Mauricio Obando Estrada

UNIVERSIDAD PRIVADA BOLIVIANA

FACULTAD DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA

CARRERA DE INGENIERÍA DE LA PRODUCCIÓN

OPTIMIZACIÓN DEL CONSUMO DE ENERGÍA EN EL

SISTEMA DE REMOCIÓN EN SECO DE SAPONINAS DE

QUINUA MEDIANTE EL USO DE UN LECHO FLUIDIZADO DE

TIPO SURTIDOR

TRABAJO FINAL DE GRADO

Presentado por: Mauricio Obando Estrada

Como requisito parcial para optar al título de:

LICENCIATURA EN INGENIERÍA DE LA PRODUCCIÓN

Tutor: Ramiro Escalera Vásquez Ph.D.

Cochabamba, Enero 2012

ii

UPB © 2012

CONTENIDO

RESUMEN EJECUTIVO ....................................................................................................................... xiii

I INTRODUCCIÓN.................................................................................................................. 1

1.1 Antecedentes ......................................................................................................................... 1

1.2 Descripción del problema .................................................................................................... 6

1.3 Justificación del Trabajo ....................................................................................................... 9

1.4 Delimitación del Trabajo Final de Grado ......................................................................... 10

II MARCO TEÓRICO ............................................................................................................. 11

2.1 Proceso de beneficiado de quinua desarrollado por el CPTS .................................... 11

2.1.1 Sistema de limpieza por vía seca ................................................................................. 11

2.1.2 Sistema de limpieza por vía húmeda .......................................................................... 12

2.1.3 Sistema de secado de grano húmedo ....................................................................... 12

2.2 Lechos fluidizados ................................................................................................................. 15

2.2.1 Principios de la fluidización ............................................................................................ 15

2.2.2 Lechos fluidizados de tipo surtidor (LFTS) ..................................................................... 16

2.3 Proceso de beneficiado en seco desarrollado por el CIPI y el CIAAA ..................... 18

2.3.1 Condiciones de operación en los reactores cilindro-cónicos ............................... 19

2.3.2 Calidad nutricional del producto generado en el sistema de

beneficiado en seco ...................................................................................................... 21

2.4 Pérdidas de presión en fluidos compresibles .................................................................. 28

2.4.1 Pérdida de presión en ductos de área constante ................................................... 28

2.4.2 Pérdida de presión en accesorios (Rotámetro) ........................................................ 29

2.4.3 Pérdida de presión por ensanchamiento y reducción repentina (boquillas) ..... 30

2.4.4 Pérdida de presión en lechos fluidizados de tipo surtidor ....................................... 32

2.5 Trabajo en fluidos compresibles ........................................................................................ 34

2.5.1 Sistemas adiabáticos ...................................................................................................... 34

2.5.2 Sistemas isotérmicos ........................................................................................................ 35

2.6 Balance de energía para la compresión de gases ...................................................... 36

2.7 Consumo de energía especifico en lechos fluidizado de tipo surtidor ..................... 37

III OBJETIVOS ........................................................................................................................ 39

3.1 Objetivo General .................................................................................................................. 39

3.2 Objetivos Específicos ........................................................................................................... 39

IV METODOLOGÍA ................................................................................................................ 40

4.1 Equipo experimental ............................................................................................................ 40

4.2 Caracterización del lecho .................................................................................................. 41

4.2.1 Pruebas preliminares de consumo energético .......................................................... 41

4.2.2 Pruebas de caracterización de lecho ........................................................................ 41

iii

UPB © 2012

4.3 Determinación experimental de condiciones óptimas ................................................ 42

4.3.1 Determinación del contenido de saponinas en muestras tratadas.

Método de la espuma ................................................................................................... 42

4.3.2 Determinación del tiempo óptimo de tratamiento .................................................. 43

4.3.3 Determinación del consumo energético teórico ..................................................... 43

4.4 Modelamiento de la pérdida de presión ........................................................................ 44

4.5 Diseño del equipo industrial bajo condiciones óptimas ............................................... 44

4.6 Evaluación de costos del proceso bajo condiciones óptimas ................................... 45

V RESULTADOS Y DISCUSIÓN .............................................................................................. 46

5.1 Caracterización de lecho .................................................................................................. 46

5.1.1 Pruebas preliminares de consumo energético .......................................................... 46

5.1.2 Pruebas de caracterización de lecho ........................................................................ 49

5.1.2.1 Caracterización del lecho de diámetro de 7,5 cm ............................................ 49

5.1.2.2 Caracterización del lecho de diámetro de 20 cm ............................................. 58

5.2 Determinación experimental de condiciones óptimas de proceso.......................... 66

5.2.1 Condiciones óptimas en el lecho de 7,5 cm de diámetro ..................................... 66

5.2.1.1 Determinación de la altura óptima de lecho ...................................................... 66

5.2.1.2 Resultados de las corridas experimentales ........................................................... 67

5.2.1.3 Evaluación de la remoción de saponinas ............................................................ 68

5.2.1.4 Evaluación de la pérdida de masa ....................................................................... 70

5.2.1.5 Evaluación del consumo de energía ..................................................................... 71

5.2.1.6 Tiempo óptimo de tratamiento y consumo energético del aire ..................... 72

5.2.2 Condiciones óptimas en el lecho de 20 cm de diámetro ...................................... 76

5.2.2.1 Determinación de la altura óptima de lecho ...................................................... 76

5.2.2.2 Resultados de las corridas experimentales ........................................................... 77

5.2.2.3 Evaluación de la remoción de saponinas ............................................................ 78

5.2.2.4 Evaluación de la pérdida de masa ....................................................................... 80

5.2.2.5 Evaluación del consumo de energía ..................................................................... 81

5.2.2.6 Tiempo óptimo de tratamiento y consumo energético del aire ..................... 82

5.3 Modelo de pérdida de presión del sistema de desaponificación

mediante el LFTS ................................................................................................................... 86

5.3.1 Modelamiento del lecho de 7,5 cm de diámetro .................................................... 91

5.3.2 Modelamiento del lecho de 20 cm de diámetro ..................................................... 98

5.3.3 Determinación de condiciones óptimas según el modelo .................................. 104

5.4 Discusión de los resultados obtenidos ............................................................................ 107

5.4.1 Geometría de lecho ..................................................................................................... 107

5.4.2 Condiciones de operación .......................................................................................... 108

iv

UPB © 2012

5.4.3 Resultados de las pruebas experimentales bajo condiciones óptimas ............. 110

5.4.3.1 Tiempo óptimo de tratamiento ............................................................................. 110

5.4.3.2 Pérdida de masa durante el proceso de beneficiado .................................... 111

5.4.3.3 Consumo energético del sistema ......................................................................... 111

VI DISEÑO DEL EQUIPO INDUSTRIAL .................................................................................. 113

6.1 Diseño de la distribución de boquillas ............................................................................ 116

6.2 Selección del equipo de provisión de aire ................................................................... 118

6.3 Condiciones de operación del equipo industrial ........................................................ 119

6.4 Comparación del proceso bajo nuevas condiciones óptimas ................................ 120

6.4.1 Diseño de la distribución de puntos de aireación .................................................. 120

6.4.2 Características de operación del sistema de desaponificacion en seco ......... 121

6.4.3 Equipo de provisión de aire seleccionado ............................................................... 122

6.4.4 Análisis comparativo con el proceso establecido por el CPTS ............................ 122

VII EVALUACIÓN FINANCIERA DEL PROCESO ................................................................... 124

7.1 Maquinaria y Equipo .......................................................................................................... 124

7.2 Ahorros en materia prima ................................................................................................. 125

7.3 Ahorros en energía ............................................................................................................. 126

VIII CONCLUSIONES ............................................................................................................. 127

8.1 Conclusiones ....................................................................................................................... 127

8.2 Recomendaciones ............................................................................................................. 129

IX BIBLIOGRAFÍA ................................................................................................................. 131

X ANEXOS .......................................................................................................................... 133

10.1 Características del grano de quinua ............................................................................. 133

10.1.1 Endosperma del grano ................................................................................................. 135

10.1.2 Perisperma del grano .................................................................................................... 136

10.1.3 Episperma del grano ..................................................................................................... 136

10.2 Resultados de las pruebas de caracterización de lecho

(presión y flujo de operación) .......................................................................................... 137

10.3 Resultados de la evaluación del contenido de saponinas residuales .................... 140

10.3.1 Curva de calibración descrita en la norma NB 683 ............................................... 140

10.3.2 Resultados para quinua real Blanca sin procesar .................................................. 141

10.3.3 Resultados de las corridas experimentales ............................................................... 142

10.4 Análisis estadístico .............................................................................................................. 145

10.4.1 Análisis estadístico en el lecho de 7,5 cm de diámetro ........................................ 145

10.4.2 Análisis estadístico en el lecho de 20 cm de diámetro.......................................... 148

10.5 Modelo de cálculo para el consumo energético desarrollado en

el Software EES .................................................................................................................... 152

10.6 Plano de la batería de boquillas diseñada ................................................................... 154

v

UPB © 2012

LISTA DE TABLAS

Tabla Nº 1.1 Exportaciones bolivianas de quinua real. .................................................................. 2

Tabla Nº 2.1 Características y especificaciones de la tecnología

desarrollada por el CPTS. ............................................................................................ 13

Tabla Nº 2.2 Mejoras con la implementación del proceso del CPTS. ...................................... 14

Tabla Nº 2.3 Condiciones de operación para la boquilla de 1,4 mm. .................................... 20

Tabla Nº 2.4 Condiciones de operación para la boquilla de 3,4 mm. .................................... 20

Tabla Nº 2.5 Características del beneficiado en seco del CIPI y CIAAA

bajo condiciones óptimas. ......................................................................................... 23

Tabla Nº 2.6 Características del beneficiado en seco del CIPI y CIAAA

para el lecho de 20 cm de diámetro. ...................................................................... 24

Tabla Nº 2.7 Pérdida de masa para distintos ecotipos de quinua. ........................................... 24

Tabla Nº 2.8 Pérdida de masa para distintos ecotipos de quinua. ........................................... 34

Tabla Nº 5.1 Consumo de energía eléctrica bajo distintas condiciones

de procesamiento. ....................................................................................................... 46

Tabla Nº 5.2 Condiciones de operación en función a la altura (D=7,5 cm). .......................... 49

Tabla Nº 5.3 Características del LFTS formado bajo distintas alturas

de lecho (D=7,5 cm). ................................................................................................... 53

Tabla Nº 5.4 Variación porcentual entre lechos de altura de 12,5 cm y 17,5 cm ................. 57

Tabla Nº 5.5 Comparación de condiciones de operación del presente estudio y del

estudio realizado por el CIPI y CIAAA (D=7,5 cm h=12,5 cm). ............................ 57

Tabla Nº 5.6 Condiciones de operación en función a la altura (D=20 cm). ........................... 58

Tabla Nº 5.7 Características del lecho formado bajo distintas condiciones (D=20 cm). ..... 61

Tabla Nº 5.8 Variación porcentual entre lechos de altura de 12,5 cm y 17,5 cm ................. 65

Tabla Nº 5.9 Condiciones de operación registradas (D=20 cm h=12,5 cm). .......................... 65

Tabla Nº 5.10 Potencia requerida en función de la altura (D=7,5 cm). .................................... 66

Tabla Nº 5.11 Resultados obtenidos en muestras de quinua sometidas a diferentes

condiciones de procesamiento (H=12,5 cm, D=7,5 cm). .................................... 68

Tabla Nº 5.12 Consumo de energía por el aire para distintas condiciones

de operación (H=12,5 cm, D=7,5 cm). ..................................................................... 72

vi

UPB © 2012

Tabla Nº 5.13 Análisis de Regresión para las boquillas de 1,4 y 2 mm

(H=12,5 cm, D=7,5 cm). ............................................................................................... 74

Tabla Nº 5.14 Tiempo de tratamiento requerido por distintas boquillas

(H=12,5 cm, D=7,5 cm). ............................................................................................... 75

Tabla Nº 5.15 Pérdida de masa y el consumo especifico de energía

(H=12,5 cm, D=7,5 cm). ............................................................................................ 75

Tabla Nº 5.16 Potencia requerida por el aire para distintas condiciones de

operación (D=20 cm)............................................................................................... 76


condiciones de procesamiento (H=12,5 cm D=20 cm). .................................... 78

Tabla Nº 5.18 Consumo de energía por el aire para distintas condiciones

de operación (H=12,5 cm D=20 cm). .................................................................... 81

Tabla Nº 5.19 Análisis de Regresión para las boquillas de 2,3 y 4 mm

(H=12,5 cm D=20 cm)................................................................................................ 84


(H=12,5 cm D=20 cm)................................................................................................ 84


(H=12,5 cm D=20 cm)................................................................................................ 85

Tabla Nº 5.22 Condiciones óptimas para los lechos de 7,5 y 20 cm de diámetro. ............... 85

Tabla Nº 5.23 Pérdidas de presión registradas en el sistema de

desaponificacion en seco. ...................................................................................... 87

Tabla Nº 5.24 Pérdidas de presión en la boquilla de alimentación de aire. .......................... 89

Tabla Nº 5.25 Condiciones de operación (D=7,5 cm) ................................................................ 91

Tabla Nº 5.26 Pérdidas de presión por tramos rectos, rotámetro y boquilla

(D=7,5 cm). .................................................................................................................. 92

Tabla Nº 5.27 Pérdida de presión en el lecho (D=7,5 cm) ......................................................... 93

Tabla Nº 5.28 Resultados del análisis de regresión para la pérdida de presión. ................... 94

Tabla Nº 5.29 Pérdidas de presión medida y calculada en todo el sistema. ........................ 95

Tabla Nº 5.30 Condiciones de operación (D=20 cm). ................................................................ 98

Tabla Nº 5.31 Pérdidas de presión por tramos rectos, rotámetro, boquilla y manga

recolectora (D=20 cm). ............................................................................................ 99

Tabla Nº 5.32 Pérdida de presión en el lecho (D=20 cm) ........................................................ 100

vii

UPB © 2012

Tabla Nº 5.33 Resultados del análisis de regresión para la pérdida de presión. ................. 101

Tabla Nº 5.34 Pérdidas de presión medida y calculada en todo el sistema. ...................... 102

Tabla Nº 5.35 Diámetro y altura de lecho óptimos para la boquilla de 3,0 mm ................. 105

Tabla Nº 5.36 Diámetro y altura de lecho óptimos para la boquilla de 3,0 mm ................. 106

Tabla Nº 5.37 Análisis comparativo de la geometría establecida en la

fase de laboratorio .................................................................................................. 107

Tabla Nº 5.38 Análisis comparativo de las condiciones óptimas registradas

en la fase de laboratorio. ....................................................................................... 109

Tabla Nº 5.39 Análisis comparativo para la pérdida de masa ................................................ 111

Tabla Nº 6.1 Condiciones de operación óptimas determinadas en la

fase de laboratorio. ................................................................................................. 113

Tabla Nº 6.2 Características del aparato a nivel industrial. ................................................... 119

Tabla Nº 6.3 Análisis comparativo de la distribución de puntos de aireación .................. 120

Tabla Nº 6.4 Análisis comparativo de las características del equipo

de desaponificacion ............................................................................................... 121

Tabla Nº 6.5 Comparación del proceso del CPTS con el proceso de beneficiado

en seco bajo nuevas condiciones óptimas. ...................................................... 123

Tabla Nº 7.1 Maquinaria y Equipo requerido. ............................................................................ 124

Tabla Nº 7.2 Pérdidas anuales de materia prima en el beneficiado de quinua. ............... 125

Tabla Nº 7.3 Ahorro en costos de energía eléctrica. ............................................................... 126

Tabla Nº 10.1 Contenido de aminoácidos en los grano

(mg de amino ácido/16 g de nitrógeno). .......................................................... 133

Tabla Nº 10.2 Contenido de vitaminas de la quinua y otros vegetales ................................ 134

Tabla Nº 10.3 Características de la semilla de algunas variedades de quinua .................. 134

Tabla Nº 10.4 Presión y flujo de operación registrados en laboratorio (D = 7,5 cm). .......... 137

Tabla Nº 10.5 Presión y flujo de operación registrados en laboratorio (D = 7,5 cm). .......... 138

Tabla Nº 10.6 Valores obtenidos para la construcción de la curva de calibración........... 140

Tabla Nº 10.7 Resultados para quinua real Blanca de Uyuni sin procesar. .......................... 141

Tabla Nº 10.8 Resultados de las pruebas realizadas por el método de la espuma

(D=7,5 cm H=12,5 cm). ........................................................................................... 142


(D=20 cm H=12,5 cm).............................................................................................. 144

viii

UPB © 2012

Tabla Nº 10.10 Análisis ANOVA para el contenido residual de saponinas

(H=12,5 cm D=7,5 cm)............................................................................................. 145

Tabla Nº 10.11 Análisis ANOVA para la pérdida de masa (H=12,5 cm D=7,5 cm) ................ 146

Tabla Nº 10.12 Análisis ANOVA para el consumo específico de energía

(H=12,5 cm D=7,5 cm)............................................................................................. 147


(H=12,5 cm D=20 cm) .............................................................................................. 148

Tabla Nº 10.14 Análisis ANOVA para la pérdida de masa (H=12,5 cm D=20 cm) ................. 149


(H=12,5 cm D=20 cm) .............................................................................................. 150

ix

UPB © 2012

LISTA DE FIGURAS

Figura Nº 1.1 Proceso convencional de beneficiado de quinua. ............................................... 3

Figura Nº 1.2 Proceso de beneficiado propuesto por el CIPI y CIAAA. ...................................... 5

Figura Nº 2.1 Clasificador y venteador de grano propuesto por el CPTS. ............................... 11

Figura Nº 2.2 Despedregador, lavador, enjuagador y centrifugador

propuesto por el CPTS.................................................................................................. 12

Figura Nº 2.3 Generador de aire caliente y mesa de secado propuesto por el CPTS. .......... 13

Figura Nº 2.4 Esquema de un lecho fluidizado tipo surtidor (LFTS). ............................................. 17

Figura Nº 2.5 Tipos de lecho fluidizado según la geometría. ....................................................... 18

Figura Nº 2.6 Reactor de lecho fluidizado de tipo surtidor. .......................................................... 19

Figura Nº 2.7 Micrografía SEM de un grano de Quinua Real Blanca

beneficiada en seco. .................................................................................................. 21

Figura Nº 2.8 Micrografía SEM quinua Real Rosada de Uyuni, 30 minutos


Figura Nº 2.9 Micrografía SEM quinua Real Rosada de Uyuni, 60 minutos


Figura Nº 2.10 Comportamiento de la cinética de pérdidas de masa. .................................... 25

Figura Nº 2.11 Vistas del reactor propuesto por el CIPI. ................................................................ 26

Figura Nº 2.12 Vista tridimensional del reactor propuesto por el CIPI. ....................................... 27

Figura Nº 2.13 Compresor de Tornillo. ............................................................................................... 27

Figura Nº 2.14 Esquema de un rotámetro. ....................................................................................... 29

Figura Nº 2.15 Ensanchamiento brusco en un conducto ............................................................. 30

Figura Nº 2.16 Reducción brusca en un conducto ....................................................................... 31

Figura Nº 4.1 Equipo experimental con todos los elementos. ................................................... 40

Figura Nº 5.1 Comportamiento del consumo eléctrico (D=7,5cm).......................................... 47

Figura Nº 5.2 Comportamiento del consumo eléctrico (D=20 cm).......................................... 48

Figura Nº 5.3 Presión de operación en función a la altura de lecho (D=7,5 cm). ................ 50

Figura Nº 5.4 Flujo estándar de operación en función a la altura

de lecho (D=7,5 cm). ................................................................................................ 51

Figura Nº 5.5 Velocidad lineal de aire función de la altura de lecho (D=7,5 cm). .............. 51

Figura Nº 5.6 Flujo másico de aire por unidad de área transversal de lecho en

función de la altura de lecho (D=7,5 cm). ........................................................... 52

Figura Nº 5.7 Comportamiento del surtidor generado (D=7,5 cm h=12,5 cm). .................... 55

x

UPB © 2012

Figura Nº 5.8 Comportamiento del surtidor generado (D=7,5 cm h=12,5cm). ..................... 55

Figura Nº 5.9 Comportamiento del surtidor (D=7,5 cm h=15,0cm). ......................................... 56

Figura Nº 5.10 Comportamiento del surtidor generado (D=7,5 cm h=15,0cm). ...................... 56

Figura Nº 5.11 Presión de operación en función a la altura de lecho (D=20 cm)................... 59

Figura Nº 5.12 Flujo estándar de operación en función a la altura de lecho (D=20 cm). ..... 59

Figura Nº 5.13 Velocidad lineal de aire función de la altura de lecho (D=20 cm). ................ 60

Figura Nº 5.14 Flujo másico de aire por unidad de área transversal de lecho

en función de la altura de lecho (D=20 cm). ...................................................... 61

Figura Nº 5.15 Comportamiento del surtidor generado (D=20 cm h=12,5 cm). ...................... 63



Figura Nº 5.18 Potencia especifica experimental en función de la altura

de lecho(D=7,5 cm) .................................................................................................. 67

Figura Nº 5.19 Contenido de saponinas residuales en función del tiempo de

tratamiento (H=12,5 cm, D=7,5 cm). ...................................................................... 69

Figura Nº 5.20 Porcentaje de remoción de saponina en función del tiempo de

tratamiento (H=12,5 cm, D=7,5 cm). ...................................................................... 70

Figura Nº 5.21 Pérdida de masa en función al tiempo de tratamiento

(H=12,5 cm, D=7,5 cm). ............................................................................................ 71

Figura Nº 5.22 Análisis del tiempo óptimo para la boquilla de 1,4 mm

(H=12,5 cm, D=7,5 cm). ............................................................................................ 73


(H=12,5 cm, D=7,5 cm). ............................................................................................ 74

Figura Nº 5.24 Potencia especifica experimental en función de la altura

de lecho (D=20 cm) .................................................................................................. 77

Figura Nº 5.25 Contenido de saponina residual en función del tiempo de

tratamiento (H=12,5 cm D=20 cm). ........................................................................ 79

Figura Nº 5.26 Porcentaje de remoción de saponina en función al tiempo de

tratamiento (H=12,5 cm D=20 cm). ........................................................................ 79


(H=12,5 cm D=20 cm)................................................................................................ 80

xi

UPB © 2012


(H=12,5 cm D=20 cm)................................................................................................ 82


(H=12,5 cm D=20 cm)................................................................................................ 83


(H=12,5 cm D=20 cm)................................................................................................ 83

Figura Nº 5.31 Diagrama del equipo de desaponificación en seco. ........................................ 86

Figura Nº 5.32 Vista en corte de la boquilla empleada. ............................................................... 88

Figura Nº 5.33 Curva de regresión para el modelo de pérdidas de presión

en el lecho (D=7,5 cm). ............................................................................................ 94

Figura Nº 5.34 Comparación entre la pérdida de presión medida y calculada

(D=7,5 cm, boquilla de 1,4 mm) ............................................................................. 96







Figura Nº 5.38 Curva de regresión para el modelo de pérdidas de presión

en el lecho (D=20 cm). ........................................................................................... 101


(D=20 cm, boquilla de 2,0 mm) ............................................................................ 103





Figura Nº 5.42 Altura y diámetro de lecho óptimos (Boquilla de 2,0 mm) ............................. 105

Figura Nº 5.43 Altura y diámetro de lecho óptimos (Boquilla de 3,0 mm) ............................. 106

Figura Nº 6.1 Balance de masa para el proceso de beneficiado bajo

condiciones óptimas. .............................................................................................. 115

Figura Nº 6.2 Geometría del volumen de influencia por punto de aireación. ................... 116

Figura Nº 6.3 Vista Isométrica de la batería de boquillas diseñada. .................................... 117

Figura Nº 6.4 Equipo para la provisión de aire en el sistema fluidizado. .............................. 118

Figura Nº 10.1 Micrografía SEM de la quinua Blanca Real ........................................................ 135

Figura Nº 10.2 Estructura del Episperma y Perisperma ............................................................... 136

xii

UPB © 2012

Figura Nº 10.3 Curva de calibración para el método de la espuma. .................................... 141

Figura Nº 10.4 Valores residuales de la concentración de saponinas residuales

(H=12,5 cm D=7,5 cm)............................................................................................. 146

Figura Nº 10.5 Valores residuales de la pérdida de masa (H=12,5 cm D=7,5 cm) ............... 147

Figura Nº 10.6 Valores residuales del consumo específico de energía

(H=12,5 cm D=7,5 cm)............................................................................................. 148


(H=12,5 cm D=20 cm) .............................................................................................. 149

Figura Nº 10.8 Valores residuales de la pérdida de masa (H=12,5 cm D=20 cm) ................ 150

Figura Nº 10.9 Valores residuales del consumo específico de energía

(H=12,5 cm D=7,5 cm)............................................................................................. 151

xiii

UPB © 2012

RESUMEN EJECUTIVO

La tecnología de beneficiado de quinua en seco, desarrollada por el Centro de

Investigación en Procesos Industriales (CIPI) y el Centro de Investigaciones Agrícolas y

Agroindustriales Andinas (CIAAA) de la UPB, presenta varias ventajas frente a los procesos

disponibles actualmente. Esta tecnología no consume agua, no usa fuentes de energía no

renovable, como el GLP y no genera efluentes contaminados con saponinas. Sin

embargo, su consumo energético es muy elevado y hace que sea menos competitiva

frente a procesos convencionales de beneficiado, como el desarrollado por el Centro de

Promoción de Tecnologías Sostenibles (CPTS).

Se realizaron pruebas de laboratorio con el objetivo de caracterizar el comportamiento

del lecho fluidizado, cubriendo un espectro más amplio que el analizado inicialmente por

el CIPI y CIAAA, en cuanto al diámetro de la entrada de aire.

Se definió como nivel de saponinas mínimo a alcanzar en el proceso, 0,01 % de saponinas

residuales en los granos tratados. Se establecieron condiciones óptimas de diámetro de

lecho, altura de lecho, diámetro de boquilla y tiempo de tratamiento para alcanzar este

nivel de calidad del producto y, a la vez, disminuir en la mayor medida posible el

consumo de energía del sistema.

Las dimensiones óptimas de lecho son: diámetro de 20 cm y altura de 12,5 cm, bajo una

corriente de aire provista por una boquilla de 3,0 mm de diámetro interno. Bajo estas

características, se registró una presión manométrica de operación de 1,2 bares y un flujo

estándar de aire de 145 Lmin-1. El consumo energético en el sistema de laboratorio es de

0,3295 kWhkg-1 de quinua. Este valor representa una reducción del 46,9 % frente al

consumo registrado inicialmente por el CIPI y el CIAAA.

Se realizó el diseño de una batería de boquillas a nivel industrial, para cubrir un nivel de

producción de 4600 kg diarios de quinua. La batería cuenta con 140 puntos de aireación,

con distancia entre ejes de 20 cm y altura de lecho de 12,5 cm. Las mismas están

dispuestas en un arreglo rectangular de 1,4 m de ancho y 4 m de largo.

Con las nuevas condiciones óptimas determinadas en laboratorio, se logró disminuir el

consumo de energía del proceso de beneficiado a nivel industrial hasta 227 kWh/TM de

quinua procesada. Este valor es 30,2 % menor al consumo registrado por los centros de

investigación de la UPB, pero, todavía 51,3 % mayor al consumo repostado por el CPTS.

1

UPB © 2012

I INTRODUCCIÓN

1.1 Antecedentes

La quinua (Chenopodium quinoa Willd.) es un pseudocereal con propiedades

nutricionales importantes, ya que posee en promedio 14,6 % y 5,6 % de proteína y lípidos

respectivamente. Es rica en ácidos grasos esenciales como el ácido linoleico, γ-linolénico

y antioxidantes como α-tocoferol y γ-tocoferol. Contiene almidón y minerales como

calcio, fósforo y hierro, además un nivel medio de carbohidratos del 61% [1].

La quinua presenta una gran diversidad genética. Es la planta andina que muestra la

mayor distribución de formas, diversidad de genotipos y de progenitores silvestres [2]. En el

Anexo 10.1 se describen las características de la semilla de algunas variedades de quinua

de manera detallada.

En este pseudocereal se pueden identificar tres partes:

Endosperma (constituido por cotiledones y radícula).

Perisperma (constituido por los granos de almidón).

Episperma (capas externas que recubren a la semilla).

Según estudios realizados, el episperma tiene las siguientes características [3]:

Una primera capa externa rugosa, quebradiza y seca. Esta capa puede ser

parcialmente removida por métodos abrasivos y lavados con agua fría.

Una segunda capa lisa, lustrosa, sin poros, con algunas huellas de la rugosidad

vista en la primera membrana. Esta capa solo puede ser removida después de un

proceso de calentamiento prolongado.

Una tercera capa delgada ligeramente amarillenta y opaca.

Una cuarta capa delgada, translucida que cubre el embrión, formada por una

sola hilera de células de pared gruesa y sin núcleo, unida a un perisperma

compacto con ausencia de espacios de aire.

Muchas variedades de quinua, incluyendo todas los que actualmente poseen interés

comercial, contienen entre 0,6 y 3,0 % de saponinas en el episperma del grano [4]. Las

saponinas incluyen compuestos orgánicos que le otorgan al grano un sabor amargo no

deseado para el consumo, por lo que deben ser eliminadas antes de su comercialización.

2

UPB © 2012

Durante los últimos años la quinua real, una variedad que se cultiva únicamente en el

territorio boliviano, ha tomado gran interés en mercados internacionales debido a sus

excelentes propiedades nutricionales. Dentro de los ecotipos de quinua real, los de mayor

importancia para la comercialización son: quinua real Blanca, Amarrilla y Rosada. Estos

ecotipos se cultivan en el altiplano boliviano.

La demanda de la quinua real ha crecido exponencialmente en los últimos diez años [5],

especialmente en mercados internacionales donde se tiene gran interés en productos

orgánicos y saludables. La Tabla Nº 1.1 muestra las exportaciones de quinua real desde el

año 1999.

Tabla Nº 1.1 Exportaciones bolivianas de quinua real.

