PROYECTO DE GRADO OPTIMIZACIÓN DE LA SEPARACIÓN ...

PROYECTO DE GRADO

OPTIMIZACIÓN DE LA SEPARACIÓN HIDROCICLÓNICA DE LA SUSPENSIÓN DE FIBRAS Y ALMIDÓN DE ACHIRA

Gabriel Felipe Rojas Flechas Correo: [email protected]

Código: 200712879

PROYECTO DE GRADO PARA OPTAR AL TÍTULO DE PREGRADO EN INGENIERÍA MECÁNICA

ASESOR: Orlando Porras Dr.Sc, Profesor Asociado

UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA BOGOTÁ, DICIEMBRE 2013

TABLA CONTENIDO LISTA DE FIGURAS ....................................................................................................................................................... 4

LISTA DE TABLAS ......................................................................................................................................................... 7

LISTA DE GRÁFICAS .................................................................................................................................................... 7

1.INTRODUCCIÓN ......................................................................................................................................................... 9

2.MARCO TEÓRICO ................................................................................................................................................... 11

2.1Producción de almidón de achira – Sagú (Canna edulis) ............................................................... 11

2.2 proceso ............................................................................................................................................................... 12

2.2.1 Recolección de rizomas ...................................................................................................................... 13

2.2.2 Pre lavado –Limpieza superficial .................................................................................................... 13

2.2.3 Rallado ....................................................................................................................................................... 13

2.2.4 Tamizado – Separación de almidón ............................................................................................... 13

2.2.5 Lavado del almidón .............................................................................................................................. 13

2.2.6 Secado ........................................................................................................................................................ 14

2.3 HIDROCICLÓNES ............................................................................................................................................ 14

2.3.1 Principios de funcionamiento del hidrociclón .......................................................................... 15

2.3.2 Consideraciones de diseño ................................................................................................................ 17

2.3.3 Ventajas de los hidrociclón ............................................................................................................... 17

2.3.4 Parámetros de diseño .......................................................................................................................... 17

2.3.4.1 Eficiencia total .................................................................................................................................... 17

2.3.4.2 Grado de eficiencia gravimétrico ................................................................................................ 18

2.3.4.3 Tamaño de corte ............................................................................................................................... 19

2.4 Dimensionamiento del hidrociclón con base en un análisis adimensional ........................... 19

3. MÉTODO ................................................................................................................................................................... 22

3.1 Validación del sistema fotovoltaico ....................................................................................................... 22

3.2 Cantidad de material para procesar ..................................................................................................... 22

3.3 Propiedades de rizoma de achira............................................................................................................ 22

3.3.1 Colección de material .......................................................................................................................... 22

3.3.2 Secado ........................................................................................................................................................ 23

3.3.3 Molienda de materia seca .................................................................................................................. 23

3.3.4 Microscopía óptica ................................................................................................................................ 23

3.3.5 Microscopía estereoscópica ............................................................................................................. 23

3.3.6 Densidad del almidón y de fibras ................................................................................................... 24

3.4 Correlaciones adimensionales ................................................................................................................ 25

3.5 Pruebas desarrolladas en el laboratorio .............................................................................................. 26

3.5.1 Limpieza del sistema ........................................................................................................................... 26

3.5.2 Preparación de la suspensión .......................................................................................................... 26

3.5.3 Elementos para pruebas con la suspensión ............................................................................... 28

3.5.4Pruebas con la suspensión en el laboratorio .............................................................................. 30

3.6 Adición de la batería al banco de baterías ........................................................................................... 30

3.7 Pruebas desarrolladas en campo ............................................................................................................ 31

3.7.1impieza del sistema ............................................................................................................................... 31

3.7.2 Preparación de la suspensión .......................................................................................................... 31

3.7.2.1 Elementos para pruebas con la suspensión ........................................................................... 33

3.7.3 Pruebas con la suspensión en campo ........................................................................................... 34

3.8 Prueba sólidos sedimentables .................................................................................................................. 34

4. RESULTADOS .......................................................................................................................................................... 35

4.1 Validación adición batería a sistema fotovoltaico ........................................................................... 35

4.1.1 Cálculos operacionales del sistema foto voltaico Instalado ................................................ 35

4.1.2 Descarga de banco de baterías ........................................................................................................ 35

4.1.3 Caudal de la bomba .............................................................................................................................. 36

4.2 Cálculo de materia prima ........................................................................................................................... 37

4.2.1 Almacenamiento de rizomas ............................................................................................................ 37

4.2.1 Propiedades de la achira Canna edulis ker .................................................................................. 37

4.2.2 Cálculo de tiempo de procesamiento de material ................................................................... 40

4.3 Parámetros del rizoma de achira ............................................................................................................ 40

4.3.1 Molienda de materia seca .................................................................................................................. 40

4.3.2 Tamaño de las fibras ........................................................................................................................... 45

4.3.3 Tamaño de los gránulos de almidón ............................................................................................ 48

4.3.4 Densidad de las fibras ........................................................................................................................ 49

4.4 Selección y gráficas de diseño del hidrociclón ................................................................................. 49

4.5 Pruebas con hidrociclón en laboratorio ............................................................................................... 52

4.5.1 Pruebas con la suspensión ................................................................................................................ 52

4.5.2 Pruebas con la suspensión ................................................................................................................ 53

4.6 Inspección visual de las partículas ........................................................................................................ 55

4.6.1 Partículas pruebas en el laboratorio ............................................................................................. 55

4.6.2 muestras obtenidas de las pruebas en campo ....................................................................... 62

4.7 Condiciones de operación de las pruebas simulado en Engineering Equation Solver

(EES) ........................................................................................................................................................................... 68

5. DISCUSIÓN ............................................................................................................................................................... 70

6.CONCLUSIONES Y PERSPECTIVAS .................................................................................................................. 74

7.REFERENCIAS BIBLIOGRAFÍCAS ..................................................................................................................... 75

ANEXOS ........................................................................................................................................................................... 78

LISTA DE FIGURAS Figura 1 Proceso de obtención de almidón ................................................................................... 12

Figura 2 Esquema de un Hidrociclón típico [12] ......................................................................... 14

Figura 3 Distribución de velocidad tangencial [12] ................................................................... 15

Figura 4 Distribución de velocidad radial [12] ............................................................................ 16

Figura 5 Distribución de velocidad vertical [12] ......................................................................... 16

Figura 6 Curva característica de grado de eficiencia [1][12].................................................. 18

Figura 7 Relaciones geométricas de los dos tipos de hidrociclón [12] ............................... 20

Figura 8 Balanza Sartorious ED2245 y picnómetro de 49.634 centímetros cúbicos .... 24

Figura 9 Sistema de ecuaciones de correlaciones adimensionales ..................................... 25

Figura 10 Montaje de sistema de separación ciclónica en el laboratorio .......................... 26

Figura 11Rizoma de Sagú seco y molido ........................................................................................ 27

Figura 12 Material seco justo antes de ser mezclado ................................................................ 27

Figura 13 Material seco mezclado con agua. Suspensión fibras- almidón ....................... 27

Figura 14 Diagrama del montaje de separación. 1. Hidrociclón. 2. Reservorio principal. 3. Reservorio de salida inferior. 4. Reservorio salida superior. 5. Bomba. 6,7,8 y 9 Válvulas. 10. Medidor de presión [3] ............................................................................................... 28

Figura 15 Recipientes de muestras de laboratorio..................................................................... 28

Figura 16 Medidor de presión diferencial COMARK c9555 , rango 0-30PSI, máxima presión de sobrecarga 90 PSI ............................................................................................................. 29

Figura 17 Recipiente para toma de muestras ............................................................................... 29

Figura 18. A. Jaula de seguridad con aislante de la parte inferior. B. Aislamiento entre poste de paneles y la jaula de seguridad de la batería. C. Batería Powersafe 12v Ubicada en campo. ................................................................................................................................... 30

Figura 19 Montaje de sistema separación ciclónica en campo ............................................. 31

Figura 20 Sagú cosechado para pruebas en sitio ....................................................................... 31

Figura 21 A. Encendido del motor del rallador. B. Ensamble tolva de admisión del rizoma Introducción del rizoma en el rallador. D. Rallado del rizoma. ............................. 32

Figura 22 Sagú rallado. .......................................................................................................................... 32

Figura 23 Separación de partículas que pueden generar daños en la bomba Lorentz . 33

Figura 24 Retiro de filtro de bomba(izq) y recipientes para muestras(der). ................. 33

Figura 25 Tabla de propiedades del Sagú [27] ............................................................................. 38

Figura 26 Tabla de propiedades reológicas del sagú [27] ....................................................... 38

Figura 27 Tabla de composición del rizoma [24] ....................................................................... 39

Figura 28 Tanque instalado en Pasca capacidad de 250 litros .............................................. 39

Figura 29 Material tamizado y tolvas de tamizado ..................................................................... 41

Figura 30 Material seco tamaño superior a 2 milímetros.(63X ). Procesado en tamiz ASTM E11. Equipo de inspección visual: microscopio estereoscópico OLYMPUS SZX9. ......................................................................................................................................................................... 41

Figura 31Material seco entre 2 milímetros y 6oo micrones (63X). Procesado en tamiz ASTM E11. Equipo de inspección visual: microscopio estereoscópico OLYMPUS SZX9. ......................................................................................................................................................................... 42

Figura 32 Material seco entre 600 micrones y 250 micrones (63X) . Procesado en tamiz ASTM E11. Equipo de inspección visual: microscopio estereoscópico OLYMPUS SZX9............................................................................................................................................................... 42

Figura 33 Material seco entre 250 micrones y 90 micrones (100X) . Procesado en tamiz ASTM E11. Equipo de inspección visual: microscopio estereoscópico OLYMPUS SZX9............................................................................................................................................................... 43

Figura 34 Material seco entre 90 micrones y 45 micrones. (160X). Procesado en tamiz ASTM E11. Equipo de inspección visual: microscopio estereoscópico OLYMPUS SZX9. ......................................................................................................................................................................... 43

Figura 35 Material seco inferior a 45 micrones. (160X). Procesado en tamiz ASTM E11. Equipo de inspección visual: microscopio estereoscópico OLYMPUS SZX9. ................... 44

Figura 36 A. Detalle de corte transversal del rizoma de achira (63X). B. Detalle de sección de fibras de rizoma de achira (63X). Equipo de inspección visual: microscopio estereoscópico OLYMPUS SZX9. ......................................................................................................... 45

Figura 37 A. Sección de fibras del rizoma de achira. (63X) B. Sección de fibras y detalle de corte longitudinal de cascara del rizoma de achira (63X). Equipo de inspección visual: microscopio estereoscópico OLYMPUS SZX9 ................................................................. 45

Figura 38 A. Presencia de almidón en el rizoma de achira corte transversal.(100X) B. Presencia de almidón en el rizoma de achira corte longitudinal. (100X). Equipo de inspección visual: microscopio estereoscópico OLYMPUS SZX9 .......................................... 46

