1       CARRERA DE INGENIERÍA MECÁNICA      “DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA PROCESADORA SEMIAUTOMATIZADA DE LECHE DE SOYA CON CAPACIDAD DE 100 l/PARADA, PARA LA EMPRESA SOY SOYA VINCULADA DIRECTAMENTE CON LA FUNDACIÓN JUVENIL ESPERANZA ECUATORIANA”    PROYECTO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO MECÁNICO    JOSE DAVID NEGRETE PACHECO LUIS OSWALDO VEGA VASQUEZ    DIRECTOR: ING. JOSÉ PÉREZ  CODIRECTOR: ING. LUIS ECHEVERRÍA   Sangolquí, 22 DE MAYO DE 2012

2 DEDICATORIA Este proyecto es dedicado a mi familia, a mi madre Marcia Vásquez que con su apoyo incondicional me ha formado y me ha llenado de sabiduría para vencer los obstáculos más difíciles que he tenido que afrontar a lo largo de mi vida, a mis tíos Arturo Vega y Cecilia Vásquez que me apoyaron incondicionalmente en los años de estudio de la universidad llevándome por un camino de bien, y a la memoria de mi mejor amigo José David Negrete Pacheco, por una amistad sincera y la ayuda incondicional en la finalización de este proyecto, siempre lo llevare en mi corazón.   LUIS OSWALDO VEGA VASQUEZ

3 AGRADECIMIENTOS Agradezco a Dios, a mi madre y hermano por su gran apoyo y comprensión en todo momento, a mis primos Kate, Marco y Pablo, por haber compartido momentos de alegría y tristeza en los años universitarios. Agradezco a mi novia Antonieta, que me apoyo en los momentos más difíciles que me llevaron a tomar las decisiones más adecuadas. Agradezco a la ESPE, en especial a los docentes de la Carrera de Ingeniería Mecánica por haberme enseñado todos los fundamentos teóricos y prácticos necesarios para mi desarrollo como profesional. Agradezco al Ing. Carlos Suntaxi y al Ing. Luis Escobar, ex - director y ex -codirector de este proyecto respectivamente, por la labor de seguimiento y correcciones sugeridas de manera acertada en el transcurso de desarrollo de este trabajo. Agradezco de manera especial al Ing. Cristian Cruz y Sra. Andrea Velásquez quienes patrocinaron económicamente el desarrollo de este proyecto. Agradezco al Ing. José Pérez y al Ing. Luis Echeverría, director y codirector de este proyecto respectivamente, por la labor de revisión de la parte escrita que ayudaron a la finalización de este proyecto.

4 CONTENIDO: Resumen Objetivos Proceso de elaboración de leche de Soya Análisis y selección de alternativas Diseño Construcción Pruebas y calibración Conclusiones y recomendaciones

5 RESUMEN. Motivo de construcciónRESUMEN Motivo de construcción Falta de tecnología asociada a este proceso. La empresa no puede crecer en el mercado local. Proceso Se muelen los granos previamente preparados. Se los mezclan con agua Se procede a cocinarla Se la enfría en un tiempo prudente. Diseño Se adapta a la particularidad de preparación de este producto. Los equipos a utilizarse están cuidadosamente estudiados. La máquina cuenta con equipos que son fáciles de desmontar. La máquina cuenta con un tablero de control eléctrico. Sistema de control de temperatura. Adaptable para la elaboración de otros productos derivados de la soya.