Año Peso Neto

[TM]

Valor FOB

Millones de $US

Precio

[$US/TM]

1 999 2 030 2,73 1 343

2 000 1 431 1,80 1 259

2 001 2 123 2,41 1 136

2 002 2 019 2,33 1 153

2 003 2 802 3,09 1 101

2 004 3 868 4,41 1 140

2 005 4 826 5,57 1 155

2 006 7 645 8,91 1 166

2 007 10 456 13,11 1 254

2 008 10 311 23,03 2 233

2 009 14 376 43,16 3 002

2 010 15 401 46,65 3 029

2 011 18 368 58,11 3 164

Fuente: [5]

Se ha comprobado la inviabilidad de desarrollar la producción de quinua mediante el

cultivo de variedades libres de saponinas, debido a que estas constituyen un mecanismo

de defensa del grano ante parásitos externos durante la etapa de cultivo [4].

Por tanto, el consumo local y la comercialización de los granos de quinua, dependen de

un proceso de beneficiado, que elimine las saponinas contenidas en las capas exteriores

de los granos, así como varios tipos de impurezas presentes.

3

UPB © 2012

Los principales productores de quinua real en Bolivia se encuentran en los departamentos

de Oruro y Potosí. Las empresas beneficiadoras del grano utilizan sistemas convencionales

de desaponificación de quinua. La Figura Nº 1.1 muestra las etapas del proceso

convencional de beneficiado.

Figura Nº 1.1 Proceso convencional de beneficiado de quinua.

Fuente: [6]

En estos procesos, los granos de quinua se someten a una clasificación preliminar, con el

objetivo de eliminar todas las impurezas presentes como ser pequeñas piedras o ramas.

Posteriormente, se realiza la remoción parcial del episperma mediante la escarificación.

La quinua se lava y se centrifuga para remover mayor cantidad de saponinas presentes

en el grano. Seguidamente, el grano se seca hasta un porcentaje específico de

4

UPB © 2012

humedad, luego se realiza una clasificación final para eliminar todas las impurezas que

no hayan sido eliminadas durante el proceso. Finalmente, la quinua se envasa.

Dentro de los métodos convencionales, el más destacado es el proceso desarrollado por

el Centro de Promoción de Tecnologías Sostenibles (CPTS), el cual permite ahorros de

agua y energía. El proceso ha sido adoptado por beneficiadoras de tamaño

relativamente grande [7]. Si bien este proceso representa ventajas frente a otros métodos

de desaponificacion de tipo convencional, aun presenta desventajas:

Alto consumo de agua durante el proceso de beneficiado (5 m3 / TM de producto

procesado).

Alto consumo de gas licuado de petróleo durante la etapa de secado (10 kg

GLP/TM de producto bruto procesado).

Inviabilidad económica de recuperar todo el polvo de saponinas, que es un

componente de alto valor.

Alto consumo de energía, que asciende a 150 kWh/TM de producto procesado en

los sistemas de limpieza por vía húmeda, vía seca y secado (debido

principalmente al uso de GLP durante la etapa de secado y en menor medida

debido al consumo de energía eléctrica).

Estas desventajas sitúan a las empresas beneficiadoras de quinua en posiciones poco

competitivas debido a los elevados costos de operación, elevado uso de recursos escasos

(agua y energía) y la pérdida de entre 15 y 30% de polvos de alto contenido de saponinas

[7], los cuales son materia prima para la elaboración de productos de alto valor

agregado, principalmente en la industria farmacéutica.

Por otro lado, la generación de aguas altamente contaminadas con saponinas, en

empresas que no utilizan el sistema de beneficiado desarrollado por el CPTS, hace que

estas no cumplan normas establecidas en reglamentos como el Reglamento Ambiental

para el Sector Industrial Manufacturero (RASIM) y el Reglamento de Contaminación

Hídrica de la Ley del Medio Ambiente (Ley 1333).

Para superar estas dificultades, el Centro de Investigación en Procesos Industriales (CIPI) y

el Centro de Investigaciones Agrícolas y Agroindustriales Andinas (CIAAA) de la

Universidad Privada Boliviana (UPB), desarrollaron un sistema de remoción de saponinas en

seco mediante la aplicación de un lecho fluidizado de tipo surtidor (LFTS). La tecnología

propuesta representa una serie de ventajas frente a los sistemas convencionales descritos.

5

UPB © 2012

En un LFTS, los granos de quinua, previamente seleccionados y limpiados, se fluidizan

mediante una corriente regulada de aire, generando un lecho en el que:

La fricción y choques continuos entre partículas permite la remoción de las capas

externas del episperma de alto contenido de saponinas, bajo la forma de un polvo

fino.

La pérdida de nutrientes se minimiza debido a la abrasión controlada entre

partículas.

La recuperación de saponinas a través de un ciclón es total.

Se evita la contaminación de aguas.

La Figura Nº 1.2 muestra las etapas del proceso propuesto por los centros de investigación

de la UPB para el beneficiado en seco de variedades amargas de quinua.

Figura Nº 1.2 Proceso de beneficiado propuesto por el CIPI y CIAAA.

Fuente: [6]

6

UPB © 2012

El proyecto realizado por los centros de investigación de la UPB, logró determinar las

condiciones de operación y geometría óptimas para la desaponificación de distintos

ecotipos de quinua real: Toledo Salinas de García Mendoza, Blanca de Uyuni, Blanca de

Salinas de García Mendoza, Amarilla de Uyuni y Rosada de Uyuni.

Los resultados del estudio realizado fueron buenos. Se lograron determinar las condiciones

de flujo de aire, presión de operación, altura y diámetro de lecho, para la mayor

remoción de saponinas de la quinua, sin afectar sus propiedades nutricionales, dado un

tiempo de operación fijo de 30 minutos.

El proceso desarrollado mostró una clara ventaja en cuanto al uso de recursos hídricos.

Además, permite la recuperación de polvos de alto contenido de saponinas, que es una

ventaja importante frente a los métodos convencionales.

El sistema propuesto, bajo condiciones óptimas de operación permite reducir los niveles

de saponinas en el grano de quinua hasta valores de 0 a 0,02 % [7].

1.2 Descripción del problema

Los resultados obtenidos en el estudio realizado por los centros de investigación de la UPB,

mostraron que el consumo de energía en el sistema de beneficiado de quinua en seco es

mayor al registrado en el proceso desarrollado por el CPTS, incluida la etapa de secado

de los granos.

En la fase de laboratorio, el consumo energético por unidad de masa registrado por el

CIPI y el CIAAA, fue elevado debido a la baja eficiencia del compresor de aire utilizado.

Se registraron consumos de 1,259 kWh/kg en los reactores de sección circular y de 0,621

kWh/kg en el prototipo piloto [7].

En el proyecto a nivel industrial, los centros de investigación, registraron un consumo de

325 kWh/TM de producto procesado. El consumo energético registrado por el CPTS es de

150 kWh/TM de quinua procesada (130 kWh/TM en la etapa de secado y 20 kWh/TM

como consumo de energía eléctrica) [8].

Los valores registrados dejan en evidencia la necesidad de analizar el proceso desde el

punto de vista de uso de energía. Se deben establecer condiciones de operación que

permitan disminuir el mismo a niveles similares o inferiores a los registrados por el CPTS.

Además, se espera obtener granos de quinua con un nivel de saponinas y calidad

7

UPB © 2012

nutricional que sean competitivos frente a los registrados por el proceso del CPTS (0,01 %

saponinas residuales en el grano procesado).

En el estudio realizado por el CIPI y el CIAAA, se determinaron condiciones bajo las cuales

el consumo de energía disminuye. Sin embargo, la remoción de saponinas no era efectiva

bajo dichas condiciones, pues no se alcanzaban los valores comerciales requeridos.

Con el objetivo de determinar las condiciones de geometría de lecho y de operación, los

centros de investigación, realizaron pruebas en columnas de vidrio cilindro-cónicos que

contenían el lecho de quinua a ser fluidizado. Las variables que tomaron en cuenta

fueron:

Ecotipo de quinua.

Diámetro de lecho (7,5 cm y 20 cm).

Altura de lecho (7,5 cm y 12,5 cm).

Diámetro de boquilla para la entrada de aire (1,4 y 3,4 mm).

Como variables dependientes, se analizaron el contenido de saponinas en el grano

tratado, el contenido de proteína, el contenido de materia grasa, la pérdida de masa y el

consumo energético. Sin embargo, el sistema de remoción de saponinas se analizó

manteniendo un tiempo de tratamiento fijo de 30 minutos bajo el cual se supuso que los

granos tratados alcanzaban los niveles de calidad requeridos comercialmente.

Las condiciones óptimas establecidas fueron:

Diámetro de lecho de 7,5 cm.

Altura de lecho de 12,5 cm.

Diámetro de boquilla de 1,4 mm.

Bajo estas condiciones, se observaron consumos energéticos altos principalmente debido

a que la carga de quinua tratada era pequeña y que el tiempo de 30 minutos era mayor

al necesario en el reactor de 7,5 cm de diámetro.

En el reactor de diámetro de 20 cm se contaron con consumos energéticos menores, pero

el nivel de saponinas alcanzado en 30 minutos no cumplía los niveles de comparación

establecidos (0,01 % de contenido de saponinas residuales como valor reportado en el

proceso desarrollado por el CPTS). Sin embargo, incrementando el tiempo de tratamiento

8

UPB © 2012

en este sistema es posible generar granos que cumplan los estándares requeridos y

disminuir el consumo específico de energía.

En el presente estudio se analizó el sistema de beneficiado en seco para cada diámetro

de lecho por separado, pues el tiempo de operación, que es la nueva variable

independiente que se incluye, es diferente para cada lecho.

El ecotipo de quinua no se tomó en cuenta como variable independiente, pues para

todas las pruebas realizadas se utilizó quinua real Blanca de Uyuni como materia prima.

Se determinó el tiempo óptimo de tratamiento para cada geometría de lecho, se

comparó el consumo energético y calidad del grano tratado. Además, se estableció la

geometría óptima, junto con las condiciones de operación del sistema.

Los niveles que se consideraron para cada variable dependieron del diámetro de lecho

en el que se trataron los granos de quinua, para el reactor cilindro-cónico de 7,5 cm de

diámetro interno los niveles fueron:

Altura de lecho: 7,5 cm, 10 cm, 12,5 cm, 15 cm y 17,5 cm.

Diámetro de boquilla: 1,4 mm, 2 mm, 3 mm y 4 mm.

Tiempo de tratamiento: 5 min, 10 min, 15 min, 20 min y 25 min.

Para el reactor de 20 cm de diámetro se consideraron:

Altura de lecho: 7,5 cm, 10 cm, 12,5 cm, 15 cm y 17,5 cm.

Diámetro de boquilla: 2 mm, 3 mm y 4 mm.

Tiempo de tratamiento: 30 min, 40 min, 50 min y 60 min.

Además, se estudiaron de manera cualitativa las características del lecho generado y el

comportamiento de los granos de quinua fluidizados, bajo distintas condiciones de

operación establecidas.

Las variables dependientes que se consideraron en este estudio son el contenido residual

de saponinas en el grano procesado, la pérdida de masa y el consumo energético. El

contenido de proteína y materia grasa en el producto no se analizaron, debido a que los

resultados obtenidos inicialmente por el CIPI y el CIAAA, mostraron que el proceso de

beneficiado en seco no afecta de manera significativa estas características [7].

9

UPB © 2012

1.3 Justificación del Trabajo

Los métodos convencionales de beneficiado de quinua aplicados actualmente

presentan altos costos de operación debido al uso elevado de recursos escasos como

agua y energía, además generan gran cantidad de aguas residuales altamente

contaminadas con saponinas. El proceso desarrollado por el CPTS, todavía presenta

consumo elevado de agua (5 m3/TM de quinua procesada) y de GLP durante el proceso

de secado (10 kg GLP/TM de quinua procesada).

Debido al incremento de la demanda de quinua a nivel internacional, se hace necesario

el mejorar o sustituir los procesos de beneficiado de quinua que se utilizan actualmente en

Bolivia.

El proceso de desaponificacion en seco mediante la aplicación de un lecho fluidizado de

tipo surtidor desarrollado por los centros de investigación de la UPB, muestra fuertes

ventajas en cuanto al uso de agua, contenido de saponinas en el grano tratado y

recuperación de los polvos de saponinas. Sin embargo, el consumo de energía es muy

elevado. Para que la tecnología sea competitiva y pueda ser implementada a nivel

industrial, es necesario determinar nuevas condiciones de operación óptimas,

considerando el consumo de energía como variable dependiente y determinante dentro

del proceso.

Para determinar estas condiciones, se deben realizar pruebas de caracterización en

laboratorio. La evaluación de condiciones de operación como diámetro de lecho, altura

de lecho, diámetro de boquilla y tiempo de operación, permitirá realizar el análisis para

establecer condiciones bajo las cuales se alcance una calidad nutricional aceptable del

grano y el consumo de energía en el sistema se disminuya.

Los resultados que se planean obtener, acerca del consumo de energía en el sistema, son

importantes para el proyecto, pues brindan una nueva posibilidad en el desarrollo del

mismo.

El impacto directo del proyecto será, el contar con una alternativa que no solo sea mejor

que los métodos convencionales de beneficiado de la quinua, la propuesta de TFG es

una mejora de la tecnología desarrollada por el CIPI y el CIAAA.

10

UPB © 2012

1.4 Delimitación del Trabajo Final de Grado

El presente estudio, contempla el análisis del beneficiado de quinua mediante la

aplicación de un LFTS, únicamente para el ecotipo de quinua real Blanca de Uyuni. Los

ecotipos Amarilla y rosada de Uyuni no fueron analizados debido a la falta de materia

prima para la realización de corridas experimentales.

Las pruebas experimentales se realizaron en reactores cilindro-cónicos de diámetros de 7,5

y 20 centímetros, el estudio de lechos de diámetros distintos no se realizo debido a la falta

de equipo experimental.

El tamaño de la entrada de aire al lecho de quinua, tuvo un diámetro máximo de 5

milímetros, debido a las características de construcción de los reactores cilindro-cónicos

empleados y a la capacidad del compresor de aire utilizado.

Tomando como base los resultados obtenidos por el CIPI y el CIAAA, se realizó un análisis

comparativo del proceso de beneficiado bajo las condiciones propuestas por los centros

de investigación de la UPB y las condiciones propuestas en el presente estudio.

Los resultados obtenidos en el presente trabajo son una propuesta de mejora a los

resultados obtenidos inicialmente por los centros de investigación de la UPB (CIPI y

CIAAA).

11

UPB © 2012

II MARCO TEÓRICO

2.1 Proceso de beneficiado de quinua desarrollado por el CPTS

El sistema de beneficiado del grano de quinua en bruto desarrollado por Centro de

Promoción de Tecnologías Sostenibles está constituido por tres sistemas [8]:

2.1.1 Sistema de limpieza por vía seca

Este sistema cumple la función de eliminar las impurezas cuyo tamaño es ligeramente

mayor y menor que el del grano de quinua, eliminar un alto porcentaje del episperma del

grano y eliminar un alto porcentaje de pajilla, ramitas y material celulósico similar [8].

El sistema está constituido por:

Un clasificador preliminar y venteador de grano que opera con una turbina de

aire.

Un escarificador de grano de quinua, que opera con una turbina de aire.

Un clasificador selectivo y venteador de grano, que opera con una turbina de aire.

La Figura Nº 2.1 muestra los elementos mencionados anteriormente.

Figura Nº 2.1 Clasificador y venteador de grano propuesto por el CPTS.

Fuente: [8]

12

UPB © 2012

2.1.2 Sistema de limpieza por vía húmeda

Este cumple la función de eliminar las saponinas remanentes en el grano de quinua, así

como toda posible piedrecilla que no haya sido eliminada por la vía seca.

El sistema está constituido por:

Un despedregador de piedrecilla de alta densidad.

Un lavador.

Un despedregador de piedrecilla de baja densidad.

Un enjuagador.

Un centrifugador.

Todos los componentes forman parte de una solo maquina operada con un motor

eléctrico de baja potencia. La Figura Nº 2.2 muestra la maquina formada por los

componentes mencionados anteriormente.

Figura Nº 2.2 Despedregador, lavador, enjuagador y centrifugador propuesto por el CPTS.

Fuente: [8]

2.1.3 Sistema de secado de grano húmedo

Este está constituido por cuatro unidades, cada una de las cuales consta de un

generador de aire caliente, que opera con un circuito electrónico de control y con una

turbina de aire, y una mesa de secado [8]. La Figura Nº 2.3 muestra estos elementos.

13

UPB © 2012

Figura Nº 2.3 Generador de aire caliente y mesa de secado propuesto por el CPTS.

Fuente: [8]

La Tabla Nº 2.1 muestra las especificaciones del proceso desarrollado por el CPTS.

Tabla Nº 2.1 Características y especificaciones de la tecnología desarrollada por el CPTS.

Característica Especificación

Capacidad de procesamiento de grano de quinua [TM de quinua / hora] 0,66

Pérdida total de materia prima [%] 6,4

Recuperación de episperma [%] 85 a 95

Potencia eléctrica instalada [kVA] 15,3

Potencia eléctrica real demandada [kW] 13,2

Consumo especifico de energía eléctrica [kWh / TM de quinua] 20,0

Consumo especifico de agua [m3 agua / TM de quinua] 5,0

Consumo especifico de GLP [kg GLP / TM de quinua] 10,0

Fuente: [8]

14

UPB © 2012

El proceso desarrollado por el CPTS, muestra una serie de ventajas en cuanto a los

sistemas tradicionales de beneficiado de quinua. Para mostrar estas ventajas se muestran

los cambios y mejoras que ha sufrido una empresa beneficiadora después de la

implementación de este sistema.

La Tabla Nº 2.2 muestra las ventajas del proceso desarrollado por el CPTS frente a los

procesos tradicionales de beneficiado de quinua que se manejaba. Se comparan

volúmenes de producción, perdida de materia prima, recuperación de polvos de

saponinas, consumos específicos de energía eléctrica, GLP y agua por unidad de

producción.

Tabla Nº 2.2 Mejoras con la implementación del proceso del CPTS.

Característica

Situación

Diferencia Anterior

(Tradicional)

Actual

(CPTS)

Capacidad de beneficiado de grano de quinua

[TM quinua/hora] 0,09 0,66 0,57 (800%)

Rendimiento Global del Beneficiado del grano de

quinua

[Grano beneficiado y envasado/grano en bruto]

0,918 0,936 0,018 (0,18%)

Recuperación de polvo de saponinas

[TM/año] 0,0 19,5 19,5

Potencia eléctrica de la tecnología reemplazada

[kVA] 31,5 15,3 16,2 (51 %)

Consumo específico de energía eléctrica

[kWh/TM de quinua] 101,6 20,0 81,6 (80%)

Consumo específico de agua

[ m3/TM de quinua] 14,0 5,0 9,0 (64%)

Consumo especifico de GLP

[kg de GLP/TM de quinua] 30,0 10,0 20,0 (67%)

Fuente: [8]

15

UPB © 2012

2.2 Lechos fluidizados

2.2.1 Principios de la fluidización

La fluidización se refiere al proceso por el cual se imparte a partículas sólidas granulares

un estado semejante al de un fluido, mediante la aplicación de fuerzas externas

apropiadas [9].

En un lecho de partículas fijo, la percolación en direccion ascendente de un gas o un

líquido a baja velocidad no produce movimiento de las partículas. El fluido percola por los

huecos del lecho perdiendo presión.

Si se aumenta progresivamente la velocidad del fluido, aumenta la caída de presión y el

rozamiento sobre las partículas individuales. Se alcanza un punto en el que las partículas

no permanecen estacionarias por más tiempo, sino que comienzan a moverse y quedan

suspendidas en el fluido, es decir, se fluidizan por la acción del líquido o el gas [10].

Al valor de la velocidad superficial necesaria para que se inicie la fluidización se le

denomina velocidad mínima de fluidización. Posteriores aumentos de la velocidad hacen

que las partículas se separen aún más unas de otras, permaneciendo la diferencia de

presiones aproximadamente igual al peso por unidad de área del lecho.

La fluidización uniforme se obtiene únicamente a velocidades relativamente bajas. A

velocidades elevadas se forman dos fases separadas: la fase continua se denomina fase

densa o de emulsión, y a la discontinua, fase ligera o de burbujas, se dice entonces que la

fluidización es de agregación. El lecho toma el aspecto de un líquido en ebullición, se

observa que los sólidos se mueven vigorosamente y ascienden rápidamente grandes

burbujas a través del lecho [9].

El fluido a alta velocidad pasa a través del lecho en forma de burbujas. Así, al aumentar el

flujo del gas, la velocidad relativa a las partículas en la fase densa puede no variar

apreciablemente. El flujo relativo a las partículas puede continuar siendo laminar incluso a

velocidades globales de flujo muy elevadas. Si la velocidad de paso del gas es alta, y el

lecho es profundo, tiene lugar la coalescencia de las burbujas, y en un recipiente estrecho

el lecho puede fraccionarse.

Cuando la velocidad aumenta más el lecho llega a ser menos denso y finalmente las

partículas pueden ser arrastradas. Esta velocidad máxima permisible es la velocidad

16

UPB © 2012

terminal. A esta velocidad, la resistencia por rozamiento, ejercida en una partícula aislada

por el fluido ascendente, se iguala a la fuerza de gravedad [9].

Para describir el comportamiento del lecho relleno se utilizan principalmente las siguientes

magnitudes:

Porosidad del lecho: Es la relación entre el volumen de huecos del lecho y el

volumen total del mismo

Esfericidad de las partículas del lecho: Es la medida más adecuada para el

tratamiento de lechos formados por partículas no esféricas.

Tamaño de la partícula: Esta dado por el diámetro de las partículas en caso de

que estas sean esféricas y para partículas no esféricas está dado por el diámetro

equivalente de la partícula.

2.2.2 Lechos fluidizados de tipo surtidor (LFTS)

Los lechos fluidizados de tipo surtidor son un tipo especial de lecho fluidizado. La

característica principal de estos sistemas es que el área de sección transversal varía en

función a la altura de lecho. Este tipo de sistemas, aseguran un excelente nivel de mezcla

de las partículas que están siendo fluidizadas.

Al igual que la tecnología de fluidización convencional, los LFTS pueden ser aplicados en

procesos de mezclado de sólidos, transferencia de masa, transferencia de calor, secado y

enfriamiento. Estudios previos sobre el tema [11] sostienen que, gracias a la estructura

especial de estos sistemas, el nivel de mezcla de las partículas en el lecho es mayor que

para los lechos fluidizados comunes.

Los lechos de tipo surtidor, permiten tratar partículas sólidas relativamente grandes,

evitando la generación de movimientos caóticos y la aparición de bolsas de aire dentro el

lecho de solidos durante el proceso de fluidización.

Entre los LFTS, el más común es el de geometría cilindro-cónica. En la Figura Nº 2.4 se

pueden observar las partes de un lecho de tipo surtidor de estas características.

17

UPB © 2012

Figura Nº 2.4 Esquema de un lecho fluidizado tipo surtidor (LFTS).

Fuente: [7]

A diferencia de los procesos de fluidización convencionales, en un LFTS el fluido ingresa

por la parte inferior del lecho a altas velocidades y genera un canal denominado surtidor

en la parte central del lecho.

En la parte superior se observa una región en la que las partículas sólidas salen del surtidor,

quedan suspendidas en el aire durante un corto tiempo y caen sobre la superficie superior

del relleno a manera de una fuente de agua. Alrededor del surtidor se genera un

movimiento descendente de partículas que finalmente retornan al surtidor atravesando la

zona cónica, generando un ciclo estable.

Existen pocos estudios y publicaciones acerca de los lechos de tipo surtidor que pueden

generarse. Se conocen diferentes tipos de geometrías para los LFTS, dependiendo de la

aplicación se pueden encontrar lechos cónicos, cilindro-cónicos, lechos con una ranura

para la entrada de aire, lechos con dos ranuras paralelas para la entrada de aire, lechos

con ranuras simétricas y entrada de fluido a contra corriente, sistemas con dos ranuras

paralelas para la entrada de gas y sistemas de entrada de gas regulable [11].

18

UPB © 2012

La Figura Nº 2.5 muestra los distintos tipos y geometrías de lecho mencionados.

Figura Nº 2.5 Tipos de lecho fluidizado según la geometría.

Fuente: [11]

2.3 Proceso de beneficiado en seco desarrollado por el CIPI y el CIAAA

El proceso de beneficiado de granos de quinua en seco desarrollado por el Centro de

Investigación en Procesos Industriales y el Centro de Investigaciones Agrícolas y

Agroindustriales Andinas de la Universidad Privada Boliviana se basa en la aplicación de

un lecho fluidizado de tipo Surtidor (LFTS) para la remoción de las saponinas contenidas en

el episperma del grano de quinua.

En el estudio realizado, se caracterizó el comportamiento del lecho fluidizado mediante

pruebas de laboratorio en reactores cilindro-cónicos.

19

UPB © 2012

La Figura Nº 2.6 muestra la geometría del lecho utilizado en la primera fase del proyecto

mencionado.

Figura Nº 2.6 Reactor de lecho fluidizado de tipo surtidor.

Fuente: [7]

Estudios realizados [7] sostienen que, el diámetro de boquilla en la entrada de aire, el

diámetro de lecho y el ecotipo de quinua son estadísticamente significativos sobre la

remoción de saponinas a un nivel de confianza del 95 %. La altura de lecho tiene poco

efecto sobre la remoción de saponinas. Sin embargo, dicha variable afecta

notablemente a la presión de operación, al flujo volumétrico y al consumo de energía.

2.3.1 Condiciones de operación en los reactores cilindro-cónicos

Para generar una fluidización estable, se requiere que la corriente de aire a la entrada del

lecho tenga una presión y caudal determinados, denominados como presión y flujo de

operación. Estas condiciones dependen de la altura de lecho, el diámetro de lecho y del

diámetro de boquilla empleado para la entrada de aire al lecho.

De manera general, la fuerza necesaria para romper un lecho fijo, aumentan en función a

la altura. Debido a esto, para romper lechos de mayor altura se requieren corrientes de

aire de mayor presión y caudal. Las Tablas Nº 2.3 y 2.4 muestran el flujo volumétrico de aire

(calculado a condiciones estándar de presión y temperatura), la presión de operación y

la velocidad de la corriente de aire, para generar la fluidización.

20

UPB © 2012

Tabla Nº 2.3 Condiciones de operación para la boquilla de 1,4 mm.

Altura de

lecho

[cm]

Flujo STP de

aire

[Lmin-1]

Presión

de operación

[kgfcm-2]

Velocidad lineal a la

salida de la boquilla

[ms-1]

5,0 17,7 0,67 162,4

7,5 24,9 1,22 194,9

10,0 33,5 1,70 234,6

12,5 45,2 2,70 267,1

15,0 56,2 3,60 295,9

Fuente: [7]

Tabla Nº 2.4 Condiciones de operación para la boquilla de 3,4 mm.

Altura de

lecho

[cm]

Flujo STP de

operación

[Lmin-1]

Presión de

operación

[kgfcm-2]

Velocidad lineal a la

salida de la boquilla

[ms-1]

5,0 42,4 0,50 70,4

7,5 70,3 0,88 102,2

10,0 91,8 1,23 121,2

12,5 106,7 1,48 132,8

15,0 125,0 1,80 145,6

17,5 140,4 2,10 154,8

20,0 149,8 2,30 159,7

Fuente: [7]

Las boquillas de diámetro de diámetro menor requieren mayores presiones de operación

para generar lechos estables. Por otra parte, el flujo de operación requerido es mayor

para boquillas de diámetros mayores.

En lechos de altura de 12,5 cm, las boquillas de 1,4 mm registran presiones manométricas

de operación de 2,7 kgfcm-2 y flujos volumétricos estándar de 45,2 Lmin-1. En cambio, las

boquillas de 3,4 mm requieren presiones manométricas de 1,48 kgfcm-2 y flujos

volumétricos estándar de 106,7 Lmin-1 [7].

La velocidad lineal de aire a la entrada del surtidor es mayor para las boquillas de 1,4 mm.

Estas registran velocidades que varían desde 160 a 290 ms-1 para alturas de lecho entre 5 y

15 cm. Con boquillas de 3,4 mm el rango de velocidad es de 70 a 160 ms-1 para alturas de

lecho de 5 cm hasta 20 cm [7].

21

UPB © 2012

2.3.2 Calidad nutricional del producto generado en el sistema de beneficiado en seco

Estudios realizados [6], sostienen que la remoción de las capas externas del episperma del

grano de quinua mediante el reactor de lecho fluidizado de tipo surtidor es bastante

homogénea.

El beneficiado en seco permite obtener granos cuyo episperma tiene un espesor similar al

registrado en procesos de beneficiado convencionales. Además, dicho proceso permite

generar granos de quinua que tienen mejor apariencia externa ya que presentan una

superficie regular y lisa.

Los granos tratados no presentan daños morfológicos externos, no se presentan daños en

el embrión del grano. La quinua beneficiada por vía húmeda presenta un incremento de

tamaño y deformaciones en las superficies de los granos de almidón [6].

La Figura Nº 2.7 muestra la micrografía de un grano de quinua observada con la ayuda

de un microscopio de alta resolución, Scanning Electron Microscope (SEM).

Figura Nº 2.7 Micrografía SEM de un grano de Quinua Real Blanca beneficiada en seco.

Fuente: [6]

La Figura Nº 2.8 muestra la micrografía SEM de un grano de quinua Real Rosada de Uyuni

tratada en seco durante un tiempo de 30 minutos.

22

UPB © 2012

Figura Nº 2.8 Micrografía SEM quinua Real Rosada de Uyuni, 30 minutos de procesamiento.

Fuente: [6]

La Figura Nº 2.9 muestra la micrografía SEM de la misma variedad de quinua para un

tiempo de procesamiento de 60 minutos.

Figura Nº 2.9 Micrografía SEM quinua Real Rosada de Uyuni, 60 minutos de procesamiento.

Fuente: [6]

23

UPB © 2012

EL sistema en seco bajo las condiciones propuestas, genera granos que no presentan

signos visibles de daños en la superficie. Además, la remoción de las capas externas del

episperma es más homogénea y controlada que en sistemas de beneficiado mediante

vía húmeda [6].