Figura 39 A. Fibra de rizoma de achira.(100X). B. Ramificación de fibra de rizoma de achira.(100X). C. Acumulación de gránulos de almidón entre las fibras.(100X). Equipo de inspección visual: microscopio estereoscópico OLYMPUS SZX9 .................................... 47

Figura 40 Corte transversal (der) (100X), corte longitudinal (izq) (100X) del rizoma de achira mostrando el tamaño de los gránulos de almidón. Equipo de inspección visual: microscopio Olympus Bx 51M . ............................................................................................ 48 Figura 41 Tamaño de gránulos de almidón de achira(izq)y (der) (400X). Equipo de inspección visual: microscopio Olympus Bx 51M ....................................................................... 48

Figura 42 Resultados de separación ciclónica de suspensión en laboratorio .................. 52

Figura 43 Muestras secas de partículas de las pruebas de laboratorio A. Muestra de flujo inferior prueba no. 0 B. Muestra de flujo superior prueba no. 0 C. Muestra de flujo inferior prueba no. 1 D. Muestra del flujo superior prueba no. 1 E. Muestra de flujo inferior prueba no. 2 F. Muestra de flujo superior prueba no. 2. Equipo de inspección visual: cámara convencional. ........................................................................................ 55

Figura 44 Muestra seca de flujo inferior prueba no. 0 A. Aglomeración de gránulos de almidón con presencia de fibras (63X). B. Aglomeración de gránulos de almidón (63X). C. Detalle de aglomeración de gránulos de almidón (320X). Equipo de inspección visual: microscopio estereoscópico OLYMPUS SZX9 .......................................... 56

Figura 45 Muestra de flujo superior prueba no. 0 A. Gránulos de almidón (63X). B. Aglomeraciones de gránulos de almidón con presencia de fibras (63X). C. Detalle gránulos de almidón (320X). Equipo de inspección visual: microscopio estereoscópico OLYMPUS SZX9 ......................................................................................................................................... 57

Figura 46 Muestra de flujo inferior prueba no. 1 A. Aglomeración de gránulos de almidón (63X). B. Aglomeración de gránulos de almidón, gránulos de almidón y fibras (63X). C. Detalle de gránulos de almidón y presencia de fibras (320X). Equipo de inspección visual: microscopio estereoscópico OLYMPUS SZX9 .......................................... 58

Figura 47 Muestra de flujo superior prueba no. 1 A. Aglomeración de gránulos de almidón (63X) B. Gránulos de almidón con presencia de fibras (80X). C. Detalle de gránulos de almidón adheridos a fibras (400X). Equipo de inspección visual: microscopio estereoscópico OLYMPUS SZX9 ............................................................................... 59

Figura 48 Muestra de flujo inferior prueba no. 2 A. Aglomeración de gránulos de almidón con presencia de fibras (63X). B. Gránulos de almidón y fibras de rizoma de achira (63X). C. Detalle de aglomeración de gránulos de almidón (320X). Equipo de inspección visual: microscopio estereoscópico OLYMPUS SZX9 .......................................... 60

Figura 49 Muestra de flujo superior prueba no. 2 A. Gránulos de almidón (63X) B. Gránulos de almidón y fibras de rizoma de achira (63X). C. Detalle de aglomeración de gránulos de almidón (400X). . Equipo de inspección visual: microscopio estereoscópico OLYMPUS SZX9 .......................................................................................................... 61

Figura 50 Muestras secas de partículas de pruebas en campo A. Muestra flujo inferior prueba no. 0 B. Muestra flujo superior prueba no. 0 C. Muestra flujo inferior prueba no. 1 D. Muestra flujo superior prueba no. 1 E. Muestra flujo Inferior prueba no. 2 F. Muestra flujo Superior prueba no. 2 Equipo de inspección visual: cámara convencional. ............................................................................................................................................. 62

Figura 51 Muestra flujo inferior prueba no. 0 A. Gránulos de almidón adheridos a fibras (63X). B. Detalle de gránulos de almidón adheridos a fibras (320X). C. Aglomeración de gránulos de almidón con presencia de impurezas (63X). D. Detalle de aglomeración de gránulos de almidón (400X). . Equipo de inspección visual: microscopio estereoscópico OLYMPUS SZX9 ............................................................................... 63

Figura 52 Muestra flujo inferior prueba no. 1 A. Fibras de almidón de achira con gránulos de almidón adheridos (63X). B. Detalle de gránulos de almidón adherido a fibras (80X). C. Detalle de aglomeración de gránulos de almidón (320X). D. Aglomeración de gránulos de almidón (63X). . Equipo de inspección visual: microscopio estereoscópico OLYMPUS SZX9 ............................................................................... 65

Figura 53 Muestra flujo superior prueba no. 1 A. Fibras de rizoma de achira (63X). B. Detalle de fibras de rizoma de achira y gránulos de almidón (80X). C. Aglomeración de gránulos de almidón (80X). D. Detalle de gránulos de almidón (320X). Equipo de inspección visual: microscopio estereoscópico OLYMPUS SZX9 .......................................... 66

Figura 54 Muestra flujo inferior prueba no. 2 A. Detalle de fibras de rizoma de achira y gránulos de almidón adheridos a fibras (63X). B. Fibras de rizoma de achira (63X). C. Aglomeración de gránulos de almidón (63X). D. Detalle de gránulos de almidón e impurezas (320X). Equipo de inspección visual: microscopio estereoscópico OLYMPUS SZX9 .............................................................................................................................................................. 67

Figura 55 Muestra flujo superior prueba no. 2 A. Fibras de rizoma de achira (63X). B. Fibras y cáscara de rizoma de achira (63X). C. Aglomeración de gránulos de almidón (320X). D. Detalla de aglomeración de gránulos de almidón y fibras de rizoma (320X). . Equipo de inspección visual: microscopio estereoscópico OLYMPUS SZX9 ..................... 68

LISTA DE TABLAS Tabla 1 Cálculos de masa de rizoma rallado húmedo requerido para prueba ............... 40

Tabla 2 Medidas de densidad de las fibras .................................................................................... 49

Tabla 3 Resultados de solidos sedimentables ............................................................................. 53

Tabla 4 Concentraciones de partículas con base en relación de alturas ............................ 54

Tabla 5 Solido sedimentables en campo. ........................................................................................ 54

LISTA DE GRÁFICAS Gráfica 1 Descarga de potencia vs hora de bancos de baterías.............................................. 35

Gráfica 2 Caudal vs potencia de entrada de bomba Lorentz PS600 CS 15 1 ..................... 36

Gráfica 3 Caudal Vs tiempo de trabajo bomba Lorentz PS600 CS 15 1.............................. 37

Gráfica 4 Comparación de retención de partículas de tamaño de molienda en campo y laboratorio .................................................................................................................................................. 44

Gráfica 5 Longitud de fibras procesadas en campo Vs fibras procesadas en el laboratorio .................................................................................................................................................. 47

Gráfica 6 Condiciones de operación para caudal del ciclón 6 cm diámetro-separación de fibras ....................................................................................................................................................... 50

Gráfica 7 Condiciones de operación para Presión (Pa) del ciclón 6 cm diámetro-Separación de fibras ............................................................................................................................... 50

Gráfica 8 Condiciones de operación para caudal del ciclón 5,6 cm diámetro-separación de Fibras ............................................................................................................................... 51

Gráfica 9 Condiciones de operación para Presión (Pa) del ciclón 5,6 cm diámetro-Separación de fibras ............................................................................................................................... 51

Gráfica 10 Punto de operación real de pruebas desarrolladas en el laboratorio. .......... 69

Gráfica 11 Punto de operación real de pruebas desarrolladas en campo. ........................ 69

1.INTRODUCCIÓN La Universidad de los Andes ha venido realizado una serie de investigaciones con el fin de adelantar un proyecto que pretende mejorar y desarrollar tecnologías para un grupo de productores de almidón de achira o sagú del municipio de Pasca, Cundinamarca. La finalidad de este proyecto es optimizar el proceso para aumentar la productividad, mejorar la calidad del producto y aumentar los ingresos de esta comunidad agroindustrial. [2] El proceso de extracción del almidón de achira se puede caracterizar o describir en siete etapas (recolección de rizomas, prelavado, rallado, tamizado, blanqueamiento, secado y colección de almidón). En el blanqueamiento o lavado, se realiza la separación del almidón de los elementos considerados como residuos o impurezas, por medio de la sedimentación la cual genera un alto consumo de recurso hídrico y de tiempo, tiempo que podría emplearse en otro tipo de actividades, lo que lleva a una ineficiencia en el proceso. [2][1] En un estudio previo el cual fue desarrollado por el ingeniero Nicolás Cerquera se realizó un montaje del un hidrociclón con el fin de reducir el tiempo y consumo de agua. El resultado fue positivo, sin embargo los resultados mostraron que la separación del almidón no era muy eficiente. Otro estudio es el del ingeniero Pablo Buriticá en donde al igual que el estudio del ingeniero Cerquera se implementó un hidrociclón para mejorar la separación del almidón, este ultimo tuvo una variación importante en donde por medio del programa OPEN se implementó un sistema fotovoltaico el cual alimenta una bomba Lorentz que a su vez alimenta el hidrociclón; Este punto es importante ya que gran parte de los agricultores se encuentran en lugares apartados donde la electricidad es limitada o en el peor de los casos no hay. El resultado obtenido fue bueno en cuanto a la separación pero hubo problemas con el sistema fotovoltaico en donde por falta de conocimiento por parte del proveedor no se pudo mantener la condición de operación deseada. Adicionalmente durante este proyecto se evidenció que mucho del almidón se desecha con las fibras durante el proceso de tamizado, almidón el cual se podría comercializar y generar ganancias para los agricultores. Siendo así lo que se pretende con el desarrollo de este proyecto es optimizar las soluciones ya propuestas e implementadas en estudios previamente desarrollados, tal como puesta a punto del sistema de separación hidrociclónica con alimentación fotovoltaica el cual ya está instalado en Pasca, Cundinamarca. Por otro lado, también se pretende evaluar la capacidad del hidrociclón para separar la mezcla en suspensión acuosa de fibras y almidón con el fin de disminuir considerablemente la cantidad de desechos generados durante la etapa de tamizado del proceso actual, que puede ser gránulos de almidón.

Los objetivos para el proyecto son: 1. Caracterización de solución acuosa compuesta por fibras y almidón 2. Evaluar la capacidad del hidrociclón para separar una suspensión acuosa compuesta de fibras y almidón. 3. Puesta a punto del sistema de separación hidrociclónica con alimentación fotovoltaica localizado en Pasca. Este documento se estructura en seis capítulos. El primer capítulo corresponde a información relacionada a la producción del almidón y sus características relevantes. El segundo capítulo es el marco teórico en donde se da información más específica sobre el almidón de achira e información relevante sobre hidrociclónes. El tercer capítulo es el método en donde es explica el procedimiento para el desarrollo de las pruebas. En el cuarto capítulo se ilustran los resultados obtenidos durante la experimentación. En el quinto capítulo se realiza la discusión sobre los resultados obtenidos en el capítulo cuarto y por último el capitulo sexto en el cual se presentan las conclusiones del proyecto.

