se consume mensualmente en Colombia (180 toneladas) de almendra Prunus dulcis. Se pretende sustituir el 1% con almendra criolla (terminalia catappa), actualmente no existen plantaciones que suplan este porcentaje, por lo que se debe promover la plantación. Como ventaja a diferencia de la almendra que se importa actualmente que depende de la época del año pues requiere estaciones para su producción, se puede contar con una Terminalia Catappa producción constante durante todo el año para suplir el mercado, se plantea la posibilidad de utilizar ambas partes de la almendra criolla por lo que se pretende en su procesamiento obtener el fruto seco con la mayor integridad posible para facilitar el proceso de separación posterior.

Grafico 9: Importación de almendras chilenas año 2010

Fuente: Extraído de [12]

El 1% de la producción de almendras está representado por 1.8 toneladas mensuales, de la almendra criolla solo el 10% de la almendra es la semilla, por lo que se pretende procesar 18 toneladas de la almendra Terminalia Catappa L. para suplir la producción estimada, trabajando 8 horas diarias, y 10 días mes, da una producción estimada diaria de 1.8 toneladas, o 225 kg por hora, por lo que

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tomando como referencia las máquinas compactas usadas para estos propósitos con una producción 230kg/h, el margen de los 10 días restantes del mes se deja abierto para propósitos de mantenimiento y por los problemas de suministro que puedan surgir en un mercado naciente.

4.1 NormatividadLa construcción de maquinara en la cual se procese alimentos posee requerimientos específicos, en los cuales se buscara la el mayor cuidado al consumidor.

Si no hay una óptima revisión de os procesos realizados, puede traer consigo enfermedades y daños que pueden ser de las siguientes características:

Causas biológicas: putrefacción debida a microorganismos y sus toxinas Causas químicas: productos de limpieza, de desinfección y lubricantes Materias extrañas: de las máquinas, causadas con frecuencia por la

corrosión o el desgaste o debido a otras fuentes

Para el diseño higiénico de una máquina, es necesario tener en cuenta la consecuencia de todos los riesgos e integrar medidas para su eliminación o reducción.

La inocuidad de los alimentos está relacionada con la presencia de peligros en los alimentos, en el momento de su consumo (de ingestión por el consumidor). Como la introducción de peligros puede ocurrir en cualquier etapa de la cadena alimentaria, es esencial realizar un control adecuado a lo largo de ésta. En esta forma, la inocuidad de los alimentos se asegura a través de los esfuerzos combinados de todas las partes que participan en la cadena alimentaria. [1]

Las organizaciones dentro de la cadena alimentaria varían desde los productores de alimentos para animales, productores primarios, pasando por fabricantes de alimentos, operadores y subcontratistas de transporte y almacenamiento, hasta los puntos de venta de productos al detal y de servicios de alimentos,(junto con las organizaciones interrelacionadas, tales como fabricantes de equipos, material de empaque, agentes de limpieza, aditivos e ingredientes), los proveedores de servicios también están incluidos.[1]

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Normas técnicas estándar

La elaboración y funcionamiento del proyecto está basado en las normas ISO (International Organization for Standardization) e ICONTEC (Instituto Colombiano de Normas Técnicas y de Certificación) que se presentan a continuación:

Norma ISO 9001La cual es la base del sistema de gestion de la calidad ya que es una norma internacional y que se centra en todos los elementos de administración de calidad con los que una empresa debe contar para tener un sistema efectivo que le permita administrar y mejorar la calidad de sus productos o servicios.

Norma Técnica Nts-Usna Sectorial Colombiana 003

Control En El Manejo De Materia Prima E Insumos En El Área De Producción De Alimentos Conforme A Requisitos De Calidad[2]

Norma Técnica NTC-ISO Colombiana 22000 2005-10-26

Sistemas De Gestión De Inocuidad De Los Alimentos.

Requisitos Para Cualquier Organización En La Cadena Alimentaria[2]

Decreto 3075 de diciembre 23 de 1997 del Ministerio de Salud.

Requisitos de fabricación, procesamiento, preparación, envase, almacenamiento, transporte. Importación y exportación de alimentos.