En cuanto al contenido de saponinas en los granos tratados, el contenido de proteína y el

contenido de materia grasa el beneficiado en seco mediante el LFTS muestra buenos

resultados. Para el diámetro de lecho de 7,5 cm los ecotipos de quinua tratados alcanzan

valores de saponina residual menores al 0,12 % a los 15 minutos, menores a 0,06 % (valor

referencial de comercialización) a los 20 minutos y menores a 0,01 % ( valor alcanzado en

el proceso desarrollado por el CPTS) a los 30 minutos [7].

Se demostró que el diámetro de lecho, altura de lecho y diámetro de boquilla para la

entrada de aire no tienen un efecto significativo sobre el contenido de proteína en el

grano procesado [7]. El contenido de proteína de los granos tratados bajo este sistema

varía entre 10,47 % y 13,46 %.

Los estudios realizados [6] sostienen que, los niveles de materia grasa en el producto

procesado están dentro del rango aceptable. Para la quinua real Blanca de Uyuni el

porcentaje de materia grasa esta alrededor de 7,2 %, y para la quinua rosada y amarilla

se encuentra alrededor de 5,5 %. La pérdida de masa en el proceso es mayor a 7 % para

las condiciones óptimas del proyecto.

La Tabla Nº 2.5 muestra las características del proceso de beneficiado en seco para las

condiciones óptimas establecidas en el proyecto realizado por los centros de

investigación (Altura de lecho de 12,5 cm, diámetro de lecho de 7,5 cm y diámetro de

boquilla de 1,4 mm)

Tabla Nº 2.5 Características del beneficiado en seco del CIPI y CIAAA bajo condiciones

óptimas.


Contenido residual de saponinas en el grano tratado [%] 0,006

Remoción de saponinas [%] 98,21

Contenido promedio de proteína en el grano tratado [%] 12,31

Pérdida de masa promedio [%] 7,20

Consumo especifico de energía [kWhkg-1] 0,325

24

UPB © 2012

Además, se identificaron condiciones bajo las cuales el consumo de energía del sistema

era menor. La Tabla Nº 2.6 muestra las características del proceso bajo dichas condiciones

(Altura de lecho de 12,5 cm, diámetro de 20 cm y diámetro de boquilla de 1,4 mm).

Tabla Nº 2.6 Características del beneficiado en seco del CIPI y CIAAA para el lecho de 20

cm de diámetro.


Contenido de saponinas en el grano tratado [%] 0,093

Remoción de saponinas [%] 66,55

Contenido promedio de proteína en el grano tratado [%] 11,84

Pérdida de masa promedio [%] 4,93

Consumo especifico de energía [kWhkg-1] 0,283

Bajo estas condiciones, el proceso no logra remover las saponinas en un tiempo de 30

minutos. Sin embargo, el ahorro energético es importante.

La pérdida de masa durante la desaponificacion se da durante los primero minutos de

procesamiento y es mayor para diámetros de boquilla menores, debido a que las

elevadas velocidades de aire a la entrada del surtidor generan mayor fuerza de choque

entre los granos que están siendo procesados [7].

La Tabla Nº 2.7 muestra la pérdida de masa para distintos ecotipos de quinua

beneficiadas en seco en función del tiempo de tratamiento.

Tabla Nº 2.7 Pérdida de masa para distintos ecotipos de quinua.

Tiempo de

tratamiento

[min]

Pérdida de masa [%]

Rosada

Uyuni

Amarilla

Uyuni

Blanca

Uyuni

Blanca

Salinas

Rosada

Salinas

5 5,14 4,12 3,47 4,14 4,25

10 7,91 5,48 4,92 5,76 5,49

15 6,52 5,90 5,06 5,94 5,89

20 6,69 6,17 5,30 6,17 6,23

30 7,43 6,74 6,04 6,41 6,47

Fuente: [7]

25

UPB © 2012

Para las condiciones óptimas, la velocidad de remoción de masa es más mayor durante

los primeros 5 minutos y decae paulatinamente a partir de los 10 minutos. Tiempos de

tratamiento mayores a 20 minutos no generan aumentos significativos en la pérdida de

masa de los granos procesados.

Este comportamiento puede observarse en la Figura Nº 2.10 donde se muestra la pérdida

de masa en función del tiempo de tratamiento para quinua real Rosada de Uyuni bajo

condiciones de operación de diámetro de lecho de 7,5 cm, altura de lecho de 12,5 cm y

diámetro de boquilla de 1,4 mm.

Figura Nº 2.10 Comportamiento de la cinética de pérdidas de masa.

Fuente: [7]

El proceso de beneficiado propuesto por el CIPI está constituido por ocho etapas [12]:

Limpieza y clasificación de la materia prima.

Almacenaje.

Despedregado.

Desaponificación en el sistema fluidizado de tipo surtidor.

Tamizado de los granos desaponificados.

Desinfección y Separación magnética de impurezas ferrosas.

Separación óptica de granos de color.

Envase.

0,0

2,0

4,0

6,0

8,0

0 10 20 30 40 50 60

Pér

did

as d

e m

asa

[%]

Tiempo de procesamiento [min]

26

UPB © 2012

La etapa de desaponificacion mediante el LFTS es la más importante del proceso. En esta

etapa los granos previamente limpiados y seleccionados son alimentados al reactor de

desaponificacion.

La parte central del reactor es una cámara rectangular cerrada, dotada de una tolva de

alimentación, con el piso construido con varias filas de canales, al fondo de los cuales se

sitúan, a distancias iguales, varias boquillas de diámetro interior pequeño y por las que

fluye, hacia arriba, aire filtrado a elevada velocidad.

Los granos de quinua, alimentados desde la tolva, recorren transversalmente los canales,

organizando un relleno granular con un surtidor de partículas en la posición de cada

boquilla. Los granos en circulación en este surtidor, reciben un impulso de la corriente

gaseosa y son disparados hacia arriba, chocando entre ellos, de tal manera que las

capas externas de los granos se desintegran bajo la forma de un polvo muy fino, que es

arrastrado fuera de la cámara y recolectado en un ciclón, por medio de un ducto

situado en la parte central del techo.

La Figura Nº 2.11 muestra las vistas en perspectiva del equipo utilizado en el proceso de

desaponificacion propuesto por el CIP y el CIAAA.

(A) Vista Frontal (B) Vista lateral

Figura Nº 2.11 Vistas del reactor propuesto por el CIPI.

Fuente: [12]

27

UPB © 2012

La Figura Nº 2.12 muestra la vista en perspectiva del reactor propuesto.

Figura Nº 2.12 Vista tridimensional del reactor propuesto por el CIPI.

Fuente: [12]

Para la provisión de aire, se emplea un equipo BOGE de modelo S 20-2 que cuenta con

una patente mundial para la compresión por tornillo, una forma eficiente de proveer aire

a presión moderada. El equipo suministra 2,67 m3min-1 de aire filtrado a 7 bar al nivel del

mar y a 5 bar a 4 000 m.s.n.m. La Figura Nº 2.13 muestra el equipo descrito.

Figura Nº 2.13 Compresor de Tornillo.

Fuente: [12]

28

UPB © 2012

2.4 Pérdidas de presión en fluidos compresibles

2.4.1 Pérdida de presión en ductos de área constante

Cuando un fluido fluye por una tubería o ducto, se ve expuesto a un esfuerzo cortante a lo

largo del ducto. A medida que el fluido avanza dentro del ducto, la fricción del fluido con

este, se traduce en una perdida irreversible de energía, que se convierte en energía

interna o es desechada hacia el exterior [13].

La pérdida de energía esta relacionada con la rugosidad de la tubería y una constante

denominada factor de fricción de Fanning. En el flujo turbulento y en el flujo laminar, este

factor esta relacionado con el número de Reynolds.

En el caso de los fluidos compresibles, las ecuaciones para la evaluación de la perdida de

presión son bastante complejas. Sin embargo, si se supone que el gas es ideal, se puede

derivar la siguiente ecuación para flujo compresible isotérmico [14]:

(1)

Donde:

P1 es la presión a la entrada de la tubería o ducto en Pa

P2 es la presión a la salida de la tubería o ducto en Pa

f es el factor de fricción de Fanning

ΔL es la longitud del tramo recto en m

G es el flujo másico por unidad de área transversal de la tubería, medido en kgm-2s-1

D es el diámetro interno de la tubería en m

M es el peso molecular del gas que fluye por la tubería en kgkgmol-1

Los resultados para flujo compresible adiabático suelen desviarse muy poco de los del

flujo isotérmico, especialmente en tuberías largas, con una diferencia máxima del 20 %. En

tuberías cuya longitud es cerca de 1000 diámetros, la diferencia máxima es del 5 % [13].

29

UPB © 2012

2.4.2 Pérdida de presión en accesorios (Rotámetro)

Los rotámetros son equipos para la medición de caudal, cuya principal característica es el

área variable que presentan. A diferencia de otros medidores de caudal, la variación de

velocidad a lo largo de un área variable, asegura una pérdida de presión constante en el

medidor.

Estudios realizados [13], sostienen que la perdida de presión en un rotámetro es mínima.

Además, esta está relacionada con las características de construcción del mismo,

específicamente con las características del flotador empleado.

Los rotámetros poseen como elemento indicador un flotador, que está contenido dentro

del tubo cónico del rotámetro y está sometido a la corriente de fluido que se desea medir.

Los flotadores pueden construirse de metales de densidad variable, desde el plomo al

aluminio, de vidrio o de plástico. Sin embargo, los flotadores más comunes son los de

acero inoxidable.

La Figura Nº 2.14 muestra el esquema de un rotámetro con flotador de acero inoxidable

cilíndrico con borde sobre saliente.

Figura Nº 2.14 Esquema de un rotámetro.

La pérdida de presión a través del ducto de área variable esta dada por [13]:

30

UPB © 2012

*

+ (2)

Donde:

Gf es el peso del flotador provisto en el rotámetro

Vf es el volumen del flotador

ρf es la densidad del fluido medida a las condiciones de operación

Af es el mayor área de sección transversal del flotador

Las variables descritas, deben expresarse en unidades del sistema internacional (SI).

Las pérdidas de presión debido a las conexiones al rotámetro y del tubo de área variable.

Son aproximadamente iguales a las pérdidas del flotador [13], por esta razón se incluye el

factor 2 en la ecuación 2.

2.4.3 Pérdida de presión por ensanchamiento y reducción repentina (boquillas)

Si el corte transversal de un ducto aumenta de manera gradual, las perdidas de presión

que se producen son mínimas. Sin embargo, cuando la sección aumenta repentinamente

se producen pérdidas adicionales debidas a los remolinos formados por la corriente que

se expande. La Figura Nº 2.15 muestra la vista en corte de un ensanchamiento brusco.

Figura Nº 2.15 Ensanchamiento brusco en un conducto

Fuente: [13]

31

UPB © 2012

La pérdida de presión debido a la expansión brusca esta dada por [14] :

*( )

+ (3)

Donde:

ΔP es la caída de presión debido a la expansión brusca

A1 es el área de sección trasversal más pequeña

A2 es el área de sección trasversal más grande

V1 es la velocidad corriente arriba en el área más pequeña

α es el factor de corrección de la velocidad de la energía cinética, que toma el valor de

uno para flujo turbulento.

ρprom es la densidad promedio del gas entre los puntos 1 y 2

Cuando el corte transversal se reduce bruscamente, el fluido no puede adaptarse al

borde del ángulo recto y la corriente pierde contacto con la pared del conducto. Como

consecuencia de esto se forma un chorro que se estanca en la parte estrecha del

conducto. El chorro primero se contrae y luego se expande hasta ocupar el volumen de

la sección estrecha, restableciendo la distribución normal de velocidad. La Figura Nº 2.16

muestra la vista en corte de una reducción de sección brusca.

Figura Nº 2.16 Reducción brusca en un conducto

Fuente: [13]

32

UPB © 2012

La pérdida de presión debido a la expansión brusca esta dada por [14]:

* ( )

+ (4)

Donde:

ΔP es la caída de presión debido a la expansión brusca

A1 es el área de sección trasversal más grande

A2 es el área de sección trasversal más pequeña

V2 es la velocidad corriente abajo en el área más pequeña

α es el factor de corrección de la velocidad de la energía cinética, que toma el valor de

uno para flujo turbulento.

ρprom es la densidad promedio del gas entre los puntos 1 y 2

2.4.4 Pérdida de presión en lechos fluidizados de tipo surtidor

La resistencia al flujo de un fluido a través de los huecos de un lecho de sólidos es la

resultante del rozamiento total de todas las partículas del lecho. El rozamiento total por

unidad de área es igual a la suma de dos tipos de fuerza [10]:

Fuerzas de rozamiento viscoso.

Fuerzas de inercia.

Para explicar estos fenómenos se hacen varias suposiciones:

Las partículas están dispuestas al azar, sin orientaciones preferentes.

Todas las partículas tienen el mismo tamaño y forma.

Los efectos de pared son despreciables.

La pérdida de presión en lechos fluidizados está gobernada por la ecuación de Ergun. Sin

embargo, los lechos fluidizados de tipo surtidor presentan características especiales que

hace que la perdida de presión se evalué de manera diferente que un lecho fluidizado

convencional [15].

33

UPB © 2012

Según R. Lama [15], se puede estimar la pérdida de presión en un lecho mediante la

siguiente ecuación:

(

)

(

)(

)(( )

) (5)

Dónde:

ΔP es la caída de presión a través del lecho de tipo surtidor

H es la altura del lecho fijo de solidos

G es el flujo másico de gas por unidad de área transversal de lecho

µ es la viscosidad del fluido a las condiciones de operación del sistema

λ es el factor de forma de las partículas que conforman el lecho. Se define como la razón

entre el área superficial de la partícula y el área superficial de una esfera que tiene el

mismo volumen que la partícula.

ε es la porosidad del lecho, que se define como la relación entre el volumen de los huecos

en el lecho y el volumen total del mismo.

Dp es el diámetro nominal de la partícula que forma el lecho.

ρf es la densidad del fluido a las condiciones de operación.

K1 es una constante de proporcionalidad, que depende de las características del lecho

fluidizado.

n es una constante que caracteriza al tipo de flujo del gas durante la fluidización, toma un

valor de 1 para flujo completamente laminar y 2 para flujo completamente turbulento.

Todas las cantidades en la ecuación Nº 5, deben estar expresadas en unidades del

sistema internacional (SI).

34

UPB © 2012

La Tabla Nº 2.8 muestra algunos de los valores de la constante para distintos tipos de

lechos y formas de partículas de empaque.

Tabla Nº 2.8 Pérdida de masa para distintos ecotipos de quinua.

Tipo de Partícula Altura de lecho

[pulg] K1

Trigo 4-12 78,1

Cebada 4-10 74,8

Semillas 4-16 49,9

Avena 4-12 71,3

Soya 4-5,5 73,1

Arvejas 4 72,6

Fuente: [15]

2.5 Trabajo en fluidos compresibles

En todo proceso continuo de compresión la relación entre la presión y el volumen del gas

durante el proceso, está dada por la relación:

(6)

La constante n, depende del camino termodinámico que sigue el fluido desde la succión

hasta la descarga del mismo. De manera general, el valor de esta constante se encuentra

comprendido entre 1,0 y el valor de la relación de capacidades caloríficas del fluido a

presión y volumen constante (cp/cv) [14].

2.5.1 Sistemas adiabáticos

En sistemas no refrigerados el fluido sigue un proceso de compresión adiabática, en el

cual la constante n toma el valor de la relación cp/cv = γ.

Para sistemas adiabáticos, la relación entre la presión y temperatura en la succión y

descarga está dada por [14]:

35

UPB © 2012

(

)

(7)

El trabajo adiabático se calcula según la expresión [14]:

( )

*(

) + (8)

Dónde:

R: Constante universal de los gases ideales en unidades del Sistema Internacional (SI).

γ: Relación cp/cv para el fluido utilizado.

P1, P2: Presión absoluta de succión y de descarga en Pa.

T1: Temperatura absoluta de succión en K.

M: peso molecular del gas en kgkgmol-1

Finalmente la potencia en kilowatts requerida por el fluido se calcula según:

( )*(

) + (9)

m: Flujo másico del fluido en el sistema en kgs-1.

Las unidades de las expresiones descritas, corresponden al sistema internacional (SI).

2.5.2 Sistemas isotérmicos

Otro tipo de proceso de compresión es el isotérmico en el cual el valor de la constante n

es de 1, la relación entre la presión y la densidad del fluido simplemente es [14]:

36

UPB © 2012

(10)

La potencia en kilowatts requerida por el fluido está dada por:

( ) (11)

Donde Q1 es el flujo volumétrico del gas en m3s-1 medido a las condiciones de

temperatura y presión de la succión.

Las presiones P1 y P2 se expresan en Pa.

Para una determinada relación de compresión y condiciones de succión, el trabajo que

se requiere en una compresión isotérmica es menor al trabajo requerido en una

compresión adiabática [14].

En procesos que no son isotérmicos ni adiabáticos, se puede hablar de una compresión

politropica, para la cual el valor de n está entre los límites 1 y γ. Este parámetro, debe ser

calculado experimentalmente midiendo la presión y densidad a la entrada y salida del

sistema. La constante n del proceso está dada por:

( )

( ) (12)

2.6 Balance de energía para la compresión de gases

El balance global de energía y el balance de energía mecánica, son los modelos más

conocidos para la descripción de un sistema en términos de energía. Estos modelos

consideran una serie de elementos, como la energía cinética y potencial del fluido.

En el sistema de lecho fluidizado, se tiene una etapa de compresión de gases, los términos

de carga estática, carga de velocidad y fricción pueden ser eliminados [14]. En el caso

de que la compresión del fluido siga un camino adiabático (caso en estudio), el balance

de energía del sistema de fluidización, estará dado por [14]:

37

UPB © 2012

( )

*(

) + (13)

Dónde:

R es la constante universal de los gases ideales, en unidades del sistema internacional.

T1 Es la temperatura absoluta de entrada en el sistema, expresada en K.

La constante γ es la relación entre capacidades caloríficas a presión y volumen constante

del fluido utilizado.

P1 es la presión de entrada expresada en kPa.

P2 es la presión final en el sistema, expresada en kPa.

El primer término de la ecuación Nº 13, representa el gasto de energía que ocurre para

elevar la presión del fluido de operación desde un nivel inicial (presión atmosférica local)

hasta el valor necesario para generar un lecho estable. El termino Ws representa el trabajo

teórico que se le debe entregar al sistema, para poder vencer las pérdidas en el lecho y la

energía requerida durante la compresión del fluido utilizado.

Para evaluar el consumo de energía real que del sistema, se debe incluir el término de

eficiencia en la entrega de aire. Este valor depende se encuentra en la información

técnica del equipo utilizado para la provisión de aire al lecho.

2.7 Consumo de energía especifico en lechos fluidizado de tipo surtidor

El consumo de energía especifico en los lechos fluidizados de tipo surtidor, se define como

el uso teórico de energía por parte del fluido (aire), para generar una fluidización estable

(altura de fuente de 12,5 y 15 cm en los lechos de 7,5 y 20 cm de diámetro

respectivamente), divido entre la cantidad de quinua que se trata durante el proceso de

desaponificacion.

Este consumo teórico de energía, puede calcularse según la ecuación Nº 14, que se

deriva de las ecuaciones Nº 9 y Nº 13.

38

UPB © 2012

( )

*(

) + (14)

Donde:

Ee es el consumo teórico de energía por unidad de masa de quinua expresado en

kWhkgquinua -1

m es el flujo másico de gas durante la fluidización en kgs-1.

La constante γ es la relación entre capacidades caloríficas a presión y volumen constante

del fluido utilizado.

R es la constante universal de los gases ideales, en unidades del sistema internacional.

T1 Es la temperatura absoluta de entrada en el sistema, expresada en K.

t es el tiempo de tratamiento medido en horas.

P1 es la presión de entrada expresada en kPa.

P2 es la presión final en el sistema, expresada en kPa.

M es el peso molecular del gas en kgkgmol-1

mq es la masa de quinua tratada en la corrida experimental medida en kg.

39

UPB © 2012

III OBJETIVOS

3.1 Objetivo General

Para la solución del problema planteado, se ha seleccionado el siguiente Objetivo

General:

“Establecer las condiciones óptimas de operación (Diámetro de lecho, altura de lecho,

diámetro de boquilla y tiempo de operación) para disminuir el consumo de energía

eléctrica en el sistema de remoción de saponina de la quinua basado en la aplicación de

un lecho fluidizado tipo surtidor”

3.2 Objetivos Específicos

Para lograr el Objetivo General arriba propuesto, se ha identificado los siguientes Objetivos

Específicos:

Caracterizar el comportamiento del lecho bajo condiciones de operación

propuestas en el estudio.

Contar con un informe de laboratorio sobre el consumo optimizado de energía, el

contenido de saponinas residuales y la pérdida de masa en el grano procesado.

Modelar las pérdidas de presión en el sistema.

Contar con el diseño de un equipo industrial bajo nuevas condiciones óptimas.

Contar con la evaluación de costos del proceso bajo las nuevas condiciones

establecidas.

40

UPB © 2012

IV METODOLOGÍA

4.1 Equipo experimental

El equipo experimental utilizado para realizar las corridas experimentales constaba de:

Un compresor de aire de tipo pistón, con capacidad de flujo de aire de 400 Lmin-1

y presión máxima de 12 bares.

Filtro de humedad, provisto de un manómetro, para regular la presión de

alimentación de aire al lecho.

Dos medidores de flujo de aire (rotámetros), uno de capacidad de 10-100 Lmin-1 y

otro de capacidad de 50-280 Lmin-1.

Boquillas de distintos diámetros internos correctamente calibradas.

Dos columnas de vidrio cilindro-cónicas, una de 7,5 cm de diámetro interno y otra

de 20 cm de diámetro interno, con ángulos de inclinación de 45º. Ambas

columnas tienen un tubo de entrada de aire de 10 mm de diámetro externo, al

que se pueden adaptar boquillas de distintos diámetros.

Un filtro-manga recolector de polvos de tela de porosidad adecuada, provisto de

una malla que no deja pasar los granos.

La Figura Nº 4.1 muestra el esquema del equipo experimental utilizado.

Figura Nº 4.1 Equipo experimental con todos los elementos.

41

UPB © 2012

4.2 Caracterización del lecho

4.2.1 Pruebas preliminares de consumo energético

Se realizaron pruebas preliminares con granos de quinua previamente tratados, las

variables dependientes consideradas fueron:

Diámetro de lecho 7,5 cm y 20 cm

Altura de lecho 7,5 cm y 12,5 cm

Diámetro de boquilla desde 1 hasta 5 mm con intervalos de 1 mm

Las Boquillas de diámetro mayor a 2 mm fueron dotadas de mallas milimétricas, para

evitar el ingreso de los granos de quinua en las mismas.

Se calculó el consumo específico de energía eléctrica durante cada prueba, midiendo el

tiempo de funcionamiento del compresor provisto en el sistema y la carga de quinua

tratada por corrida experimental.

4.2.2 Pruebas de caracterización de lecho

Se realizaron pruebas en cada columna cilindro-cónica disponible (lechos de 7,5 cm y 20

cm de diámetro), para determinar experimentalmente las condiciones de operación

requeridas para generar un lecho fluidizado estable y apropiado para la remoción de

saponinas, en el cual la altura de la fuente es de 12,5 cm para el lecho de menor

diámetro y de 15 cm para el lecho de mayor diámetro.

Para cada columna, la altura de lecho fijo se varió entre 7,5 y 17,5 centímetros, con

intervalos de 2,5 centímetros. Se utilizaron boquillas de 1,4, 2, 3 y 4 milímetros en el lecho de

7,5 centímetros de diámetros. En el lecho de 20 centímetros de diámetro, no se consideró

la boquilla de 1,4 milímetros.

Para cada prueba se midieron:

Flujo de operación.

Presión manométrica de operación.

Flujo estándar de aire.

Velocidad lineal de aire a la salida de la boquilla.

42

UPB © 2012

Además, se evaluó de manera cualitativa el comportamiento del lecho generado y el

movimiento de los granos de quinua bajo distintas condiciones.

4.3 Determinación experimental de condiciones óptimas

En función a los resultados de la fase de caracterización, se determinó la altura de lecho

óptima. Se tomó como criterio, minimizar la potencia por unidad de masa de quinua

requerida por el aire, para operar el lecho fluidizado.

Para la columna de diámetro de 7,5 centímetros se realizaron pruebas variando el tiempo

de tratamiento de 5 a 25 minutos, con intervalos de 5 minutos. Se utilizaron boquillas de

diámetro de 1,4; 2; 3 y 4 milímetros.

Para la columna de diámetro de 20 centímetros se realizaron las pruebas variando el

tiempo de tratamiento de 30 a 60 minutos, con intervalos de 10 minutos. Se utilizaron

boquillas de diámetro de 2; 3 y 4 milímetros.

Se midieron:

Pérdida de masa

Contenido de saponinas en las muestras sin tratar

Contenido de saponinas en las muestras tratadas

Energía requerida teóricamente por el aire, por unidad de masa de quinua

tratada, para operar el lecho fluidizado.

El contenido de saponinas residuales fue medido en una muestra aleatoria de la quinua

procesada en cada corrida experimental, mediante el método de la espuma (NB 683).

4.3.1 Determinación del contenido de saponinas en muestras tratadas. Método de la

espuma

Inicialmente se construyó la curva de calibración descrita en el método descrito en la

Norma Boliviana NB 683 y se verificó la validez de la misma. Mediante un análisis de

regresión lineal, se evaluó el coeficiente de correlación obtenido durante esta etapa.

Para la evaluación del contenido de saponinas de las muestras tratadas, se pesaron en

tubos de ensayo de base plana, aproximadamente 0,5 gramos de quinua (el peso real de

la muestra fue registrado) y se agregaron 20 ml de agua destilada.

43

UPB © 2012

Se agitó cada tubo de ensayo durante un tiempo de 1 minuto y posteriormente se dejó en

reposo durante 15 minutos. Finalmente, se midió la altura de la espuma formada en el

tubo de ensayo con la ayuda de una regla milimétrica.

El contenido de saponinas en las muestras de quinua tratada, se cuantificó en base a la

altura medida y la curva de calibración construida. Las determinaciones del contenido de

saponinas se realizaron por duplicado.

4.3.2 Determinación del tiempo óptimo de tratamiento

Se estableció como el nivel de saponinas residuales, el nivel alcanzado por el proceso

desarrollado por el CPTS (0,01 % de saponinas residuales en el grano de quinua).

Se realizó un análisis de regresión en función a los datos experimentales obtenidos para el

contenido de saponinas residuales. Para la aceptación de las curvas propuestas, se

evaluó el coeficiente de correlación, estableciendo como valor de correlación mínimo el

de 0,99.

Con las funciones de regresión construidas, se calculó del tiempo de tratamiento

requerido para alcanzar el valor de saponinas residuales establecido.

La estimación de estos datos solo se realizó para boquillas que alcanzaban valores muy

cercanos a 0,01 % de saponinas, en el tiempo máximo de tratamiento establecido

experimentalmente. Para boquillas cuyos niveles de saponina eran muy superiores a 0,01

%, no se realizó la estimación debido a que el análisis de regresión no era representativo y

no se consideraron en el estudio.

4.3.3 Determinación del consumo energético teórico

En función a las condiciones de operación establecidas: Flujo de operación, presión de

operación, tiempo de tratamiento y carga de quinua tratada, se evaluó el consumo

específico de energía según la ecuación Nº 14. Con la ayuda del software Engineering

Equation Solver versión 8.400 se cuantificó la energía consumida en cada caso.

Posteriormente, se realizó un análisis comparativo entre cada geometría (lecho de 7,5

centímetros de diámetro y lecho de 20 centímetros de diámetro) tomando en cuenta la

presión de operación, flujo de operación, consumo teórico de energía, pérdida de masa

44

UPB © 2012

registrada, comportamiento y estabilidad del lecho generado. En función a estos

parámetros se seleccionó la geometría más adecuada.

4.4 Modelamiento de la pérdida de presión

Se realizaron pruebas adicionales para medir la pérdida de presión real bajo distintas

condiciones de diámetro de lecho, altura de lecho y diámetro de boquilla. Se realizó la

evaluación teórica de la pérdida de presión en el sistema descrito en la Figura Nº 4.1. Se

consideraron:

Pérdidas de presión en mangueras de alimentación

Pérdida de presión en el rotámetro

Pérdida de presión en la boquilla de alimentación de aire al lecho

Pérdida depresión a través del lecho

Pérdida de presión en la manga recolectora

Se validó el modelo, comparando la pérdida de presión calculada, contra la caída de

presión real medida en el sistema (lectura del manómetro). Se cuantificó el error relativo

para los valores obtenidos mediante el modelo de perdida de presión.

4.5 Diseño del equipo industrial bajo condiciones óptimas

En función a las condiciones óptimas determinadas en la fase de laboratorio del proyecto,

se realizó el diseño de una batería de boquillas que permitan tratar los granos de quinua a

nivel industrial.

Se consideró un nivel de producción de 100 quintales de quinua tratada por día. En

función a esta capacidad se calculó el número de boquillas necesarias, el área de la

batería de boquillas y la altura de lecho de quinua.

En función a los requerimientos de presión y flujo de aire de operación se procedió a

seleccionar el equipo para el suministro de aire adecuado y en función a las

especificaciones técnicas del mismo y las condiciones de operación establecidas, se

calculó el consumo específico de energía real en la etapa de desaponificacion.

Se realizó un análisis comparativo entre las condiciones establecidas en el presente

proyecto y las condiciones registradas por los centros de investigación de la UPB (CIPI y

45

UPB © 2012

CIAAA) en su fase inicial. Además, se realizó la comparación con la tecnología

desarrollada por el Centro de Promoción de Tecnologías Sostenibles (CPTS).

4.6 Evaluación de costos del proceso bajo condiciones óptimas

Se realizó un análisis comparativo entre el proceso de desaponificacion bajo las

condiciones establecidas en el presente proyecto y las condiciones determinadas en el

estudio inicial de los centros de investigación de la UPB. Se evaluó los ahorros en cuanto a:

Inversión en maquinaria y equipo.

Pérdidas de materia prima.

Consumo energético.