2.MARCO TEÓRICO

2.1Producción de almidón de achira – Sagú (Canna edulis) La achira – Canna edulis- es una planta originaria de la zona Andina que se usa en

Colombia para la extracción del almidón de sus rizomas. El almidón extraído es

utilizado para la producción de bizcochuelos, colada, almojábana, pan de sagú y

bizcochos de achira.

En Colombia el cultivo de la achira y la obtención almidón son actividades de gran

importancia para el oriente de Cundinamarca, sur de Huila, y para algunos municipios

de Nariño, Cauca y Tolima. Con base a los resultados de un estudio desarrollado por

CORPOICA con ayuda de ONUDI en donde en la producción de almidón hacen parte

1169 productores los cuales generan cerca de 1400 toneladas anuales de almidón,

producción la cual llega a estar valorada en 2146 millones de pesos. Ya en cuanto a la

producción del bizcocho de achira hay poco más de 266 empresas que generan 2537

empleos permanentes y estos producen cerca de 1900 toneladas de bizcochos que

son valoradas en 32325 millones de pesos. [10]

En Colombia tanto el cultivo como la extracción del almidón son actividades

primordiales para la economía de regiones de Cundinamarca y el sur del Huila pero

actualmente tiene una baja tecnificación por lo tanto la producción y la obtención del

almidón se basa en conocimientos empíricos o artesanales.

2.2 proceso

Figura 1 Proceso de obtención de almidón

[2]

2.2.1 Recolección de rizomas Tras el cultivo de la achira la recolección se realiza a los 10 meses. La recolección del rizoma se realiza en época de verano debido a una mayor almacenamiento de almidón en comparación con la cantidad que se puede obtener en época de invierno; por tanto se programan las siembras para que la colecta sea programada. El proceso de recolección empieza por el corte de tallos y el corte de las hojas, luego de esto se extraen los rizomas de la tierra y se le retiran las raíces y otros elementos por medio de un lavado previo. [10]

2.2.2 Pre lavado –Limpieza superficial En la limpieza superficial se retira la tierra que queda adherida tras la extracción del rizoma por medio de agua.

2.2.3 Rallado Con el fin de obtener el almidón del rizoma se realiza el rallado que muele los rizomas generando una papilla, esta molienda-rallado es realizada con un rodillo metálico perforado el cual es soportado por una estructura de madera impulsada por un motor alimentado por gasolina. [10]

2.2.4 Tamizado – Separación de almidón Tras obtener la papilla, la cual está compuesta de material vegetal, fibra, raíces y almidón, se realiza el tamizado. El tamizado se basa en un filtrado por medio de tamices compuesto por telas de diferente entre mallado, empezando desde el más burdo hasta uno fino. El material es empujado contra el tamiz usando como medio líquido agua, con el fin que las partículas del almidón sean separadas de las fibras y otros elementos. Cabe decir que partículas de tierra y otras impurezas se puede colar en el proceso. El material de residuo es conocido como afrecho el cual se usa como suplemento alimenticio para ganado.

2.2.5 Lavado del almidón La importancia del lavado recae en obtener el almidón libre de la mayoría de las impurezas, estas se deben retirar puesto que esto va a influir en el aspecto visual y sino se retira gran cantidad de impurezas pueden afectar su procesamiento para el consumo. El proceso de lavado se desarrolla por medio de contenedor (batea) largo y profundo con el fin de decantar el material que se extiende sobre el fondo del recipiente. Este proceso dura aproximadamente 60 minutos; Al momento que pasa el tiempo se retira el agua que contiene impurezas, esta agua es considerada desecho. El proceso se realiza entre 6 y 7 veces con el fin de obtener el almidón más blanco posible, el cual es considerado de mejor calidad .

2.2.6 Secado Luego de tener el producto lo más blanco posible se extiende sobre un plástico que cubre gran área para que el sol reduzca la cantidad de humedad que contiene el almidón. Según la norma Técnica Colombiana NTC 3228 establece un porcentaje máximo de humedad del 20% en masa [11], por tanto este proceso dura aproximadamente entre 3 a 4 días en un secador solar y aproximadamente 8 días cuando se extiende sobre una poli sombra, además por condiciones higiénicas el proceso actualmente se realiza en secadores solares desarrollados en proyectos de grado previos. El último paso es un segundo tamizado en donde el material seco se cierne para darle la textura final de polvo, luego de esto se empaca y se comercializa.

2.3 HIDROCICLÓNES Los ciclones tienen un amplio campo de utilidad pues son usados para aplicaciones tales como limpieza de gases, quemado, aspersión, atomizado y clasificación de polvos, entre otras. El caso más común de uso de los ciclones es en la separación de sólidos de líquidos donde se les denomina hidrociclónes o ciclones hidráulicos. Los hidrociclónes se basan en la sedimentación por medio de las aceleraciones centrípetas. Lo más importante a resaltar es que lo hidrociclónes son dispositivos de separación que se pueden encontrar en pequeños tamaños, donde se les denomina pieza por tanto no tienen ninguna parte móvil. El ciclón en su forma convencional o estándar está compuesto por una sección cilíndrica que está unida a una sección cónica y además tiene una sección tubular que es la entrada de la suspensión.

Figura 2 Esquema de un Hidrociclón típico [12]

La suspensión, introducida tangencialmente por la sección circular ubicada en la parte superior del ciclón, se desplaza hacia abajo formando un vórtice. La mayor parte del fluido luego se dirige hacia la salida superior formando otro vórtice con sentido de rotación contrario al anterior. Las partículas más densas no soportan la aceleración centrípeta a la que se somete la suspensión y golpean las paredes laterales cayendo por gravedad hacia la salida inferior donde se concentran.

2.3.1 Principios de funcionamiento del hidrociclón La velocidad de flujo en cualquier punto dentro del hidrociclón se puede expresar en tres componentes: velocidad tangencial, velocidad radial y la velocidad axial. El componente tangencial se caracteriza por presentar un aumento en los radios pequeños y luego cae cuando el radio aumenta como se puede ver en la figura 3.

Figura 3 Distribución de velocidad tangencial [12]

El componente radial presenta la menor magnitud de las tres componentes (figura 4).

Figura 4 Distribución de velocidad radial [12]

El componente axial presenta magnitudes altas en el contorno cónico del ciclón. En la distribución de la velocidad existe un alto flujo vertical el cual es importante para la separación ciclónica puesto que retira las partículas separadas hacia la parte inferior del ciclón (figura 5).

Figura 5 Distribución de velocidad vertical [12]

En cuanto al movimiento de una partícula en cualquier punto dentro del flujo del hidrociclón está expuesta a dos campos de fuerza: uno por campo de aceleración externo como la aceleración de la gravedad y la aceleración centrípeta, el otro campo corresponde a fuerzas de arrastre a las que expuesta las partículas por el flujo. [3] La fuerza centrípeta presenta un movimiento opuesto del movimiento del fluido hacia el interior y actúa en dirección radial, entonces, si se tiene una fuerza centrípeta mayor a la fuerza de arrastre, la partícula se desplazará hacia las paredes del

hidrociclón. El comportamiento de las fuerzas de arrastre y centrípetas influyen directamente en la eficiencia y el desempeño del hidrociclón [12][1].

2.3.2 Consideraciones de diseño La geometría de hidrociclón es el punto más importante para realizar una separación de partículas eficientemente. Si las dimensiones del hidrociclón son pequeñas la capacidad del mismo va a separar partículas más pequeñas y de menor densidad. Las dimensiones o geometría del hidrociclón se pueden determinar con base en el tamaño de partícula que se quiere separar. Las variables que más influyen en la operación del hidrociclón son la caída de presión y la concentración de sólidos de la suspensión. La eficiencia de separación crece con el aumento del caudal debido a que aumenta las aceleraciones centrípetas dentro del dispositivo. Por el lado de la concentración de los sólidos si está es alta se pueden presentar aglomeraciones de material o la suspensión puede tener un comportamiento viscoso y así la separación del mismo se volverá más compleja y requerirá más potencia. Los diámetros de los hidrociclónes pueden variar desde 1 pulgada hasta 60 pulgadas , con tamaños de corte que van desde los 5.2 hasta los 250 micrómetros respectivamente. El porcentaje de recuperación de los sólidos por la parte inferior depende del tamaño y diseño del ciclón como también de las condiciones de operación. Con el fin de mejorar el proceso de recuperación de los sólidos se suele incorporar un sistema de varios hidrociclones ya sea en serie o en paralelo.[1][2][12]

2.3.3 Ventajas de los hidrociclón Las ventajas del hidrociclón son:

Diferentes aplicaciones tales como separación de sólidos, clarificación y limpieza de partículas.

El hidrociclón es un elemento de bajo costo, geometría sencilla, bajo consumo de energía y fácil de transportar.

El hidrociclon no requiere mucho mantenimiento en comparación a otros sistemas de separación.

Elementos de fácil manipulación.

2.3.4 Parámetros de diseño

2.3.4.1 Eficiencia total La eficiencia del hidrociclón Et se puede definir como el cociente entre la masa de entrada del sólido y del liquido m total y la masa que se separa o masa que sale por la parte inferior del hidrociclón m salida (ecuación 1).

Ecuación 1

2.3.4.2 Grado de eficiencia gravimétrico El uso de la eficiencia de la ecuación 1 presenta problemas puesto que depende de la distribución del tamaño de partícula en la suspensión. La eficiencia es hallada para cada tamaño de partícula, por tanto esta eficiencia da un valor para un tamaño específico y no se considera que en la suspensión pueda haber diferentes tamaños. Siendo así se tiene el grado de eficiencia gravimétrico G(x) que es independiente del tamaño de los sólidos contrario que pasa con la eficiencia previamente enunciada. El grado de eficiencia permite analizar el comportamiento independiente del tamaño del solido presente y este tiene un carácter probabilístico debido a que cada partícula presenta un comportamiento diferente dentro del flujo del hidrociclón.[2] [12]

Figura 6 Curva característica de grado de eficiencia [1][12]

La curva de grado de eficiencia se determina por medio de la ecuación 2

Ecuación 2 Donde Et es la eficiencia total F(x) Frecuencia de distribución de tamaño de las partículas en la entrada de hidrociclón. Basándose en datos experimentales y la geometría definida del hidrociclón en Castihlo

&Medronho se determinó el grado de eficiencia que está relacionado al tamaño de partícula , en donde x es el tamaño de partícula, x50 corresponde al tamaño promedio en la distribución de partículas y m es una constante[13].

