evaluación del proceso de extrusión de doble tornillo a...

Evaluación del proceso de extrusión de doble tornillo a partir del

modelamiento y simulación en Dinámica de Fluidos

Computacionales (CFD) para la obtención de alimentos

Felipe Alexander Córdoba Mesa

Universidad Nacional de Colombia

Facultad de Ingeniería, Departamento de Ingeniería Química y Ambiental

Bogotá, Colombia

2017

Evaluación del proceso de extrusión de doble tornillo a partir del

modelamiento y simulación en Dinámica de Fluidos

Computacionales (CFD) para la obtención de alimentos

Felipe Alexander Córdoba Mesa

Trabajo final presentado como requisito parcial para optar al título de:

Magister en Ingeniería Química

Director (a):

MSc. Néstor Ariel Algecira Enciso

Línea de Investigación:

Ingeniería de Procesos: Fenómenos de transporte

Universidad Nacional de Colombia

Facultad de Ingeniería, Departamento de Ingeniería Química y Ambiental

Bogotá, Colombia

2017

Gracias a Pepo, su entorno, su familia, su

novia y todo lo que tiene que ver con él, por

ser el complemento y ayudarme a descubrir

que pasa dentro de la caja negra.

Agradecimientos

Debo agradecer a mis padres, hermanas y sobrinas por su apoyo incondicional durante

el desarrollo de este trabajo investigativo y por plantear la curiosidad como mecanismo

para cuestionar cada etapa del mismo. A mi hermosa novia por su compañía, paciencia,

cariño y enseñarme la constancia para seguir forjando esta meta.

Agradezco a Alimentos Polar y su excelente equipo Supervisorio y operativo, por

enseñarme acerca de la extrusión y sus diferentes aportes para mejorar este trabajo. A

Marco Guevara y el equipo de S&SE S.A.S. por abrirme sus puertas y permitirme

aprender acerca del mundo CFD.

A mi director Néstor Algecira por ser un guía desde el pregrado, su apoyo, disposición y

experiencia han hecho posible plasmar y organizar las ideas basado en la discusión

técnica.

Finalmente agradecer a los lectores de este documento, espero que sirva de punto de

referencia para el desarrollo de nuevas ideas y proyectos en el campo de la ingeniería

mediante el desarrollo de modelamiento computacional y poder entender este complejo

pero maravilloso entorno.

Resumen y Abstract IX

Resumen

Se plantea el modelo para simular el flujo no newtoniano de una mezcla de almidón en

un extrusor de doble tornillo co-rotativo inter-engrando utilizando la dinámica de fluidos

computacional (CFD) para reproducir los resultados de operación real a escala industrial,

obteniendo los perfiles de velocidad y temperatura a lo largo del extrusor. La validación

de la simulación desarrollada arrojó que el error promedio en la predicción de la

temperatura es de -2,6%, significando esto que la simulación subestima en un porcentaje

pequeño de 2,6% el valor de la temperatura. Se realizaron consideraciones para

simplificar el fenómeno: estado estacionario, modelo de viscosidad de Carreau con

parámetros ajustados y sistema adiabático. Se realiza la geometría del equipo completa

sin simplificaciones de simetría y se optimizo la malla hasta una calidad ortogonal de

5,31E-02. El modelo muestra adecuadamente el comportamiento de la velocidad y la

temperatura que ocurre dentro del extrusor, de gran utilidad para los requerimientos

industriales.

Palabras clave: CFD, Extrusión, No Newtoniano, Extrusión de alimentos,

Optimización de malla.

X Evaluación del proceso de extrusión de doble tornillo a partir del modelamiento y

simulación en Dinámica de Fluidos Computacionales (CFD) para la obtención de

alimentos

Abstract

The model is proposed to simulate the non-Newtonian flow of a mixture of starch in a co-

rotating twin-screw extruder by intergrading using computational fluid dynamics (CFD) to

reproduce the results of real operation on an industrial scale, obtaining the profiles

velocity and temperature along the extruder. The validation of the simulation developed

showed that the average error in the prediction of temperature is -2.6%, meaning that the

simulation underestimates the temperature value by a small percentage of 2.6%.

Considerations were made to simplify the phenomenon: steady state, Carreau viscosity

model with adjusted parameters and adiabatic system. The geometry of the complete

equipment is realized without simplifications of symmetry and the mesh is optimized to an

orthogonal quality of 5.3E-02. The model adequately shows the speed and temperature

behavior occurring inside the extruder, which is very useful for industrial requirements.