Esta norma proporciona los requisitos para proveer la materia prima y verificar el cumplimiento de estándares en el manejo de la misma, de acuerdo con procedimientos establecidos. [2]

Principales normas de seguridad industrial que se implementarán en el proyecto

NTC 1461: Higiene y seguridad. Esta norma tiene por objeto establecer los colores y señales de seguridad utilizados para la prevención de accidentes y riesgos contra la salud y situaciones de emergencia.[3]

NTC 1462: Señalización de seguridad y protección en las zonas de trabajo. [3]

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5. PROCESAMIENTO

El procedimiento para obtener almendra comercial; destinada para distintos usos en la industria, se lleva acabo siguiendo los siguientes procesos:

5.1 COSECHA

Es el primer paso en el procesamiento de una almendra por evidente que sea. Es importante recolectar el fruto oportunamente, cuando la maduración del fruto llega a un nivel avanzado la parte exterior llamada mesocarpio, pulpa o capote, empieza un proceso de secado y posterior desprendimiento, esto deja el dátil expuesto a la acción del de insectos, animales y al medio.

El método más usado en Latinoamérica es usar una caña para desprender los frutos del árbol, y extender una lona de bajo de este para facilitar su recolección, métodos más industrializados se realizan por medio de maquina las cuales extienden una malla alrededor del árbol y luego se procede sacudir para la obtención de la almendra.[13]

Grafico 10: (a) Lona para la recolección de almendras (b) Máquina para el cosechar y recolecta almendra

Fuente: extraído de [14]

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5.2 LIMPIEZA

Se realiza una separación manual o por medio de tamices mecánicos de cualquier objeto diferente a diferente al fruto (ramas, hojas, tierra, etc.) para entregar un producto homogéneo al proceso siguiente.

5.3 PELADO Y DESCASCARADO

Consiste en separar el endocarpio o cascara de la semilla, este proceso se debe realizar lo antes posible, se debe evitar el endurecimiento de la capa externa (capote) lo cual dificultaría el descascarado de la almendra.[13]

Este proceso se realiza por medio de diferentes tipos de maquina;

• Maquinas con cilindro fijo rotatorio: consiste en un cilindro que rota, la almendra ingresa a este dispositivo y se hace pasar entre la pared del dispositivo y el cilindro produciendo el rompimiento de la cascara.

• Máquinas de cilindro rotatorios: consiste en varios pares de cilindro rotatorios entre los cuales se gradúan diferentes distancias para el procesamiento de diferentes calibres de almendra.

• Máquinas de martillo o prensas: el rompimiento de la cascara se realiza mediante presión de una prensa, se debe calibrar el tamaño de almendra que se va a procesar.

• Maquinas manuales: son máquinas cascanueces que mediante una palanca se aplica presión al fruto para lograr el rompimiento de la cascara.

• Maquinas de cuchillas: consiste en varios pares de cuchillas rotatorios entre los cuales se gradúan diferentes distancias para el procesamiento de diferentes calibres de almendra.

En procesos de gran producción se recomienda el remojo del fruto para lograr la extracción del grano completo, este proceso se lleva a cabo en silos durante un tiempo entre 24 a 48 horas, para luego clasificar el tamaño para una mejor labor de la máquina.

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5.4 SELECCION

Realizar una buena separación del grano, el material obtenido de la ruptura y el grano que no fue bien procesado se realiza una separación en la cual se disponga cada uno de los materiales para sus diferentes procesos.

• El grano bien procesado se dispone para el secado

• La cascara es almacena para su posterior comercialización como combustible o como disponga el comprador.

• El grano no procesado se reintegra el proceso de pelado.

5.5 SECADO

La humedad de una almendra después del proceso de pelado se encuentra entre un 15 al 25 % para una mejor conservación de la producción es recomendable bajar la humedad del fruto hasta un 7 %.

Este proceso se lleva acabo de dos formas dependiendo de las condiciones climáticas de la región donde se cosechan, en zona cálidas y de baja humedad las condiciones se prestan para secar los grano expuesto a condiciones del ambiente durante algunos días, en otras zona se utilizan secadoras industriales.[13]

5.6 SELECCIÓN DEL GRANO

Durante este proceso se realiza una inspección visual del grano eliminando cualquier producto con alguna imperfección, los granos descartados se utilizan para la producción de otros derivados de la almendra. [13]

Después de ser seleccionadas el proceso final de las almendras y su utilización puede darse distintas formas entre las cuales podemos destacar:

• Enteras

• Enteras blanqueadas

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• Trituradas

• Harinas (usualmente se utilizan las semillas descartadas en el proceso de selección)

• Pastas o cremas

• Aceites

• Entre otros

5.7 Diagrama de ProcesoEn el grafico 11. Se visualiza cada uno de los procesos que tiene que seguir el fruto del árbol de almendras para la obtención de una semilla comercial, lista para su uso tanto industrial como doméstico.