Se realizó la comparación de estos tres parámetros con los costos registrados en el

proyecto realizado por los centros de investigación de la UPB y, además, la comparación

con la tecnología desarrollada por el CPTS.

46

UPB © 2012

V RESULTADOS Y DISCUSIÓN

5.1 Caracterización de lecho

5.1.1 Pruebas preliminares de consumo energético

La Tabla Nº 5.1 muestra el consumo de energía eléctrica del compresor en el sistema de

remoción de saponina en seco (LFTS) bajo distintas condiciones (diámetro de lecho, altura

de lecho y diámetro de boquilla), para un tiempo de tratamiento de 30 minutos.

Tabla Nº 5.1 Consumo de energía eléctrica bajo distintas condiciones de procesamiento.

Corrida

Nº

Diámetro de

lecho

[cm]

Altura de

lecho

[cm]

Diámetro de la

boquilla

[mm]

Consumo específico

de energía eléctrica

[kWhkg-1]

1 20 12,5 5,0 0,734

2 20 7,5 2,0 0,670

3 7,5 12,5 5,0 2,484

4 7,5 12,5 4,0 2,395

5 7,5 7,5 1,0 0,978

6 20 7,5 3,0 1,346

7 20 12,5 2,0 0,571

8 7,5 7,5 4,0 3,258

9 20 7,5 4,0 1,201

10 20 12,5 3,0 0,696

11 20 7,5 1,0 0,390

12 7,5 7,5 5,0 3,240

13 7,5 12,5 3,0 2,302

14 7,5 7,5 2,0 1,554

15 7,5 7,5 3,0 2,293

16 20 12,5 4,0 0,711

17 7,5 12,5 2,0 1,848

18 20 7,5 5,0 1,302

19 20 12,5 1,0 0,423

20 7,5 12,5 1,0 1,317

47

UPB © 2012

El consumo de energía eléctrica mostrado en la Tabla Nº 5.1 se calculó según:

(15)

Donde tf es el tiempo de funcionamiento del compresor durante la prueba, P es la

potencia nominal del motor del compresor y mquinua es la masa de quinua tratada. Todas

las variables deben expresarse en unidades del sistema internacional (SI)

La Figuras Nº 5.1 y 5.2 muestran el comportamiento del consumo específico de energía

eléctrica en función del diámetro de boquilla para los lecho de diámetro de 7,5 cm y 20

cm respectivamente.

Figura Nº 5.1 Comportamiento del consumo eléctrico (D=7,5cm).

En el LFTS de 7,5 de diámetro, se observó que el consumo específico de energía para la

altura de lecho de 7,5 cm se incrementa fuertemente con el diámetro de la boquilla

hasta 4 mm. En cambio, a una altura de 12,5 cm esta dependencia se hace más suave

hasta 3 mm. Los valores del consumo son mayores que para el lecho de menor altura,

cuando las boquillas son de diámetro pequeño (1 y 2 mm) y son menores cuando las

boquillas son de diámetro mayor (3 y 4 mm).

0,0

1,0

2,0

3,0

4,0

0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0

Co

nsu

mo

esp

ecí

fico

de

en

erg

ía

elé

ctri

ca [

kWh

kg-1

]

Diámetro de boquilla [mm]

H=7,5 cm H=12,5 cm

48

UPB © 2012

Figura Nº 5.2 Comportamiento del consumo eléctrico (D=20 cm).

Para el lecho de mayor diámetro (20 cm) se aprecia la misma tendencia observada en el

lecho de 7,5 cm. Sin embargo, los valores de consumo específico a una altura de 12,5 cm

son substancialmente menores que para el lecho de 7,5 cm de diámetro, debido a las

mayores masas tratadas (440 -1450 g para el lecho de 7,5 cm vs. 190 – 350 g para el de 20

cm).

Por otra parte, se observa que el diámetro de boquilla de 5 mm no genera ahorros

significativos en cuanto a consumo específico de energía, aún en el lecho de mayor

masa.

Estas tendencias indican que a menores diámetros de boquilla (menores flujos de aire),

mayores diámetros de lecho y mayores alturas de lecho (mayores cargas de quinua), los

consumos específicos de energía eléctrica se minimizan. Estos resultados concuerdan con

los reportados en el estudio anterior [7]. Sin embargo, las boquillas de diámetro menor o

igual a 1 mm requieren presiones de rompimiento del lecho estático mayores a 6 kgfcm-2

para alturas de lecho de 12,5 cm, en lechos de diámetro pequeño y no pueden romper el

lecho a diámetros más grandes. Por otra parte, se ha observado que estas boquillas no

permiten la remoción homogénea de saponinas, generando lechos que se estancan en

la región anular descendente [6,7].

0,0

1,0

2,0

3,0

4,0

0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0Co

nsu

mo

esp

ecíf

ico

de

en

ergí

a el

ectr

ica

[kW

hkg

-1]

Diámetro de boquilla [mm]

H=7,5 cm H=12,5 cm

49

UPB © 2012

Las boquillas de mayor diámetro, permiten romper y generar lechos estables con

presiones bastante más bajas a flujos de aire mayores, con consumos específicos

relativamente pequeños (Ver Figura 5.2).

5.1.2 Pruebas de caracterización de lecho

5.1.2.1 Caracterización del lecho de diámetro de 7,5 cm

La Tabla Nº 5.2 muestra los resultados obtenidos de la presión de operación, flujo de

operación, flujo estándar de aire (STP), velocidad lineal del aire a la salida de la boquilla y

flujo másico de aire por unidad de área transversal de lecho en función a la altura de

lecho, para el diámetro de lecho de 7,5 cm.

Tabla Nº 5.2 Condiciones de operación en función a la altura (D=7,5 cm).

Altura de

lecho

[cm]

Diámetro

de boquilla

[mm]

Presión de

operación

[kgfcm-2]

Flujo de

operación

[Lmin-1]

Flujo STP

de aire

[Lmin-1]

Velocidad

lineal de aire

[ms-1]

Flujo másico

de aire por

área

[kgs-1m-2]

7,5 1,4 1,25 18,0 25,31 194,88 0,113

10,0 1,4 1,70 22,0 34,21 238,19 0,159

12,5 1,4 2,60 25,0 45,50 270,67 0,203

15,0 1,4 3,60 28,0 58,04 303,15 0,259

7,5 2,0 0,90 42,0 53,67 222,82 0,240

10,0 2,0 1,10 50,0 67,63 265,26 0,302

12,5 2,0 1,30 58,0 82,69 307,70 0,369

15,0 2,0 1,90 65,0 105,09 344,84 0,469

17,5 2,0 2,10 68,8 115,53 365,00 0,515

7,5 3,0 0,70 69,0 82,71 162,69 0,369

10,0 3,0 0,80 75,0 92,92 176,84 0,415

12,5 3,0 0,95 86,8 111,12 204,66 0,503

15,0 3,0 1,20 95,0 131,89 224,00 0,589

17,5 3,0 1,30 101,0 143,99 238,14 0,642

7,5 4,0 0,40 90,0 96,21 119,37 0,430

10,0 4,0 0,50 105,0 116,96 139,26 0,522

12,5 4,0 0,60 115,0 133,29 152,52 0,594

15,0 4,0 0,80 128,0 158,59 169,77 0,708

17,5 4,0 0,90 130,4 166,93 172,95 0,744

50

UPB © 2012

Los resultados obtenidos muestran que la presión manométrica y el flujo volumétrico de

operación necesarios para establecer un lecho estable aumentan en función a la altura

de lecho. El flujo estándar está calculado a condiciones estándar de presión y

temperatura (25ºC y 1 atm).

Las Figuras Nº 5.3, 5.4, 5.5 y 5.6 muestran el comportamiento de las condiciones de

operación en función a la altura de lecho.

Figura Nº 5.3 Presión de operación en función a la altura de lecho (D=7,5 cm).

La presión de operación requerida por el sistema es menor para boquillas de mayor

diámetro, esto se puede explicar, en parte, por las caídas de presión mayores que se

originan en las boquillas de menor diámetro, debido a una mayor reducción de área.

Además, se observa que con la boquilla de 1,4 mm de diámetro se requiere una presión

de operación de un orden mucho mayor. Para alturas de lecho mayores a 15 cm, el lecho

no se puede romper el lecho fijo con esta boquilla.

0,0

1,0

2,0

3,0

4,0

5,0 7,5 10,0 12,5 15,0 17,5 20,0

Pre

sió

n d

e o

per

ació

n [

kgfc

m-2

]

Altura de lecho [cm]

Boquilla 1,4 mm Boquilla 2 mm

Boquilla 3 mm Boquilla 4 mm

51

UPB © 2012

Figura Nº 5.4 Flujo estándar de operación en función a la altura de lecho (D=7,5 cm).

Se observa que el flujo de operación, expresado como flujo estándar, aumenta en

función a la altura de lecho. Las boquillas de diámetro mayor requieren mayores flujos de

operación para generar lechos estables. Para todos los diámetros de boquilla el

incremento de flujo con la altura, es similar.

Figura Nº 5.5 Velocidad lineal de aire función de la altura de lecho (D=7,5 cm).

0

50

100

150

200

5,0 7,5 10,0 12,5 15,0 17,5 20,0

Flu

jo S

TP d

e ai

re [

Lmin

-1]




0

100

200

300

400

5,0 7,5 10,0 12,5 15,0 17,5 20,0

Vel

oci

dad

lin

eal a

la

salid

ad d

e la

bo

qu

illa

[ms-1

]




52

UPB © 2012

Las boquillas de diámetros menores (1,4 y 2 mm) presentan velocidades lineales elevadas

que pueden generar la destrucción del grano de quinua y perdida de propiedades

nutricionales del mismo, así como el incremento en la pérdida de masa en el proceso.

Figura Nº 5.6 Flujo másico de aire por unidad de área transversal de lecho en función de la

altura de lecho (D=7,5 cm).

Las boquillas de mayor diámetro, presentan mayores gastos másicos de aire. Se observa

que el incremento del flujo másico por unidad de área de lecho en función a la altura de

lecho es similar para todas las boquillas.

Además, se estudió el comportamiento del lecho fluidizado bajo distintas condiciones de

operación. Se observó que la altura de lecho influía en su comportamiento para cualquier

diámetro de boquilla. Con el incremento de altura de lecho, el movimiento de los granos

de quinua en el LFTS se tornaba irregular.

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

5,0 7,5 10,0 12,5 15,0 17,5 20,0Flu

jo m

ásic

o p

or

un

idad

de

áre

a [k

gs-1

m-2

]




53

UPB © 2012

La Tabla Nº 5.3 resume las características del lecho fluidizado formado en cada caso.

Tabla Nº 5.3 Características del LFTS formado bajo distintas alturas de lecho (D=7,5 cm).

Diámetro de

boquilla [mm]

Altura de

lecho [cm] Características del surtidor formado

1,4

7,5 Fuente estable, movimiento homogéneo de los

granos de quinua, presión de rompimiento baja.

10,0 Movimiento regular de los granos de quinua, la

presión de rompimiento aumenta, el LFTS es estable.

12,5 Fuente estable, movimiento homogéneo de las

partículas en el lecho.

15,0 El lecho fluidizado es generado con presión de

operación muy alta, inestable y tiende a colapsar.

17,5

No se pudo generar el rompimiento del lecho,

debido a que la presión necesaria superaba la

capacidad del equipo experimental.

2,0

7,5 Movimiento regular de los granos de quinua en el

LFTS, presión de rompimiento baja.

10,0

Movimiento homogéneo de los granos de quinua,

buen nivel de mezcla de los mismos, fuente regular,

presión de rompimiento baja.

12,5

Lecho estable, movimiento homogéneo de las

partículas en la base cónica, fuente estable. Nivel

de mezcla muy bueno.

15,0 Lecho poco estable, movimiento caótico de las

partículas en el lecho.

17,5

Movimiento irregular de la fuente, los granos de

quinua tienen a chocar contra las paredes de

reactor, presión de rompimiento muy alta.

3,0

7,5 Presión de rompimiento baja, movimiento

homogéneo, fuente poco estable.

10,0 Presión de rompimiento baja, movimiento irregular

de los granos de quinua en el LFTS.

12,5

Presión de rompimiento baja, se genera un lecho

estable, el movimiento de los sólidos en el sistema

no es uniforme.

15,0

Movimiento caótico de los granos de quinua, los

granos de quinua en la fuente golpean contra las

paredes del reactor.

17,5

Fuente irregular, movimiento caótico, los granos de

quinua golpean contra las paredes del reactor, el

lecho tiende a colapsar.

54

UPB © 2012

Diámetro de

boquilla [mm]

Altura de

lecho [cm] Características del surtidor formado

4,0

7,5

(Continuación)

Presión de rompimiento muy baja, movimiento

irregular de los granos de quinua, la fuente es

irregular.

10,0 El movimiento de los solidos en el lecho no es

homogéneo, la fuente generada es irregular.

12,5

Presión de rompimiento baja, movimiento irregular

de los sólidos en el lecho. La Fuente muestra un

comportamiento irregular.

15,0

Fuente inestable, los granos de quinua tienen a

realizar un movimiento heterogéneo y chocar

contra las paredes del reactor.

17,5

Fuente inestable, movimiento caótico, los granos de

quinua golpean contra las paredes del reactor, el

lecho tiende a colapsar.

De manera general en el reactor de 7,5 cm de diámetro se observó mayor tasa de

movimiento de los granos de quinua con boquillas de diámetros pequeños. Las boquillas

de diámetro mayor a 2 mm remueven las saponinas lentamente y el consumo de energía

se eleva.

Las Figuras 5.7 a 5.10 muestran en comportamiento del sistema bajo distintos diámetros de

boquilla y distintas alturas de lecho. Las figuras muestran que el lecho más estable se

obtiene para una altura de 12,5 cm con boquillas de diámetro pequeño (1 a 2 mm) y que

las boquillas de diámetro mayor (3 a 4 mm) no generan un movimiento uniforme de los

granos de quinua en el lecho.

55

UPB © 2012

(A) (B)

Figura Nº 5.7 Comportamiento del surtidor generado (D=7,5 cm h=12,5 cm).

(A) Boquilla de 1,4 mm (B) Boquilla de 2 mm.

(A) (B)

Figura Nº 5.8 Comportamiento del surtidor generado (D=7,5 cm h=12,5cm).

(A) Boquilla de 3 mm (B) Boquilla de 4 mm.

56

UPB © 2012

(A) (B)

Figura Nº 5.9 Comportamiento del surtidor (D=7,5 cm h=15,0cm).

(A) Boquilla de 1,4 mm (B) Boquilla de 2 mm

(A) (B)

Figura Nº 5.10 Comportamiento del surtidor generado (D=7,5 cm h=15,0cm).


57

UPB © 2012

Se observó que con alturas de lecho mayores a 15,0 cm el lecho fluidizado generado es

irregular, independientemente del diámetro de boquilla utilizado. El aumento de la altura

de lecho, causa que la presión y el flujo de operación se incrementen en mayor medida

que la carga de quinua tratada. Estos valores se pueden observar en la Tabla Nº 5.4,

donde se muestra el incremento porcentual de la presión de operación, flujo de

operación y carga de quinua tratada en función de la altura.

Tabla Nº 5.4 Variación porcentual entre lechos de altura de 12,5 cm y 17,5 cm

(D=7,5 cm).

Diámetro de

boquilla [mm]

Incremento de la

carga de quinua [%]

Incremento de la presión

de operación [%]

Incremento del flujo de

operación estándar [%]

2,0 51,43 61,54 40,01

3,0 51,43 44,45 29,12

4,0 51,43 50,00 23,95

Las boquillas utilizadas muestran valores de presión, flujo y velocidad lineal de operación

similares a los registrados en el estudio inicial realizado por el CIPI y el CIAAA. La Tabla Nº

5.5 muestra la comparación entre las condiciones de operación en el estudio y las

condiciones registradas en la bibliografía.

Tabla Nº 5.5 Comparación de condiciones de operación del presente estudio y del

estudio realizado por el CIPI y CIAAA (D=7,5 cm h=12,5 cm).

Característica

Valores iniciales

registrados por el CIPI y

CIAAA

Valores Obtenidos en la fase

de caracterización

Diámetro de boquilla [mm] 1,4 3,4 2,0 3,0 4,0

Presión de operación [kgfcm-2] 2,7 1,48 1,32 0,92 0,63

Flujo estándar de operación [Lmin-1] 45,20 106,70 82,95 111,59 134,04

Velocidad lineal de operación [ms-1] 267,10 132,80 307,70 204,66 152,52

En esta geometría Las boquillas de diámetros menores a 2 mm son las más adecuadas,

debido a que la disminución en el flujo requerido es más significativa que la disminución

de presión de operación requerida. Además, bajo la acción de boquillas de diámetro

pequeño el lecho generado es más homogéneo.

58

UPB © 2012

5.1.2.2 Caracterización del lecho de diámetro de 20 cm

La Tabla Nº 5.6 muestra los resultados obtenidos de la presión de operación, flujo de

operación, flujo estándar de aire (STP), velocidad lineal del aire a la salida de la boquilla y

el flujo másico de aire por unidad de área de lecho en función a la altura de lecho, para

el diámetro de lecho de 20 cm.

Tabla Nº 5.6 Condiciones de operación en función a la altura (D=20 cm).

Altura de

lecho

[cm]

Diámetro

de boquilla

[mm]

Presión de

operación

[kgfcm-2]

Flujo de

operación

[Lmin-1]

Flujo STP

de aire

[Lmin-1]

Velocidad

lineal de aire

[ms-1]

Flujo másico

de aire por

área

[kgs-1m-2]

7,5 2,0 1,10 41,2 55,72 218,57 0,035

10,0 2,0 1,60 52,1 79,35 276,40 0,050

12,5 2,0 2,20 61,2 104,37 324,68 0,066

15,0 2,0 3,20 75,0 147,91 397,89 0,093

7,5 3,0 0,70 85,2 102,13 200,89 0,064

10,0 3,0 0,90 92,0 117,57 216,92 0,074

12,5 3,0 1,20 101,2 140,50 238,61 0,088

15,0 3,0 1,75 115,0 180,63 271,15 0,113

17,5 3,0 2,20 128,8 219,66 303,69 0,138

7,5 4,0 0,55 105,1 119,36 139,39 0,075

10,0 4,0 0,85 125,2 157,58 166,05 0,099

12,5 4,0 1,15 154,2 214,08 204,51 0,134

15,0 4,0 1,80 180,0 285,52 238,73 0,179

17,5 4,0 2,30 201,2 348,87 266,85 0,219

Los resultados obtenidos muestran que la presión manométrica y el flujo volumétrico de

operación necesarios aumentan en función a la atura del lecho.

Se observa que, tanto la presión de operación como el flujo de operación, son mayores

que para el reactor de 7,5 centímetros de diámetro. Esto se debe a que la cantidad de

quinua tratada en este sistema es mucho mayor y el flujo de aire se distribuye radialmente

por el lecho, aumentando la pérdida de presión en el lecho. Por tanto, la presión de

operación requerida se incrementa. Las Figuras Nº 5.11, 5.12, 5.13 y 5.14 muestran el

comportamiento de las condiciones de operación en función a la altura de lecho.

59

UPB © 2012

Figura Nº 5.11 Presión de operación en función a la altura de lecho (D=20 cm).

La velocidad de incremento correspondiente al lecho de 20 cm es mayor a la registrada

en el lecho de 7,5 cm de diámetro. Este resultado sugiere que, el aporte de la caída de

presión en la boquilla a la caída de presión global es más importante en el caso del lecho

de diámetro menor, debido al menor recorrido del aire en dirección lateral dentro el

lecho. En lechos de diámetro mayor el aporte de la caída de presión en el lecho se hace

más significativo debido a que el aire recorre el lecho de manera radial.

Figura Nº 5.12 Flujo estándar de operación en función a la altura de lecho (D=20 cm).

0,0

1,0

2,0

3,0

4,0

5,0 7,5 10,0 12,5 15,0 17,5 20,0

Pre

sió

n d

e o

pe

raci

ón

[kg

fcm

-2]


Boquilla 2 mm Boquilla 3 mm Boquilla 4 mm

0

100

200

300

400

5,0 7,5 10,0 12,5 15,0 17,5 20,0

Flu

jo S

TP d

e a

ire

[Lm

in-1

]



60

UPB © 2012

Los flujos volumétricos son mayores para boquillas de mayor diámetro y para mayores

alturas de lecho. Los flujos requeridos en este sistema son mayores a los requeridos con un

diámetro de lecho de 7,5 cm debido a que la carga de quinua procesada es mayor para

el diámetro de 20 cm.

Figura Nº 5.13 Velocidad lineal de aire función de la altura de lecho (D=20 cm).

En general, se observa que la velocidad lineal aumenta a medida que se trata lechos de

mayor altura. Además, las boquillas de mayor diámetro presentan velocidades lineales

menores, lo cual disminuye la pérdida de masa durante el proceso de desaponificacion.

En general las velocidades de aire fueron algo mayores a las registradas en el lecho de 7,5

cm. Esto se debe a que los flujos registrados fueron mucho mayores. El incremento de flujo

volumétrico y de velocidad lineal al ingreso del surtidor se debe a que, en estas

condiciones, la carga de quinua procesada es mucho mayor, por lo tanto se requiere

mayor energía para generar un surtidor y fuente estables.

Los valores de la velocidad lineal registrados en el estudio inicial realizado por el CIPI y

CIAAA [7], para lechos de diámetro de 7,5 centímetros, varían entre 160 - 290 ms-1 para

boquillas de 1,4 mm de diámetro interno y entre 70 - 160 ms-1 para boquillas de 3,4 mm de

diámetro interno.

0

100

200

300

400

500

5,0 7,5 10,0 12,5 15,0 17,5 20,0

Vel

oci

dad

lin

eal a

la s

alid

a d

e la

bo

qu

illa

[ms-1

]



61

UPB © 2012

Figura Nº 5.14 Flujo másico de aire por unidad de área transversal de lecho en función de

la altura de lecho (D=20 cm).

Se observó que el comportamiento del surtidor bajo distintos diámetros de boquilla y

alturas de lecho era diferente al comportamiento observado en el reactor de diámetro de

7,5 cm.

La Tabla Nº 5.7 resume el comportamiento del lecho de 20 cm de diámetro.

Tabla Nº 5.7 Características del lecho formado bajo distintas condiciones (D=20 cm).

Diámetro de

boquilla [mm]

Altura de

lecho [cm] Características del lecho formado

2,0

7,5 Fuente regular, poco movimiento de los granos de

quinua, presión de rompimiento baja

10,0

Movimiento de los granos de quinua únicamente

cerca de la línea central, presión de rompimiento

baja.

12,5 Lecho estable, movimiento de los granos de quinua

únicamente cerca de la línea central del lecho.

15,0 Poco nivel de mezcla de los granos de quinua,

movimiento solo en la línea central del lecho.

17,5 No se pudo generar el lecho fluidizado.

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

5,0 7,5 10,0 12,5 15,0 17,5 20,0Flu

jo m

ásic

o p

or

un

idad

de

áre

a [k

gs-1

m-2

]



62

UPB © 2012

Diámetro de

boquilla [mm]

Altura de

lecho [cm] Características del lecho formado

3,0

7,5

(Continuación)

Presión de rompimiento baja, los granos de quinua

se mezclan homogéneamente, fuente regular.

10,0 Movimiento homogéneo de los granos de quinua,

fuente regular y estable.

12,5

Presión de rompimiento baja, los granos de quinua

se mezclan homogéneamente. Existe mezcla de los

granos a lo largo de todo el lecho.

15,0

Movimiento caótico de los granos de quinua en la

fuente, los granos de quinua golpean contra las

paredes del reactor.

17,5

Movimiento caótico, los granos de quinua golpean

contra las paredes del reactor. Presión de

operación elevada.

4,0

7,5

Movimiento caótico de los granos de quinua en la

fuente, mezclado irregular de los granos en el LFTS,

los granos tienen a chocar contra las paredes de

lecho

10,0

Movimiento caótico y brusco de los granos de

quinua, los cuales tienen a chocar con las paredes

del reactor y formar una fuente irregular, presión de

rompimiento baja.

12,5

Movimiento homogéneo, los granos de quinua en la

fuente tienden a chocar contra las paredes del

reactor.

15,0

Los granos de quinua en la fuente muestran un

movimiento irregular, chocan contra las paredes del

reactor. Se observa buena mezcla de los granos.

17,5

Movimiento caótico, los granos de quinua golpean

contra las paredes del reactor, el lecho tiende a

colapsar.

En este reactor (diámetro de 20 cm), se observó que diámetros de boquilla pequeños no

generan una mezcla homogénea y rápida de los granos de quinua que están siendo

tratados, debido a la mayor cantidad de quinua, por lo cual, el tiempo de tratamiento

debe ser mayor. En este sistema, las boquillas de diámetro mayor generan mayor mezcla

63

UPB © 2012

de los granos durante su tratamiento, lo cual disminuye el tiempo de tratamiento

necesario.

Además, se observó que en esta geometría los diámetros de boquilla pequeños requieren

presiones muy altas para romper el lecho de quinua, en algunos casos no se logró el

rompimiento del lecho fijo. Es por esto que para esta geometría las boquillas de diámetro

mayor son las más adecuadas para disminuir el consumo de energía.

Las Figuras 5.15 a 5.17 muestran el comportamiento del surtidor bajo distintos diámetros de

boquilla y distintas alturas de lecho, las figuras muestran que el lecho más regular se

obtiene para una altura de 12,5 cm con boquillas de diámetro grande (3 y 4 mm). Se

observa que para la boquilla de 2 mm el lecho generado es poco estable y tiende a

colapsar, debido a las presiones de operación elevadas que se registran con esta

boquilla.

(A) (B) (C)

Figura Nº 5.15 Comportamiento del surtidor generado (D=20 cm h=12,5 cm).

(A) Boquilla de 2 mm (B) Boquilla de 3 mm (C) Boquilla de 4 mm.

64

UPB © 2012

(A) (B) (C)


(A) Boquilla de 2 mm (B) Boquilla de 3 mm (C) Boquilla de 4 mm.

(A) (B)



65

UPB © 2012

Al igual que en el reactor de 7,5 centímetros de diámetro, se observa que, con alturas de

lecho mayores a 12,5 cm, la fuente generada es irregular, independientemente del

diámetro de boquilla utilizado.

El aumento de la altura de lecho permite incrementar la carga de quinua tratada durante

el proceso. Sin embargo, las condiciones de operación (presión manométrica y flujo

volumétrico de aire) se incrementan en mayor medida. Valores elevados de presión y flujo

de operación hacen que el lecho que se genera sea menos manejable y tienda a

colapsar.

La Tabla Nº 5.8 muestra el incremento de carga de quinua, presión de operación y flujo de

operación en función de la altura de lecho.

Tabla Nº 5.8 Variación porcentual entre lechos de altura de 12,5 cm y 17,5 cm

(D=20 cm).

Diámetro de

boquilla [mm]

Incremento de la

carga de quinua [%]

Incremento de la presión

de operación [%]

Incremento del flujo de

operación estándar [%]

2,0 79,31 68,20 64,43

3,0 79,31 83,33 56,34

4,0 79,31 91,67 62,96

Las boquillas utilizadas muestran valores de presión, flujo y velocidad lineal de operación

similares a los registrados en el estudio inicial realizado por el CIPI y CIAAA [7]. La Tabla Nº

5.9 muestra la comparación entre las condiciones de operación en el estudio y las

condiciones registradas en la bibliografía.

Tabla Nº 5.9 Condiciones de operación registradas (D=20 cm h=12,5 cm).

Característica

Valores iniciales

registrados por el CIPI y

CIAAA

Valores Obtenidos en la fase

de caracterización

Diámetro de boquilla [mm] 1,4 3,4 2,0 3,0 4,0

Presión de operación [kgfcm-2] 3,6 2,2 2,2 1,2 1,2

Flujo estándar de operación [Lmin-1] 79,5 188,63 104,55 140,75 214,45

Velocidad lineal de operación [ms-1] 357,28 174,40 324,68 238,61 204,52

66

UPB © 2012

5.2 Determinación experimental de condiciones óptimas de proceso

Se realizaron pruebas de laboratorio, para determinar los valores óptimos de las variables

independientes propuestas en el estudio, que permitan disminuir el consumo de energía

en el sistema de beneficiado en seco, sin comprometer la calidad nutricional del

producto generado. Las pruebas se realizaron por separado para cada reactor.

5.2.1 Condiciones óptimas en el lecho de 7,5 cm de diámetro

5.2.1.1 Determinación de la altura óptima de lecho

Para determinar la altura de lecho optima, se midió la potencia requerida por el aire para

tratar lechos de distintas alturas. La Tabla Nº 5.10 muestra el flujo estándar, presión de

operación y potencia específica (por unidad masa de quinua tratada) para lechos con

distintas alturas.

Tabla Nº 5.10 Potencia requerida en función de la altura (D=7,5 cm).

Altura de

lecho [cm]

Diámetro

de boquilla

[mm]

Masa de

quinua

[g]

Presión de

operación

[kgf cm-2]

Flujo de

operación

[Lmin-1]

Flujo STP de

aire

[Lmin-1]

Potencia

Requerida

[kW kg quinua-1]

7,5 1,4 175 1,25 18,0 25,3 0,378

10,0 1,4 263 1,90 22,0 34,2 0,548

12,5 1,4 350 2,60 25,0 45,5 0,725

15,0 1,4 438 3,60 28,0 58,0 1,030

7,5 2,0 175 0,90 42,0 53,7 0,569

10,0 2,0 263 1,10 50,0 67,6 0,589

12,5 2,0 350 1,30 58,0 82,7 0,642

15,0 2,0 438 1,90 65,0 105,1 0,971

17,5 2,0 525 2,10 68,8 115,5 0,984

7,5 3,0 175 0,70 69,0 82,7 0,674

10,0 3,0 263 0,80 75,0 92,9 0,580

12,5 3,0 350 0,95 86,8 111,1 0,631

15,0 3,0 438 1,20 95,0 131,9 0,755

17,5 3,0 525 1,30 101,0 144,0 0,746

7,5 4,0 175 0,40 90,0 96,2 0,438

10,0 4,0 263 0,50 105,0 117,0 0,447

12,5 4,0 350 0,60 115,0 133,3 0,462

15,0 4,0 438 0,80 128,0 158,6 0,594

17,5 4,0 525 0,90 130,4 166,9 0,589

67

UPB © 2012

Los resultados muestran un comportamiento irregular del consumo de energía. En el caso

de las boquillas de 1,4 y 2,0 mm la menor potencia se obtiene con una altura de lecho de

7,5 cm. Para la boquilla de 3,0 mm, la menor potencia se obtiene con altura de lecho

entre 9 y 11 cm. Finalmente, con la boquilla de 4,0 mm, el menor requerimiento potencia

se obtiene con una altura entre 10 y 12 cm. La Figura Nº 5.18 muestra este

comportamiento.