Keywords: CFD, Extrusion, No Newtonian, Food extrusion Mesh optimization.

Contenido XI

Contenido

Pág.

Resumen ......................................................................................................................... IX

Lista de figuras ............................................................................................................. XIII

Lista de tablas ............................................................................................................. XVI

Lista de Símbolos y abreviaturas .............................................................................. XVII

Introducción .................................................................................................................... 1

1. FUNDAMENTOS TEÓRICOS .................................................................................... 7 1.1 Extrusión de Alimentos Balanceados ............................................................... 7

1.1.1 Preacondicionamiento ........................................................................... 9 1.1.2 Extrusión ............................................................................................. 12

1.1.2.1 Transformación de energía mecánica .... ¡Error! Marcador no definido. 1.1.2.2 Conducción y convección de calor ......... ¡Error! Marcador no definido.

1.2 Características y especificaciones del almidón .............................................. 17 1.3 Configuración de tornillos .............................................................................. 19 1.4 Contexto económico ...................................................................................... 23 1.5 Dinámica de Fluidos Computacionales (CFD) ............................................... 26

1.5.1 Software CFD ..................................................................................... 27 1.5.2 Metodología de modelamiento CFD .................................................... 29 1.5.3 Criterios de calidad de Malla ............................................................... 31

2. METODOLOGÍA ...................................................................................................... 33 2.1 Geometría y dominio de la simulación ........................................................... 34 2.2 Malla y condiciones de frontera ..................................................................... 36 2.3 Fluidos y condiciones de proceso para la simulación ..................................... 38 2.4 Set up de simulación ..................................................................................... 40

3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN ................................................................................. 41 3.1 Resultados de la simulación CFD .................................................................. 41 3.2 Validación de la simulación ............................................................................ 49

4. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ........................................................... 53 4.1 Conclusiones ................................................................................................. 53 4.2 Recomendaciones ......................................................................................... 55

REFERENCIAS ............................................................................................................... 57

A. Anexo: Protocolo operacional del proceso de extrusión de doble tornillo........ 61

XII Evaluación del proceso de extrusión de doble tornillo a partir del modelamiento y

simulación en Dinámica de Fluidos Computacionales (CFD) para la obtención

de alimentos

Contenido XIII

Lista de figuras

Pág.

Figura I-1-1 Distribución por área de conocimiento de documentos científicos publicados

entre 1953 y 2015 para extrusión de alimentos. Fuente: (Scopus, 2015) ........................ 4

Figura 1-1 Proceso general del mecanismo de extrusión. Fuente: (Emin & Schuchmann,

2013). ............................................................................................................................... 8

Figura 1-2 Diagrama de proceso de la etapa de preacondicionamiento. Fuente: Esta

investigación. ................................................................................................................... 9

Figura 1-3 Influencia del agua sobre el proceso de preacondicionamiento. Fuente:

Adaptado de (Buhler-Usach, 2016) ................................................................................ 10

Figura 1-4 Diagrama de proceso de la etapa de extrusión. Fuente: Esta investigación. 12

Figura 1-5 Disipación de la energía mecánica en un extrusor. Fuente: (Buhler-Usach,

2016) .............................................................................................................................. 13

Figura 1-6 Esquema de Energía Mecánica Especifica en extrusor. Fuente: Esta

investigación. ................................................................................................................. 13

Figura 1-7 Sistema de refrigeración con agua dentro del barril. Fuente: (Clextral, 2010)

....................................................................................................................................... 16

Figura 1-8 Variación temperatura en preacondicionamiento y extrusión. Fuente: (Buhler-

Usach, 2016). ................................................................................................................. 16

Figura 1-9 Estructura de a. Amilosa y b. Amilopectina. Fuente: (Acosta Osorio, 2013) 17

Figura 1-10 a. Microscopia diferencial de barrido (x2500) de almidón SS. Fuente: (Acosta

Osorio, 2013) b. Microscopia diferencial de barrido (x4730) de almidón de maíz. Fuente:

(Buhler-Usach, 2016). .................................................................................................... 18

Figura 1-11 Transición del almidón en el proceso de extrusión. (Buhler-Usach, 2016). . 18