Grafico 11. Diagrama de procesos

Fuente: elaboración propia a partir de:[13]

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6. MAQUINARIA COMERCIAL

Como parte del estado del arte y en contribución a la selección de un motor acorde a las necesidades de la maquina se presenta la siguiente tabla de capacidades de producción vs potencia de los equipos disponibles en el medio.

Grafico 12: Tabla de capacidad de producción vs potencia en máquinas comerciales

EQUIPO CAPAIDAD POTENCIA OBSERVACIONESMSAS-400. 400kg/h 2.2kw

MSAS-1000. 1000kg/h 6.75kw Medidas: 3.2*2.1*2.6mAlmond Sheller

SLPS.700kg/h 11kw Peso: 350kg

Almond Sheller TP-05

500kg/h 1.5kw Medidas: 1.9*9*1.3mPeso: 300kg

Sheller XTJ-400. 400kg/h 2.2kw Medidas: 1.8*0.8*1.6mSheller XTJ-1000. 1000kg/h 6.75kw Medidas: 3.2*2.6*2.1m

Sure ASM400. 1000kg/h 6.75kw Peso: 2000 kgSure ASM200. 500kg/h 1.5kw Peso: 450KgAZS-HTC300. 300kg/h 1.5kw Medidas: 1.3*0.8*1.5m

Peso: 200kgAZS-HTC800. 800kg/h 2.2kw Medidas: 1.6*1.6*2.2m

Peso: 800kg

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Fuente: elaboración propia a partir de:[15][16][17][18]

7. PATENTES

Hoy en día podemos encontrar ya algunas soluciones para el proceso de descascarado de almendras. Podemos por medio de patentes estudiar estas máquinas ya existentes, con el fin dar una solución propia usando apropiación tecnológica, que consiste en identificar las partes que componen estas máquinas y determinar su función dentro del proceso. A continuación presentamos los principales sistemas de descascarado que alguna vez se plantearon para dar una solución.

Descascarado por corte

Algunas máquinas emplean cuchillas y sistemas de fijación de estas para realizar un corte a la cascara que permita extraer el fruto, a continuación presentamos algunos de estos mecanismos.

Grafico 11. Descascaradora Italiana. Por Nicola Ottaviani, Canicati y Agriento.

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Posicionamiento de la Almendra

Posicionamiento de la cuchilla

Cuchilla vista lateral

Fuente: extraído de [19]

Esta primera máquina está compuesta por un tambor sobre el cual se montan las almendras y se posicionan con elementos elásticos, al girar, el tambor hace pasar la almendra por una cuchilla fija ubicada en la parte superior de la máquina, la cual realiza el corte de la cascara.

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Grafico 12. Cortadora de almendras G.W. STIEFVATER 1950.

Fuente: extraído de [20]

La imagen 12, presenta una patente de una cortadora de almendras, la cual se compone por rodillos en los que van una serie de bandas sobre las cuales se transportan las almendras, una vez que las almendras pasan por el rodillo superior, estas son cortadas con las cuchillas giratorias en el cilindro 34.

Descascarado por rodillos

La alta producción es la principal ventaja de este mecanismo, además de esto, agregando un ángulo a la separación entre los rodillos, es posible graduar la máquina para realizar el descascarado de almendras de diferente tamaño.

Grafico 13. Descascaradora de almendras por rodillos. De Alan W.

Crompton, Australia 1982

18

Fuente: extraído de.[21]

Posee un sistema de transmisión por piñones que le entrega un movimiento en sentido horario al primer rodillo y un movimiento en sentido contrario al segundo rodillo, para que de esta forma, la almendra sea agarrada por el rodillo, gracias además, de unos canales para aumentar el agarre del rodillo.

Descascarado por golpeo

De acuerdo a la búsqueda realizada, no se encuentran maquinas que empleen este método para el descascarado de la almendra, sin embargo, este método es usado para el descascarado de otras frutas similares a la almendra, como es el caso de la nuez. Pueda ser que el método no realice una extracción de la fruta total sino fraccionada, lo cual queremos evitar, pero no por esto va a ser un método descartado, pues se deben identificar los factores dentro del mecanismo que llevan a que la fruta se fraccione.