Figura Nº 5.18 Potencia especifica experimental en función de la altura de lecho

(D=7,5 cm)

Para la selección de altura de lecho empleada durante las corridas experimentales,

también se consideró lo resultados obtenidos en el estudio inicial realizado por el CIPI y el

CIAAA. La altura de lecho óptima para el reactor de 7,5 cm de diámetro corresponde a

12,5 cm [7].

5.2.1.2 Resultados de las corridas experimentales

Se realizaron corridas experimentales con granos de quinua real Blanca, se varió los

tiempos de tratamiento, y el diámetro de boquilla. Las pruebas se realizaron para una

altura de lecho fija de 12,5 centímetros los resultados del estudio inicial realizado por el

CIPI y el CIAAA [7].

0,0

0,4

0,8

1,2

5 7 9 11 13 15 17 19

Po

ten

cia

esp

ecíf

ica

[kW

kg-1

]



Boquila 3 mm Boquilla 4 mm

68

UPB © 2012

La Tabla Nº 5.11 muestra los resultados obtenidos del contenido de saponinas, porcentaje

de remoción de saponina, pérdida de masa para cada una de las corridas realizadas en

el reactor de diámetro de 7,5 cm.


condiciones de procesamiento (H=12,5 cm, D=7,5 cm).

Corrida

Nº

Diámetro de

Boquilla

[mm]

Tiempo de

tratamiento

[min]

Saponinas en

el Grano

[%]

Remoción

Saponinas

[%]

Pérdida de

masa

[%]

1 1,4 5 0,123 46,55 5,02

2 1,4 10 0,089 57,28 5,10

3 1,4 15 0,055 71,67 5,20

4 1,4 20 0,021 94,66 5,52

5 1,4 25 0,008 96,44 5,98

6 2,0 5 0,116 49,87 3,22

7 2,0 10 0,076 67,12 3,89

8 2,0 15 0,048 79,01 5,15

9 2,0 20 0,029 87,63 5,51

10 2,0 25 0,015 93,37 6,47

11 3,0 5 0,121 47,68 1,80

12 3,0 10 0,101 56,32 2,84

13 3,0 15 0,083 63,92 3,50

14 3,0 20 0,071 69,30 4,09

15 3,0 25 0,065 72,07 4,73

16 4,0 5 0,121 47,76 1,67

17 4,0 10 0,098 57,46 2,18

18 4,0 15 0,088 61,77 2,73

19 4,0 20 0,078 66,09 3,41

20 4,0 25 0,072 68,77 4,35

5.2.1.3 Evaluación de la remoción de saponinas

El contenido de saponina residual en las muestras de quinua tratadas, se evaluó mediante

el método de la espuma descrito en la norma boliviana NB 683. Se construyó la curva del

contenido de saponinas residuales en función del tiempo para distintos diámetros de

boquilla para el lecho de diámetro de 7,5 cm y altura de 12,5 cm.

La Figura Nº 5.19 muestra el comportamiento de la cinética de remoción de saponinas

para la quinua real Blanca de Uyuni.

69

UPB © 2012

Figura Nº 5.19 Contenido de saponinas residuales en función del tiempo de tratamiento

(H=12,5 cm, D=7,5 cm).

Se observa que las boquillas de menor diámetro tienen mayores velocidades de remoción

de saponinas, por tanto se requieren menores tiempos de operación para alcanzar el

valor referencial registrado por el CPTS (0,01 % saponinas residuales). Las boquillas de

diámetro de 3 y 4 milímetros requieren un tiempo de tratamiento mucho mayor a 30

minutos para generar granos con porcentajes de 0,01 % de saponinas residuales. Esto se

debe a que las boquillas de diámetro grande no son adecuadas en esta geometría.

La Figura Nº 5.20 muestra el porcentaje de remoción de saponinas del grano de quinua

tratado en función al tiempo de procesamiento. Este porcentaje se calculó en función al

contenido de saponinas de los granos de quinua sin tratar (quinua real Blanca de Uyuni) el

cual era de 0,231 % en masa.

0,000

0,020

0,040

0,060

0,080

0,100

0,120

0,140

0 5 10 15 20 25 30

% S

apo

nin

as r

esi

du

ale

s

Tiempo de tratamiento [min]

Boquilla 2 mm Boquilla 3 mm boquilla 4 mm Boquilla 1,4 mm

70

UPB © 2012

Figura Nº 5.20 Porcentaje de remoción de saponina en función del tiempo de tratamiento

(H=12,5 cm, D=7,5 cm).

El estudio realizado por el CIPI y el CIAAA [6], sostiene que la remoción de saponinas es

mayor durante los primeros 5 minutos de procesamiento. Este comportamiento puede

observarse para las boquillas de 1,4 mm y 2 mm. Sin embargo, para las boquillas de

diámetro de 2 y 3 mm se observa que la remoción de saponinas es más lenta. Este

comportamiento se debe a que en estas boquillas las velocidades de ingreso de aire al

surtidor son menores, lo cual disminuye la velocidad y la fuerza de choque de los granos

de quinua en el LFTS.

5.2.1.4 Evaluación de la pérdida de masa

La figura Nº 5.21 muestra el comportamiento de la pérdida de masa en función al tiempo

para distintos diámetros de boquilla.

0

20

40

60

80

100

0 5 10 15 20 25 30

% R

em

oci

ón

de

sap

on

inas


Boquilla 2 mm Boquilla 3 mm Boquilla 4 mm Boquilla 1,4 mm

Porcentaje inicial de saponinas = 0,231 %

(Quinua Blanca Real de Uyuni)

71

UPB © 2012


(H=12,5 cm, D=7,5 cm).

Se observa que la pérdida es menor para diámetros de boquilla mayores, esto se debe a

que en estas boquillas las velocidades de aire al ingreso del surtidor son menores, lo cual

reduce el desgaste del grano de quinua durante el proceso de desaponificacion.

Las boquillas de diámetro de 3 y 4 mm las pérdidas alcanzan un valor de 4,7 % y 4,3 %

respectivamente, estos valores son mucho menores a los registrados en los estudios

iniciales del CIPI y del CIAAA [7], para condiciones óptimas, donde las pérdidas de masa

ascienden a 7,2 %.

Las boquillas de diámetro 1,4 y 2 mm las perdidas alcanzan valores de 5,5 % y 6,4 %

respectivamente para un tiempo de tratamiento de 25 minutos.

5.2.1.5 Evaluación del consumo de energía

La Tabla Nº 5.12 muestra el consumo de energía realizado por el aire en el sistema

fluidizado, el mismo se expresa como consumo por unidad de masa de quinua tratada.

Además, se muestra las condiciones de operación registradas para cada prueba

experimental.

0,0

1,0

2,0

3,0

4,0

5,0

6,0

7,0

0 5 10 15 20 25 30

Pé

rdid

a d

e m

asa

[%]


Boquilla 2 mm Boquilla 3 mm Boquilla 4 mm Boquilla 1,4 mm

72

UPB © 2012

Tabla Nº 5.12 Consumo de energía por el aire para distintas condiciones de operación

(H=12,5 cm, D=7,5 cm).

Corrida

Nº

Diámetro de

boquilla

[mm]

Tiempo de

tratamiento

[min]

Presión de

operación

[kgf cm-2]

Flujo de

operación

[Lmin-1]

Consumo de

energía

[kWh kg quinua-1]

1 1,4 5 2,6 25 0,0586

2 1,4 10 2,7 26 0,1285

3 1,4 15 2,7 26 0,1927

4 1,4 20 2,6 25 0,2342

5 1,4 25 2,6 26 0,3045

6 1,4 30 2,7 25 0,3706

7 2,0 5 1,3 58 0,0519

8 2,0 10 1,3 58 0,1038

9 2,0 15 1,4 58 0,1723

10 2,0 20 1,3 58 0,2076

11 2,0 25 1,3 58 0,2595

12 2,0 30 1,3 58 0,3114

13 3,0 5 0,95 88 0,0517

14 3,0 10 0,9 85 0,0931

15 3,0 15 0,95 88 0,1552

16 3,0 20 0,9 85 0,1861

17 3,0 25 0,9 88 0,2408

18 3,0 30 0,95 88 0,3104

19 4,0 5 0,63 115 0,0397

20 4,0 10 0,63 115 0,0794

21 4,0 15 0,63 115 0,1191

22 4,0 20 0,63 115 0,1588

23 4,0 25 0,63 115 0,1985

24 4,0 30 0,63 115 0,2382

5.2.1.6 Tiempo óptimo de tratamiento y consumo energético del aire

El tiempo de tratamiento necesario se definió como el tiempo necesario para obtener

granos de quinua con un 0,01 % de saponinas residuales en base al valor referencial

registrado por el proceso desarrollado por el CPTS.

Para determinar el tiempo de tratamiento óptimo se realizó un análisis de regresión para

las boquillas de 1,4 y 2 milímetros de diámetro, en función a los datos obtenidos en las

corridas experimentales.

73

UPB © 2012

Las boquillas de 2 y 3 milímetros de diámetro no logran alcanzar niveles de saponinas

residuales cercanos a 0,01%, en tiempos de tratamiento menores a 40 minutos. El análisis

de regresión en estos casos no es representativo y por eso no se incluye en la

determinación de tiempo óptimo.

En las Figuras Nº 5.22 y 5.23 se muestra la cinética de remoción de saponinas y la curva de

regresión para la boquilla de 1,4 y 2 mm de diámetro. Se incluye el coeficiente de

correlación obtenido durante el análisis.


(H=12,5 cm, D=7,5 cm).

0,00

0,02

0,04

0,06

0,08

0,10

0,12

0,14

0,16

0 5 10 15 20 25 30

% S

apo

nin

as r

esi

du

ale

s


Valores Experimentales Valor Referencial CPTS Curva de Regresión

r = 0,997

74

UPB © 2012


(H=12,5 cm, D=7,5 cm).

La Tabla Nº 5.13 muestra las ecuaciones de regresión y los coeficientes de correlación

correspondientes al análisis realizado con cada boquilla.

Tabla Nº 5.13 Análisis de Regresión para las boquillas de 1,4 y 2 mm (H=12,5 cm, D=7,5 cm).

Diámetro de

Boquilla [mm] Función de Regresión

Coeficiente de

Correlación (r)

1,4 0,997

2,0 1,0

Con las funciones de regresión determinadas se procedió a calcular los tiempos de

tratamiento requeridos por cada boquilla para alcanzar un nivel de saponinas residuales

de 0,01 % (valor alcanzado por el CPTS). La Tabla Nº 5.14 muestra el tiempo de tratamiento

necesario para cada boquilla.

0,00

0,02

0,04

0,06

0,08

0,10

0,12

0,14

0,16

0 5 10 15 20 25 30

% S

apo

nin

as r

esid

ual

es



r = 1

75

UPB © 2012


(H=12,5 cm, D=7,5 cm).

Diámetro de Boquilla

[mm]


(Para alcanzar 0,01 % de saponina residual)

1,4 23,5

2,0 27,4

3,0 Mayor a 30 minutos

4,0 Mayor a 30 minutos

En función al tiempo de tratamiento requerido por cada boquilla, se realizó el balance de

energía para determinar el consumo de energía teórico para cada boquilla, el mismo se

expresó como consumo por unidad de masa de quinua tratada. Además, se evaluó la

pérdida de masa sufrida bajo las condiciones de operación seleccionadas. La Tabla Nº

5.15 muestra los resultados obtenidos.


(H=12,5 cm, D=7,5 cm).

Diámetro

de Boquilla

[mm]

Tiempo de

tratamiento

[min]

Saponina

residual

[%]

Pérdida de

masa

[%]

Consumo de

Energía

[kWh kg quinua-1]

1,4 23,5 0,01 5,84 0,3019

2,0 27,4 0,01 6,56 0,2845

Los resultados muestran que el menor consumo energético se registra con la boquilla de 2

mm, el tiempo requerido por esta boquilla es de 27,4 minutos.

La pérdida de masa es una variable muy importante en el proceso de desaponificacion,

pues la mayor parte del costo está reflejado en el costo de materia prima. La pérdida de

masa registrada por esta boquilla es de 6,56 %.

Los resultados muestran que las condiciones para este sistema son de diámetro de lecho

de 7,5 cm, altura de lecho de 12,5 cm, diámetro de boquilla de 2 mm y un tiempo de

tratamiento de 27,4 minutos. Sin embargo, la pérdida de masa registrada aún sigue siendo

elevada esto debido al uso de boquillas de diámetro pequeño.

76

UPB © 2012

5.2.2 Condiciones óptimas en el lecho de 20 cm de diámetro

5.2.2.1 Determinación de la altura óptima de lecho

La Tabla Nº 5.16 muestra la potencia requerida por el aire en el reactor de 20 centímetros

de diámetro. Además, se muestra las condiciones de operación registradas para cada

prueba experimental. Las pruebas realizadas en el reactor de diámetro de 20 cm, no se

realizaron con la boquilla de 1,4 mm debido a que la presión de operación con esta

boquilla era muy elevada, además el lecho generado era muy inestable y mostraba

tendencia a colapsar.

Tabla Nº 5.16 Potencia requerida por el aire para distintas condiciones de operación

(D=20 cm).

Altura de

lecho

[cm]

Diámetro de

boquilla

[mm]

Masa de

quinua

[g]

Presión de

operación

[kgfcm-2]

Flujo de

operación

[Lmin-1]

Flujo STP de

operación

[Lmin-1]

Potencia

Requerida

[kW kg quinua-1]

7,5 2,0 350 1,10 41,2 55,72 0,3642

10,0 2,0 830 1,60 52,1 79,35 0,3323

12,5 2,0 1450 2,20 61,2 104,37 0,3380

15,0 2,0 2074 3,20 75,0 147,91 0,4923

7,5 3,0 350 0,70 85,2 102,13 0,4162

10,0 3,0 830 0,90 92,0 117,57 0,2628

12,5 3,0 1450 1,20 101,2 140,50 0,2424

15,0 3,0 2074 1,75 115,0 180,63 0,3231

17,5 3,0 2696 2,20 128,8 219,66 0,3830

7,5 4,0 350 0,55 105,1 119,36 0,3782

10,0 4,0 830 0,85 125,2 157,58 0,3618

12,5 4,0 1450 1,15 154,2 214,08 0,3644

15,0 4,0 2074 1,80 180,0 285,52 0,5259

17,5 4,0 2696 2,30 201,2 348,87 0,6368

En lechos de altura menor a 10 cm, la carga de quinua tratada es pequeña, esto hace

que la potencia por kilogramo de quinua se incremente. En lechos de altura superior a

12,5 cm, el incremento de la presión y flujo de operación es más significativo que el

incremento en la carga de quinua, esto hace que la potencia requerida por kilogramo de

quinua sea mayor. La Figura Nº 5.24 muestra este comportamiento.

77

UPB © 2012

Figura Nº 5.24 Potencia especifica experimental en función de la altura de lecho

(D=20 cm)

Se observa que la altura de lecho que requiere menor potencia específica esta entre 10 y

12 cm para las boquillas de 2 y 4 mm y para la boquilla de 3 mm entre 12 y 13 cm. Para

incrementar la carga de quinua tratada por corrida experimental, se eligió la altura de

lecho de 12,5 cm.

5.2.2.2 Resultados de las corridas experimentales

Se realizaron corridas experimentales con granos de quinua real Blanca, se varió el tiempo

de tratamiento y el diámetro de boquilla según la definición de niveles establecida. Las

pruebas se realizaron para una altura de lecho fija de 12,5 centímetros.

La Tabla Nº 5.17 muestra los resultados obtenidos del contenido de saponinas, porcentaje

de remoción de saponina, pérdida de masa para cada una de las corridas realizadas en

el reactor de diámetro de 20 cm.

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

5 7 9 11 13 15 17 19

Po

ten

cia

esp

ecíf

ica

[kW

kg-1

]


Boquilla 2 mm Boquilla 3 mm Boquilla 3 mm4

78

UPB © 2012


condiciones de procesamiento (H=12,5 cm D=20 cm).

Corrida

Nº

Diámetro

de Boquilla

[mm]

Tiempo de

tratamiento

[min]

Saponinas

en el Grano

[%]

Remoción

Saponinas

[%]

Pérdida de

masa

[%]

1 2,0 30 0,076 67,11 5,287

2 2,0 40 0,042 81,67 5,617

3 2,0 50 0,019 91,94 6,277

4 2,0 60 0,011 95,19 7,356

5 3,0 30 0,076 67,11 4,252

6 3,0 40 0,040 82,75 4,509

7 3,0 50 0,025 88,99 4,729

8 3,0 60 0,013 94,37 4,938

9 4,0 30 0,086 62,82 3,563

10 4,0 40 0,049 78,90 3,793

11 4,0 50 0,022 90,29 4,022

12 4,0 60 0,015 93,67 4,248

De manera general la remoción de saponinas en el lecho de diámetro de 20 centímetros,

es mejor que en el lecho de 7,5 cm de diámetro. Además, la perdida de masa registrada

es menor para el diámetro de lecho de 20 cm.

5.2.2.3 Evaluación de la remoción de saponinas

La Figura Nº 5.25 muestra la curva del contenido de saponina residual en función del

tiempo de tratamiento para distintos diámetros de boquilla para el reactor de diámetro

de 20 cm.

En el lecho de diámetro de 20 cm, las velocidades de remoción de saponinas no difieren

mucho con el diámetro de la boquilla. Sin embargo, todas requieren tiempos un poco

mayores de 60 min para llegar al valor referencial de 0,01 %.

79

UPB © 2012

Figura Nº 5.25 Contenido de saponina residual en función del tiempo de tratamiento

(H=12,5 cm D=20 cm).

La Figura Nº 5.26 muestra el porcentaje de remoción de saponinas del grano de quinua

tratado en función al tiempo de procesamiento.

Figura Nº 5.26 Porcentaje de remoción de saponina en función al tiempo de

tratamiento (H=12,5 cm D=20 cm).

0

0,02

0,04

0,06

0,08

0,1

20 30 40 50 60 70

% S

apo

nin

as R

esi

du

ale

s



20,0

40,0

60,0

80,0

100,0

20 30 40 50 60 70

% R

emo

ció

n d

e sa

po

nin

as



Porcentaje inicial de saponinas = 0,231 %

(Quinua Blanca Real de Uyuni)

80

UPB © 2012

En este sistema se observa que la remoción de saponinas no es uniforme, durante los

primeros 30 minutos del proceso se remueven cerca del 60 % de saponinas en el grano, en

los siguientes 10 minutos se remueve cerca del 20 % de saponinas y a partir de este punto

la remoción se hace más lenta debido a que las capas internas del episperma son más

difíciles de remover, entre los minutos 40 y 50 se observa una remoción de cerca del 10 %

para todas las boquillas.

En un tiempo de operación de 60 minutos, se logra eliminar el 95 % de saponinas para la

boquilla de 2 mm, 91% para la boquilla de 3 mm y 93 % para la boquilla de 4 mm. Con

estos niveles de remoción se obtiene un producto cuyo contenido de saponinas está

cercano al nivel aceptable (0,01 % de saponinas residuales), lo cual indica que el tiempo

de tratamiento requerido en estos sistemas está alrededor de los 60 minutos.

Un aspecto importante es que las distintas boquillas tienen comportamientos similares en

cuanto a la remoción de saponinas. Sin embargo en cuanto a consumo energético su

comportamiento es distinto.

5.2.2.4 Evaluación de la pérdida de masa

La Figura Nº 5.27 muestra el comportamiento de la pérdida de masa en función al tiempo

de tratamiento para distintos diámetros de boquilla.


(H=12,5 cm D=20 cm).

0,0

2,0

4,0

6,0

8,0

20 30 40 50 60 70

Pér

did

a d

e m

asa

[%

]



81

UPB © 2012

Se observa que la pérdida es menor para diámetros de boquilla mayores debido a que

estas muestran velocidades de aire al ingreso del surtidor menores, disminuyendo la fuerza

de choque entre los granos de quinua, lo cual reduce el desgaste del grano de quinua

durante el proceso de desaponificacion.

En el intervalo de tiempo de estudio, se observa que la boquilla de 3 milímetros presenta

una pérdida de masa entre 4 y 5 %. En cambio, la boquilla de 4 milímetros presenta

pérdidas entre el 3 % y 4,5%. La boquilla de 2 mm presenta perdidas de masa desde 5 %

hasta 7,5 %.

Las pérdidas de masa para las boquillas de 3 y 4 milímetros son menores debido a que el

movimiento de los granos de quinua en el surtidor generado por estas boquillas, es más

regular que para boquillas de diámetros menores.

5.2.2.5 Evaluación del consumo de energía

La Tabla Nº 5.18 muestra el consumo de energía específico realizado por el aire en el

reactor de 20 centímetros de diámetro, durante la desaponificación. Además, se muestra

las condiciones de operación registradas para cada prueba experimental.

Tabla Nº 5.18 Consumo de energía por el aire para distintas condiciones de operación

(H=12,5 cm D=20 cm).

Nº

Diámetro

de boquilla

[mm]

Tiempo de

tratamiento

[min]

Presión de

operación

[kgf cm-2]

Flujo de

operación

[Lmin-1]

Flujo STP de

operación

[Lmin-1]

Consumo de

energía

[kWh kg quinua-1]

1 2 30 2,20 62 105,92 0,1662

2 2 40 2,20 62 105,92 0,2216

3 2 50 2,20 60 102,50 0,2681

4 2 60 2,20 60 102,50 0,3217

5 3 30 1,20 100 139,07 0,1163

6 3 40 1,20 100 139,07 0,1551

7 3 50 1,20 103 143,24 0,1996

8 3 60 1,20 103 143,24 0,2396

9 4 30 1,15 155 215,56 0,1803

10 4 40 1,15 153 212,78 0,2373

11 4 50 1,15 153 212,78 0,2966

12 4 60 1,15 155 215,56 0,3605

82

UPB © 2012

De manera general los flujos de operación registrados en este sistema son mayores a los

registrados para el reactor de 7,5 cm de diámetro. Sin embargo, las presiones de

operación son mucho menores.

El consumo de energía realizado por el aire es menor al registrado en el reactor pequeño,

esto se debe principalmente a la diferencia entre la carga de quinua que se puede tratar

en este sistema (1450 gramos frente a 350 gramos para el reactor pequeño). El tiempo de

tratamiento es mayor, pero no influye en mayor medida que la carga de quinua tratada.

5.2.2.6 Tiempo óptimo de tratamiento y consumo energético del aire

El tiempo óptimo de tratamiento se calculó en base al tiempo requerido para obtener un

producto que alcance un contenido residual de saponinas que cumpla con los

estándares requeridos (0,01 % de saponinas residuales según el valor referencial registrado

por el CPTS).

Para determinar el tiempo de tratamiento óptimo se realizó un análisis de regresión para

las distintas boquillas utilizadas en función a los datos obtenidos en las corridas

experimentales. En las Figuras Nº 5.28, 5.29 y 5.30 se muestra la cinética de remoción de

saponinas y la curva de regresión para la boquilla de 2,3 y 4 mm de diámetro. Se incluye

el coeficiente de correlación obtenido durante el análisis.


(H=12,5 cm D=20 cm).

0,00

0,02

0,04

0,06

0,08

0,10

20 30 40 50 60 70

% S

apo

nin

as R

esid

ual

es

Tiempo de Tratamiento [min]


r = 0,996

83

UPB © 2012


(H=12,5 cm D=20 cm).


(H=12,5 cm D=20 cm).

0,00

0,02

0,04

0,06

0,08

0,10

20 30 40 50 60 70

% S

apo

nin

as R

esid

ual

es



0,00

0,02

0,04

0,06

0,08

0,10

20 30 40 50 60 70

% S

apo

nin

as R

esid

ual

es



r = 0,997

r = 0,996

84

UPB © 2012

La Tabla Nº 5.19 muestra las ecuaciones de regresión y los coeficientes de correlación

correspondientes al análisis realizado con cada boquilla.

Tabla Nº 5.19 Análisis de Regresión para las boquillas de 2,3 y 4 mm (H=12,5 cm D=20 cm).

Diámetro de

Boquilla [mm] Función de Regresión

Coeficiente de

Correlación (r)

2,0 0,996

3,0 0,997

4,0 0,996

Para la boquilla de 2 milímetros de diámetro interno, se observa que el tiempo requerido

para alcanzar el valor referencial de saponinas residuales es de 60 minutos. Las boquillas

de 3 y 4 milímetros requieren tiempos algo mayores a 60 minutos.

Con las funciones de regresión determinadas se procedió a calcular los tiempos de

tratamiento requeridos por cada boquilla para alcanzar un nivel de saponinas residuales

de 0,01 % (valor alcanzado por el CPTS).

La Tabla Nº 5.20 muestra Los tiempos de tratamiento requeridos por cada boquilla.


(H=12,5 cm D=20 cm).

Diámetro de Boquilla

[mm]


(Para alcanzar 0,01 % de saponina residual)

2,0 60,0

3,0 68,0

4,0 75,0

En función al tiempo de tratamiento requerido por cada boquilla, se realizó el balance de

energía para determinar el consumo de energía teórico para cada boquilla, el mismo se

expresó como consumo por unidad de masa de quinua tratada. Además, se evaluó la

pérdida de masa sufrida bajo las condiciones de operación seleccionadas.

85

UPB © 2012

La Tabla Nº 5.21 muestra os resultados obtenidos.

Tabla Nº 5.21 Pérdida de masa y el consumo especifico de energía (H=12,5 cm D=20 cm).

Diámetro de

Boquilla

[mm]

Tiempo de

tratamiento

[min]

Saponina

residual

[%]

Pérdida de

masa

[%]

Consumo de

Energía

[kWh kg quinua-1]

2,0 60,0 0,01 7,356 0,3325

3,0 68,0 0,01 5,132 0,2636

4,0 75,0 0,01 4,589 0,4507

Los resultados muestran que para esta geometría de lecho (Diámetro de 20 cm y altura

de 12,5 cm) la boquilla de 3,0 mm de diámetro es la más adecuada pues permite

alcanzar el valor de saponina residual deseado con el menor gasto de energía. Además

se observa que la pérdida de masa corresponde a 5,132 %.

La Tabla Nº 5.22 muestra la comparación de las condiciones determinadas en cada

reactor.

Tabla Nº 5.22 Condiciones óptimas para los lechos de 7,5 y 20 cm de diámetro.

Característica

Diámetro de lecho de

7,5 cm

(Reactor Pequeño)

Diámetro de lecho de

20 cm

(Reactor Grande)

Altura de Lecho [cm] 12,5 12,5

Diámetro de Boquilla [mm] 2,0 3,0

Presión de Operación [kgf cm-2] 1,40 1,20

Flujo Estándar de Operación [Lmin-1] 82,69 143,24

Consumo estándar de aire [m3kg de quinua-1] 6,47 6,72

Tiempo de Tratamiento [min] 27,4 68,0

Contenido de Saponinas Residuales [%] 0,01 0,01

Pérdida de Masa [%] 6,560 5,132

Consumo de Energía [kWh kg quinua-1] 0,2845 0,2636

La boquilla de diámetro de 3,0 mm en este sistema, genera un consumo energético de

0,2636 kWh por kilogramo de quinua tratado. Este valor es menor que el consumo

generado por la boquilla de 2,0 mm en el lecho de 7,5 cm de diámetro, que es de 0,2845

86

UPB © 2012

kilowatts hora por kilogramo de quinua. Las condiciones óptimas corresponden al lecho

de diámetro de 20 centímetros. Si bien, la diferencia de consumo energético entre ambos

sistemas no es muy grande, existen otros aspectos que influyen en la selección de esta

geometría.

La pérdida de masa generada con la boquilla de 3,0 mm en el lecho de 20 cm de

diámetro es menor a la generada por la boquilla de 2 mm en el lecho de 7,5 cm de

diámetro. Además, la presión de operación requerida en este sistema es menor a la del

lecho de 7,5 cm, lo cual influye en la estabilidad y manejabilidad del lecho.

El lecho de diámetro de 20 centímetros, presenta un movimiento de los granos de quinua

más uniforme y estable. La robustez del lecho generado es mucho mayor para esta

geometría. Las condiciones óptimas del proceso corresponden a las condiciones óptimas

registradas para el lecho de diámetro de 20 centímetros (Reactor Grande).

5.3 Modelo de pérdida de presión del sistema de desaponificación

mediante el LFTS

Se evaluó la pérdida de presión en el sistema de desaponificacion. La Figura Nº 5.31

muestra los elementos que lo componen.

Figura Nº 5.31 Diagrama del equipo de desaponificación en seco.

87

UPB © 2012

El punto 1, representa la salida del filtro de aire, donde se mide la presión con un

manómetro. Los puntos 2 y 3 representan la entrada y salida del rotámetro

respectivamente. Los puntos 4 y 5 representan la entrada y salida de la boquilla de

alimentación de aire respectivamente. El punto 6 representa la parte superior del lecho de

quinua tratado. Finalmente, el punto 7 representa la parte superior de la manga

recolectora de polvo de saponinas provista en el sistema.

El análisis se realizó entre los puntos 1 y 7 mostrados en el diagrama. La pérdida de presión

total es la suma de las pérdidas de presión registradas entre cada punto.

La Tabla Nº 5.23 muestra las características de las pérdidas de presión registradas entre

cada región definida.

Tabla Nº 5.23 Pérdidas de presión registradas en el sistema de desaponificacion en seco.