Figura 1-12 Efectos del procesamiento mediante extrusión sobre la integridad y

deformación de gránulos de almidón. Fuente: (Buhler-Usach, 2016). ............................ 19

Figura 1-13 Tipos de tornillos inter-engranados contrarotatorios y co-rotativos. Fuente:

(Beltrán & Marcilla, 2012). .............................................................................................. 20

Figura 1-14 Zonas de micromezcla en configuración de tornillos inter-engranados, co-

rotativos. Fuente: (Clextral, 2010)................................................................................... 20

Figura 1-15 Diseño típico de sección de tornillo. Fuente: (Beltrán & Marcilla, 2012) ...... 21

Figura 1-16 Funciones de secciones de tornillo según diseño. Fuente: (Clextral, 2010).

....................................................................................................................................... 21

Figura 1-17 Distribución del mercado de alimentos extruidos por tipo de compañía,

designación y Región en el año 2016. Fuente: (Markets and Markets, 2017). ................ 23

XIV Evaluación del proceso de extrusión de doble tornillo a partir del modelamiento y


de alimentos

Figura 1-18 CARG de alimentos extruidos por región para el año 2022. Fuente: (Markets

and Markets, 2017). ........................................................................................................ 24

Figura 1-19 Tamaño del mercado de snacks por región en 2013 y proyectado para 2019.

Fuente: (Markets and Markets, 2014). ............................................................................ 25

Figura 1-20 Ejemplo de aplicaciones de CFD. Izq.: Modelamiento aerodinámico de un

vehículo de fórmula 1. Fuente: (Rodriguez, 2014). Der: Modelamiento de intercambiador

de tubos y coraza. Fuente: (Schmitz, 2014). ................................................................... 27

Figura 1-21 Etapas y actividades de un modelamiento CFD. Fuente: esta investigación.

....................................................................................................................................... 29

Figura 1-22 Ilustración de dos elementos tetraédricos de malla de diferente calidad, (a)

elemento de mala calidad, (b) elemento de buena calidad. Fuente: (Guevara M. , Diseño

de un equipo de recuperación de líquidos de gas natural empleando CFD, 2015) . ........ 31

Figura 2-1 Ilustración del Extrusor BC105_HAA equipo estudio de esta investigación.

Fuente: (Clextral, 2010) .................................................................................................. 34

Figura 2-2 Geometría 3D del extrusor de doble tornillo en: a. vista isométrica. b. vista

planta. Fuente: Esta investigación. .................................................................................. 35

Figura 2-3 Dominio del extrusor de doble tornillo para la simulación CFD. Fuente: Esta

investigación. .................................................................................................................. 36

Figura 2-4 Malla optimizada- poliédrica del extrusor de doble tornillo para la simulación

CFD. Fuente: Esta investigación. .................................................................................... 37

Figura 2-5 Ubicación de termopares en el equipo real para la medición de temperatura

de entrada, temperatura en cada barril y temperatura de salida. Fuente: Esta

investigación. .................................................................................................................. 39

Figura 2-6 Set Up en Ansys con parámetros para el modelo de Carreau-Fluido no

newtoniano. Fuente: Esta investigación. ......................................................................... 40

Figura 3-1 Vectores de velocidad de la mezcla no newtoniana. Vista frontal. Fuente: Esta

investigación. .................................................................................................................. 41

Figura 3-2 Líneas de corriente en detalle. Vista de planta. Vista frontal. Fuente: Esta

investigación. .................................................................................................................. 42

Figura 3-3 Líneas de corriente: a. vista isométrica. b. vista planta. Fuente: Esta

investigación. .................................................................................................................. 43

Figura 3-4 Contornos de velocidad para cada sección de barril a lo largo del equipo.

Fuente: Esta investigación. ............................................................................................. 44

Figura 3-5 Perfil de velocidad a lo largo del equipo. Fuente: Esta investigación. ............ 45

Figura 3-6 Mapa de temperaturas en la pared de los tornillos. Fuente: Esta investigación.