( (

)

)

Ecuación 3

2.3.4.3 Tamaño de corte El tamaño de corte o diámetro de Stokes es el diámetro con el cual se diseña el hidrociclón. Además este corresponde al 50% de probabilidades de separación de partículas en donde este caso es un punto de referencia; este valor se puede determinar por medio de una distribución de tamaño de partículas y se puede escoger un valor mayor o menor al previamente enunciado. Según el estudio desarrollado por Rietema para obtener un diseño optimo de un ciclón se debe de seleccionar el diámetro de corte o X50 lo más pequeño posible teniendo en cuenta la manufactura del ciclón. [20]

2.4 Dimensionamiento del hidrociclón con base en un análisis adimensional El dimensionamiento de la geometría del hidrociclón está basado en teorías de separación y análisis dimensional que se expresan como correlaciones adimensionales; las constantes presentes fueron encontradas empíricamente. Basándose en condiciones de caudal, caída de presión y concentración de sólidos se puede describir el comportamiento del hidrociclón mediante las ecuaciones 4 a la 10.

( (

))

Ecuación 4 Donde Eu: numero de Euler. Rf: Es una constante igual 0.1. c: Es una constante igual 0.019. Stk 50: numero de Stockes para diámetro de corte.

Ecuación 5

Donde Re: numero de Reynolds c: Es una constante igual 0.019.

(

)

Ecuación 6 Donde Eu: numero de Euler. Rf: Es una constante igual 0.1. D: diámetro principal ciclón. Ds: diámetro de descarga Si se tienen la concentración de sólidos y el tamaño de corte el cual se obtiene de la distribución de tamaño de las partículas que se quiere separar, se pueden llegar a encontrar la dimensión específica del hidrociclón para una variación de presión. En el caso que no se tenga la caída de presión se puede llegar a obtener diferentes diseños.

Ecuación 7

(

)

Ecuación 8

Ecuación 9

Ecuación 10 Las ecuaciones previamente presentadas se pueden implementar en concentraciones de suspensión hasta 10% en volumen. Además se debe considerar las proporciones geométricas que definen las dimensiones finales del hidrociclón las cuales se encuentran en la figura 7 [12]

Figura 7 Relaciones geométricas de los dos tipos de hidrociclón [12]

El análisis dimensional presentado de la ecuación 4 a la ecuación 10 genera una relación presentada en las ecuaciones 11 y 12.

Ecuación 11

Ecuación 12

Donde Kp y np son constantes de las familias de hidrociclones ilustradas en la figura 7

3. MÉTODO En esta sección se presenta el procedimiento seguido para desarrollar los tres elementos centrales del proyecto.

3.1 Validación del sistema fotovoltaico Puesto que en estudios previos la implementación del sistema no cumplió con los requerimientos esperados, se realizó una comparación entre el sistema actual y el que se pretendía implementar con el fin de analizar los cambios que se generarían y los beneficios que traería. El sistema actual consta de una bomba Lorentz que está alimentada por un banco de dos baterías Powersafe 12V 170Fs que a su vez son recargadas por un sistema fotovoltaico, todo este sistema permite bombear suspensión con almidón al hidrociclón para realizar la separación hidrociclónica. Para poder realizar los cambios se obtuvo la curva de descarga de la batería y la curva característica de la bomba para así poder ver los beneficios. Por medio de la curva de descarga de la batería se pudo obtener la potencia en cada instante , potencia la cual va a ser de alimentación de la bomba. Ya que gracias a la ficha técnica se conoce cuál es la curva característica de la bomba, se puede saber el caudal a medida que se va disminuyendo la potencia de banco de baterías.

3.2 Cantidad de material para procesar Según el reservorio ubicado en campo se determina la cantidad de material que se requiere para las pruebas, este se determina con el fin de evitar desperdicio de producto.

3.3 Propiedades de rizoma de achira Para la selección del punto de operación de los hidrociclónes se debe realizar una caracterización del rizoma de achira. Con el fin de desarrollar la separación hidrociclónica se analiza lo siguiente

3.3.1 Colección de material En este trabajo se utilizó rizoma de achira ò sagú cultivado en Pasca, Cundinamarca,

donde las condiciones climáticas para el cultivo se prestan para obtener un buen

producto, estas condiciones climáticas son: precipitación mm/año entre 1,800 –

2,200 , temperatura entre 16 a 20 grados centígrados, alta luminosidad y humedad

relativa entre 50-80 % [11] .

El material se recolectó, luego se lavó y se empacó en costales con el fin de dar

ventilación al material y evitar que se dañara.

3.3.2 Secado Este procedimiento se debe hacer en el menor tiempo posible debido a que es un material orgánico.

1. Extracción de materia prima – obtención de rizomas y se debe almacenar

en un empaque hermético y no exponerlo a la luz.

2. Cortar el material en trozos de aproximadamente 5 centímetros por 5

centímetros aproximadamente – utilizar una herramienta de corte limpia

con el fin de evitar contaminar las muestras lo más que se pueda.

3. Realizar el secado del material previamente cortado en un horno a una

temperatura de 50 grados Celsius durante 48 para evitar deterioro de

material y de los equipos de molienda.

4. Almacenar las muestras en empaques herméticos y no exponerlo a la luz.

3.3.3 Molienda de materia seca Al tener el material seco y cortado en trozos se procede a introducir cantidades entre

300 a 500 gramos en la tolva de admisión del molino de cuchillas CONDUX

CS150/100-2, adicionalmente se debe ubicar un recipiente en la salida de la

cortadora para evitar que el material cortado caiga al suelo. El material seco se

introduce en porciones de 500 gramos con el fin de evitar atascamiento del material

en el molino.

3.3.4 Microscopía óptica Se mezcló 0.2 gramos de almidón de achira en 3 mililitros de solución de lugol con agua destilada. La Solución se dejó homogeneizar durante un minuto y posteriormente se realizó un extendido sobre un porta objetos. Para revelar el almidón presente en los rizomas se realizan cortes trasversales y longitudinales lo suficientemente delgados para poder ser observados en el microscopio Olympus Bx 51M, estos cortes se dejaron durante un minuto en solución de lugol y luego se realizó un lavado con agua destilada para retirar los excesos de lugol. Las imágenes se tomaron por medio de una cámara fotográfica Olympus DP 25 y el análisis de las imagen se realizó bajo el software analySYS FIVE en donde se hizo medición de la sección donde se ubican las fibras, como también observar la geometría en que se pueden encontrar los gránulos de almidón y tamaño de gránulos de almidón esto se hacen en aumentos entre 100X y 400X.

3.3.5 Microscopía estereoscópica Se realizaron cortes transversales y longitudinales del rizoma a los cuales se les aplicó lugol y luego se les retiró el exceso de tinte por medio de lavados con agua destilada e inmediatamente se realizó la observación.

Por otro lado a las fibras no tuvieron ninguna preparación previa puesto que estas eran lo suficientemente grandes y definidas por tanto se pudieron observar sin ningún problema. Las imágenes se tomaron mediante un microscopio estereoscópico OLYMPUS SZX9 y una cámara fotográfica OLYMPUS DP12.

3.3.6 Densidad del almidón y de fibras La densidad del almidón es tomada de dos estudios previos realizados por Cerquera (2010)[1] y por Buriticá (2011)[2] los cuales determinaron la densidad por medio de la norma ASTM D854-58; en cuanto a la densidad de la fibras, se realiza por medio de la misma norma. Para la densidad de las fibras se utilizó la balanza Sartorious ED2245, picnómetro de 49.634 centímetros cúbicos y aceite combustible para motor (figura 8).

Figura 8 Balanza Sartorious ED2245 y picnómetro de 49.634 centímetros cúbicos

En el procedimiento de medición de la densidad de las fibras se debe tener en cuenta las siguientes medidas

1. Pesar el picnómetro desocupado. 2. Pesar el picnómetro con las fibras. 3. Pesar el picnómetro más las fibras y el aceite combustible para motor. 4. Pesar el picnómetro con aceite combustible para motor (el picnómetro debe de

estar limpio de fibras o cualquier tipo de partícula sobrante). Teniendo los datos previamente indicados, la densidad de partícula se encuentra por medio de la ecuación

3.4 Correlaciones adimensionales Con el fin de evaluar y seleccionar el tamaño del hidrociclón se utilizó el software Engineering Equation Solver –EES- en donde se resolvió simultáneamente las ecuaciones de dimensionamiento del hidrociclón con la condición de caudal, caída de presión y diámetro de Stokes o tamaño de corte. Luego de resolver las ecuaciones y se pudo determinar el diámetro del hidrociclón y con base en las relaciones geométricas obtener la geometría del sistema. Ya que la fibra no tiene una geometría esférica sino tubular un parámetro que se debe tener en cuenta para analizar los resultados es el diámetro equivalente de las fibras con el fin de obtener el diámetro ecuación 13.

Ecuación 13

Con base en las ecuaciones enunciadas en la sección 2.4 se obtienen las condiciones de operación de los ciclones ya instalados para la separación de la suspensión de fibras y almidón y se puede estructurar el sistema de ecuaciones como se observa en la figura 9.

Figura 9 Sistema de ecuaciones de correlaciones adimensionales

3.5 Pruebas desarrolladas en el laboratorio

3.5.1 Limpieza del sistema Antes de realizar las pruebas con el hidrociclón se realiza el siguiente procedimiento con el fin de limpiar el sistema.

Figura 10 Montaje de sistema de separación ciclónica en el laboratorio

Se limpian los tres reservorios para evitar contaminación del producto. Los tres reservorios son: el principal en donde se tiene la suspensión (No. 1), el segundo es el reservorio del flujo que sale por la parte inferior del hidrociclón (No.2) y el tercer reservorio es del flujo que sale por la parte superior del hidrociclón (No.3) (figura 10). Luego de limpiar los reservorios se llena una porción del reservorio principal (No.1) con agua y se circula para limpiar las tuberías del sistema y además limpiar el ciclón de polvo. Luego de limpiar la tubería se retira el agua y se llena el tanque con la suspensión para realizar las pruebas.

3.5.2 Preparación de la suspensión Los elementos que se van a utilizar para preparar la suspensión son agua y material molido y seco(figura 11).

1 3

2

Figura 11Rizoma de Sagú seco y molido

Se llena el reservorio No. 1 con agua y luego se introduce lo más distribuido posible el material seco.

Figura 12 Material seco justo antes de ser mezclado

Como se puede observar en la figura 12, a pesar que se introduzca lo más uniformemente posible, el material no se humedece en su totalidad. Este se agita durante 15 minutos haciendo que todo el material se humedezca y quede lo más y mejor distribuido posible como se muestra en la figura 13.

Figura 13 Material seco mezclado con agua. Suspensión fibras- almidón

3.5.3 Elementos para pruebas con la suspensión Para realizar las pruebas se preparan los recipientes de recolección de muestras (figura 15), el sistema de medición de presión (figura 16), el envase para tomar las muestras que tiene una boca grande, este tipo de envase se usa para evitar sesgar los resultados(figura 17) y un embudo. El montaje experimental del laboratorio esta compuesto por un hidrociclón de diámetro principal igual a 6 cm , un medidor de presión diferencial Comarck c955(figura 16), válvulas tipo compuerta para controlar caudal , tubería en PVC, mangueras en HDPE, un tanque de 350 litros y dos de 250 litros.