Elemento Descripción

Pérdida de presión por tramo recto entre los puntos 1 y 2

Pérdida de presión en el rotámetro

Pérdida de presión por tramo recto entre los puntos 3 y 4

Pérdida de presión en la boquilla

Pérdida de presión en el lecho de quinua

Pérdida de presión en la manga recolectora de polvo de saponinas

Las pérdidas en los tramos rectos, corresponden a la caída de presión debido a la fricción

dentro de las mangueras de alimentación. Las mangueras tienen una rugosidad

equivalente de 0,0004, y un diámetro interno de 10 mm. La rugosidad relativa de es de

0,04. La caída de presión esta dada por [14]:

(1)

Las longitudes del primer y segundo tramo recto son de 54 y 75 cm respectivamente.

88

UPB © 2012

La caída de presión en el rotámetro, es mínima y está en función sus características de

construcción [12]. La pérdida de presión está dada por:

*

+ (2)

La perdida de presión en la boquilla de alimentación de aire, se debe a la contracción

brusca desde la manguera de alimentación hasta la entrada de la boquilla, a la

contracción desde la entrada hasta la salida de la boquilla y a una expansión brusca

hacia el lecho fluidizado. La Figura Nº 5.32 muestra el diagrama en corte del tipo de

boquilla utilizada.

Figura Nº 5.32 Vista en corte de la boquilla empleada.

EL punto a, representa a la manguera de alimentación, cuyo diámetro interno es de 10

mm. El punto b, representa a la parte inferior de la boquilla de diámetro interno de 5 mm.

El punto c, representa la salida de la boquilla hacia el lecho, cuyo diámetro varia según la

boquilla elegida. Finalmente, el punto d representa el lecho de quinua, cuya área

trasversal se considera mucho mayor al área de la manguera y de la boquilla.

89

UPB © 2012

La Tabla Nº 5.24 muestra las perdidas de presión sufridas en la boquilla.

Tabla Nº 5.24 Pérdidas de presión en la boquilla de alimentación de aire.

Elemento Descripción

Contracción brusca desde diámetro de 10

mm hasta diámetro de 5 mm.

Contracción brusca desde diámetro de 5

mm hasta el diámetro de salida de la

boquilla.

Expansión brusca desde el área de salida

hasta un área mucho mayor (área

transversal del lecho).

La caída de presión para una expansión brusca esta dada por [14]:

*( )

+ (3)

La caída de presión para una contracción brusca esta dada por [14]:

* ( )

+ (4)

La pérdida de presión en la manga recolectora de polvo de saponinas (pérdida de

presión entre los puntos 6 y 7 de la Figura Nº 5.18), se midió experimentalmente. Se midió la

presión de operación requerida para forma un LFTS estable, quitando la manga

recolectora. La diferencia de presiones medida, es la perdida de presión en la manga

recolectora de polvo de saponinas.

Finalmente, se modeló la caída de presión en el lecho de quinua mediante la ecuación

de R. Lama [15], la cual debe adecuarse a las condiciones atípicas del lecho estudiado.

La ecuación general que describe la pérdida de presión en un lecho de solidos es [15]:

90

UPB © 2012

(

)

(

) (

) (( )

) (5)

Se midió el diámetro de los granos de quinua (Dp). Para el factor de forma, se midió la

altura del grano de quinua y se aproximó la forma del mismo a un cilindro con las partes

superiores redondeadas.

Con el factor de forma se calculó la esfericidad de los granos de quinua y se calculo la

porosidad (ε) para un lecho suelto [16]. Los resultados fueron:

Diámetro de partícula (Dp) de 2,45 mm.

Factor de forma (λ) de 1,02

Porosidad de lecho (ε) de 0,43

La ecuación 5 puede escribirse como:

(16)

Donde KT es una constante que incluye las características del lecho, la constante descrita

en la ecuación original y la densidad promedio del fluido que entra al lecho.

La constante KT definida esta dada por:

( )

(

)(

( )

) (17)

El valor de Kt es fijo, para valores constantes de n y de la densidad del fluido. Bajo las

condiciones de presión y temperatura a la entrada del lecho, se observó que la densidad

del aire a la entrada del lecho variaba muy poco en cada corrida, lo cual permitió utilizar

la densidad promedio en la ecuación 16. La constante KT esta dada por:

La ecuación 25 puede expresarse de la forma:

91

UPB © 2012

(

) ( ) ( ) (18)

La ecuación 17 tiene la forma de una línea recta, en función a los datos experimentales

obtenidos, se realizó el análisis de regresión para determinar el modelo de perdida de

presión para cada diámetro de lecho disponible.

5.3.1 Modelamiento del lecho de 7,5 cm de diámetro

La Tabla Nº 5.25 muestra las condiciones de operación medidas para el sistema LFST con

diámetro de lecho de 7,5 cm.

Tabla Nº 5.25 Condiciones de operación (D=7,5 cm)

Altura de

lecho

[cm]

Diámetro

de boquilla

[mm]

Presión de

operación

[kgfcm-2]

Flujo de

operación

[Lmin-1]

7,5 1,4 1,25 18,0

10,0 1,4 1,90 22,0

12,5 1,4 2,60 25,0

15,0 1,4 3,60 28,0

7,5 2,0 0,90 42,0

10,0 2,0 1,10 50,0

12,5 2,0 1,30 58,0

15,0 2,0 1,90 65,0

17,5 2,0 2,10 68,8

7,5 3,0 0,70 69,0

10,0 3,0 0,80 75,0

12,5 3,0 0,95 86,8

15,0 3,0 1,20 95,0

17,5 3,0 1,30 101,0

7,5 4,0 0,40 90,0

10,0 4,0 0,50 105,0

12,5 4,0 0,60 115,0

15,0 4,0 0,80 128,0

17,5 4,0 0,90 130,4

92

UPB © 2012

En el caso del lecho de 7,5 cm de diámetro, la perdida de presión medida en la manga

recolectora es despreciable.

La Tabla Nº 5.26 muestra las pérdidas de presión calculadas en el primer tramo recto, en el

rotámetro, en el segundo tramo recto y en la boquilla de alimentación de aire.

Tabla Nº 5.26 Pérdidas de presión por tramos rectos, rotámetro y boquilla (D=7,5 cm).

Altura de

lecho

[cm]

Diámetro de

boquilla

[mm]

(calculado)

[kgfcm-2]

(calculado)

[kgfcm-2]

(calculado)

[kgfcm-2]

(calculado)

[kgfcm-2]

(calculado)

[kgfcm-2]

7,5 1,4 0,0008 0,0314 0,0011 1,1105 1,1438

10,0 1,4 0,0015 0,0314 0,0021 1,7279 1,7629

12,5 1,4 0,0024 0,0314 0,0034 2,3722 2,4094

15,0 1,4 0,0040 0,0314 0,0055 3,2955 3,3364

7,5 2,0 0,0034 0,0314 0,0048 0,7350 0,7746

10,0 2,0 0,0054 0,0314 0,0077 0,8808 0,9253

12,5 2,0 0,0080 0,0314 0,0114 1,0340 1,0848

15,0 2,0 0,0130 0,0314 0,0184 1,5347 1,5975

17,5 2,0 0,0157 0,0314 0,0222 1,6283 1,6976

7,5 3,0 0,0081 0,0314 0,0116 0,4622 0,5133

10,0 3,0 0,0102 0,0314 0,0146 0,5042 0,5604

12,5 3,0 0,0150 0,0314 0,0215 0,6338 0,7017

15,0 3,0 0,0206 0,0314 0,0295 0,7526 0,8341

17,5 3,0 0,0245 0,0314 0,0351 0,8247 0,9157

7,5 4,0 0,0110 0,0314 0,0209 0,1862 0,2495

10,0 4,0 0,0162 0,0314 0,0235 0,2093 0,2804

12,5 4,0 0,0210 0,0314 0,0305 0,2342 0,3171

15,0 4,0 0,0299 0,0314 0,0435 0,3268 0,4316

17,5 4,0 0,0331 0,0314 0,0480 0,3596 0,4721

La caída de presión en el lecho, corresponde a la diferencia entre la presión de

operación medida y la pérdida de presión hasta la entrada del lecho. Esto se debe a que

en la parte superior del reactor cilindro-cónico, la presión del aire utilizado, toma el valor

de la presión atmosférica local.

La Tabla Nº 5.27 muestra la pérdida de presión por unidad de altura de lecho (

)

calculada en el lecho, el flujo másico de aire por unidad de área de lecho, el flujo másico

por unidad de área de lecho y la densidad del aire a la entrada del lecho.

93

UPB © 2012

Tabla Nº 5.27 Pérdida de presión en el lecho (D=7,5 cm)

Altura de

lecho

[cm]

Diámetro de

boquilla

[mm]

(

)

[kgf cm-2 m-1]

Flujo másico

por unidad de

área

[kgs-1m-2]

Densidad del aire

a la entrada del

lecho

[kgm-3]

7,5 1,4 1,4175 0,1595 1,601

10,0 1,4 1,3712 0,2578 1,730

12,5 1,4 1,5242 0,3699 1,783

15,0 1,4 1,7577 0,5374 1,616

7,5 2,0 1,6718 0,3075 1,191

10,0 2,0 1,7474 0,4100 1,214

12,5 2,0 1,7216 0,5266 1,202

15,0 2,0 2,0164 0,7617 1,364

17,5 2,0 2,2993 0,8667 1,309

7,5 3,0 2,0166 0,4444 1,301

10,0 3,0 1,9783 0,5161 1,325

12,5 3,0 1,9869 0,6545 1,298

15,0 3,0 2,4395 0,8208 1,353

17,5 3,0 2,1964 0,9170 1,307

7,5 4,0 2,0071 0,4610 1,143

10,0 4,0 2,1957 0,5840 1,178

12,5 4,0 2,2630 0,6902 1,221

15,0 4,0 2,4563 0,8808 1,321

17,5 4,0 2,4456 0,9546 1,390

En base a los resultados mostrados en la Tabla Nº 5.14, se graficó el logaritmo decimal de

la pérdida de presión por unidad de altura de lecho, contra el logaritmo decimal del flujo

másico por unidad de sección transversal de lecho.

La Figura Nº 5.33 muestra el ajuste de los valores experimentales de pérdida de presión en

el lecho, a una línea recta.

94

UPB © 2012

Figura Nº 5.33 Curva de regresión para el modelo de pérdidas de presión en el lecho

(D=7,5 cm).

La Tabla Nº 5.28 muestra los resultados de la regresión.

Tabla Nº 5.28 Resultados del análisis de regresión para la pérdida de presión.

Descripción Valor determinado

Log (KT) 0,3816

KT 2,4077

K 9,2572

n 0,3388

Finalmente, se puede estimar la pérdida de presión por unidad de altura de lecho en para

un lecho de 7,5 cm de diámetro mediante la ecuación:

(19)

0,00

0,10

0,20

0,30

0,40

0,50

-1,0 -0,8 -0,6 -0,4 -0,2 0,0

Log

(ΔP

/H)

Log (G)

Valores experimentales Curva de regresión

r = 0,901

95

UPB © 2012

Donde:

ΔP es la caída de presión a través del lecho de tipo surtidor, en kgfcm-2m-1

H es la altura del lecho fijo de solidos en m

G es el flujo másico de aire por unidad de área transversal de lecho en kg s-1m-2

Para el lecho en estudio, la ecuación 18 se puedes expresar de la forma:

(

)

(

)(

( )

) (20)

Donde µ es la viscosidad del aire a 20ºC, Dp es el diámetro de los granos de quinua (2,45

mm), λ es el factor de forma de la quinua (1,02), ε es la porosidad del lecho (0,43) y ρf es la

densidad del aire a las condiciones de operación.

Se evaluaron las pérdidas de presión según la ecuación 18. La Tabla Nº 5.29 muestra la

perdida de presión medida y la perdida de presión calculada en el sistema. Además, se

incluye el porcentaje de error de los datos medidos con respecto al modelo desarrollado.

Tabla Nº 5.29 Pérdidas de presión medida y calculada en todo el sistema.

Altura de

lecho

[cm]

Diámetro de

boquilla

[mm]

Pérdida de

presión

medida

[kgf cm-2]

Pérdida de

presión

calculada

[kgf cm-2]

Error

[%]

7,5 1,4 1,250 1,241 0,75

10,0 1,4 1,900 1,915 0,79

12,5 1,4 2,600 2,624 0,94

15,0 1,4 3,600 3,629 0,81

7,5 2,0 0,900 0,896 0,48

10,0 2,0 1,100 1,103 0,30

12,5 2,0 1,300 1,327 2,08

15,0 2,0 1,900 1,927 1,41

17,5 2,0 2,100 2,099 0,05

7,5 3,0 0,700 0,686 2,01

10,0 3,0 0,800 0,795 0,68

12,5 3,0 0,950 0,962 1,30

96

UPB © 2012

Altura de

lecho

[cm]

Diámetro de

boquilla

[mm]

Pérdida de

presión

medida

[kgf cm-2]

Pérdida de

presión

calculada

[kgf cm-2]

Error

[%]

15,0

3,0

1,200

1,172

(Continuación)

2,35

17,5 3,0 1,300 1,325 1,91

7,5 4,0 0,400 0,388 2,91

10,0 4,0 0,500 0,481 3,78

12,5 4,0 0,600 0,583 2,91

15,0 4,0 0,800 0,778 2,81

17,5 4,0 0,900 0,887 1,47

Las Figuras Nº 5.34 a 5.37 muestran la pérdida de presión en el lecho medida y la pérdida

calculada con el modelo desarrollado para cada diámetro de boquilla. Se observa que la

caída de presión calculada tiene un valor muy cercano al valor medido para todas las

boquillas utilizadas.


(D=7,5 cm, boquilla de 1,4 mm)

0,0

1,0

2,0

3,0

4,0

5,0

5 7,5 10 12,5 15 17,5

Pé

rdid

a d

e p

resi

ón

[kg

fcm

-2]


Pérdida de presión calculada Pérdida de presión medida

97

UPB © 2012





0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

5 7,5 10 12,5 15 17,5 20

Pé

rdid

a d

e p

resi

ón

[kg

fcm

-2]



0

0,4

0,8

1,2

1,6

5 7,5 10 12,5 15 17,5 20

Pé

rdid

a d

e p

resi

ón

[kg

fcm

-2]



98

UPB © 2012



5.3.2 Modelamiento del lecho de 20 cm de diámetro

La Tabla Nº 5.30 muestra las condiciones de operación para el LFST de diámetro de 20 cm.

Tabla Nº 5.30 Condiciones de operación (D=20 cm).

Altura de

lecho

[cm]

Diámetro

de boquilla

[mm]

Presión de

operación

[kgfcm-2]

Flujo de

operación

[Lmin-1]

7,5 2,0 1,10 41,2

10,0 2,0 1,60 52,1

12,5 2,0 2,20 61,2

15,0 2,0 3,20 75,0

7,5 3,0 0,70 85,2

10,0 3,0 0,90 92,0

12,5 3,0 1,20 101,2

15,0 3,0 1,75 115,0

17,5 3,0 2,20 128,8

7,5 4,0 0,55 105,1

10,0 4,0 0,85 125,2

12,5 4,0 1,15 154,2

15,0 4,0 1,80 180,0

17,5 4,0 2,30 201,2

0,0

0,3

0,6

0,9

1,2

5 7,5 10 12,5 15 17,5 20

Pé

rdid

a d

e p

resi

ón

[kg

fcm

-2]


Pérdida de presión calculada

99

UPB © 2012

La Tabla Nº 5.31 muestra las pérdidas de presión calculadas en el primer tramo recto, en el

rotámetro, en el segundo tramo recto y en la boquilla de alimentación de aire.

Tabla Nº 5.31 Pérdidas de presión por tramos rectos, rotámetro, boquilla y manga

recolectora (D=20 cm).

Altura de

lecho

[cm]

Diámetro de

boquilla

[mm]

(calculado)

[kgfcm-2]

(calculado)

[kgfcm-2]

(calculado)

[kgfcm-2]

(calculado)

[kgfcm-2]

(medido)

[kgfcm-2]

7,5 2,0 0,0037 0,0314 0,0052 0,5856 0,150

10,0 2,0 0,0074 0,0314 0,0105 1,0286 0,150

12,5 2,0 0,0129 0,0314 0,0182 1,8737 0,150

15,0 2,0 0,0259 0,0314 0,0365 2,3745 0,150

7,5 3,0 0,0123 0,0314 0,0177 0,4005 0,150

10,0 3,0 0,0164 0,0314 0,0235 0,5424 0,150

12,5 3,0 0,0234 0,0314 0,0335 0,7286 0,150

15,0 3,0 0,0387 0,0314 0,0556 1,1830 0,150

17,5 3,0 0,0574 0,0314 0,0826 1,5299 0,150

7,5 4,0 0,0169 0,0314 0,0244 0,3282 0,150

10,0 4,0 0,0295 0,0314 0,0428 0,4628 0,150

12,5 4,0 0,0548 0,0314 0,0802 0,6157 0,150

15,0 4,0 0,0979 0,0314 0,1448 0,9455 0,150

17,5 4,0 0,1470 0,0314 0,2199 1,2989 0,150

La caída de presión en el lecho, corresponde a la diferencia entre la presión de

operación medida y la pérdida de presión hasta la entrada del lecho. Esto se debe a que

en la parte superior del reactor cilindro-cónico, la presión del aire utilizado, toma el valor

de la presión atmosférica local.

La Tabla Nº 5.32 muestra la pérdida de presión por unidad de altura de lecho (

)

calculada en el lecho, el flujo másico de aire por unidad de área de lecho, el flujo másico

por unidad de área de lecho y la densidad del aire a la entrada del lecho.

100

UPB © 2012

Tabla Nº 5.32 Pérdida de presión en el lecho (D=20 cm)

Altura de

lecho

[cm]

Diámetro de

boquilla

[mm]

(

)

[kgf cm-2 m-1]

Flujo másico

por unidad de

área

[kgs-1m-2]

Densidad del aire

a la entrada del

lecho

[kgm-3]

7,5 2,0 1,112 0,04751 1,164

10,0 2,0 1,462 0,07619 1,237

12,5 2,0 1,432 0,11220 1,275

15,0 2,0 2,142 0,18388 1,441

7,5 3,0 1,286 0,07717 1,179

10,0 3,0 1,528 0,09471 1,244

12,5 3,0 1,577 0,12296 1,296

15,0 3,0 1,620 0,17883 1,349

17,5 3,0 1,721 0,23614 1,417

7,5 4,0 1,548 0,08545 1,202

10,0 4,0 1,827 0,12502 1,279

12,5 4,0 1,935 0,18735 1,348

15,0 4,0 2,319 0,28548 1,472

17,5 4,0 2,412 0,38131 1,558

En base a los resultados mostrados en la Tabla Nº 5.32, se graficó el logaritmo decimal de

la pérdida de presión por unidad de altura de lecho, contra el logaritmo decimal del flujo

másico por unidad de sección transversal de lecho.

La Figura Nº 5.38 muestra el ajuste de los valores experimentales de pérdida de presión en

el lecho, a una línea recta.

101

UPB © 2012

Figura Nº 5.38 Curva de regresión para el modelo de pérdidas de presión en el lecho

(D=20 cm).

La Tabla Nº 5.33 muestra los resultados de la regresión.

Tabla Nº 5.33 Resultados del análisis de regresión para la pérdida de presión.

Descripción Valor determinado

Log (KT) 0,5239

KT 3,3412

K 12,8463

n 0,3451

Finalmente, se puede estimar la pérdida de presión por unidad de altura de lecho en para

un lecho de 20 cm de diámetro mediante la ecuación:

(20)

Donde:

ΔP es la caída de presión a través del lecho de tipo surtidor, en kgfcm-2m-1

H es la altura del lecho fijo de solidos en m

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

-1,5 -1,0 -0,5 0,0

Log

(ΔP

/H)

Log (G)

Valores experimentales

r = 0,908

102

UPB © 2012

G es el flujo másico de aire por unidad de área transversal de lecho en kg s-1m-2

Para el lecho en estudio, la ecuación 18 se puedes expresar de la forma:

(

)

(

)(

( )

) (21)

Donde µ es la viscosidad del aire a 20ºC, Dp es el diámetro de los granos de quinua (2,45

mm), λ es el factor de forma de la quinua (1,02), ε es la porosidad del lecho (0,43) y ρf es la

densidad del aire a las condiciones de operación.

Se evaluaron las pérdidas de presión según la ecuación 20. La Tabla Nº 5.34 muestra la

perdida de presión medida y la perdida de presión calculada en el sistema. Además, se

incluye el porcentaje de error de los datos medidos con respecto al modelo desarrollado.

Tabla Nº 5.34 Pérdidas de presión medida y calculada en todo el sistema.

Altura de

lecho

[cm]

Diámetro de

boquilla

[mm]

Pérdida de

presión

medida

[kgf cm-2]

Pérdida de

presión

calculada

[kgf cm-2]

Error

[%]

7,5 2,0 1,100 1,039 5,56

10,0 2,0 1,600 1,574 1,61

12,5 2,0 2,200 2,257 2,61

15,0 2,0 3,200 3,278 2,45

7,5 3,0 0,700 0,657 6,10

10,0 3,0 0,900 0,889 1,25

12,5 3,0 1,200 1,252 4,30

15,0 3,0 1,750 1,902 8,66

17,5 3,0 2,200 2,448 11,27

7,5 4,0 0,550 0,495 10,02

10,0 4,0 0,850 0,838 1,40

12,5 4,0 1,150 1,269 10,37

15,0 4,0 1,800 1,942 7,89

17,5 4,0 2,300 2,553 11,00

Las Figuras Nº 5.39, 5.40 y 5.41 muestran la pérdida de presión en el lecho medida y la

pérdida calculada con el modelo desarrollado para cada diámetro de boquilla. Se

103

UPB © 2012

observa que la caída de presión calculada tiene un valor muy cercano al valor medido

para todas las boquillas utilizadas.


(D=20 cm, boquilla de 2,0 mm)



0,0

1,0

2,0

3,0

4,0

5 7,5 10 12,5 15 17,5

Pé

rdid

a d

e p

resi

ón

[kg

fcm

-2]



0,0

1,0

2,0

3,0

5 7,5 10 12,5 15 17,5 20

Pé

rdid

a d

e p

resi

ón

[kg

fcm

-2]



104

UPB © 2012



5.3.3 Determinación de condiciones óptimas según el modelo

Mediante las constantes k y n de las ecuaciones Nº 20 y 21para los lechos de 7,5 y 20 cm

de diámetro respectivamente, se obtuvieron las constantes para cualquier diámetro de

lecho mediante interpolación con polinomios de LaGrange de grado 1.

Se obtuvieron las superficies de respuesta para el consumo específico de energía en

función de la altura de lecho y el diámetro de lecho, manteniendo el diámetro de

boquilla constante.

Se analizaron los diámetros de boquilla de 2,0 y 3,0 milímetros, pues con estas la

fluidización es estable para lechos de diámetro pequeño y grande.

La Figura Nº 5.42 muestra la superficie de respuesta para la boquilla de 2,0 milímetros,

donde se observa la variación del consumo de energía, debido a la caída de presión a

través del lecho, en función a la altura y diámetro de lecho.

0,0

1,0

2,0

3,0

5 7,5 10 12,5 15 17,5 20

Pé

rdid

a d

e p

resi

ón

[kg

fcm

-2]



105

UPB © 2012

Figura Nº 5.42 Altura y diámetro de lecho óptimos (Boquilla de 2,0 mm)

La Tabla Nº 5.35 muestra los valores óptimos de altura y diámetro de lecho, para minimizar

el consumo de energía debido a la caída de presión a través del lecho.

Tabla Nº 5.35 Diámetro y altura de lecho óptimos para la boquilla de 3,0 mm

Elemento Valor óptimo

Altura de lecho [cm] 11,0-13,0

Diámetro de lecho [cm] 11,5-13,0

Para estos rangos de valores, el consumo específico de energía a través del lecho se

reduce hasta un valor de 0,0286 kWhkg-1.

106

UPB © 2012

La Figura Nº 5.3 muestra la superficie de respuesta para la boquilla de 3,0 milímetros,

donde se observa la variación del consumo de energía, debido a la caída de presión a

través del lecho, en función a la altura y diámetro de lecho.

Figura Nº 5.43 Altura y diámetro de lecho óptimos (Boquilla de 3,0 mm)

La Tabla Nº 5.36 muestra los valores óptimos de altura y diámetro de lecho, para minimizar

el consumo de energía debido a la caída de presión a través del lecho.

Tabla Nº 5.36 Diámetro y altura de lecho óptimos para la boquilla de 3,0 mm

Elemento Valor óptimo

Altura de lecho [cm] 11,5-13,0

Diámetro de lecho [cm] 10,5-12,5

Para estos rangos de valores, el consumo específico de energía a través del lecho se

reduce hasta un valor de 0,0154 kWhkg-1.

107

UPB © 2012

5.4 Discusión de los resultados obtenidos

Durante la fase de laboratorio del estudio, se lograron determinar las condiciones

geométricas y de operación que permiten disminuir el consumo de energía para el

sistema de desaponificación en seco mediante el uso del LFTS.

Los resultados obtenidos en el presente estudio, en cuanto a al consumo de energía y la

pérdida de masa durante el proceso de desaponificación son menores a los registrados

en estudios previos acerca del tema [7]. Estos resultados hacen que el proceso de

desaponificación en seco sea más competitivo y atractivo a la hora de su

implementación a nivel industrial.

5.4.1 Geometría de lecho

La Tabla Nº 5.37 muestra las ventajas de las condiciones establecidas en este estudio

frente a las condiciones registradas en el proyecto desarrollado por los centros de

investigación de la UPB.

Tabla Nº 5.37 Análisis comparativo de la geometría establecida en la fase de laboratorio

Descripción

Resultados Registrados en el

estudio realizado por el CIPI y

CIAAA

Resultados obtenidos en la fase

de laboratorio del presente

estudio

Diámetro de lecho

Lecho de quinua de 7,5

centímetros de diámetro, tratado

en un reactor cilindro-cónico

Lecho de quinua de 20

centímetros de diámetro, tratado

en un reactor cilindro-cónico

Altura de lecho Lecho de quinua de 12,5 cm de

altura

Lecho de quinua de 12,5 cm de

altura

Carga de quinua tratada 350 gramos por corrida

experimental

1450 gramos por corrida

experimental

La cantidad de quinua tratada durante una corrida experimental es mayor debido a que

el lecho de quinua que se logró tratar en este estudio tiene un mayor diámetro.

En cuanto a la estabilidad de lecho y la manejabilidad del proceso, las condiciones

geométricas determinadas en este estudio, permitieron generar lechos de quinua con

108

UPB © 2012

mayor nivel de mezcla entre partículas y mayor estabilidad que las condiciones

registradas en los estudios previos realizados [7]. La posibilidad de poder manejar de

manera fácil un lecho de mayor volumen y por tanto tratar mayores cantidades de

quinua, hace que los requerimientos de energía por unidad de masa de quinua tratada

disminuyan.

En cuanto al ángulo de inclinación de la parte cónica de los reactores, se determinó un

valor de 45º de inclinación que puede ser variado hasta 30º sin afectar la manejabilidad

del sistema. Este resultado coincide con el ángulo de inclinación determinado en el

proyecto realizado por los centros de la UPB.

La altura de lecho óptima determinada, no difiere del valor determinado en estudios

previos [7]. Esto se debe a que los lechos de mayor altura a 12,5 centímetros, tienden a ser

inestables, mostrando comportamientos irregulares en el mezclado de los granos de

quinua dentro el lecho. Además, se requieren presiones de operación y flujos volumétricos

de aire muy elevados, los lechos de alturas mayores a 12,5 centímetros tienden a

colapsar, disminuyendo la manejabilidad de los mismos, aspecto que es fundamental a la

hora de la implementación a nivel industrial.

5.4.2 Condiciones de operación

Los estudios previos del lecho fluidizado, aplicado a la desaponificacion de quinua, tenían

como fuertes desventajas la alta presión manométrica de operación y la velocidad lineal

de aire requeridas para generar el movimiento de los granos de quinua en el lecho.

En este estudio se logró disminuir la presión manométrica de operación y generar un mejor

movimiento y mezcla de los granos de quinua dentro el lecho.

La Tabla Nº 5.38 muestra las condiciones de operación registradas bajo condiciones

óptimas en el presente estudio, comparadas con las que se registraron por los centros de

investigación de la UPB.

109

UPB © 2012

Tabla Nº 5.38 Análisis comparativo de las condiciones óptimas registradas en la fase de

laboratorio.

Elemento

Resultados Registrados en

el estudio inicial del CIPI y

CIAAA

Resultados obtenidos en la

fase de laboratorio del

presente estudio

Diámetro de boquilla óptimo [mm] 1,4 3,0

Presión manométrica para generar

el lecho fluidizado [bar] 2,8 1,2

Flujo Volumétrico de aire de

operación [L min-1] 25 100

Flujo Volumétrico Estándar de aire

[L min-1] 45 145

Flujo especifico de aire (STP)

[m3 kg quinua-1] 4,0 6,7

Tiempo de tratamiento [min] 30 68

Consumo de energía [kWh lg-1] 0.621 0.2636

Se observa que la presión registrada es menor que la registrada en la bibliografía. El flujo

de aire requerido para las condiciones establecidas es mayor al flujo registrado en la

bibliografía [7]. Sin embargo, el efecto del flujo volumétrico de aire sobre el consumo

energético es menor que el efecto de la presión. Además, la presión de operación es un

factor crítico en la estabilidad y manejabilidad del lecho fluidizado, como se mencionó

anteriormente, cuando la presión de operación es elevada, el lecho tiendo a ser difícil de

manejar y a colapsar.

Los flujos volumétricos altos tienen a incrementar el nivel de mezcla de los granos de

quinua durante el proceso de desaponificacion. Por otro lado, si bien el flujo de operación

es mucho mayor que el flujo registrado en la bibliografía, se observa que el gasto

específico de aire es cercano al que se registra en la misma.

La velocidad de aire a la entrada del surtidor es otro factor importante en la estabilidad

del lecho y en la pérdida de masa. Las velocidades registradas son menores a las que se

registraron en estudios anteriores [7]. Esto se debe al uso de una boquilla para la entrada

de aire que tiene mayor diámetro interno.

110

UPB © 2012

Esta boquilla asegura un flujo de aire de menor velocidad y disminuye las pérdidas de

masa durante el proceso. Este comportamiento se explica debido a que mayores

velocidades de aire, generan una mayor fuerza de choque entre los granos de quinua

durante el proceso, esto tiende a desgastar con mayor velocidad los granos de quinua y

elevar las pérdidas de masa.