Uno de los mecanismos que emplean este método se muestra en el grafico 14, esta corresponde a un cascanueces electromecánico del año 1970 inventado por Henry H. Turner.

Grafico 12. Cortadora de almendras G.W. STIEFVATER 1950.

Fuente: extraído de.[22]

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Vistas lateral y superior de la maquina cascanueces de H. H Turner

Detalle sistema de golpeo del mecanismo.

8. APROXIMACIÓN AL CONCEPTO DE MÁQUINA

Con base en la información procesada se procede a definir las características específicas del concepto de máquina .Con base en la capacidad de producción estimada según la comercialización de la almendra y en los usos que se le darán al producto final, donde, en este caso se desea hacer un procesamiento de la semilla de la almendra para usos generales en la industria por lo que se debe entregar la semilla en el mejor estado posible; además el fruto es adecuado recibirlo sin la cascara blanda, pues el almacenamiento con esta cascara produciría daños por causa de la descomposición de este material. Por lo que se requiere extraer la semilla de la cascara dura sin que esta se dañe y entregar la mezcla de almendra-cascara obtenida del proceso.

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Para las condiciones de producción a suplir es necesario que la maquinaria a diseñar procese entre 230 y 250 kg/h, lo cual es justificable por los datos anteriormente expuestos en la comercialización de almendras.

Con el fin de definir las características específicas del equipo es necesario primero definir las funciones y sistemas que componen la máquina, además de describir las alternativas de solución para llevar a cabo cada proceso .En este caso el equipo consta de un sistema de alimentación, un preseleccionado por tamaño de las almendras y un sistema de aporreo de la cascara.

Alimentación: este sistema debe permitir tener un flujo constante al sistema de preselección y aporreo del equipo, puede ser alimentación manual o por mecánico a una tolva.

Preselección: con motivo de no dañar la semilla es necesario hacer una separación por tamaños de la almendra con cascara, ya que el tamaño de estas puede variar en un rango conocido y al ser separada la cascara en el sistema de aporreo se puede comprometer la nuez. este sistema puede ser por tamizado o por separación variable en el sistema de alimentación.

Aporreo: con el fin de separar la nuez de la cascara se debe abrir esta con un método que no afecte la integridad de la nuez, para esto se pueden usar diferentes sistemas, como compresión entre masas y engranes o por corte con cuchillas.

A partir de esto se procede a desarrollar un análisis por matriz morfológica de los diferentes sistemas para valorar las diferentes alternativas de solución en cada operación y obtener el concepto de diseño más adecuado.

8.1 Análisis de las necesidades del cliente.

Con base en la información recopilada en la entrevista con el señor Álvaro Arregoces, se elabora un análisis de las necesidades del cliente. En la Tabla 3 se presenta las necesidades identificadas así como su interpretación.Tabla 3. Necesidades interpretadas del cliente. Elaboración propia

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Necesidades Clasificación

Cliente Interpretación Demanda Deseos Importancia

Procesamiento de 230 Kg/h

Capacidad de procesamiento de

230 Kg/h X 5

Procesar almendra criolla en cascara dura y seca

Requerimiento de recepción del producto

X 3

La máquina debe funcionar en todas las fincas con línea eléctrica de 110 V

Motor eléctrico monofásico a 110 V

X 2

Entregar la semilla de almendra entera

Condiciones de entrega del producto X 4

Perdidas menores al 5%

Eficiencia del proceso de mínimo 95% x 3

Fácil Mantenimiento

El operario de la máquina puede hacerle el mantenimiento x 2

De bajo precio económica X 3

No requiere maquinaria pesada para su transporte

Portabilidad y tamaño moderados  x 2

De fácil manejo con un solo operario

No se requiere personal calificado para la operación X 3

Larga vida útilVida útil mínima de 5 años X 2

No contaminar el producto

Cumplir con normas de salubridad para manejo de alimentos x 4

Segura para el operario

De operación segura y confiable X 2

Despegar semilla de cascara

Desprendimiento completo entre

x 4

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almendra y cascara

Separación de cascara y almendra

Seleccionar las semillas y separarlas de la cascara X 2

Fácil de reparar y fabricar

Repuestos comerciales o de fácil fabricación en el medio X 3

Trabajar en un hangar cerrado

Ambiente de trabajo libre de contaminantes sólidos y líquidos x 1

Con este análisis se  evidencia lo que el cliente pretende hacer con el equipo. Luego se busca un método económico y sencillo que permita el descascarado de almendra con el fin de promover una producción que pueda abastecer un porcentaje de la demanda de almendras mediante la plantación de la almendra criolla.