6 Definición del problemaLa leche de Soya, por su alto grado nutricional, esta siendo introducida en el Ecuador. Soy Soya esta experimentando un alto nivel de crecimiento en sus ventas de leche de soya, y necesita una maquina que se adapte a su receta y de capacidad 100 l/parada. Definición del problema Objetivos Diseñar y construir una procesadora semiautomatizada de leche de soya con capacidad de 100 l/parada, para la empresa SOY SOYA vinculada directamente con la fundación juvenil ESPERANZA ECUATORIANA. General Específicos Justificación e importancia - Investigar sobre los sistemas y métodos más óptimos para el proceso de elaboración de leche de soya. - Estudiar y seleccionar la mejor alternativa para obtener un proceso óptimo. - Diseñar, seleccionar y adecuar los elementos y sistemas de la máquina a construir - Construir y ensamblar la máquina procesadora de leche de soya. - Realizar pruebas de la máquina para verificar especificaciones requeridas. - Realizar una evaluación económica y financiera. - La empresa no dispone de una máquina semi automatizada - El precio de una maquina es desfavorable para la empresa - Impulsaría la actividad productiva. - Optimización del proceso - Innovación y desarrollo tecnológico

7 Figura 2.1 Proceso de elaboración de la leche de soya Fuente: María Lorena Chavarría Morbioni

8 ANALISIS Y SELECCIÓN DE ALTERNATIVAS Para poder tener una decisión muy acertada, se va a proceder a utilizar una matriz, más conocida como “Matriz de decisión”, la misma que toma valores numéricos dependiendo el grado de importancia, así por ejemplo:   1 – Menos importante o menos adecuado 10 – Más importante o más adecuado.

9 Selección del tipo de bombaNo. Criterio de selección Centrifugas Rotatorias Reciprocantes Importancia C C x I I 1 Facilidad de instalacion 8 64 6 48 5 40 2 Disponibilidad en el mercado local 80 50 4 10 3 Facilidad de mantenimiento 7 63 45 9 Eficiencia 35 49 Costos 81 54 Vida Util TOTAL 387 351 310 VALOR PROMEDIO 6,45 5,85 5,17 Fuente: propia

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11 Luego de apreciar las distintas opciones de diseño, este es el más idóneo para el proceso requerido, el cual está conformado de los siguientes componentes: Molino de piedras Recipiente de cocción Recipiente de almacenado Intercambiador de calor tipo tubos – coraza. Bomba sanitaria. Bomba de agua. Tablero de control. Líneas de tuberías. Válvulas manuales y electro válvulas Sensores de temperatura

12 Figura 4.1 Esquema de la máquinaFuente: propia

13 DISEÑO DEL BASTIDOR Deformación en el punto mas critico: 4.4 mm

14 CÁLCULO DE LA CAPACIDAD DE MOLIENDA DEL MOLINOCALCULO DEL FLUJO DE AGUA Qagua = 5.2 l / min

15 Figura 4.8 Trampa de SólidosTRAMPA PARA SÓLIDOS Una trampa de sólidos es un dispositivo especial fabricado en acero inoxidable que se utiliza para separar mediante un proceso de sedimentación los residuos sólidos en suspensión provenientes del molido y la leche de soya Figura 4.8 Trampa de Sólidos Fuente: Propia La función principal es poder atrapar los sedimentos que el proceso de centrifugación no puede separar y así aumentar la eficiencia total de la máquina.

16 ESTUDIO Y ADECUACIÓN DE SISTEMA DE COCCIÓNCapacidad del recipiente C = 100 l Altura H = 0.7 m Tiempo de cocción t = 47.9 min Temperatura de entrada del vapor por parte del caldero Tvapor = 120 ° C Temperatura final del producto. Tfinal = 75 ° C Área de transferencia de calor.

17 ESTUDIO Y ADECUACIÓN DEL SISTEMA DE ENFRIAMIENTOEl costo de la construcción de un intercambiador que se adapte a nuestras necesidades, es demasiado alto con respecto al presupuesto asignado para el proyecto, por cuanto se necesita un intercambiador que demuestre su eficiencia frente al proceso y que cumpla con los materiales y estándares requeridos. Datos de conocidos del proceso Temperatura de entrada de leche al intercambiador the = 75 ° C Temperatura requerida de la leche thc = 30 ° C Temperatura de entrada del agua al intercambiador tce = 10 ° C Masa de leche m = 100 Kg

18 ESTUDIO Y ADECUACIÓN DEL SISTEMA DE ENFRIAMIENTOÁrea de transferencia de calor A = 2.415 Tiempo que toma el enfriamiento min