5.4.3 Resultados de las pruebas experimentales bajo condiciones óptimas

5.4.3.1 Tiempo óptimo de tratamiento

Para la determinación del tiempo óptimo de tratamiento, se estableció que los granos de

quinua tratados, debían alcanzar un nivel de saponinas residuales de 0,01 %, esto es un

porcentaje de remoción mayor al 95 %. Este nivel se definió para establecer un proceso

competitivo frente a los valores registrados por el proceso de beneficiado de quinua

desarrollado por el CPTS.

En función a los resultados obtenidos para las corridas experimentales, se determinó que el

tiempo de tratamiento bajo condiciones óptimas, es de 68 minutos. El tiempo de

tratamiento establecido por los centros de investigación de la UPB, en la fase de

laboratorio era de 30 minutos, bajo el cual se lograban remociones mayores al 95%.

Si bien el tiempo de tratamiento determinado es mayor al registrado por el CIPI, un

aspecto importante es la cantidad de quinua que puede ser tratada durante este

periodo Para la geometría óptima de laboratorio, se pueden tratar 1450 gramos de

quinua en un tiempo de 70 minutos.

Se logró disminuir el tiempo necesario por unidad de masa de quinua desde 86 minutos

por kilogramo de quinua (valor registrado en el proyecto del CIPI y CIAAA) hasta un valor

de 48 minutos por kilogramo de quinua tratados con una boquilla para la entrada de aire.

Este es un aspecto muy importante a la hora del escalamiento a nivel industrial y tiene

mucha importancia en la disminución del consumo energético.

El tiempo de tratamiento, está definido por el nivel de remoción de saponinas que se

requiera alcanzar. En este estudio se alcanzaron valores de 0,01 % para generar un

proceso competitivo frente a otros procesos de beneficiado de quinua, como el que fue

desarrollado por el CPTS. Sin embargo, si los niveles de comercialización requeridos son de

0,06 % de saponinas en el grano de quinua, el tiempo de tratamiento podría disminuirse

111

UPB © 2012

considerablemente para productos que cuyo requerimiento únicamente sea alcanzar

este nivel.

5.4.3.2 Pérdida de masa durante el proceso de beneficiado

La pérdida de masa es un aspecto fundamental durante el proceso, debido al elevado

costo de la materia prima. Se logró disminuir de manera significativa la pérdida de masa

registrada los primeros estudios sobre desaponificacion en seco [7].

La Tabla Nº 5.39 muestra la comparación de los resultados obtenidos frente a los primeros

estudios de desaponificacion en seco.

Tabla Nº 5.39 Análisis comparativo para la pérdida de masa

Elemento Resultados del

CIPI y CIAAA

Resultados

obtenidos

Porcentaje de

disminución

Pérdida de masa bajo condiciones óptimas

[%] 7,20 5,13 28,75 %

Costo asociado a la pérdida de masa

(sobre la base de 100 kg de materia prima)

[$us/kg Materia Prima]

0,16 0,11 28,75 %

5.4.3.3 Consumo energético del sistema

El principal aspecto de interés en el proyecto, es el consumo de energía del sistema. Los

valores de consumo energético registrados en la primera fase del proyecto realizado por

los centros de investigación de la UPB, están muy por encima al consumo energético

registrado por el proceso desarrollado por el CPTS (0,150 kWh/kg de quinua procesada).

El presente proyecto logro establecer condiciones de operación bajo las cuales el

consumo de energía disminuye notablemente frente a los registrados por el CIPI y CIAAA,

además los valores alcanzados son mucho más cercanos a los valores de consumo

energético del CPTS.

El consumo de energía registrado en el proyecto, bajo una eficiencia en la entrega de

aire al sistema del 80 %, es de 0, 3295 kWh/kg quinua. Este valor muestra una disminución

porcentual del 46,9 % frente al consumo registrado para el prototipo piloto desarrollado

por los centros de investigación de la UPB (0,621 kWh/kg).

112

UPB © 2012

Un aspecto importante es el nivel de saponinas residuales establecido (0,01 % en masa). El

consumo de energía bajo las condiciones de operación establecidas en el presente

proyecto, disminuye de manera notable si se alcanzan niveles de solo 0,06 % de saponinas

residuales (nivel mínimo requerido comercialmente).

En el proceso a nivel industrial, el consumo de energía es menor que el que se registra en

la fase de laboratorio, debido a los factores de escalamiento empleados. Esto hace que

el gasto de energía sea más próximo al que registra el proceso desarrollado por el CPTS.

113

UPB © 2012

VI DISEÑO DEL EQUIPO INDUSTRIAL

La Tabla Nº 6.1 muestra las condiciones óptimas determinadas en la fase de laboratorio

para el diseño del equipo industrial.

Tabla Nº 6.1 Condiciones de operación óptimas determinadas en la fase de laboratorio.


Diámetro de lecho [cm] 20,0

Altura de Lecho [cm] 12,5

Diámetro de Boquilla [mm] 3,0

Presión de Operación [kgf cm-2] 1,20

Flujo Estándar de Operación [Lmin-1] 145

Consumo estándar de aire [m3 kg quinua-1] 6,56

Tiempo de Tratamiento [min] 68,0

Contenido de Saponinas Residuales [%] 0,01

Pérdida de Masa [%] 5,132

Consumo teórico de Energía

[kWh kg quinua-1] 0,2636

El proceso de beneficiado consta de las mismas etapas propuestas por los centros de

investigación de la UPB. Sin embargo, las condiciones de operación en el sistema de

fluidización están dadas por los resultados obtenidos en el presente proyecto. El proceso

está conformado por las siguientes etapas:

Limpieza y clasificación de la materia prima.

Almacenaje.

Despedregado.

Desaponificación en el sistema fluidizado de tipo surtidor.

Tamizado de los granos desaponificados.

114

UPB © 2012

Desinfección y Separación magnética de impurezas ferrosas.

Separación óptica de granos de color.

Envase.

Para elaborar el diseño del equipo de desaponificacion se consideró una capacidad de

producción diaria de 100 quintales de 46 kilogramos, es decir, 4 600 kg/día o 1 150

TM/año.

Para efectos de comparación, se consideró que este nivel de producción debe ser

cubierto en dos turnos de ocho horas, con tiempos de preparación de una hora, a 250

días de operación anual.

Para determinar la cantidad de quinua real que se trata en el sistema de

desaponificacion en seco, se realizó el balance de masa del proceso en función a la

capacidad de producción requerida. Las pérdidas de masa en este sistema son las

pérdidas registradas en la fase de laboratorio y perdidas en las demás etapas del proceso

se calcularon en base a los resultados obtenidos por los centros de investigación de la

UPB.

La pérdida de masa, bajo condiciones óptimas de operación, se disminuyó, por tanto la

cantidad de materia prima necesaria para alcanzar el nivel de 100 quintales diarios de

producción es menor a la registrada en la primera fase del proyecto realizado por el CIPI y

CIAAA.

115

UPB © 2012

La Figura Nº 6.1 muestra el balance de masa para el proceso expresado en kg/día.

Figura Nº 6.1 Balance de masa para el proceso de beneficiado bajo condiciones óptimas.

116

UPB © 2012

6.1 Diseño de la distribución de boquillas

En función a los resultados obtenidos en la fase de laboratorio, se establecieron las

siguientes condiciones geométricas para cada punto de aireación:

Una boquilla de 3 mm de diámetro interno dotada de una rejilla apropiada para

impedir el paso de granos de quinua dentro de la boquilla.

Una superficie de influencia de 400 cm2 y altura de relleno de 12,5 cm según

resultados obtenidos en laboratorio.

Una base cónica de un ángulo de 30º en la base del punto de inyección de aire,

para estabilizar la operación.

La Figura Nº 6.2 muestra las características de cada punto de aireación.

(A) (B)

Figura Nº 6.2 Geometría del volumen de influencia por punto de aireación.

(A) Área de influencia (B) Vista frontal del volumen de influencia.

La parte inferior es de forma plana, para la instalación de las boquillas. En función a las

características geométricas definidas para cada punto de aireación, se calculó el número

de boquillas necesarias para cubrir la capacidad de producción establecida.

Los resultados del balance de masa muestran que en el reactor de desaponificacion se

debe tratar 4866 kilogramos de quinua diariamente.

117

UPB © 2012

En función al volumen por punto de aireación (0,00385 m3) y la densidad de lecho

determinada experimentalmente (793 kgm-3), cada punto de aireación tiene una

capacidad de procesamiento de 3050 gramos, se trabaja en dos jornadas de 8 horas con

tiempos de preparación de 1 hora al inicio de cada jornada de trabajo por tanto el

número de puntos de aireación estará dado por:

(22)

Y en función al área de influencia determinada en la fase de laboratorio, se obtuvieron los

siguientes resultados:

Número de puntos de aireación: 140 distribuidos en una batería rectangular de 20

filas y 7 columnas.

La batería tendrá un largo de 4 metros y un ancho de 1,4 metros.

Las boquillas estarán acomodadas en canales que cuentan con una inclinación

de 30º

La Figura Nº 6.3 muestra la batería de boquillas diseñada en función a las condiciones

óptimas determinadas en laboratorio.

Figura Nº 6.3 Vista Isométrica de la batería de boquillas diseñada.

118

UPB © 2012

Los canales a 30º tienen una altura de 6 centímetros y ancho de 20 centímetros, existe un

pequeño desnivel entre canales para asegurar el flujo de los granos de quinua hasta la

última fila. Los canales están ubicados sobre una placa plana con un ángulo de

inclinación pequeño (5º) y espesor de 3 mm.

6.2 Selección del equipo de provisión de aire

Para la selección de equipo de aire los principales aspectos considerados fueron la

presión de operación requerida durante la fluidización y el consumo de aire requerido

para cubrir la capacidad de producción definida (4600 kg de quinua diariamente).

El sistema de fluidización, requiere de:

Presión manométrica de operación de 1,2 bares por punto de aireación

Un flujo estándar de aire de 17 [m3/min]

Bajo estas especificaciones el equipo seleccionado es un soplador de aire centrífugo. La

Figura Nº 6.4 muestra el equipo seleccionado.

Figura Nº 6.4 Equipo para la provisión de aire en el sistema fluidizado.

El equipo seleccionado es un soplador (Cyclo-Blower) de la marca GARDNER DENVER. El

modelo seleccionado, en función a los requerimientos de operación es 5CDL9 de 5000

RPM. Este modelo asegura un flujo de aire de hasta 620 PCM y una presión de descarga

de 25 PSIG. La potencia del equipo seleccionado es de 69,3 BHP, es decir 52 kW.

119

UPB © 2012

El equipo descrito proporciona una corriente de aire libre de aceite y humedad, por lo

que se evita el uso de filtros de aceite y agua en la corriente de aire antes de la entrada

al LFTS.

Para asegurar un flujo de aire adecuadamente distribuido, el suministro del soplador

pasará a una cámara de aire presurizado situada debajo de la batería diseñada. Se

alimentará al lecho de quinua mediante ocho áreas de distribución reguladas por 7

válvulas específicas.

6.3 Condiciones de operación del equipo industrial

Para determinar las condiciones de operación del equipo a nivel industrial se consideraron

las condiciones óptimas establecidas en la fase de laboratorio. La Tabla Nº 6.2 muestra las

condiciones de operación.

Tabla Nº 6.2 Características del aparato a nivel industrial.

Característica Especificación del

Equipo

Presión Manométrica de Operación [bar] 1,2

Flujo Estándar de Aire (STP) [m3 / min] 17,5

Tiempo de Tratamiento [min] 68

Capacidad de produccion [kg quinua procesada / h] 328,6

Gasto de aire especifico (STP) [m3 aire/TM quinua procesada] 3200

Gasto másico de aire [TM aire/TM quinua procesada] 5,1

Consumo Especifico de Energía [kWh/TM quinua procesada] 158,3

120

UPB © 2012

6.4 Comparación del proceso bajo nuevas condiciones óptimas

6.4.1 Diseño de la distribución de puntos de aireación

La Tabla Nº 6.3 muestra las características de la distribución de puntos de aireación

diseñada frente a la batería diseñada en la primera fase del proyecto realizado por los

centros de investigación de la UPB.

Tabla Nº 6.3 Análisis comparativo de la distribución de puntos de aireación

Elemento Resultados del

CIPI y CIAAA

Resultados

obtenidos

Número de puntos de aireación 240 140

Características de la batería de

boquillas

20 canales transversales con

un ángulo de inclinación de

45º y en 12 líneas en paralelo.

20 canales transversales con

un ángulo de inclinación de

30º y en 7 líneas en paralelas

Dimensiones 2,2 metros de largo y 1,2

metros de ancho

4 metros de largo y 1,4

metros de ancho

Distancia entre ejes [cm] 10 20

Diámetro de las boquillas [mm] 1,4 3

Flujo estándar por punto de

aireación [Lmin-1] 45 145

Presión de operación [bar] 4 1,2

Altura de relleno [cm] 15,0 12,5

Carga de quinua tratada por

punto de aireación [g] 750 3050

En cuanto al número de puntos de aireación, el proyecto muestra una disminución de 100

puntos, esto hace que el lecho se mas fácil de operar y que la estabilidad del mismo

mejore. Además, se logra una mejor distribución del aire provisto por el soplador.

Un aspecto negativo es que la batería de boquillas diseñada, presenta mayor área, esto

se debe a que la distancia entre boquillas es mucho mayor (20 centímetros frente a 10). El

costo de la batería se incrementa debido a su mayor tamaño. Sin embargo, la distancia

entre ejes es mayor y esto permite que se puedan tratar mayores cantidades de quinua

por punto de aireación.

121

UPB © 2012

En la altura de lecho, se ve que el diseño establecido tiene una altura de 12,5 centímetros,

lo cual mejora la estabilidad y manejabilidad del lecho. Sin embargo, disminuye en cierta

medida la cantidad de quinua a tratar.

El gasto de aire es mucho mayor (145 LPM frente a 45 LPM), debido al diámetro de

boquilla que se usa. Sin embargo, la presión de operación requerida es mucho menor (1,2

frente a 4 bares). Esto hace que la manejabilidad del lecho aumente y que el consumo

especifico de energía disminuya.

6.4.2 Características de operación del sistema de desaponificacion en seco

Otro aspecto importante fue el consumo de energía y de aire durante el proceso de

beneficiado. La Tabla Nº 6.4 muestra la comparación del equipo diseñado.

Tabla Nº 6.4 Análisis comparativo de las características del equipo de desaponificacion

Característica Resultados iniciales del

CIPI y CIAAA

Especificación

del Equipo

Tiempo de Tratamiento [min] 30 68

Gasto de aire especifico (STP)

[m3 aire/TM quinua procesada] 1 850 3 200

Gasto másico de aire

[TM aire/TM quinua procesada] 4,5 5,1

Consumo Especifico de Energía

[kWh/TM quinua procesada] 278,3 180,9

Se observa que el gasto de aire en el sistema desarrollado es mayor al gasto de aire

registrado por el proyecto del CIPI y CIAAA. Sin embargo, el consumo energético a nivel

industrial, para la etapa de desaponificación, aún es menor bajo las condiciones del

presente proyecto. Esto se debe principalmente a la presión de operación determinada.

Se consideró el sistema de desaponificacion como punto de comparación entre

procesos, debido a que esta es la etapa crítica en el beneficiado en seco. Además, las

mejoras obtenidas en el presente proyecto afectan únicamente a esta etapa del

122

UPB © 2012

proceso, las demás etapas no se varían y el consumo de energía en estas se mantiene

invariable.

El consumo específico de energía en todo el proceso desarrollado por los centros de

investigación de la UPB, es de 325 kWh/TM de quinua procesado, bajo las condiciones de

mejora propuestas en este trabajo, este consumo se reduce hasta 227 kWh/TM de quinua

procesada. Esta mejora representa un 30,2 % de disminución en el consumo energético

frente al que registraba el proyecto inicial.

6.4.3 Equipo de provisión de aire seleccionado

Una de las ventajas del sistema de desaponificacion diseñado, es la baja presión de

operación requerida para establecer el lecho fluidizado de quinua. La presión de

operación necesaria es de 1,2 bares. Este aspecto permitió la selección de un soplador de

aire industrial (Cyclo-Blower).

El proyecto desarrollado por los centros de investigación de la UPB, presentaba presiones

de operación del orden de 4 bares, lo cual resulto en la selección de un compresor de

tornillo como aparato para la provisión de aire al sistema.

El soplador presenta varias ventajas frente a un compresor de aire, pues es un equipo que

requiere menores cantidades de energía ya que trabaja a presiones relativamente bajas.

Por otro lado puede proveer mayores caudales de aire con menor cantidad de energía.

El proceso es más estable con el uso de un soplador de aire. Además, este representa un

ahorro importante en cuanto al uso de espacio físico y no se requieren filtros de aceite y

humedad.

6.4.4 Análisis comparativo con el proceso establecido por el CPTS

La Tabla 6.5 muestra el análisis comparativo del proceso de beneficiado en seco inicial,

incluyendo las mejoras obtenidas en el presente estudio, frente al proceso de beneficiado

de quinua desarrollado por el CPTS.

123

UPB © 2012

Tabla Nº 6.5 Comparación del proceso del CPTS con el proceso de beneficiado en seco

bajo nuevas condiciones óptimas.

Característica

Especificación

Proceso desarrollado por el

CPTS

Proceso del CIPI y CIAAA bajo

nuevas condiciones optimas

Capacidad de procesamiento

de grano de quinua 0,6 a 1,08 TM de quinua / hora 0,33 TM de quinua / hora

Porcentaje de pérdida total de

materia prima 6,4 %

7,13 % ( 5,13 % en la

desaponificacion y 2 % en las demás

etapas)

Porcentaje de recuperación de

episperma 85 a 95 % 98 %

Consumo específico de energía

eléctrica 20 kWh / TM de quinua 46 kWh / TM de quinua

Consumo especifico de agua 5 m3 agua / TM de quinua ---

Consumo especifico de GLP 10 kg GLP / TM de quinua ---

Consumo de energía especifico

en la desaponificacion --- 158,3 kWh / TM de quinua

Consumo especifico de energía

(TOTAL) 150 kWh / TM de quinua 227 kWh / TM de quinua

El proceso de beneficiado en seco presenta ventajas en cuanto a la recuperación de

saponinas, uso de agua y uso de GLP.

La pérdida de masa del proceso a nivel industrial es superior a la registrada por el CPTS. El

consumo específico de energía registrado es mayor en un 51,3 % al consumo que reporta

el proceso desarrollado por el CPTS.

Un aspecto importante es que el consumo de energía está sujeto al nivel de remoción de

saponinas alcanzado, para valores mayores de saponina residual en el grano tratado

(0,06 % como valor requerido para la comercialización) el consumo energético es mucho

menor, sin embargo no sería adecuada una comparación entre procesos que generan

productos de distintas calidades (0,01 % de saponinas residuales frente a 0,06 %).

124

UPB © 2012

VII EVALUACIÓN FINANCIERA DEL PROCESO

7.1 Maquinaria y Equipo

La evaluación financiera se realizó para la etapa de desaponificacion mediante el uso

del lecho fluidizado tipo surtidor.

La Tabla Nº 7.1 muestra los equipos necesarios para esta etapa bajo las condiciones

propuestas en el presente estudio.

Tabla Nº 7.1 Maquinaria y Equipo requerido.

Descripción Características Costo Total

Cotizado ($US)

Reactor Fluidizado

de Tipo Surtidor

(LFTS)

Reactor provisto de una batería de 140 boquillas de 3

milímetros de diámetro interno, para el ingreso de aire,

dispuestas en 20 filas acanaladas con ángulo de

inclinación de 30º y 7 columnas perpendiculares, con

relleno granular de 12,5 cm de altura, para desaponificar

un flujo de 100 quintales por día de granos de quinua, en

dos jornadas de 8 horas, con 1 hora de tiempo de

preparación y 68 minutos de operación, dotado de

paredes translúcidas de plástico y conectado a un

ciclón para separar el polvo de saponinas y episperma,

del aire.

15 000

Soplador de aire

(Cyclo-Blower)

Soplador de aire de la marca GARDNER DENVER,

modelo 5CDL9 de 5000 RPM. Con capacidad de flujo de

aire de 620 PCM y presión de descarga de 20 PSIG.

18 000

TOTAL 33 000

Los equipos adicionales requeridos para el proceso de beneficiado son los mismos que se

proponen en el proyecto desarrollado por los centros de investigación de la UPB (CIPI y

CIAAA).

125

UPB © 2012

Los equipos adicionales requeridos para el beneficiado de quinua son:

Limpiadora y clasificadora.

Batería de silos.

Despedregador.

Tamizador inclinado.

Esterilizador y separador magnético.

Separador óptico.

Envasadora semi automática.

En cuanto a inversión en maquinaria, los equipos anteriormente descritos no representan

un ahorro. Sin embargo, en cuanto al equipo de desaponificacion y de suministro de aire

se tiene un ahorro de 62 000 $us (65 %) frente al sistema de desaponificacion utilizado en el

proyecto desarrollado por el CIPI Y CIAAA

7.2 Ahorros en materia prima

El proceso de desaponificacion bajo las condiciones propuestas, tiene un ahorro en

cuanto a las pérdidas de materia prima durante la etapa de desaponificacion.

La producción anual de quinua asciende a 1 150 toneladas métricas anuales (250 días de

operación anual). La Tabla Nº 7.2 muestra las pérdidas de materia prima generadas en el

lecho fluidizado tipo surtidor durante un periodo de un año.

Tabla Nº 7.2 Pérdidas anuales de materia prima en el beneficiado de quinua.

Descripción Valor Registrado por el

proceso propuesto

Cantidad de materia prima necesaria [TM] 1 220

Perdidas bajo condiciones del proyecto [%] 5,132

Pérdidas Totales en Materia Prima [TM] 63

Pérdidas anuales en Materia Prima[miles de $us] 136,5

El ahorro en materia prima es de 55 200 $us con respecto a las condiciones registradas por

los centros de investigación de la UPB.

126

UPB © 2012

7.3 Ahorros en energía

El consumo de energía eléctrica durante el proceso de desaponificacion pudo ser

disminuido desde 325 kWh / TM de quinua procesada según los resultados a nivel industrial

reportados por el CIPI y el CIAAA, hasta un valor de 227 kWh / TM de quinua procesada.

Esta disminución representa una disminución en los costos de operación de la tecnología

desarrollada por los centros de investigación de la UPB.

La Tabla Nº 7.3 muestra los ahorros en costos de energía gracias a la mejora desarrollada.

Además, se muestra la comparación con los valores registrados por el CPTS.

Tabla Nº 7.3 Ahorro en costos de energía eléctrica.

Descripción Proceso CIPI y CIAAA Proceso CPTS Proceso bajo nuevas

condiciones optimas

Uso de energía eléctrica

[kWh / año] 373 750 23 000 261 050

Uso de GLP en el secado

[kg / año] --- 11 500 ---

Costo total de la energía

[$us / año] 22 425 4 600 15 663

Los resultados muestran que el proceso bajo las nuevas condiciones óptimas representa

un ahorro de 6762 $us al año, en costos de energía eléctrica.

El nuevo proceso de beneficiado tiene un costo de energía mayor al costo registrado por

el CPTS. Sin embargo, el proceso no requiere del uso de un combustible que genere

contaminantes, durante el proceso. El costo de energía registrado bajo las nuevas

condiciones, aún es mayor al registrado por el CPTS.

127

UPB © 2012

VIII CONCLUSIONES

8.1 Conclusiones

Caracterización del lecho

La presión de operación, flujo de operación y velocidad lineal necesarias para

establecer un lecho fluidizado estable se incrementan en función a la altura de

lecho (mayor carga de quinua).

En el lecho de 7,5 cm de diámetro, las boquillas de diámetro pequeño son las que

brindan mejor estabilidad al proceso. La boquilla de 2 mm genera el lecho más

estable con presiones de operación entre 0,9 y 1,3 kgfcm-2, flujos de operación

entre 58 y 70 Lmin-1 y velocidades lineales entre 310 y 370 ms-1 para distintas alturas

de lecho.

En el lecho de 7,5 cm, las boquillas de 3 y 4 mm de diámetro generan un

movimiento irregular de los granos de quinua. La fuente que se forma tiene un

movimiento caótico y los granos tienden a chocar contra las paredes del reactor.

En el lecho de 20 cm de diámetro, las boquillas de diámetro grande son las que

brindan mejor estabilidad al proceso. La boquilla de 3 mm genera el lecho más

estable con presiones de operación entre 1,2 y 2, kgfcm-2, flujos de operación entre

100 y 130 Lmin-1 y velocidades lineales a la entrada del surtidor entre 240 y 305 ms-1,

para distintas alturas de lecho.

En el lecho de 20 cm las boquillas de diámetro menor a 2 mm no son adecuadas,

pues no generan un mezclado homogéneo de los granos de quinua en el anillo

descendente del lecho. El movimiento se produce solo en la línea central del

mismo.

Los lechos de altura mayor a 15 cm, son inestables independientemente del

diámetro de lecho y del diámetro de boquilla utilizados en el presente estudio.

Determinación de condiciones de procesamiento óptimas

La altura de lecho óptima es de 12,5 cm independientemente del diámetro de

lecho y diámetro de boquilla que se utilice.

El tiempo de tratamiento para cualquier configuración de lecho depende del nivel

de remoción de saponinas que se alcance. Mayores porcentajes de remoción de

saponina requieren mayores tiempos de tratamiento.

128

UPB © 2012

En el lecho de 7,5 cm de diámetro las condiciones de procesamiento óptimas

corresponden a una altura de lecho de 12,5 cm, diámetro de boquilla de 2 mm y

tiempo de procesamiento de 23,5 minutos.

El consumo especifico de energía para el lecho de diámetro de 7,5 cm bajo

condiciones óptimas es de 0,2845 kWh/kg de quinua procesada.

En el lecho de 20 cm de diámetro las condiciones de procesamiento óptimas

corresponden a una altura de lecho de 12,5 cm, diámetro de boquilla de 3 mm y

tiempo de procesamiento de 68 minutos.

El consumo especifico de energía para el lecho de diámetro de 20 cm bajo

condiciones óptimas es de 0,2636 kWh/kg de quinua procesada.

Las pérdidas de masa en el proceso son mayores cuando se utilizan boquillas de

diámetros pequeños (menores a 2 mm). Para la boquilla de 1,4 mm la perdida de

masa esta entre 5 y 6 %.

Bajo condiciones óptimas, el lecho de 20 cm de diámetro es más adecuado en

cuanto a la pérdida de masa durante el proceso. Las pérdidas de masa mínimas

son de 5,1 % frente a 6,6 % para el lecho de 7,5 cm de diámetro.

En los lecho de 7,5 cm y 20 cm se requieren tiempos de tratamiento de 30 y 70

minutos respectivamente, para alcanzar un nivel de saponinas residuales de 0,01 %

(valor referencial del CPTS).

La geometría óptima es el lecho de diámetro de 20 cm. La presión de operación

registrada es de 1,2 kgfcm-2, el flujo de operación estándar es de 145 Lmin-1.

Bajo las condiciones de operación establecidas a nivel laboratorio, se obtiene una

disminución del consumo específico de energía del 45 % y una disminución de la

pérdida de masa del 28,75 % frente a los resultados de la fase inicial del proyecto

realizado por el CIPI y el CIAAA.

Modelamiento de las pérdidas de presión en el sistema

Las mayores pérdidas de presión en el sistema se dan en la boquilla (dos

contracciones bruscas y una expansión brusca) y a lo largo del lecho de quinua.

La pérdida de presión en la manga recolectora no es significativa en el lecho de

7,5 cm. En cambio, en el lecho de 20 cm esta pérdida debe tomarse en cuenta.

Los modelos teóricos para la perdida de presión en el lecho (ecuaciones de

Madonna y Lama) deben ajustarse a las condiciones atípicas del sistema. El

modelo que describe el sistema está caracterizado por una constante que

depende de las condiciones de operación, para el lecho de diámetro de 7,5 cm,

129

UPB © 2012

se tiene K= 9,2572 y n=0,3388. Para el lecho de diámetro de 20 cm se tiene K=

12,8463 y n=0,3451

Las caídas de presión en las demás regiones del sistema, pueden ser modeladas

mediante las ecuaciones respectivas. El comportamiento teórico se acerca

mucho al comportamiento real, registrado para el sistema LFTS.

La altura óptima de lecho esta entre 9 y 11 cm para el lecho de 20 cm de

diámetro.

Diseño del equipo industrial

El proceso de desaponificacion a nivel industrial registra un consumo energético

de 180 kWh/TM en el reactor de lecho fluidizado y 47 kWh/TM en las demás etapas.

Las condiciones de operación establecidas, junto con el diseño del equipo

industrial, representan un ahorro en cuanto a perdidas en materia prima, consumo

de energía y el equipo de suministro de aire, respecto a los resultados obtenidos en

la primera fase del proyecto realizado por el CIPI y el CIAAA.

El ahorro en energía a nivel industrial, frente a los resultados registrados por los

centros de investigación de la UPB es del 30,2 % (227 kWh/TM vs 325 kWh/TM

registrado por los centros de investigación de la UPB).

Se tiene un ahorro en por perdida de materia prima de 55 200 $us, por inversión en

maquinaria de 62 000 $us y un ahorro de energía de 6 762 $us anualmente bajo las

nuevas condiciones de operación.

El consumo energético en el proceso de desaponificacion bajo condiciones

establecidas es 51,3 % mayor al consumo registrado por el CPTS (262 kWh/TM vs 160

kWh/TM para el CPTS).

8.2 Recomendaciones

Modelar el sistema bajo un rango más amplio de condiciones de operación, y

estudiar los efectos del diámetro de lecho sobre la perdida de presión en a lo largo

del lecho.

Utilizar boquillas de diámetros mayores o iguales a 3 milímetros, para minimizar la

pérdida de masa durante la desaponificacion.

Realizar un análisis del comportamiento de la porosidad del lecho bajo distintas

condiciones de operación (Flujo volumétrico de aire y presión de entrada).