Tabla 4. Necesidades-Medida, elaboración propia

Necesidad

Medida

Capacidad de procesamiento (cargas/hora)

Potencia de entrada al motor eléctrico (KW)

Horas de trabajo sin fallas (h)

Número de piezas

Precio ($)

Variable lógica

Eficiencia del proceso (%)

Peso(KG)

TOTAL

23

Capacidad de

procesamiento de

230 Kg/h X X

2

Requerimiento de recepción del producto X

1

Motor eléctrico monofásico a 110 V X X

2

Condiciones de entrega del producto X X

2

Eficiencia del proceso de mínimo 95% X

1

El operario de la máquina puede hacerle el mantenimiento X X

2

económica X 1

Portabilidad y tamaño moderados X

1

1No se requiere personal calificado

X X 2

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para la operación

Vida útil mínima de 5 años X X

2

Cumplir con normas de salubridad para manejo de alimentos X

1

De operación segura y confiable X

1

Desprendimiento completo entre almendra y cascara X

1

Seleccionar las semillas y separarlas de la cascara X

1

Repuestos comerciales o de fácil fabricación en el medio X X

2

Ambiente de trabajo libre de contaminantes sólidos y líquidos X

1

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8.2 Alternativas de solución funcionales

Se elabora entonces una tabla con las diferentes opciones comerciales que se presentan en el mercado, para cada una son identificados pros y contras sobre los cuales de puntúa en la matriz de selección total, para ampliar el panorama de selección se tuvieron en cuenta opciones que en primera instancia habrían podido parecer descartables.

Una vez analizadas las alternativas de fuentes de potencia las Funciones esenciales sobre las cuales se trabajó en la maquina fueron: Alimentación de las almendras, sistema de selección y sistema de descascarado como puede observarse en la siguiente tabla.

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Matriz de soluciones

Principio de Solución

Esquema Ventajas Desventajas

Fuentes de potencia

Motor de Combustión

Interna

Alta potencias Amplia

localización Par de giro

elevado

Baja eficiencia Requerimiento de

hidrocarburos Contaminación medio-alto ruido Alto costo

Motor Eléctrico

Alta Eficiencia No genera

contaminación Par de giro

elevado y prácticamente constante

Bajo peso y tamaño

Silencioso

Alto Costo de Mantenimiento.

Baja Potencia

Motor Hidráulico

Larga duración en condiciones de funcionamiento extremo

Piezas resistentes a la corrosión

Operación flexible a baja velocidad

Muy Baja Velocidad Alto Costo Requieren mayor

mantenimiento Fluido sensible a la

contaminación

Accionamiento Manual

No emite contaminación

Bajo Costo Bajo peso y

tamaño Silencioso

Bajo Par de Giro Baja Potencia Baja Velocidad

Sistema de alimentación

Genera empleo

Bajos costos

No necesita

Necesidad de operario

Genera riesgos

8.2.1 PRESELECCIÓN SOLUCIONES

Después de estudiar observar de manera detenida cada alternativa se realiza un paralelo entre todas ellas con en los siguientes ítems: Cumple con las especificaciones obligatorias, Cumple con las especificaciones deseables, Realizable en principio, costos permisibles, medidas de seguridad y salubridad generales y opción Preferida por los diseñadores, lo que permite descartar de manera contundente los modelos menos benéficos para el proyecto y generar claridad sobre los mecanismos más óptimos.

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Criterios Decisión(+) si (+) Posible(-) No (-) Eliminada

(?) Falta información (?) Recolectar Información(!) Verificar Especificaciones(!) Verificar Especificaciones

A B C D E F G

Zara

nda

+ - + - + - + -

Trom

mel

+ + + - + - + +

Rodi

llos

+ + + + + + + +

Prec

ipita

ción

por

grav

edad

- - + + + - + -

Mes

a de

nsim

étric

a

- - + - + - + -

Calib

ració

n m

anua

l

- - + + + - + -

Man

ual

- - + + - - + -

Realizable en principiocumple con las especificaciones deseables

cumple con las especificaciones obligatorias

Sistema simple con fácil mantenimiento y fabricación, se puede maniobrar con un solo operario y permite alcanzar

la producción deseada de almendra con cáscara seca y húmeda.