19 SISTEMA ELÉCTRICO

20 PROCESO DE CONSTRUCCION Y ENSAMBLAJEAdecuación y mantenimiento de componentes grandes Fabricación de elementos y componentes pequeños Ensamblaje de componentes pequeños a grandes

21 PROCESO DE CONSTRUCCION Y ENSAMBLAJEEnsamblaje del sistema eléctrico Construcción de bastidor Dimensionamiento de líneas de tubería

22 PROCESO DE CONSTRUCCION Y ENSAMBLAJEEnsamblaje total de la maquina

23 DIAGRAMA DE OPERACIONES DE PROCESO PLACA PARA BISAGRA PARA RECIPIENTE DE PRODUCTO TERMINADO Código: TA Trazado por: Luis Vega, José Negrete

24 FILTRO MOLINO DE PIEDRAS

25 RECIPIENTE DE COCCIÓN

26 INTERCAMBIADOR DE CALOR RECIPIENTE DE PRODUCTO TERMINADO

27 BOMBAS, LINEAS DE TUBERIASVÁLVULAS

28 CABLEADO ELÉCTRICO PANEL DE CONTROL

29 SISTEMA DE SUMINISTRO DE AGUA FRIACALDERO DE VAPOR SISTEMA DE SUMINISTRO DE AGUA FRIA

30 Figura 6.1 Prueba del sistema eléctricoPRUEBAS Y CALIBRACIÓN Pruebas de funcionamiento de componentes El sistema eléctrico está funcionando perfectamente, ya que todos los componentes mecánicos funcionan bajo las señales eléctricas del tablero de control, siendo una prueba exitosa. Figura 6.1 Prueba del sistema eléctrico Fuente: propia

31 Pruebas del proceso Para comprobar el molido del grano de soya, se procederá a llenar el molino con este producto, previamente preparado, a razón de que pueda producirse los 100 l/parada en un tiempo previamente determinado. Cabe recalcar que se debe agregar agua en el proceso, de manera de que se dosifique según la receta de la empresa auspiciante. Figura 6.2 Granos de soya preparada Fuente: propia Figura 6.3 Resultado prueba de molido Fuente: propia

32 Pruebas del proceso  El resultado del producto es sin duda un molido uniforme y se ha realizado una separación muy eficiente del producto – bagazo. El tiempo de molido se ha realizado en 20 minutos aproximadamente Figura 6.7 Prueba de funcionamiento del agitador Fuente: propia Figura 6.4 Desechos producidos Fuente: propia Figura 6.5 Prueba de funcionamiento de filtro Fuente: propia

33 Figura 6.13 Producto terminadoPruebas del proceso El tiempo de cocción de 100 l se ha realizado en un tiempo de 49 min aproximadamente, siendo un tiempo bastante eficiente para la cantidad de producto a preparar, luego de esto se lo debe cocinar durante 5 minutos más. Luego se procederá tomar el tiempo en el cual se produce el enfriado hasta 30°C, temperatura que fue proporcionada por la empresa auspiciante para cumplir con su receta particular. El tiempo que se demoro es de 8 minutos aproximadamente. Figura 6.13 Producto terminado Fuente: propia

34 CALIBRACIÓN Tabla 6.1 Calibración del flujo de agua en función a la cantidad de grano de soya a molerse. Calibración del flujo de agua en función a la cantidad de grano de soya a molerse. Cantidad de granos de soya (lb) Flujo de agua (l/min) Observación 25 3 Se dificulta el molido 4 La tubería tiende a taponarse debido a que el producto es muy denso 5 Producto uniforme 6 Producto uniforme pero un exceso de agua en la tolva 7 Producto con bajo porcentaje de soya debido al exceso de agua fuente: propia