[3] Figura 14 Diagrama del montaje de separación. 1. Hidrociclón. 2. Reservorio principal. 3. Reservorio de

salida inferior. 4. Reservorio salida superior. 5. Bomba. 6,7,8 y 9 Válvulas. 10. Medidor de presión [3]

Figura 15 Recipientes de muestras de laboratorio

Figura 16 Medidor de presión diferencial COMARK c9555 , rango 0-30PSI, máxima presión de sobrecarga

90 PSI

Figura 17 Recipiente para toma de muestras

Con los elementos listos se agita de nuevo la suspensión para realizar las pruebas y tomar las muestras.

3.5.4Pruebas con la suspensión en el laboratorio Se realizan tres pruebas tomando muestras del flujo que sale por la parte inferior como por la parte superior. Además realizando una recirculación del material del reservorio No. 3(flujo que sale por la parte superior) con el fin de obtener una mayor recuperación de sólidos como se ha evidenciado en investigaciones previas [2][3], esto se realiza dos veces(ver en resultados tabla 3). Las condiciones de las pruebas es una concentración de suspensión del 10 porciento, presión 66.2 KPa (9,60 psi )y 0,00145 m^3/s.

3.6 Adición de la batería al banco de baterías Con el fin de mejorar el funcionamiento del sistema instalado en Pasca se incluye una batería nueva de 12 V dentro de una jaula de seguridad ubicada justo debajo del banco instalado (figura 18). Para mayor detalle ver anexo 2: Diagrama eléctrico del sistema instalado en Pasca.

Figura 18. A. Jaula de seguridad con aislante de la parte inferior. B. Aislamiento entre poste de paneles y la

jaula de seguridad de la batería. C. Batería Powersafe 12v Ubicada en campo.

A.

B. C.

3.7 Pruebas desarrolladas en campo

3.7.1impieza del sistema

Figura 19 Montaje de sistema separación ciclónica en campo

Se limpian los tres reservorios para evitar contaminación del producto. En donde el reservorio 1 almacena la mezcla de la suspensión de fibras y almidón. El reservorio 2 recibe el flujo separado por el ciclón y el reservorio 3, flujo superior del ciclón (figura 19).

3.7.2 Preparación de la suspensión

Figura 20 Sagú cosechado para pruebas en sitio

3

1 2

Debido a la escasez de rizoma, únicamente se cosecharon 10 kilos con el fin de usarlos en las pruebas de campo. Este material se lava con abundante agua sobre un plástico para retirar las acumulaciones de tierra (figura 20).

Figura 21 A. Encendido del motor del rallador. B. Ensamble tolva de admisión del rizoma Introducción del

rizoma en el rallador. D. Rallado del rizoma.

Teniendo el material cosechado se prepara el rallador para convertir los rizomas en una papilla compuesta por fibras y almidón, ajustando el rodillo grabado e instalando la tolva de admisión de material en donde se introducen los rizomas (figura 21).

Figura 22 Sagú rallado.

A. B.

C. D.

Al obtener la papilla (figura 22) se inspecciona la masa con el fin de retirar materiales que puedan afectar la bomba como también evitar obstrucciones en el ciclón (figura 23).

Figura 23 Separación de partículas que pueden generar daños en la bomba Lorentz

Luego de tener la papilla sin elementos peligros se diluye en el reservorio 1. Cuando se realiza este proceso se vuelve a inspeccionar la masa para asegurar que los últimos residuos tengan un tamaño apropiado para el ciclón y la bomba.

3.7.2.1 Elementos para pruebas con la suspensión

Figura 24 Retiro de filtro de bomba(izq) y recipientes para muestras(der).

Los elementos para realizar la experimentación son frascos plásticos de un litro para tomar muestras. Además es necesario retirar el filtro de la bomba para evitar la

retención de las fibras que generen una mala operación del sistema impidiendo caracterizar la separación de las fibras.

3.7.3 Pruebas con la suspensión en campo Se realizan tres pruebas tomando muestras del flujo que sale por la parte inferior como por la parte superior. Las condiciones de las pruebas son: una concentración de suspensión de 6 % presión 20,6 kPa (3 Psi) y 0,000265 m^3/s. En este caso se usó 6% de concentración ya que se trabajó con fibras y otras impurezas que podían haber afectado la bomba como también había muy poco rizoma por cosechar.

3.8 Prueba sólidos sedimentables Para poder cuantificar los resultados obtenidos durante la separación ciclónica en

campo como en el laboratorio se realiza la prueba SM 2540 F. En donde se deposita

cada muestra (1 litro en volumen) en conos Imhoff independientes y se deja reposar

durante 60 minutos haciendo que la fuerza de la gravedad deposite los sólidos en el

fondo y se puedan medir mediante una escala que está incorporada en el cono Imhoff.

4. RESULTADOS

4.1 Validación adición batería a sistema fotovoltaico

4.1.1 Cálculos operacionales del sistema foto voltaico Instalado Partiendo de los parámetros reportados por el estudiante Buriticá, en donde se estima el volumen de agua que se requiere para un día de trabajo en Pasca, y estimando el tiempo promedio de bombeo (4 horas), ç`+´ 432ªse calculó el caudal que debe de suplir la bomba como 12,4 m^3/día. Para el cálculo operacional del sistema se tiene en cuenta las pérdidas generadas por la tubería y accesorios, (anexo calculo de perdidas en tuberías).

4.1.2 Descarga de banco de baterías De la ficha técnica de la baterías obtenemos la curva de descarga, adicionalmente sabiendo que la potencia es proporcional al producto de la corriente y el voltaje podemos obtener la curva de descarga de un banco de cualquier número de baterías. En este caso se va a evaluar la adicción de una batería más al sistema ya instalado, para dejar un banco de tres unidades en serie, de marca POWERSAFE cada una de 12 V y una capacidad de 170Ah.

Gráfica 1 Descarga de potencia vs hora de bancos de baterías

Se puede observar en la gráfica 1 el comportamiento de descarga de los dos tipos de bancos de baterías. Por una parte, el banco actual (2 baterías) arranca en una potencia de 690 vatios y el nuevo (3 baterías) arranca en 1035 vatios. A lo largo de 1.5 horas se presenta la mayor pendiente, lo que indica que la descarga es mucho mayor, y partir

050

100150200250300350400450500550600650700750800850900950

100010501100

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25

Po

ten

cia

W

Descarga Potencia Vs Horas

3 baterias

2 baterias

Horas

de ese punto hasta las 7 horas se muestra una descarga progresiva pero no tan pronunciado como en el primer tramo, que en el caso del banco actual la potencia llega a 91 vatios y para el nuevo banco sería de 137 vatios a las 9 horas de uso de la baterías. El último tramo se presenta como una línea recta hasta 24 horas de descarga en donde la potencia va ser de 30 vatios y del otro banco hasta 48 vatios que sería el punto de máxima descarga de las baterías.

4.1.3 Caudal de la bomba Por medio del anexo 1 (ficha técnica de la bomba) se puede obtener la curva característica de la bomba para las condiciones dadas en donde el valor de entrada es la potencia y el valor de salida es el caudal como se observa en la grafica 2.

Gráfica 2 Caudal vs potencia de entrada de bomba Lorentz PS600 CS 15 1

Con base en la gráfica 2 de caudal versus potencia de entrada y las de descarga de las baterías se obtiene el caudal en cada instante de tiempo.

0

2

4

6

8

10

12

14

0 100 200 300 400 500 600 700 800

Cau

dal

m3

/h

Potencia entrada (kW)

Q (m3/h) Vs Potencia de entrada

Gráfica 3 Caudal Vs tiempo de trabajo bomba Lorentz PS600 CS 15 1

En la gráfica 3 se puede observar que el tiempo de descarga del banco de baterías que actualmente está instalado es de dos horas y media y del que se pretende implementar es de tres horas y media. Para el caso presentado en la gráfica 3 no se tiene en cuenta los paneles solares por tanto es un análisis en donde la única fuente de energía es el banco de baterías y el voltaje de alimentación es de 36 voltios, según especificaciones técnicas dadas en la ficha técnica de la bomba Lorentz ps600 cs 15-1, esta deja de funcionar cuando la potencia es inferior a 200 vatios lo que da a entender es que si no se cierra el circuito se podría generar una descarga profunda de las baterías y generarles algún daño. Otro punto importante de resaltar es que teóricamente según los requerimiento de trabajo el banco de baterías que está actualmente instalado puede suplir la cantidad de agua desde un principio, por el contrario al observar el otro sistema se garantiza una cantidad de agua mayor al requerido y cumple con la necesidades de un día normal de cosecha y obtención del almidón de achira. El aumento de caudal es de 46.3% lo que es casi un aumento de la mitad.

4.2 Cálculo de materia prima

4.2.1 Almacenamiento de rizomas Tras realizar la cosecha de los rizomas su almacenamiento puede hacerse en la forma acostumbrada por los agricultores: manteniéndolos a temperatura baja en un lugar aislado. Esto permite aplazar su procesamiento hasta por 15 días. Sin embargo, se recomienda procesar los rizomas en el menor tiempo posible.

4.2.1 Propiedades de la achira Canna edulis ker

0

5

10

15

20

25

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5

Cau

dal

(m

3/h

ora

)

tiempo (horas)

Caudal Vs Tiempo

2 baterias

3 baterias

Las propiedades químicas y físicas de los rizomas de achira (Canna edulis ker) se presentan a continuación. En [27] se caracterizan los rizomas y se presentan propiedades físicas y reológicas como se muestra en las figuras 25 y 26 respectivamente.

Figura 25 Tabla de propiedades del Sagú [27]

Figura 26 Tabla de propiedades reológicas del sagú [27]

Otro punto de referencia para la composición es lo reportado en [24] trabajo desarrollado por la Corporación Colombiana de Investigación Agropecuaria –Corpoica- y por el Programa de Transferencia de Tecnología Técnica Agropecuaria -Pronatta que brinda valores del tipo de achira que se encuentra cultivada en Colombia.

Figura 27 Tabla de composición del rizoma [24]

Lo primero que se debe aclarar en este cálculo de la cantidad de materia prima requerida para los experimentos de este proyecto de grado es que se tienen dos restricciones. La primera es que el hidrociclón que se encuentra instalado en Pasca está limitado a concentraciones máximas de 10% en volumen [12]. La segunda es el tanque de almacenamiento de agua que tiene una capacidad máxima de 250 litros como se observa en la figura 28.

Figura 28 Tanque instalado en Pasca capacidad de 250 litros

Tabla 1 Cálculos de masa de rizoma rallado húmedo requerido para prueba

El cálculo de la tabla 1 es para el caso en que el tanque esta a su máxima capacidad. Ya sabiendo la cantidad de materia requerida en volumen y en masa se procede a realizar los cálculos pertinentes para determinar la cantidad de rizomas requeridos para obtener el material para la prueba. Los cálculos se realizan con la información reportada en [27] y con el sistema ya instalado en campo.