Método de solución

subfunciones

Sep

arac

ión

por

tam

año

Método demasiado lento y poco preciso por la posibilidad de error humano

costos permisibles

Sistema de gran tamaño, alto consumo de energía y buena eficiencia de separación

Método con el cuál se puede tener un procentaje alto de producto defectuoso

Método en el cual se pueden tener altas probabilidades de error de calibración y dificulta la disposición final del producto separado.Este proceso se usa mas para tamaño

de particula pequeña

Sistema útil para separar todo tipo de elementos por su peso, tamaño, densidad, pero poco aplicable para la cantidad de producción necesaria, tamaño excesivo y

costo elevado, no es común utilizarse para este tipo de aplicaciones.

medidas de seguridad y salubridad generalesPreferida por los diseñadores

Información suficienteObservaciones

Costos energéticos altos pero precisión y posibilidad de procesar la cantidad requerida por el cliente, funciona correctamente bajo las especificaciones, pero es más grande y ocupa más espacio que otros métodos, baja

eficiencia en la separacion.

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Cuch

illas

+ - + + + + - +Go

lpeo + - - + + - + -

Pres

ión

+ + + + + + + +

Mot

or d

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Mot

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Hidr

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- - + - + - + -

Accio

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l

+ - + + + - + -

Se requiere de mayor atencion en su mantenimiento.

Trabaja a velocidades bajas y seria mas compleja su instalacion para acoplar a los otros sitemas de la

maquina.

Solo podria trabajar ha muy bajas cantidades de producción.

Es una maquina que requiere de analisis experimentales y calibracion.

Es una maquina de compleja fabricación y dudosa capacidad productiva.

Es una maquina de facil fabricación.

Posee muy buena potencia, pero al requerir combustible fosil, resulta perjudicial para el medio ambiente y lo

puede ser para el operario, al igual que es mas costoso su funcionamiento.

Man

ual

- - + + - - + -

Vál

vula

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dist

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lva,

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+ + + - + + + +

Ban

da

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- + + - + - + -

Alim

enta

ción

En principio es una buena opción porque el operario podría tener un control del producto todo el tiempo y no requiere

mantenimiento, pero debido a la alta demanda requerida no es viable.

La posibilidad de que una distribución por gravedad en una tolva dosificadora permite al operario monitorear otros

parámetros de la máquina y un menor desgaste ergonómico, el mantenimiento es mínimo.

El sistema de dosificación automático requiere un sistema de control que puede ser costoso, además de demandar

mantenimiento y personal más especializado, sin embargo logra cumplir satisfactoriamente los requerimientos mínimos.

Los costos iniciales y de mantenimiento exceden los requerimientos tiene una capacidad de producción

demasiado alta para la demanda requerida.

30

8.3 MATRIZ MORFOLÓGICA

31

Alternativa 1: Con una alimentación de tolva manual, se logran bajos costos y alta capacidad de almacenamiento, además, esta no necesita energía extra y es de fácil operación, solo requiere del accionamiento por parte de un operario. Para la separación, se contaría rodillos, los cuales tiene una alta eficiencia en la separación por tamaño.Para esta alternativa, se plantea como fuente de potencia un motor a combustión interna, el cual con su alta potencia podría proveer a la energía requerida por el trommel. La consecuencia de usar un motor a combustión interna recae en el alto costo, las altas velocidades que de ser una ventaja se puede convertir en una desventaja de acuerdo al sistema de descascarado, al alto ruido y a la contaminación.

Alternativa 2: Es la alternativa con menor costo de diseño e instalación con los datos que hasta el momento se poseen, pues se compone de: Una alimentación por tolva manual, una clasificación por tamaño por rodillos, una fuente de potencia eléctrica y un sistema de descascarado por cuchillas. el sistema de rodillos puede llegar a ser muy eficiente aunque requiere seguimiento del operario, se puede considerar para diferentes tamaños de almendras se empleen varios pares de rodillos calibrados con distintos tamaños.

alternativa 3: Es igualmente económico en el montaje excepto por la opción de descascarado que con la combinación de montaje se eleva la complejidad de la máquina y por ende sus costos, pues se compone de: Una alimentación por tolva manual, una clasificación por tamaño por rodillos, una fuente de potencia eléctrica y un sistema de descascarado por rodillos a presión. Sin embargo, se requiere un constante seguimiento por parte del operario, pues el sistema de clasificación por rodillos tal vez no tenga la alta eficiencia de separación que requiera el sistema de descascarado propuesto, o que para procesar diferentes tamaños de almendras se empleen varios pares de rodillos calibrados con distintos tamaños.