130

UPB © 2012

Además, estudiar la variación de esta magnitud con la altura de lecho y las

características de la fuente formada.

Aumentar la carga de quinua tratada en un punto de aeración mediante el uso

de boquillas de mayor diámetro e incrementando el diámetro o área de acción

de la boquilla. No se recomienda incrementar la altura de lecho pues el

comportamiento a alturas mayores a 12,5 cm es inestable.

Estudiar de comportamiento del lecho bajo distintos ángulos de inclinación pues es

un aspecto importante en la estabilidad del lecho y la carga de quinua trata por

punto de aireación

Cubrir un espectro más amplio de diámetros de boquilla a la entrada del lecho.

Realizar estudios con boquillas cuya disminución de área transversal sea de

manera gradual. Es decir, mejorar los diseños de las boquillas para disminuir la

caída de presión y, por tanto, el consumo específico de energía.

131

UPB © 2012

IX BIBLIOGRAFÍA

[1] Koziol M.J., "Chemical Composition and Nutricional Evaluacion of Quinua

(Chenopodium quinoa Willd.)," Journal of Food Compostion and Análysis, no. 5, pp.

35-68, 1998.

[2] Angel Mujica Sven-E Jacobson, La quinua y sus parientes silvestres, 2006.

[3] Villacorta S. Talavera V., "Anatomía del Grano de Quinua (Chenopodium Quinoa

Wild)," Anales Cientificos UNA, vol. 1, no. 14, pp. 39-45, 1996.

[4] Carmen Carla Quiroga Ledezma Carlos Ramiro Escalera Vásquez Cristian Ricardo

Nogales Carvajal Juan Francisco Montaño Anaya, "Proyecto de prefactibilidad para

un proceso de beneficiado en seco de variedades amargas de quinua, basado en la

aplicacion de un lecho fluidizado de tipo surtidor," Universidad Privada Boliviana,

Cochabamba, Informe Primera Fase de Ejecución 2010.

[5] INE Bolivia. (2010, Septiembre) Estadisticas Internacionales. Comercio Exterior de

Bolivia. [Online]. http://www.ine.gob.bo:8082/comex/Main

[6] Carla Quiroga Ledezma Ramiro Escalera Vásquez, "Evaluación de la calidad

nutricional y morfología del grano de variedades amargas de quinua beneficiadas en

seco, mediante el novedoso empleo de un reactor de lecho fluidizado de tipo

surtidor," Investigación y Desarrollo, vol. 1, no. 10, pp. 23-36, Noviembre 2010.

[7] Ramiro Escalera Vásquez Carla Quiroga Ledezma Luis Arteaga Weill, "Desarrollo y

Desempeño de un proceso de beneficiado en seco de variedades amargas de

quinua basado en la aplicación de un lecho fluidizado de tipo surtidor (LFTS),"

Investigación y Desarrollo, vol. 1, no. 10, pp. 5-22, Noviembre 2010.

[8] Centro de Promoción de Tecnologias Sostenibles, "Mayor Productividad y

Rentabilidad con Producción mas Limpia," Centro de Promoción de Tecnologias

Sostenibles, La Paz, Estudio de Caso PML-029 2006.

[9] Juan Connesa Ferrer, Principios de fluidizacion, 5th ed. Mexico D.F., Mexico, 2002.

[10] Pedro Luis López Corsino, "Simulacion numérica de un lecho fluido bidimencional para

la determinación de la velocidad de mínima de fluidización," Universidad Carlos III de

Madrid, Madrid, Proyecto Fin de Carrera 2009.

[11] O. Gryczka S. Heinrich V. Miteva N.G. Deen J.A.M. Kuipers M. Jacob L. Morl,

"Characterization of the behavior of a novel spouted be apparatus with two

adjustable gas inlets," ELSEVIER, vol. 1, no. 63, pp. 791-814, October 2008.

[12] Carla Quiroga Ledezma Ramiro Escalera Vásquez Luis Arteaga Weill Francisco Motaño

Ricardo Nogales, "Informe Final Proyecto de prefactibilidad para el beneficiado en

seco de variedades amargas de quinua mediante la apliacion de un lecho fluidizado

tipo suritdor," PIEB, Cochabamba, Reporte 2010.

http://www.ine.gob.bo:8082/comex/Main

132

UPB © 2012

[13] Warren L. McCabe Julian C. Smith, Operaciones básicas de Ingeniería Química.

Barcelona, España: REVERTE S.A., 1998.

[14] Christie J. Geankoplis, Procesos de Transporte y Operaciones Unitarias. Mexico D.F.,

Mexico: Continental S.A. De C.V., 1998.

[15] R. F. Lama, "Pressure Drop in Spouted Beds," University of Ottawa, Ottawa, Tesis

Magistral EC52387, 1977.

[16] Jhon Wiley, Unit Operations. New York, USA: G. G. Brown and Associates, 1950.

[17] Victor L. Streeter E. Benjamin Wyle, Mecanica de los fluidos, Octava ed. Mexico D.F.,

Mexico: McGRAW-HILL, 1987.

[18] Max Leva, "Chemical Engineering Progrma," no. 43, pp. 549-554, 1947.

133

UPB © 2012

X ANEXOS

10.1 Características del grano de quinua

La quinua es un cereal muy importante, debido a sus excelentes propiedades

nutricionales y a la diversidad de ecotipos que presenta.

La Tabla Nº 10.1 muestra el contenido de algunos aminoácidos contenidos en la quinua

frente a otros cereales.

Tabla Nº 10.1 Contenido de aminoácidos en los grano

(mg de amino ácido/16 g de nitrógeno).

Componente Quinua Kañiwa Kiwicha Arroz Trigo

Ácido aspártico 7,8 7,9 7,4 8,0 4,7

Treonina 3,4 3,3 3,3 3,2 2,9

Serina 3,9 3,9 5,0 4,5 4,6

Ácido glutámico 13,2 13,6 15,6 16,9 31,3

Prolina 3,4 3,2 3,4 4,0 10,4

Glicina 5,0 5,2 7,4 4,1 6,1

Alanina 4,1 4,1 3,6 5,2 3,5

Valina 4,2 4,2 3,8 5,1 4,6

Isoleucina 3,4 3,4 3,2 3,5 4,3

Leucina 6,1 6,1 5,4 7,5 6,7

Tirosina 2,5 2,3 2,7 2,6 3,7

Fenilalanina 3,7 3,7 3,7 4,8 4,9

Lisina 5,6 5,3 6,0 3,2 3,8

Histidina 2,7 2,7 2,4 2,2 2,0

Arginina 8,1 8,3 8,2 6,3 4,8

Metionina 3,1 3,0 3,8 3,6 1,3

Cistina 1,7 1,6 2,3 2,5 2,2

Triptófano 1,1 0,9 1,1 1,1 1,2

% N del grano 2,05 2,51 2,15 1,52 2,24

% Proteína 12,8 15,7 13,4 9,5 14,0

Fuente: [2]

134

UPB © 2012

La Tabla Nº 10.2 muestra el contenido de vitaminas de la quinua frente a otras fuentes

vegetales:

Tabla Nº 10.2 Contenido de vitaminas de la quinua y otros vegetales

(ppm en base de materia seca).

Vitamina Quinua Arroz Cebada Fríjol Papa Trigo

Niacina 10,7 57,3 58,3 25,7 51,8 47,5

Tiamina (B1) 3,1 3,5 3,3 5,3 4,4 6,0

Riboflavina (B2) 3,9 0,6 1,3 2,1 1,7 1,4

Ácido Ascórbico (C ) 49,0 0 0 22,5 3,8 0

Alfa-Tocoferol (E ) 42,3 --- --- --- --- ---

Carotenos 5,3 0 3,7 0,1 0,3 0

Fuente: [2]

Tabla Nº 10.3 Características de la semilla de algunas variedades de quinua

Variedades Color del grano Forma Tamaño

[mm]

Sajama Blanco Cónica 2,0-2,5

Real Blanco Cónica 2,2-2,8

Kcancolla Blanco Cónica 1,2-1,9

Blanca de July Blanco Cónica 1,2-1,6

Koitu Marrón ceniciento Esferoidal 1,8-2,0

Misa Jupa Blanco-Rojo Cónica 1,4-1,8

Amarilla Marangani Amarillo anaranjado Cónica 2,0-2,8

Tunkahua Blanco Redondo aplanado 1,7-2,1

Ingapirca Blanco opaco Esférico 1,7-1,9

Imbaya Blanco opaco Esférico 1,8-2,0

Cochasqui Blanco opaco Esférico 1,8-1,9

Negra de Oruro Negro Redonda 2,1-2,8

Roja Coporaque Purpura Cónica 1,9-2,1

Toledo Blanco Cónica 2,2-2,8

Pandela Blanco Cónica 2,2-2,8

Chullpi Cristalino Esférica aplanada 1,2-1,8

Fuente: [2]

135

UPB © 2012

La microestructura de un grano de quinua Blanca Real se puede ver en la Figura Nº 10.1,

donde se muestra un corte longitudinal del grano de quinua, en el que se observan las

capas del grano mencionadas.

Figura Nº 10.1 Micrografía SEM de la quinua Blanca Real

Fuente: [6]

Estudios realizados [3], sostienen que el Endosperma y Perisperma son capas internas del

grano, en cambio el Episperma es la capa que recubre al grano de quinua, cuyo espesor

varía desde 20 µm en la parte central de las caras hasta más de 100 µm en los extremos,

cerca al embrión.

La capa más externa del epsiperma es la de mayor espesor. La misma puede

fragmentarse ligeramente durante la manipulación del grano. La remoción de dicha

capa es efectiva a través de procesos físicos o químicos.

10.1.1 Endosperma del grano

Estudios indican que el endosperma del grano de quinua es de tipo celular, formado por

varias capas que rodea completamente al embrión y separado de él por una capa de

aire y que probablemente, después que la semilla se hidrata, las células del endosperma

136

UPB © 2012

se ponen en contacto con el embrión que lo consume rápidamente durante su

crecimiento. [2]

10.1.2 Perisperma del grano

El perisperma es el principal tejido de almacenamiento y está constituido mayormente por

granos de almidón, es de color blanquecino y representa prácticamente el 60% de la

superficie de la semilla, sus células son grandes de mayor tamaño que las del

endosperma, de forma poligonal con paredes delgadas, rectas y con grandes agregados

de almidón, estos agregados están compuestos por miles de gránulos de almidón

individuales, de forma hexagonal en la mayoría de los casos. [2]

10.1.3 Episperma del grano

La Figura Nº 10.2 muestra el episperma y Perisperma de un grano de quinua Blanca Real

sin tratar cortado transversalmente.

Figura Nº 10.2 Estructura del Episperma y Perisperma

Fuente: [6]

El episperma es la parte de mayor interés de la quinua en el presente estudio, ya que en

esta se encuentra contenidas las saponinas. Compuestos que le dan sabor amargo al

grano. Según estudios esta capa es quebradiza y se divide en cuatro regiones con

propiedades diferentes en cada una. La primera capa del episperma es la que contiene

las saponinas y puede ser removida mediante métodos abrasivos o lavados con agua fría.

137

UPB © 2012

10.2 Resultados de las pruebas de caracterización de lecho (presión y flujo

de operación)

Para establecer las condiciones de operación y las características del lecho bajo distintas

alturas, se realizaron pruebas para medir el flujo de operación y la presión de operación

para generar un lecho fluidizado estable. La Tablas Nº 10.4 y 10.5 muestran las mediciones

obtenidas durante la caracterización del lecho, para los lechos de 7,5 y 20 cm de

diámetro.

Tabla Nº 10.4 Presión y flujo de operación registrados en laboratorio (D = 7,5 cm).

Medición

Nº

Diámetro de

lecho [cm]

Altura de

lecho

[cm]

Diámetro de

boquilla [mm]

Presión de

operación

[kgfcm-2]

Flujo de

operación

[Lmin-1]

1 7,5 12,5 2,0 1,30 58

2 7,5 12,5 2,0 1,30 58

3 7,5 12,5 2,0 1,30 58

4 7,5 12,5 2,0 1,30 58

5 7,5 12,5 2,0 1,40 58

6 7,5 15,0 2,0 1,90 65

7 7,5 15,0 2,0 1,90 65

8 7,5 15,0 2,0 1,90 65

9 7,5 15,0 2,0 1,90 65

10 7,5 15,0 2,0 1,80 65

11 7,5 17,5 2,0 2,10 68

12 7,5 17,5 2,0 2,10 68

13 7,5 17,5 2,0 2,10 68

14 7,5 17,5 2,0 2,20 70

15 7,5 17,5 2,0 2,20 70

16 7,5 12,5 3,0 0,90 85

17 7,5 12,5 3,0 0,90 88

18 7,5 12,5 3,0 0,90 85

19 7,5 12,5 3,0 0,95 88

20 7,5 12,5 3,0 0,95 88

21 7,5 15,0 3,0 1,20 95

22 7,5 15,0 3,0 1,20 95

23 7,5 15,0 3,0 1,20 95

138

UPB © 2012

N corrida Diámetro de

lecho [cm]

Altura de

lecho

[cm]

Diámetro de

boquilla [mm]

Presión de

operación

[kgfcm-2]

Flujo de

operación

[Lmin-1]

24

7,5

15,0

3,0

1,20

(continuación)

95

25 7,5 15,0 3,0 1,20 98

26 7,5 17,5 3,0 1,30 100

27 7,5 17,5 3,0 1,30 100

28 7,5 17,5 3,0 1,30 100

29 7,5 17,5 3,0 1,35 105

30 7,5 17,5 3,0 1,30 100

31 7,5 12,5 4,0 0,63 115

32 7,5 12,5 4,0 0,63 115

33 7,5 12,5 4,0 0,63 115

34 7,5 12,5 4,0 0,63 115

35 7,5 12,5 4,0 0,63 115

36 7,5 15,0 4,0 0,87 128

37 7,5 15,0 4,0 0,87 128

38 7,5 15,0 4,0 0,87 128

39 7,5 15,0 4,0 0,87 128

40 7,5 15,0 4,0 0,87 130

41 7,5 17,5 4,0 0,90 130

42 7,5 17,5 4,0 0,90 130

43 7,5 17,5 4,0 0,87 130

44 7,5 17,5 4,0 0,87 130

45 7,5 17,5 4,0 0,90 132

Tabla Nº 10.5 Presión y flujo de operación registrados en laboratorio (D = 7,5 cm).

Medición

Nº

Diámetro de

lecho [cm]

Altura de

lecho [cm]

Diámetro de

boquilla [mm]

Presión de

operación

[kgfcm-2]

Flujo de

operación

[Lmin-1]

1 20 12,5 2,0 2,2 62

2 20 12,5 2,0 2,2 62

3 20 12,5 2,0 2,2 60

4 20 12,5 2,0 2,2 60

5 20 12,5 2,0 2,2 62

6 20 15,0 2,0 3,2 75

7 20 15,0 2,0 3,2 75

139

UPB © 2012

Medición

Nº

Diámetro de

lecho [cm]

Altura de

lecho [cm]

Diámetro de

boquilla [mm]

Presión de

operación

[kgfcm-2]

Flujo de

operación

[Lmin-1]

8

20

15,0

2,0

3,2

(Continuación)

73

9 20 15,0 2,0 3,2 73

10 20 15,0 2,0 3,2 75

11 20 12,5 3,0 1,2 100

12 20 12,5 3,0 1,2 100

13 20 12,5 3,0 1,2 100

14 20 12,5 3,0 1,2 103

15 20 12,5 3,0 1,2 103

16 20 15,0 3,0 1,8 115

17 20 15,0 3,0 1,8 115

18 20 15,0 3,0 1,75 115

19 20 15,0 3,0 1,75 115

20 20 15,0 3,0 1,75 115

21 20 17,5 3,0 2,2 128

22 20 17,5 3,0 2,2 128

23 20 17,5 3,0 2,2 128

24 20 17,5 3,0 2,2 130

25 20 17,5 3,0 2,2 130

26 20 12,5 4,0 1,15 155

27 20 12,5 4,0 1,15 155

28 20 12,5 4,0 1,2 153

29 20 12,5 4,0 1,15 153

30 20 12,5 4,0 1,15 155

31 20 15,0 4,0 1,8 182

32 20 15,0 4,0 1,8 182

33 20 15,0 4,0 1,8 182

34 20 15,0 4,0 1,8 180

35 20 15,0 4,0 1,8 180

36 20 17,5 4,0 2,4 202

37 20 17,5 4,0 2,4 202

38 20 17,5 4,0 2,4 200

39 20 17,5 4,0 2,4 200

40 20 17,5 4,0 2,4 202

140

UPB © 2012

10.3 Resultados de la evaluación del contenido de saponinas residuales

10.3.1 Curva de calibración descrita en la norma NB 683

El método de la espuma descrito en la norma Boliviana NB 683, se basa en la propiedad

de las saponinas de disminuir la tensión superficial del agua. La cantidad de espuma

formada es linealmente proporcional a la concentración de saponinas presentes en una

muestra.

Para realizar la cuantificación del contenido de saponinas residuales en los granos de

quinua según el método de la espuma, inicialmente se debe construir una curva de

calibración.

La Tabla Nº 10.6 muestra los resultados obtenidos para la construcción de la curva de

calibración.

Tabla Nº 10.6 Valores obtenidos para la construcción de la curva de calibración.

Corrida

Nº

C1

[mg kg-1]

Volumen

patrón

[ml]

Volumen

agua

[mL]

Volumen

total

[mL]

Altura leída

[mm]

3 0 0 30 30 0

2 5 1,5 28,5 30 2

3 10 3 27 30 4

4 20 6 24 30 6,5

5 30 9 21 30 11

6 40 12 18 30 16

7 50 15 15 30 19,5

8 60 18 12 30 24,5

9 70 21 9 30 27,5

Fuente: [18]

En función a los valores obtenidos se construye una curva de calibración. La Figura Nº 10.3

muestra la curva construida para la evaluación del contenido de saponina de las

muestras tratadas.

141

UPB © 2012

Figura Nº 10.3 Curva de calibración para el método de la espuma.

Fuente: [18]

10.3.2 Resultados para quinua real Blanca sin procesar

La Tabla Nº 10.7 muestra los resultados obtenidos para la quinua Blanca Real de Uyuni sin

procesar.

Tabla Nº 10.7 Resultados para quinua real Blanca de Uyuni sin procesar.

Prueba

Nº Ecotipo

Altura

leída [mm] C [ppm]

m quinua

[g]

V muestra

[L]

Saponina

[mg/100g]

Saponinas

[%]

1 Blanca Uyuni 22,5 57,0200 0,5002 0,02 227,9886 0,2280

2 Blanca Uyuni 23 58,2668 0,5004 0,02 232,8810 0,2329

3 Blanca Uyuni 23 58,2668 0,4996 0,02 233,2539 0,2333

4 Blanca Uyuni 22,7 57,5187 0,5004 0,02 229,8909 0,2299

y = 0,401x - 0,365 r = 0,9981

0

5

10

15

20

25

30

0 10 20 30 40 50 60 70 80

Alt

ura

[m

m]

Concentracion [ppm]

Saponinas Quinua

142

UPB © 2012

10.3.3 Resultados de las corridas experimentales

Para cada corrida experimental realizada bajo la altura óptima de lecho de 12,5 cm se

tomaron muestras aleatorias y se cuantifico en contenido de saponinas residuales

mediante el método de la espuma. Para la cuantificación, se utilizó la curva de

calibración obtenida anteriormente.

La Tabla Nº 10.8 muestra los resultados obtenidos para las muestras generadas en el

reactor de diámetro de 7,5 cm.


(D=7,5 cm H=12,5 cm).

N º Boquilla

[mm]

Tiempo

[min]

h leída

[mm]

C

[ppm]

m quinua

[g]

Saponina

[mg/100g]

Saponinas

[%]

1 1,4 5 12 30,835 0,5002 123,2923 0,1233

2 1,4 5 12 30,835 0,5002 123,2923 0,1233

3 1,4 10 8,5 22,107 0,5002 88,3936 0,0884

4 1,4 10 8,8 22,855 0,5002 91,3849 0,0914

5 1,4 15 5 13,379 0,5002 53,4948 0,0535

6 1,4 15 5,5 14,626 0,5002 58,4803 0,0585

7 1,4 20 2 5,898 0,5002 23,5816 0,0236

8 1,4 20 1,5 4,651 0,5002 18,5961 0,0186

9 1,4 25 0,5 2,157 0,5002 8,6250 0,0086

10 1,4 25 0,2 1,409 0,5002 5,6337 0,0056

11 2,0 5 11,5 29,589 0,5002 118,3068 0,1183

12 2,0 5 11,0 28,342 0,5004 113,2760 0,1133

13 2,0 10 7,0 18,367 0,4996 73,5252 0,0735

14 2,0 10 7,5 19,613 0,5004 78,3912 0,0784

15 2,0 15 4,0 10,885 0,5002 43,5237 0,0435

16 2,0 15 5,0 13,379 0,5005 53,4627 0,0535

17 2,0 20 3,0 8,392 0,4997 33,5862 0,0336

18 2,0 20 2,0 5,898 0,5002 23,5816 0,0236

19 2,0 25 1,5 4,651 0,5002 18,5961 0,0186

143

UPB © 2012

N º Boquilla

[mm]

Tiempo

[min]

h leída

[mm]

C

[ppm]

m quinua

[g]

Saponina

[mg/100g]

Saponinas

[%]

20

2,0

25

1

3,404

0,5002

13,6105

(Continuación)

0,0136

21 3,0 5 12,0 29,589 0,4999 118,3778 0,1184

22 3,0 5 12,0 30,835 0,5000 123,3416 0,1233

23 3,0 10 9,5 24,601 0,5003 98,3450 0,0983

24 3,0 10 10,0 25,848 0,4997 103,4536 0,1035

25 3,0 15 8,0 20,860 0,5004 83,3747 0,0834

26 3,0 15 8,0 20,860 0,5008 83,3081 0,0833

27 3,0 20 6,5 17,120 0,5002 68,4514 0,0685

28 3,0 20 7,0 18,367 0,5007 73,3636 0,0734

29 3,0 25 6,0 15,873 0,5002 63,4659 0,0635

30 3,0 25 6,5 17,120 0,5002 68,4514 0,0685

31 4,0 5 12,00 30,835 0,5007 123,1692 0,1232

32 4,0 5 11,50 29,589 0,5007 118,1887 0,1182

33 4,0 10 9,00 23,354 0,5007 93,2859 0,0933

34 4,0 10 10,00 25,848 0,5007 103,2470 0,1032

35 4,0 15 8,50 22,107 0,5007 88,3053 0,0883

36 4,0 15 8,50 22,107 0,5007 88,3053 0,0883

37 4,0 20 7,50 19,613 0,5007 78,3442 0,0783

38 4,0 20 7,50 19,613 0,5007 78,3442 0,0783

39 4,0 25 7,00 18,367 0,5002 73,4370 0,0734

40 4,0 25 6,60 17,369 0,5002 69,4485 0,0694

Para las pruebas realizadas en el reactor de 20 centímetros de diámetros se realizó el

mismo procedimiento de toma de muestra al final de cada corrida experimental. La Tabla

Nº 10.9 muestra los resultados obtenidos para las muestras generadas en el reactor de

diámetro de 20 cm.

144

UPB © 2012


(D=20 cm H=12,5 cm).

Nº Boquilla

[mm]

tiempo

[min]

h leída

[mm]

C

[ppm]

m quinua

[g]

Saponina

mg/100g % Saponina

1 2,0 30 7,5 19,613 0,5002 78,4225 0,0784

2 2,0 30 7,0 18,367 0,5002 73,4370 0,0734

3 2,0 40 4,5 12,132 0,5002 48,5093 0,0485

4 2,0 40 3,5 9,638 0,5002 38,5382 0,0385

5 2,0 50 1,5 4,651 0,5002 18,5961 0,0186

6 2,0 50 1,5 4,651 0,5002 18,5961 0,0186

7 2,0 60 1,0 3,404 0,5002 13,6105 0,0136

8 2,0 60 0,5 2,157 0,5002 8,6250 0,0086

9 3,0 30 7,0 18,367 0,5002 73,4370 0,0734

10 3,0 30 7,5 19,613 0,5002 78,4225 0,0784

11 3,0 40 4,0 10,885 0,5002 43,5237 0,0435

12 3,0 40 3,5 9,638 0,5002 38,5382 0,0385

13 3,0 50 2,0 5,898 0,5002 23,5816 0,0236

14 3,0 50 2,5 7,145 0,5002 28,5671 0,0286

15 3,0 60 1,0 3,404 0,5002 13,6105 0,0136

16 3,0 60 1,0 3,404 0,5002 13,6105 0,0136

17 4,0 30 8,0 20,860 0,5002 83,4080 0,0834

18 4,0 30 8,5 22,107 0,5002 88,3936 0,0884

19 4,0 40 4,5 12,132 0,5002 48,5093 0,0485

20 4,0 40 4,5 12,132 0,5002 48,5093 0,0485

21 4,0 50 2,5 7,145 0,5002 28,5671 0,0286

22 4,0 50 1,5 4,651 0,5002 18,5961 0,0186

23 4,0 60 1,2 3,903 0,5002 15,6047 0,0156

24 4,0 60 1,0 3,404 0,5002 13,6105 0,0136

145

UPB © 2012

10.4 Análisis estadístico

Se realizo el análisis multifactorial para evaluar la influencia del diámetro de boquilla y del

tiempo de tratamiento sobre el porcentaje de saponinas residuales, la pérdida de masa y

el consumo específico de energía.

El análisis se realizo por separado para los lechos de 7,5 cm y 20 cm de diámetro. Para

ambos diámetros de lecho, las pruebas se realizaron con una altura de lecho de 12,5 cm

(valor óptimo determinado experimentalmente).

10.4.1 Análisis estadístico en el lecho de 7,5 cm de diámetro

La Tabla Nº 10.10 muestra los resultados ANOVA del diseño multifactorial para el contenido

residual de saponinas en los granos tratados.


(H=12,5 cm D=7,5 cm)

Source Sum of

Squares Df Mean Square F-Ratio P-Value

A:Tiempo de tratamiento 0,0345507 1 0,0345507 496,47 0,0000

B:Diámetro de boquilla 0,00700969 1 0,00700969 100,72 0,0000

AA 0,000987109 1 0,000987109 14,18 0,0006

AB 0,00422185 1 0,00422185 60,67 0,0000

BB 0,0000647644 1 0,0000647644 0,93 0,3415

Total error 0,00236615 34 0,0000695925

Total (corr.) 0,0486386 39

Los resultados del análisis ANOVA muestran que tanto el tiempo de tratamiento como el

diámetro de boquilla tienen un efecto estadísticamente significativo, al 95 % de confianza,

sobre el contenido de saponinas residuales.

Además se realizó el análisis de residuos, para comprobar el comportamiento aleatorio de

los mismos. La Figura Nº 10.4 muestra este comportamiento.

146

UPB © 2012


(H=12,5 cm D=7,5 cm)

La Tabla Nº 10.11muestra los resultados ANOVA para la pérdida de masa de los granos

tratados.

Tabla Nº 10.11 Análisis ANOVA para la pérdida de masa (H=12,5 cm D=7,5 cm)

Source Sum of




AA 0,0180036 1 0,0180036 0,13 0,7159

AB 0,961886 1 0,961886 7,20 0,0113

BB 0,659667 1 0,659667 4,94 0,0332

Total error 4,40828 33 0,133584



sobre la pérdida de masa.



147

UPB © 2012

Figura Nº 10.5 Valores residuales de la pérdida de masa (H=12,5 cm D=7,5 cm)

La Tabla Nº 10.12 muestra los resultados ANOVA para el consumo específico de energía


(H=12,5 cm D=7,5 cm)

Source Sum of




AA 0,000127289 1 0,000127289 2,27 0,1417

AB 0,00411858 1 0,00411858 73,32 0,0000

BB 0,0000588783 1 0,0000588783 1,05 0,3134

Total error 0,00185368 33 0,000056172

Total (corr.) 0,224217 39



sobre el consumo específico de energía.



148

UPB © 2012

Figura Nº 10.6 Valores residuales del consumo específico de energía (H=12,5 cm D=7,5 cm)

10.4.2 Análisis estadístico en el lecho de 20 cm de diámetro

La Tabla Nº 10.13 muestra los resultados ANOVA del diseño multifactorial para el contenido

residual de saponinas en los granos tratados.


(H=12,5 cm D=20 cm)

Source Sum of



B:Diametro de boquilla 0,000137265 1 0,000137265 8,96 0,0078

AA 0,000957114 1 0,000957114 62,46 0,0000

AB 0,0000189027 1 0,0000189027 1,23 0,2813

BB 0,00000598504 1 0,00000598504 0,39 0,5398

Total error 0,000275836 18 0,0000153242

Total (corr.) 0,0159188 23

Los resultados del análisis ANOVA muestran que tanto el tiempo de tratamiento como

el diámetro de boquilla tienen un efecto estadísticamente significativo, al 95 % de

confianza, sobre el contenido de saponinas residuales.

149

UPB © 2012




(H=12,5 cm D=20 cm)

La Tabla Nº 10.14 muestra los resultados ANOVA para la pérdida de masa de los granos

tratados.

Tabla Nº 10.14 Análisis ANOVA para la pérdida de masa (H=12,5 cm D=20 cm)

Source Sum of




AA 0,0812821 1 0,0812821 2,65 0,1211

AB 1,04926 1 1,04926 34,17 0,0000

BB 0,911547 1 0,911547 29,69 0,0000

Total error 0,552665 18 0,0307036

Total (corr.) 26,7968 23



sobre la pérdida de masa.

150

UPB © 2012



Figura Nº 10.8 Valores residuales de la pérdida de masa (H=12,5 cm D=20 cm)

La Tabla Nº 10.15 muestra los resultados ANOVA para el consumo específico de energía


(H=12,5 cm D=20 cm)

Source Sum of




AA 0,000006615 1 0,000006615 0,08 0,7740

AB 0,00037758 1 0,00037758 4,85 0,0409

BB 0,0331906 1 0,0331906 426,35 0,0000

Total error 0,00140128 18 0,0000778487

Total (corr.) 0,115088 23



sobre el consumo específico de energía.

Mauricio Obando Estrada

Documents

Transcript of Mauricio Obando Estrada