4.2.2 Cálculo de tiempo de procesamiento de material El tiempo de operación de la bomba se puede estimar a partir del volumen de la suspensión y del caudal entregado por la bomba cuando el banco de baterías está completamente cargado como muestra la ecuación 14.

[ ]

[

]

[ ]

[

]

Ecuación 14

4.3 Parámetros del rizoma de achira

4.3.1 Molienda de materia seca Al realizar una inspección sobre el producto de la molienda de partículas desarrollada en el laboratorio, se evidenció que estas son más finas que lo proveído por el rayado realizado en Pasca. Para realizar un análisis más detallado sobre este tema se realizó un estudio sobre la distribución de tamaño de ambos tipos de molienda.

Capacidad de agua en tanque (litros) 250

Capacidad de agua en tanque (m^3) 0.25

Volumen de achira (m^3) 0.025

Densidad del almidón de achira (kg/m^3) 1250

Masa requerida para prueba (kg) 31.25

Cálculos de volumen

Figura 29 Material tamizado y tolvas de tamizado

En la figura 29 se ilustra el sistema de tamiz usando en el laboratorio. La apariencia de los resultados de la separación están en las figuras 30 a 35.

Figura 30 Material seco tamaño superior a 2 milímetros.(63X ). Procesado en tamiz ASTM E11. Equipo de

inspección visual: microscopio estereoscópico OLYMPUS SZX9.

Figura 31Material seco entre 2 milímetros y 6oo micrones (63X). Procesado en tamiz ASTM E11. Equipo de


Figura 32 Material seco entre 600 micrones y 250 micrones (63X) . Procesado en tamiz ASTM E11. Equipo

de inspección visual: microscopio estereoscópico OLYMPUS SZX9.

Figura 33 Material seco entre 250 micrones y 90 micrones (100X) . Procesado en tamiz ASTM E11. Equipo


Figura 34 Material seco entre 90 micrones y 45 micrones. (160X). Procesado en tamiz ASTM E11. Equipo


Figura 35 Material seco inferior a 45 micrones. (160X). Procesado en tamiz ASTM E11. Equipo de


Gráfica 4 Comparación de retención de partículas de tamaño de molienda en campo y laboratorio

Como se puede observar en la gráfica 4 en la retención de partículas, el tamaño de partícula obtenido por la molienda realizada en el laboratorio se obtiene un material mucho más fino que el obtenido por la molienda realizada en campo. La mayor retención obtenida para la molienda del laboratorio se encuentra en tamaño entre 2000 micrómetros y 600 micrómetros. Esto se debe a que el tipo de partículas son pequeñas aglomeraciones de material que se podrían moler manualmente pero con un mayor consumo de energía. Además estas partículas se pueden diluir en agua, al igual que las partículas del mismo tamaño encontradas en la molienda en campo. Por otro lado, la mayor retención encontrada en la molienda en campo corresponde a partículas mayores a 2 milímetros puesto que por el tipo de molienda, se generan

0

10

20

30

40

50

60

70

Mayor a 2000 2000 600 250 90 45

Re

ten

cio

n %

Tamaño de particulas (µm)

Distribucion de particulas

Molienda en Pasca

Molienda laboratorio

grandes acumulaciones de material al secarse, proceso que no se tenía contemplado antes de la separación del material por medio del tamizado con agua del proceso en campo. En cuanto a una revisión visual en directo del material base, obtenido en campo para las pruebas de tamizado se evidenció que era de un rallado burdo y se presentaba grandes aglomeraciones de material.

4.3.2 Tamaño de las fibras Lo primero que se revisa es la zona en donde se encuentra mayor acumulación de fibras por tanto se realizan cortes longitudinales y transversales para identificar las zonas más representativas.

Figura 36 A. Detalle de corte transversal del rizoma de achira (63X). B. Detalle de sección de fibras de

rizoma de achira (63X). Equipo de inspección visual: microscopio estereoscópico OLYMPUS SZX9.

Figura 37 A. Sección de fibras del rizoma de achira. (63X) B. Sección de fibras y detalle de corte longitudinal de cascara del rizoma de achira (63X). Equipo de inspección visual: microscopio

estereoscópico OLYMPUS SZX9

Al realizar los cortes transversales y longitudinales en el rizoma de achira, es posible evidenciar la presencia de fibras apareciendo en mayor cantidad en la zona externa o justo después de la corteza ó cascara del rizoma. Esta zona tiene un espesor entre 2 a 5 milímetros pero las fibras tienen diferentes longitudes que son variables según el corte o molienda que se realice esto se puede observar en las figuras 36 y 37. Estas

A.

B.

A.

B.

fibras, por su ubicación, tienen una función estructural y además de transporte de nutrientes.

Figura 38 A. Presencia de almidón en el rizoma de achira corte transversal.(100X) B. Presencia de almidón en el rizoma de achira corte longitudinal. (100X). Equipo de inspección visual: microscopio estereoscópico

OLYMPUS SZX9

En cuanto a la zona central del rizoma se puede observar una alta presencia de almidón de diferentes tamaños; además algo importante de resaltar es que no hay presencia de fibras como se observa en la figura 38. Por medio de la separación de las fibras después del secado del material orgánico es fácil obtener diferentes fibras presentes en el rizoma y así se pudieron observar en el estereoscopio.

A.

B.

Figura 39 A. Fibra de rizoma de achira.(100X). B. Ramificación de fibra de rizoma de achira.(100X). C.

Acumulación de gránulos de almidón entre las fibras.(100X). Equipo de inspección visual: microscopio estereoscópico OLYMPUS SZX9

Las fibras obtenidas son fibras flexibles y delgadas con diámetros entre 0.098 a 0.236 milímetros. Además de esto entre las fibras que se encuentran cerca de la cáscara se presentan acumulaciones de material que se podrían procesar para obtener almidón (figura 39 ). Por otro lado, teniendo el material seco y molido del laboratorio y en campo, se realizan mediciones de la longitud con el fin de evidenciar las diferencias presentes.

Gráfica 5 Longitud de fibras procesadas en campo Vs fibras procesadas en el laboratorio

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

5 9.3 13.7 18 22.3 26.7 y mayor...

% F

recu

en

cia

Clase

Histograma de longitud de fibras

En campo

Laboratorio

A.

B.

C.

Como se puede observar en la grafica 5 la longitud obtenida de las fibras en la molienda de Pasca son más largas que las fibras obtenidas en la molienda del laboratorio, esto sucede ya que la molienda desarrollada en Pasca se basa en un rodillo estampado el cual tritura los rizomas, por tanto las fibras se pueden conservar o en algunos casos romperse caso contrario a lo que sucede en la molienda del laboratorio puesto que al ser de cuchillas el molino hace que las fibras sean cortadas. Los tamaños de las fibras de Pasca se encuentran entre 7 a 65 milímetros y los tamaños de las fibras de la molienda del laboratorio están entre 5 a 31 milímetros, el rango presente en la molienda de Pasca es más amplio que el de las fibras de la molienda del laboratorio.

4.3.3 Tamaño de los gránulos de almidón

Figura 40 Corte transversal (der) (100X), corte longitudinal (izq) (100X) del rizoma de achira mostrando

el tamaño de los gránulos de almidón. Equipo de inspección visual: microscopio Olympus Bx 51M .

Figura 41 Tamaño de gránulos de almidón de achira(izq)y (der) (400X). Equipo de inspección visual:

microscopio Olympus Bx 51M

Por medio de la tinción con lugol se puede evidenciar la presencia del almidón en cortes de aproximadamente 1 milímetro realizados con una cuchilla minora realizados longitudinal y transversalmente del rizoma. La presencia del almidón es

aleatoria ya que no tiene un patrón definido pero se evidencia una alta concentración independiente del tipo corte. Además se puede observar los diferentes tamaños (figura 40). El tamaño de gránulos del almidón de achira se pudo obtener tras realizar una observación detallada de las partículas por medio de microscopía óptica dando como resultado tamaños de grano con media de 69.16 micrómetros con una desviación estándar basada en la muestra de 22.87 micrómetros. (figura 41).

4.3.4 Densidad de las fibras Siendo así la densidad promedio da como resultado 1218,7 kg/m^3, el cual va a ser el valor a utilizar en la simulaciones de EES.

Medida kg/m3

1 1261,31

2 1146,26

3 1213,87

4 1253,35

Promedio 1218,70

Desviación estándar 52,55

Desviación de población basada en la muestra 60,68 Tabla 2 Medidas de densidad de las fibras

El dato de densidad de los gránulos de almidón de achira ya fue reportado por Nicolás Cerquera y por Pablo Buriticá el cual está en aproximadamente en 1250 kg/m^3[1][2].

4.4 Selección y gráficas de diseño del hidrociclón El propósito de esta sección es obtener las condiciones de operación del ciclón que se encuentra en el laboratorio y el que se encuentra en campo. Para obtener las condiciones de operación de cada uno de los ciclones se utilizan las ecuaciones 4 a 11 que se encuentran en la sección 2.4, como también los datos sobre densidad de las fibras, densidad de los gránulos de almidón, diámetro de los gránulos de almidón y diámetro equivalente de las fibras. Además, partiendo de criterios previamente enunciados, se varía la presión y el caudal.

Gráfica 6 Condiciones de operación para caudal del ciclón 6 cm diámetro-separación de fibras

Gráfica 7 Condiciones de operación para Presión (Pa) del ciclón 6 cm diámetro-Separación de fibras

Gráfica 8 Condiciones de operación para caudal del ciclón 5,6 cm diámetro-separación de Fibras

Gráfica 9 Condiciones de operación para Presión (Pa) del ciclón 5,6 cm diámetro-Separación de fibras

En esta investigación se usaron dos hidrociclónes desarrollados en investigaciones previas, los cuales se emplearon para separar gránulos de almidón de yuca y el otro para gránulos de almidón de achira, solo que en esta investigación se realizaron variaciones en las condiciones de operación puesto que se quiere evaluar la capacidad de cada hidrociclón de separar el contenido de fibras de la suspensión que se genera al agregar agua al rallado del rizoma de achira como se explico en la sección 3.5.2 y en la sección 3.7.2 .

Por tanto en dicha suspensión se pueden encontrar gránulos de almidón y fibras, estructuras las cuales como se evidenció en las secciones 4.3.2 y 4.3.3 son de densidad, morfología y tamaño diferentes. Por otro lado, para realizar solo la separación de los gránulos de almidón se requiere un menor caudal con el fin de que las partículas más grandes sean atrapadas por el vórtice interno que se genera dentro del hidrociclón y así salgan por la parte superior. Como se puede observar en las graficas 6 a la 9 en donde se ilustran los puntos de operación de los hidrociclónes para la separación de las fibras, se puede evidenciar que estos puntos son similares.