Alternativa 4: El motor de combustión interna puede darle una alta potencia al sistema, aunque sería contraproducente la combinación con la tolva manual porque sería demasiado para esta aunque si se logra  con varios operarios suplir la demanda, el trommel es una excelente opción para estos altos volúmenes y el descascarado por presión también podría establecer una alta precisión a altas velocidades. pero el mantenimiento del motor de combustión interna elevaría los costos de mantenimiento y podría dejar la maquina fuera de operación por la necesidad de técnicos especializados para su reparación contra su alta tasa de falla

Alternativa 5: motor automática trommel presión La tolva automática sin necesidad de operarios es capaz de procesar y dosificar altos volúmenes

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de producción que sería consecuentes con la potencia que generaría un motor de combustión interna aunque vienen los costos asociados al mantenimiento del motor, el tromel tiene una alta capacidad de separación y además es muy precisa y el descascarado por presión soporta altas velocidades de producción sin perder significativamente la calidad.  esta opción estaría diseñada para un ambiente con personal capacitado a la mano y para producciones muy altas

Alternativa 6: El uso de una tolva automática reduce los tiempos de operación y la intervención de un operario, por lo que el aumento en el costo de instalación puede ser cubierto por la reducción en el costo diario de operación.Con esta reducción de costo, se plantea un sistema de separación con el uso de un trommel, el cual ayudaría a reducir aún más el tiempo de proceso. Para esta alternativa, se propone como fuente de potencia un motor eléctrico, el cual debería ser monofásico a 110V por limitaciones en la fuente eléctrica en el lugar de instalación.Estos motores tienen alta eficiencia y no generan contaminación aunque no ofrecen tanta potencia en relación a un motor de combustión interna, aunque es mucho más silencioso y no eleva los costos por mantenimiento.Se elige para esta propuesta un sistema de descascarado por presión, que es eficiente a altas velocidades de operación sin afectar significativamente la calidad

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8.3.1 Pre-selección alternativa final

Criterios Decisión(+) si (+) Posible(-) No (-) Eliminada

(?) Falta información (?) Recolectar

(!) Verificar Especificaciones

(!) Verificar Especificaciones

A B C D E F G H

1 + - + - - + - + -

2 + - + + - + - + -

3 + - + + - + - + -

4 + + + + + + - + +

5 + + + + + + + + +

6 + + + - - + - + -altos costos energeticos debido al metodo

de separacion, maquina robusta.

Altos costos energeticos debido a la fuente de potencia y medtodo de separacion ,

mantenimiento complejo, complejidad alta de construccion de la maquina

Realizable en principiocumple con las especificaciones deseables

cumple con las especificaciones obligatorias

Altos costos energeticos debido a la fuente de potencia y , mantenimiento complejo.

buena eficiencia en el funcionamiento , facil mantenimiento y ensamblaje , costos

bajos de fabricacion .

Alta eficiencia en el funcionamiento , facil mantenimiento y ensamblaje , costos

moderados de fabricacion .

costos permisibles

medidas de seguridad y salubridad generales

Información suficienteObservaciones

Preferida por los diseñadoresAlte

rnati

vas

de S

oluc

ion

Facil ensamble

Altos costos energeticos debido a la fuente de potencia y medtodo de separacion , mantenimiento complejo, metodo de

separacion muy complejo y robusto ,altos costos de fabricacion y funcionamiento

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8.3.2 Selección alternativa finalCriterios de selección de alternativas

Costos de fabricación: la piezas del sistema deben ser comerciales o de fácil fabricación bajando los costos de adquisición de estos elemento

Dimensiones adecuadas: el sistema debe ser del tamaño adecuado para no utilizar maquinaria pesada en su transporte.

Facilidad de mantenimiento: no necesitar mano de obra y herramientas especializadas, de fácil ensamblaje para el cambio de piezas.

Eficiencia del procesos de descascarado: tener alta eficiencia en la separación de la cascara y la semilla para obtener la almendra entera como producto final.