35 COSTO TOTAL DE LA MÁQUINA PROCESADORA DE LECHE DE SOYACOSTO DE LA MAQUINA COSTO TOTAL DE LA MÁQUINA PROCESADORA DE LECHE DE SOYA ITEM SUBTOTAL Costo de materiales 4131,4 Costos indirectos 430 Costo de diseño 350 Costo máquinas - herramientas 776 Costo de mano de obra 1200 TOTAL USD 6887,4 fuente: propia

36 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES CONCLUSIONES Luego de haber analizado los diferentes métodos de elaboración de la leche de soya, se diseñó, seleccionó y construyó la procesadora de manera que se adapte a los requerimientos impuestos por la empresa auspiciante, la misma que por el costo de $ 6887,40 cumple con los procesos de molido, cocción y enfriamiento. Los cálculos para la selección de los diferentes componentes se basaron en gran parte en los fundamentos de transferencia de calor, siendo el principal agente de evaluación el acero AISI 304 que proporciona las propiedades anticorrosivas y mecánicas necesarias para cumplir con el proceso requerido. El proceso de molido y separación de sólidos se lo realiza en un tiempo de 20 minutos aproximadamente, a partir de un molino de piedras que gira a 3600 rpm con capacidad de 35 Kg/h, con filtración centrífuga y un filtro adicional, los mismos usan 104 l de agua a razón de 5 l/min aproximadamente y 11.3 Kg de soya hidratada para producir 100 l de leche

37 Los desechos producidos son 15Los desechos producidos son 15.8 Kg los mismos que son reutilizados para producir otros derivados de la soya, por ejemplo, galletas, pasteles, carne, etc… El recipiente de cocción tiene la capacidad de calentar leche de soya de 19 °C aproximadamente a 75 °C en un tiempo aproximado de 49 minutos, usando una fuente de vapor a una temperatura de 120 °C. Luego se procede a cocinarlo durante 5 minutos más automáticamente. El agitador permite que el producto se siga mezclando aun cuando está en el proceso de cocción, impidiendo a la vez que exista una separación de sólidos y caigan al fondo del recipiente, además, este mecanismo sirve para homogenizar el producto y que este se cocine por igual. El sistema de enfriamiento proporciona una capacidad de enfriamiento de 100 l de leche de soya de 75 ° C a 30 ° C en 8 minutos aproximadamente, con un flujo de agua fría a 10 °C que pasa por la coraza del intercambiador de calor.

38 RECOMENDACIONES Para producción de leche de soya se recomienda tomar en cuenta los parámetros críticos del proceso, así por ejemplo, cantidad de desechos producidos, cantidad de producto a obtenerse, tiempos de cocción y enfriamiento, los cuales influirán en los equipos a construirse. Se recomienda preparar el caldero antes de iniciar el proceso con una temperatura de vapor de aproximadamente 120 ° C para que el proceso de cocción se realice en el tiempo estimado de 50 minutos. Se recomienda preparar el sistema de enfriamiento antes de iniciar el proceso, el agua fría debe estar a una temperatura aproximada de 10 °C para que el producto se enfríe en 8 minutos aproximadamente, además, el recipiente de agua debe estar al menos sus ¾ partes llenas.

39 Se recomienda calibrar la dosificación de agua a 5 l/min aproximadamente, ya que bajo los parámetros mencionados en el capítulo de calibración y pruebas, se demostró que los equipos pueden presentar problemas en su funcionamiento y por ende obtener un producto no deseado, con una mezcla demasiado rica o pobre. Se recomienda setear la holgura entre piedras del molino hasta que produzca una pasta de desecho entre 0.15 – 0.2 mm, ya que con este valor se puede aprovechar mejor los desechos y producir una leche consistente. Se recomienda poner progresivamente en la tolva del molino la cantidad máxima de 25 lb, ya que la máquina no puede producir más producto debido al limitante de volumen en el recipiente de cocción. Se recomienda lavar los diferentes componentes de la máquina periódicamente ya que por ser una procesadora de alimentos, se tiende a obtener el desarrollo de bacterias en sus partes internas.

40 MUCHAS GRACIAS POR SU ATENCION