....................................................................................................................................... 46

Figura 3-7 Líneas de corriente vista isométrica temperatura como variable. Fuente: Esta

investigación. .................................................................................................................. 47

Figura 3-8 Líneas de corriente vista lateral presión como variable. Fuente: Esta

investigación. .................................................................................................................. 48

Figura 3-9 Perfil de temperatura y correlación para validación de simulación: perfiles

experimentales de temperatura y resultados de CFD. Fuente: Esta investigación. ......... 49

Contenido XV

Figura 3-10 Perfil de temperatura y correlación para la validación de la simulación:

correlación entre los datos de temperatura experimental y los resultados de la simulación

de CFD. Fuente: Esta investigación. .............................................................................. 50

Figura 3-11 Variación de densidad de pastilla respecto a temperatura a la salida del

extrusor. Fuente: Esta investigación. .............................................................................. 52

Figura 3-12 Variación de carga respecto a cantidad de agua adicionada en

preacondicionador y extrusor. Fuente: Esta investigación. ............................................. 52

Contenido XVI

Lista de tablas

Pág.

Tabla 1-1 Principales desarrollos del proceso de extrusión. Fuente: (Riaz, 2000) ............ 7

Tabla 2-1 Propiedades de la malla modelada. Fuente: Esta investigación. ..................... 36

Tabla 2-2 Propiedades de los fluidos y condiciones de proceso para el set-up de la

simulación CFD. Fuente: Esta investigación. .................................................................. 38

Tabla 2-3 Perfil de temperaturas experimentales, valores promedio del equipo real de

acuerdo a Figura 2-5. Fuente: Esta investigación. .......................................................... 39

Tabla 3-1 Error diferencial de los perfiles de temperatura teórico y experimental. Fuente:

Esta investigación. .......................................................................................................... 49

Contenido XVII

Lista de Símbolos y abreviaturas

Símbolo Término Unidad Definición

ETE Energía térmica específica kW/t Ec. 1.1 Sección 1.1.1

ms Fracción solida de masa % Ec. 1.1 Sección 1.1.1

mw Contenido de agua % Ec. 1.1 Sección 1.1.1

mwa Adición de agua kgH2O

kgharina Ec. 1.1 Sección 1.1.1

cw Capacidad calorífica específica del agua kJ/kg°C Ec. 1.1 Sección 1.1.1

C1 Constante kg/ton 1000 kg/ton

ΔT Gradiente de temperatura °C Ec. 1.1; Ec. 1.7

C2 Constante s/h 3600 s/h

mst Vapor requerido % Ec. 1.2; Ec. 1.3

Δhst Diferencia de entalpía entre el vapor y el condensado

kJ/kg Ec. 1.3 Sección 1.1.1

EME Energía mecánica específica kW/t Ec. 1.4 Sección 1.1.2.1

n Velocidad del tornillo RPM Ec. 1.4 Sección 1.1.2.1

𝑛𝑚𝑎𝑥 Velocidad máxima del tornillo RPM Ec. 1.4 Sección 1.1.2.1

P Potencia del motor del tornillo kW Ec. 1.4 Sección 1.1.2.1

Q Flujo másico total kg/h Ec. 1.4 Sección 1.1.2.1

𝜏 Torque del tornillo % Ec. 1.5 Sección 1.1.2.2

𝑑𝑞𝑐𝑖𝑧 Diferencial de intercambio de calor de cizallamiento

J/h Ec. 1.5 Sección 1.1.2.2

𝐶𝑝 Calor específico de la masa J*kg−1 ∗ K−1 Ec. 1.5 Sección 1.1.2.2

𝑑𝑇𝑚 Diferencial de temperatura de la masa K Ec. 1.5 Sección 1.1.2.2

ℎ𝑚𝑐

Entalpia desde la masa hacia el cilindro J*kg−1 ∗ K−1 Ec. 1.5 Sección 1.1.2.2

A Circunferencia de la pared del cilindro m Ec. 1.5 Sección 1.1.2.2

dz Incremento axial m Ec. 1.5 Sección 1.1.2.2

ρc Densidad del cilindro kg*m−3 Ec. 1.6 Sección 1.1.2.2

λc Conductividad térmica del cilindro W* m−1K−1 Ec. 1.6 Sección 1.1.2.2

CPC calor especifico del cilindro J*kg−1 ∗ K−1 Ec. 1.6 Sección 1.1.2.2

t tiempo s Ec. 1.6 Sección 1.1.2.2

∇ Operador Laplaciano 1 Ec. 1.6 Sección 1.1.2.2

∅ Tensiones térmicas W Ec. 1.6 Sección 1.1.2.2

𝑛𝑎𝑝𝑝 Viscosidad aparente kg/m*s Ec. 2.1 Sección 2.3

𝑛0 Viscosidad de cizallamiento cero kg/m*s Ec. 2.1 Sección 2.3

𝜆 Tiempo de rotación s Ec. 2.1 Sección 2.3

ϔ𝑎𝑝𝑝 Velocidad de corte aparente 𝑠−1 Ec. 2.2 Sección 2.3

Qv Caudal volumétrico 𝑚𝑚3/𝑠 Ec. 2.2 Sección 2.3

B Ancho de hendidura mm Ec. 2.2 Sección 2.3

h Alto de hendidura mm Ec. 2.2 Sección 2.3

XVIII Evaluación del proceso de extrusión de doble tornillo a partir del modelamiento y