Obtención del producto entero: se refiere a la capacidad de la máquina para obtener el producto entero para darle el fin para el cual seta disponiendo la almendra.

Se considerar una escala de 1 a 5 donde se considera 1 como la peor calificación y 5 como la mejor calificación; se le dará un porcentaje acá uno de los criterios de selección según la importancia en el proceso que se llevara a cabo con cada una de las alternativas, estos porcentajes sumaran un total 100%; dando como la elección más adecuada la que obtenga el puntaje más alto en este procedimiento.

Para esta decisión se definieron anteriormente los criterios que se tendrán en cuenta en la selección e construirá una tabla donde se muestre claramente las decisión y los puntajes obtenidos por cada una de las alternativas a evaluar.

Alternativa 2 Alternativa 3Criterios de selección Porcentaje Puntaje totale

sPuntaje totales

Costos de fabricación 15% 3 0.45 4 0.60Dimensiones adecuadas 10% 4 0.40 4 0.40Facilidad de mantenimiento 25% 5 1.25 5 1.25Eficiencia del procesos de descascarado

25% 4 1.00 3 0.75

Obtención del producto entero

25% 4 1.00 3 0.75

Totales 100% 4.10 3.75

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Del método anteriormente descrito los resultados obtenidos fueron a favor de la alternativa 2 pues tiene más capacidad de obtener el producto entero (semilla) y asegura un desprendimiento más eficiente entre la cascara y la semilla.

8.3.3 Descripción alternativa seleccionada

La alternativa seleccionada cuenta con un sistema de alimentación de una tolva manual, una fuente de potencia, la cual es un motor eléctrico, un método de separación o selección de almendras por rodillos alineados y con una conicidad adecuada para seleccionar almendras con diámetro de cáscara entre 1.3 y 1.8 cm, medidas en las cuales está estimada la “almendra criolla” que vamos a trabajar, posteriormente están ubicadas debajo de estos rodillos, unas cuchillas con una separación específica para cada tamaño de almendra que pasará por las diferentes secciones de los cilindros.

El sistema cumple a cabalidad los requerimientos del cliente, con una optimización adecuada del espacio y costos. En el estado del arte descubrimos que sistemas similares lograban a cabalidad producciones iguales o incluso mayores que las requeridas (230 Kg/h), se cumplió además con el requerimiento de una fuente de potencia que funcionara en condiciones comunes (motor de 2 hp funcionando a 110V), podemos asegurar según la investigación previa y los sistemas similares, una eficiencia del 95% o superior, pues el método de selección utilizado asegura que las almendras pasen por cada lugar específico y que con esto, no se desperdicien ni se dañe la almendra, obteniendo semillas enteras. Finalmente, para el sistema solo es necesario tener un operario encargado de retirar y cambiar los recipientes del sistema de almacenaje (almendras listas) y la alimentación del sistema (almendras a descascarar), por lo que además no tiene ningún riesgo pues no está en contacto directo con las partes “peligrosas” del sistema. El mecanismo puede volverse automático con un sistema de control muy sencillo, convirtiéndose en un sistema autónomo y eficiente principalmente para altas producciones.

CONCLUSIONES

El papel de la ingeniería en la sociedad actual trasciende más allá de la responsabilidad de hacer rentables y competitivos los procesos que se llevan a cabo dentro de la industria. El hecho de que esa industria pueda crecer y sea exitosa representa también oportunidades de éxito para las

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personas de la comunidad cercana a ella, es por ello que el ingeniero debe poner su conocimiento al servicio de la comunidad, gestionando y fortaleciendo proyectos que inicialmente son rechazados por el sentido común y se vuelven posibles a través del análisis técnico y el trabajo ingenieril. Existe bastante de eso en lo sucedido durante el periodo de trabajo de este proyecto, el análisis metódico y el método de ingeniería siempre conllevan a soluciones primeramente inadvertidas y ocasionalmente, si se tiene suerte, muy simples.

La descascaradora de almendras inicialmente rechazada como proyecto localizable en Colombia bajo las condiciones planteadas en clase ha tomado forma y ha cumplido con todos los objetivos propuestos inicialmente con miras a que la maquina fuese rentable y fácil de operar, todo esto como el resultado de los procedimientos de calificación por puntos y metodologías discutidas en clase, el método ha sido aplicado y rendido sus frutos.

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