4.5 Pruebas con hidrociclón en laboratorio

4.5.1 Pruebas con la suspensión

Figura 42 Resultados de separación ciclónica de suspensión en laboratorio

Como se puede observar en la figura 42 hay mayor acumulación de partículas de almidón en las muestras que se toman por la parte inferior (flujo inferior No 0,No 1 y No. 2) que con las muestras que salen de la parte superior del hidrociclón. También mediante una observación directa se pudo observar que en los recipientes en donde se recolectaron las muestras que salieron por la parte superior del hidrociclón – las partículas que no se separaron- en la muestra No. 0 No.1 y No.2 se evidencia acumulación de partículas flotantes. En la muestra No 1 se ve una mayor acumulación. Con el fin de cuantificar la capacidad de separación del ciclón se realizó la prueba SM

2540 F, en donde se determina la concentración de sólidos en la suspensión acuosa

por medio de un cono Imhoff. La muestra se introduce en cono Imhoff y se deja

sedimentar durante una hora dando como resultado el porcentaje de concentración.

Prueba de sólidos sedimentables

Prueba Nombre muestra

Salida Recirculad

o Abertura Concentración %

1 No. 0 Inferior no Completa 7,2

2 No. 0 Superior no Completa 2,4


4 No. 1 Superior si Completa 2,9


6 No. 2 Superior si Completa 2,6 Tabla 3 Resultados de solidos sedimentables

Los porcentajes de concentración de partículas separadas por la parte inferior son mayores en comparación a los obtenidos en las muestras tomadas por la parte superior (tabla 3). En donde por medio de una inspección visual directa se evidenciaron partículas flotantes en las muestras recolectadas por la parte superior. Para las muestras tomadas por la parte inferior hay una mayor concentración de gránulos de almidón aunque aún hay presencia de fibras.

4.5.2 Pruebas con la suspensión

Figura 1 Resultados de separación ciclónica de suspensión en Pasca

Como se puede observar en la figura 46 las muestras que se tomaron de los flujos que salieron por la parte superior tienen una alta concentración de fibras en comparación con los resultados obtenidos en los flujos que salieron por la parte inferior. Es necesario tener en cuenta que a pesar de que hay una mayor concentración de almidón en el flujo inferior, estas muestras también tienen un contenido de fibras. En la figura 46 se puede identificar los componentes de cada muestra, en donde lo más claro son gránulos de almidón, luego van las fibras y lo último es agua con impurezas. Esto nos permite obtener un porcentaje de la separación de las fibras lo cual se presenta en la tabla 4.


Salida Abertura Concentración

% Concentración

fibras % concentración

almidón %

1 No. 0 Inferior Completa 19,98 11,1 8,88

2 No. 0 Superior Completa 27,7 25,5 2,2

3 No. 1 Inferior Completa 18,86 6,66 12,2

4 No. 1 Superior Completa 34,9 33,3 1,6

5 No. 2 Inferior Completa 31 17,7 13,3

6 No. 2 Superior Completa 19,8 17,6 2,2 Tabla 4 Concentraciones de partículas con base en relación de alturas


Salida Abertura Concentración

%

1 No. 0 Inferior Completa 7,2

2 No. 0 Superior Completa 14


4 No. 1 Superior Completa 13,6


6 No. 2 Superior Completa 6,2 Tabla 5 Solido sedimentables en campo.

Como se puede observar en la tabla 4, hay una mayor concentración de partículas en el flujo que sale por la parte superior en donde por una inspección visual hay una mayor cantidad de fibras en comparación a los gránulos de almidón (ver figura 50), pero lo importante es que a pesar de la presencia de fibras en las partículas separadas, hay una concentración alta de partículas de almidón. Al observar los resultados de las pruebas de sólidos sedimentables se puede corroborar que hay una mayor concentración de sólidos en los flujos que salen por la parte superior y que dichos sólidos, en una primera inspección, son fibras (tabla 5).

4.6 Inspección visual de las partículas

4.6.1 Partículas pruebas en el laboratorio

Figura 43 Muestras secas de partículas de las pruebas de laboratorio A. Muestra de flujo inferior prueba

no. 0 B. Muestra de flujo superior prueba no. 0 C. Muestra de flujo inferior prueba no. 1 D. Muestra del flujo superior prueba no. 1 E. Muestra de flujo inferior prueba no. 2 F. Muestra de flujo superior prueba

no. 2. Equipo de inspección visual: cámara convencional.

A simple vista se puede evidenciar que el material que sale por el flujo inferior (separado) tiene una mayor cantidad de fibras aunque hay presencia de partículas de almidón, en cambio las partículas que salen por el flujo superior (no separado) tienen una pequeña cantidad de fibras en relación con la cantidad de almidón presente (ver figura 43).

A. B.

C. D.

E.

F

Figura 44 Muestra seca de flujo inferior prueba no. 0 A. Aglomeración de gránulos de almidón con

presencia de fibras (63X). B. Aglomeración de gránulos de almidón (63X). C. Detalle de aglomeración de gránulos de almidón (320X). Equipo de inspección visual: microscopio estereoscópico OLYMPUS SZX9

A. B.

C.

Figura 45 Muestra de flujo superior prueba no. 0 A. Gránulos de almidón (63X). B. Aglomeraciones de gránulos de almidón con presencia de fibras (63X). C. Detalle gránulos de almidón (320X). Equipo de

inspección visual: microscopio estereoscópico OLYMPUS SZX9

A. B.

C.

Figura 46 Muestra de flujo inferior prueba no. 1 A. Aglomeración de gránulos de almidón (63X). B.

Aglomeración de gránulos de almidón, gránulos de almidón y fibras (63X). C. Detalle de gránulos de almidón y presencia de fibras (320X). Equipo de inspección visual: microscopio estereoscópico OLYMPUS

SZX9

A. B.

C.

Figura 47 Muestra de flujo superior prueba no. 1 A. Aglomeración de gránulos de almidón (63X) B.

Gránulos de almidón con presencia de fibras (80X). C. Detalle de gránulos de almidón adheridos a fibras (400X). Equipo de inspección visual: microscopio estereoscópico OLYMPUS SZX9

A. B.

C.

Figura 48 Muestra de flujo inferior prueba no. 2 A. Aglomeración de gránulos de almidón con presencia de

fibras (63X). B. Gránulos de almidón y fibras de rizoma de achira (63X). C. Detalle de aglomeración de gránulos de almidón (320X). Equipo de inspección visual: microscopio estereoscópico OLYMPUS SZX9

A. B.

C.

Figura 49 Muestra de flujo superior prueba no. 2 A. Gránulos de almidón (63X) B. Gránulos de almidón y fibras de rizoma de achira (63X). C. Detalle de aglomeración de gránulos de almidón (400X). . Equipo de

inspección visual: microscopio estereoscópico OLYMPUS SZX9

Se puede observar que las partículas de gran tamaño son aglomeración de partículas de almidón, las cuales se pueden desagrupar por medio de la adición de agua, que a su vez sirve para limpiar el almidón.

A. B.

C.

4.6.2 muestras obtenidas de las pruebas en campo

Figura 50 Muestras secas de partículas de pruebas en campo A. Muestra flujo inferior prueba no. 0 B.

Muestra flujo superior prueba no. 0 C. Muestra flujo inferior prueba no. 1 D. Muestra flujo superior prueba no. 1 E. Muestra flujo Inferior prueba no. 2 F. Muestra flujo Superior prueba no. 2 Equipo de inspección

visual: cámara convencional.

Los resultados de las pruebas desarrolladas en campo muestran que por los flujos inferiores se obtiene una mayor cantidad de almidón que en el flujo que sale por la parte superior del ciclón; además se puede observar que en los flujos superiores la cantidad de fibras es mayor en comparación con la del almidón, y que para ambos casos el almidón tiene un color más claro que el almidón separado en las pruebas de laboratorio, esto se explica por el hecho de que el obtenido en campo ha recibido un

A. B.

C. D.

E.

F

proceso de lavado, el cual no se realizó en el laboratorio, sino que se seco primero para luego ser procesado.

Figura 51 Muestra flujo inferior prueba no. 0 A. Gránulos de almidón adheridos a fibras (63X). B. Detalle de gránulos de almidón adheridos a fibras (320X). C. Aglomeración de gránulos de almidón con presencia de impurezas (63X). D. Detalle de aglomeración de gránulos de almidón (400X). . Equipo de inspección visual:

microscopio estereoscópico OLYMPUS SZX9

A. B.

C. D.

Figura 2 Muestra flujo superior prueba no. 0 A. Fibras de rizoma de achira (63X). B. Detalle de fibras de almidón de achira con presencia de gránulos de almidón (63X). C. Aglomeración de gránulos de almidón y

fibras (63X). D. Detalla de aglomeración de gránulos de almidón (320X). . Equipo OLYMPUS SZX9

A. B.

C. D.

Figura 52 Muestra flujo inferior prueba no. 1 A. Fibras de almidón de achira con gránulos de almidón

adheridos (63X). B. Detalle de gránulos de almidón adherido a fibras (80X). C. Detalle de aglomeración de gránulos de almidón (320X). D. Aglomeración de gránulos de almidón (63X). . Equipo de inspección visual:

microscopio estereoscópico OLYMPUS SZX9

A. B.

C. D.

Figura 53 Muestra flujo superior prueba no. 1 A. Fibras de rizoma de achira (63X). B. Detalle de fibras de rizoma de achira y gránulos de almidón (80X). C. Aglomeración de gránulos de almidón (80X). D. Detalle de

gránulos de almidón (320X). Equipo de inspección visual: microscopio estereoscópico OLYMPUS SZX9

A. B.

C. D.

Figura 54 Muestra flujo inferior prueba no. 2 A. Detalle de fibras de rizoma de achira y gránulos de almidón

adheridos a fibras (63X). B. Fibras de rizoma de achira (63X). C. Aglomeración de gránulos de almidón (63X). D. Detalle de gránulos de almidón e impurezas (320X). Equipo de inspección visual: microscopio

estereoscópico OLYMPUS SZX9

A. B.

C. D.

Figura 55 Muestra flujo superior prueba no. 2 A. Fibras de rizoma de achira (63X). B. Fibras y cáscara de rizoma de achira (63X). C. Aglomeración de gránulos de almidón (320X). D. Detalla de aglomeración de

gránulos de almidón y fibras de rizoma (320X). . Equipo de inspección visual: microscopio estereoscópico OLYMPUS SZX9

Se evidencian aglomeraciones de partículas de almidón al igual que en las pruebas realizadas en el laboratorio. En algunos casos dentro de estas aglomeraciones se puede observar pequeñas impurezas. Además se pueden evidenciar una cierta cantidad de gránulos de almidón adheridos a las fibras, lo que en un proceso normal de obtención de almidón pueden no ser tenidos en cuenta y desechados. Otro punto que se puede observar es una mayor acumulación de partículas de almidón en las fibras de las muestras que salen por el flujo inferior generando pequeñas aglomeraciones.

4.7 Condiciones de operación de las pruebas simulado en Engineering Equation Solver (EES) Con base en las condiciones reales de operación de las pruebas se pudo simular en Engineering Equation Solver (EES) y encontrar el punto de operación para analizar los resultados de las separaciones, cabe decir que estas simulaciones se realizaron con un

A. B.

C. D.

caudal fijo que es el punto de operación de la bomba en el momento de las pruebas tanto para el laboratorio como en campo, por tanto varían las gráficas en forma y en valores. Punto Operación Laboratorio

Gráfica 10 Punto de operación real de pruebas desarrolladas en el laboratorio.