de alimentos

Introducción

El proceso de extrusión de doble tornillo es uno de los métodos de mayor

implementación durante la última década debido a la integración de las etapas de

mezcla, cocción, expansión y formado en una sola operación unitaria. Permite que los

costos operacionales asociados disminuyan y optimiza la producción. Adicional, exige el

mejoramiento de los procesos, equipos y métodos de caracterización para aumentar el

rendimiento y evitar sobrecostos de producción. Dentro de las ventajas de este proceso

se encuentran:

Permite la gelatinización del almidón y modificación de las características físicas

para mejorar la digestibilidad en humanos y animales.

Desnaturalización de las proteínas y desactivación de encimas por tratamiento

térmico.

Producto sanitariamente adecuado debido a ser un proceso hermético.

Cambio de la textura, densidad y distribución de tamaño de partículas

Posibilidad de mejoramiento de la palatabilidad al agregar diferentes sabores,

colores, etc.

El extrusor continuo de doble tornillo consta de dos tornillos helicoidales inter-engranados

en co-rotación en el cual se alimenta una mezcla seca desde una tolva hacia un

preacondicionador donde se adiciona vapor y agua que mejoran las características para

transportar hacia adelante mediante la rotación de los tornillos, durante este paso el

almidón se gelatiniza. (Emin & Schuchmann, 2013). El almidón gelatinizado forma una

masa elástica inflable y permite que la formulación entera se expanda en collares

porosos, la presión aumenta hasta el nivel requerido para pulsar el extruido a través del

2 Introducción

orificio del troquel, la fricción entre el tornillo y su superficie hace que el material se

caliente (Riaz, 2000), finalmente es fraccionado por una cuchilla giratoria adoptando la

forma requerida saliendo a condiciones de presión atmosférica.

La transmisión de calor en extrusión ha sido representada por dos tipos de modelos

(Guy, 2001): los primeros se denominan modelos de conocimiento que describen los

fenómenos físicos mediante resolver ecuaciones de conservación. Los otros se

denominan modelos representacionales de caja negra que proporcionan relaciones

simples entre las cantidades medidas y los parámetros de operación.

Entre las razones del posicionamiento del proceso de extrusión en la industria se

destacan, la revalorización de los cereales como alimento y los cambios en el

comportamiento del consumidor que lo induce a adquirir alimentos con mayor valor

agregado para su consumo, influenciado por la comodidad de los productos

preelaborados y el ahorro de tiempo conjuntamente con la novedad y la variedad en

texturas, sabores, características nutricionales, tamaño y tipo de envase, etc., son

utilidades que el consumidor moderno reconoce como necesarias y está dispuesto a

pagar el mayor valor que estos productos tienen respecto a los alimentos tradicionales a

base de cereales. (González , Torres, & De Greef, 2002).

Adicional, está el aumento de la compra de alimentos para mascotas especialmente para

caninos, motivado por el incremento del número de animales de compañía en las

grandes ciudades colombianas. Este incremento tiene factores como: la demanda de

mascotas para llenar espacios afectivos en los entornos familiares, el aumento en la

capacidad económica de las clases sociales, permitiéndoles asumir gastos anteriormente

no contemplados en su presupuesto, y el fenómeno de desplazamiento de poblaciones

campesinas desde las áreas rurales, trayendo consigo la cultura de la posesión de

animales. (Gomez, Atehortua, & Orozco, 2007).

El mercado de extrusión de alimentos, por productos alimenticios y equipos de extrusión,

se valoró en USD 53,24 mil millones y USD 6,61 mil millones en 2016 y se prevé que

crezca en una tasa anual compuesta de crecimiento (CAGR) de 4,26% y 2,41%,

respectivamente, durante el período de pronóstico de 2017 a 2022 (Markets and Markets,

2017).