Punto Operación Pasca

Gráfica 11 Punto de operación real de pruebas desarrolladas en campo.

5. DISCUSIÓN

Evaluar la capacidad del hidrociclón para separar una suspensión acuosa compuesta de fibras y almidón.

Con base en las gráficas de separación de EES para los puntos de operación de las pruebas, se puede decir que a pesar de que no se llegaron a las condiciones ideales de separación de las fibras, se pueden implementar las condiciones de separación para el caso del almidón y esto se debe a que inicialmente el ciclón y la bomba están seleccionados para dicha función. Al realizar la inspección visual se evidencia una gran cantidad de almidón separado y además presencia de fibras las cuales se pudieron separar debido a su tamaño y comportamiento del flujo dentro del ciclón. Hay que tener en cuenta que la suspensión con fibras de sagú no se había caracterizado en investigaciones previas, pero cabe aclarar que para el caso de las pruebas que se realizaron en campo hay una mayor separación de almidón que para fibras y este proceso se puede mejorar implementando un sistema de ciclón en serie. La inspección visual en los resultados de las pruebas desarrolladas en el laboratorio (figura 43) muestran que a pesar de que se separen gránulos de almidón aún se evidencia presencia de fibras de pequeño tamaño. En los resultados de las muestras de las pruebas en campo (figura 50) se observa una situación similar a la obtenida en los resultados del laboratorio, en donde a pesar de que se separan gránulos de almidón aún se evidencian fibras, que en este caso son más largas y son ocasionadas por el rallado artesanal. En cuanto al aspecto visual de las muestras se evidencia que el color de las muestras de la separación en campo son más claras en comparación a las muestras obtenidas de los resultados obtenidos en el laboratorio, esto se debe a que al material de laboratorio paso primero por un secado y luego fue procesado en cambio el material en campo primero fue lavado y enseguida fue procesado. Los resultados de sólidos sedimentables de las muestras del laboratorio (tabla 3) muestran que los flujos que salen por la parte inferior tienen una mayor concentración de sólidos a comparación de los flujos que salen por la parte superior como era de esperar. Pero el material separado no fue el deseado puesto que hay presencia de dos estructuras: una granular correspondiente al almidón y la otra son las fibras. En cambio para los resultados de sólidos sedimentables de las muestras obtenidas en campo (tabla 5) se ve que la concentración es mayor para el flujo que sale por la parte inferior únicamente para la primer prueba y para las otras dos pruebas hay mayor concentración para los flujos que salen por la parte superior; hecho que no es común pero al observar en detalle los resultados (figura 50) se evidencia que hay una mayor presencia de fibras las cuales ocupan más volumen y un mayor porcentaje en la prueba.

Algo que se observó en ambos casos es que sin importar como se haya procesado el rizoma, se observó que en las fibras quedan gránulos de almidón adheridos a las fibras (figura 47 para el laboratorio y figura 52 para el caso en campo). Pero en el caso de las muestras de los resultados en campo se observa que hay enrollamiento de las fibras y dentro de estos quedan gránulos de almidón atrapados (figura 51-55). También se observó que en ambos casos hay aglomeraciones de gránulos de almidón que en algunos casos tienen impurezas atrapadas (figura 44 a 55).

Puesta a punto de sistema de separación hidrociclónica con alimentación fotovoltaica localizado en Pasca.

Al implementar la nueva batería al banco de baterías, este queda trabajando a 41.32 voltios lo que da como resultado un mayor tiempo de operación de la bomba. A su vez la bomba mantiene un flujo de agua continuo por más tiempo.

Para hacer funcionar la bomba se debe: primero verificar todas las conexiones de las tuberías. Segundo limpiar las tuberías y filtro de la bomba (si se requiere se puede retirar). Tercero se deben introducir los sensores uno y dos (anexo 2) en el reservorio principal que son los sensores de profundidad y nivel del agua que dan la señal al controlador para apagar la bomba si el nivel de agua está bajo. Cuarto poner en posición ON el swicth del controlador el cual se encuentra al lado izquierdo del switch 1 teniendo en cuenta que al momento de realizar este paso la bomba va a empezar a trabajar y si se requiere apagar la bomba el switch del controlador se debe de poner en OFF. Cabe decir que si el switch número 1 se encuentra en On el sistema va trabajar con los paneles y el banco de baterías en paralelo y de contrario solo el banco.

El inconveniente que implica el montaje fotovoltaico es la dependencia a un buen clima, que su vez es la dependencia de una buena radiación solar para cargar las baterías. Además si los paneles están trabajando en paralelo con el banco de baterías y la radiación solar no es lo suficientemente alta los paneles van a funcionar como una resistencia y van a consumir la carga de las baterías.

Con el fin de realizar una mejora en el sistema eléctrico se puede realizar una caracterización detallada sobre el consumo de energía de la bomba y así poder llegar a implementar un control en donde se tenga en cuenta la carga del banco de baterías y la carga suministrada por los paneles gracias a la radiación solar.

Caracterización de solución acuosa compuesta por fibras y almidón.

Al observar el resultado de la prueba se solidos sedimentables se evidencia que la concentración de sólidos está 1,3% por encima (7,3% porcentaje de pruebas de solidos sedimentables –anexo 6) de lo teórico el cual fue 6%. Por tanto se puede decir que se puede tener una buena aproximación de la concentración de sólidos teniendo en cuenta la densidad, la masa de la partículas a trabajar y el volumen del líquido en el cual se esté suspendiendo.

Una propiedad fundamental que no se había reportado y se caracterizó fue la densidad de las fibras como un promedio de 1218,7 kg/m3 (desviación estándar 52 kg/m^3) que es inferior a la densidad del almidón. Las medidas de densidad se realizaron con aceite combustible para motor con el fin ocupar todos los espacios de la fibra y no encapsular aire que pudiera afectar los resultados. Al realizar una comparación con el trabajo desarrollado por la ingeniera Laura Castro asesorada por el profesor Alejandro Marañon [28] en donde se determinó la densidad de fibras del raquis de la palma de aceite en donde para la bráctea obtiene una densidad de 854 kg/m^3 (desviación estándar de 34 kg/m^3) y para el tallo central 797kg/m^3 (desviación estándar 62 kg/m^3) y en Tenth International Conference On Non- Conventional Materials And Technologies [29] donde se obtienen las densidades de fibras de cáñamo y sisal correspondientes a 1480 kg/m^3 y 1450 kg/m^3, se puede evidenciar que el valor obtenido para la densidad de las fibras de achira se encuentra entre estos valores lo que puede indicar que es un valor válido. Tal como se indicó, se realizó una inspección detallada sobre la estructura del sagú o achira para obtener una caracterización interna de sus componentes en donde se evidenció que hay una mayor concentración de fibras en la parte externa del rizoma. Esta capa de fibras se encuentra entre 2 a 5 milímetros desde el borde del rizoma (cascara) para un corte transversal a comparación de la zona interna. En la achira se puede evidenciar dos tipos de estructuras: una filamentosa que corresponde a las fibras y la otra es granular, que corresponde al almidón. Siendo así se tiene dos tipos de estructuras que tanto en geometría como en densidad son diferentes, dando como resultado una baja precisión en la separación por medio del tamiz con agua durante el proceso de obtención del almidón en campo. También como hay partículas del almidón, estas se adhieren a las fibras y se genera un desperdicio de material comerciable. La longitud de las fibras que se inspeccionaron están entre 5 y 31 milímetros para la molienda en el laboratorio a comparación de las longitudes del rallado en campo de 7 a 65 milímetros. Lo anterior se debe a que la molienda que se realiza en el laboratorio es mucho más fina y delicada que la que se desarrolla en campo, la cual sigue un método artesanal; cabe resaltar que la molienda desarrollada en campo se elabora con un molino de rodillo grabado y el rizoma recién cosechado con alto nivel de humedad y la del laboratorio se desarrolla por un molino de cuchillas y el material seco. Lo anterior se confirmó mediante el tamizado en donde para la molida de campo hay una mayor retención para tamaños de partículas superior a 2 milímetros y se puede observar que el material retenido en los siguientes rangos de mallas es mucho menor a lo obtenido por la molienda del laboratorio en donde, a pesar que hay una gran retención entre 2 milímetros y 600 micrómetros, se llega a obtener una buena cantidad de material en el tamiz inferior a 45 micrómetros. Tras teñir el rizoma con lugol se pudo observar el tamaño de los gránulos por medio de la microscopia óptica que su vez permite evidenciar las diferentes formas en las que se puede encontrar el almidón. El tamaño que se observó fue entre 35 a 120

micrómetros y su forma ,a pesar de ser comúnmente ovalada, presenta variaciones en donde no es ovalada sino irregular; por otro lado, se pudo observar la distribución de las partículas en cortes en donde no hay un patrón definido.

6.CONCLUSIONES Y PERSPECTIVAS Se implementó con éxito una nueva batería al banco de baterías que se encontraba instalado en Pasca , esto mejoró las condiciones de operación de la bomba, además se caracterizó el montaje eléctrico con el fin de brindar soporte sobre las conexiones eléctricas para así en un futuro realizar derivaciones para sistemas auxiliares que sirven en temporada de baja de cosecha. El rallado en campo genera pedazos de material de gran tamaño y fibras muy largas que impiden la separación de una proporción importante de almidón contenido mediante tamizado o el uso de hidrociclón. La molienda en el laboratorio muestra un aumento en el grado de separación que se atribuye al hecho que las fibras son mucho más pequeñas. La caracterización de las conexiones permitió entender el circuito eléctrico al que está conectado la bomba Lorentz y los paneles solares. También permitió saber el voltaje que dan los paneles y a su vez el voltaje de cada una de las baterías. La caracterización de las fibras de achira ayuda a mejorar el proceso de obtención del almidón puesto que es una estructura importante que se encuentra en el rizoma y además el rizoma tiene un alto porcentaje de estas. La recirculación de las salidas superiores del hidrociclón mejora la separación pero no alcanza el grado deseado. La separación de la suspensión de fibras y gránulos de almidón en los hidrociclónes disponibles no es perfecta pues quedan mezclas de los dos tipos de partículas en las dos corrientes de salida, teniendo la corriente inferior una mayor concentración de almidón.

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http://www.upv.es/VALORES/Publicaciones/MOCMAT2008_Amig%F3_Fibras.pdf

ANEXOS

Anexo 1 :Ficha técnica de la bomba lorentz

Anexo 2: Diagrama eléctrico del sistema instalado en Pasca

Anexo 3: Cálculos de pérdida en la tubería

Anexo 4: Reporte de resultados de muestras del laboratorio

Anexo 5:Reporte de resultados de muestras en Campo

reRepodre

Anexo 6: concentración de sólidos reservorio principal en campo

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