Introducción 3

El mercado según el proceso se segmenta en extrusión caliente y fría. El segmento de

extrusión en caliente representó una mayor cuota de mercado en 2016. La rápida y alta

transferencia de energía en la masa con altas temperaturas a corto plazo es el factor

clave para la creciente preferencia por las operaciones de extrusión en caliente. El

extrusor de doble tornillo es el más utilizado dentro de la industria, seguido por el extrusor

de tornillo único, debido a la facilidad de funcionalidad, bajo costo de producción, mejor

control de los parámetros del proceso, alto nivel de flexibilidad del proceso y notable

mezcla (Markets and Markets, 2017).

Respecto a la utilización eficiente de la energía, la extrusión se destaca ya que el sistema

opera a una humedad relativamente baja, al mismo tiempo que el producto se cocina. La

baja humedad reduce la cantidad de calor requerido para cocinar y para deshidratar el

producto después de la cocción. El consumo de energía es del orden de 0,02 a 0,1

KW/h*kg de producto. Ambientalmente favorable, no generan efluentes que deban ser

tratados.

La Dinámica Computacional de Fluidos o CFD, es un enfoque reciente de modelación de

los fenómenos de transporte. Este enfoque numérico detallado permite considerar las

irreversibilidades que quedan fuera del alcance de los modelos tradicionales de la

ingeniería de procesos (Guevara M. , 2015). Cuando se trabaja con sistemas fluidos

compresibles altamente turbulentos, o con patrones de flujo circulares complejos como

es este caso, CFD resulta ser un enfoque preciso y útil, siendo para el caso particular de

la extrusión de fluidos no newtoniano un reto técnico de la ingeniería.

En la figura I-1 se presenta la publicación de textos científicos por área de conocimiento

donde la extrusión tiene aplicaciones durante el periodo 1953-2015, resaltando que en

agricultura y ciencias biológicas comprenden un 62,3% de un total de 2503

publicaciones. Lo que sugiere el continuo desarrollo de la investigación y su aplicación en

la industria.

4 Introducción

Figura I-4-1 Distribución por área de conocimiento de documentos científicos publicados entre 1953 y 2015 para extrusión de alimentos. Fuente: (Scopus, 2015)

En la figura I-2 se observa el número de documentos científicos por año al realizar una

revisión bibliográfica por extrusión en alimentos (Food Extrusion) con un total de 214

publicaciones para el año 2014, mientras en el año 2015 se encuentran 139

publicaciones. Adicional se realiza la búsqueda por extrusión de alimentos relacionados

con CFD (Food Extrusion CFD), donde se encuentra un total de 6 publicaciones

distribuidas 3 en el año 2006, 1 para el año 2011 y 2 para el año 2013. Identificando así

la gran oportunidad para incursionar en este tipo de análisis computacional en la industria

alimenticia.

Introducción 5

Figura I-1-2 Número de documentos por año publicados entre 1953 y 2015 para: Extrusión de alimentos. Fuente: (Scopus, 2015).

El objetivo de esta investigación es simular el flujo no newtoniano de una mezcla de

almidón en un extrusor, utilizando la dinámica de fluidos computacional para obtener los

perfiles de velocidad y temperatura a lo largo del extrusor y analizar la desviación de las

temperaturas experimentales.

1. FUNDAMENTOS TEÓRICOS

1.1 Extrusión de Alimentos Balanceados

La extrusión de alimentos es un proceso que aparece en la industria hacia mediados del

siglo XX como alternativa para la cocción de cereales en la obtención de pasta y

desayunos listos. En la tabla 1-1 se resumen los principales desarrollos:

Tabla 1-1 Principales desarrollos del proceso de extrusión. Fuente: (Riaz, 2000)

AÑO AUTOR DESARROLLO

1930 General Mills, Inc., Minneapolis, MN.

Utilizó un extrusor de tornillo simple para la elaboración de cereales listos.

1939 Adams Corporation, Beloir,WI

Extrusión de rizos expandidos de maíz (collarines).

1940 Varios Extrusión de tornillo simple que exprimían aceite de semillas oleaginosas.

Final 1940

Comida homogenizada de Gaines

Desarrollo del primer alimento seco de perros ampliamente aceptado.

1950 Varios Expansión de alimentos secos para animales domésticos, harinas de cereales precocidas y cereales tratados térmicamente y semillas para incrementar su valor constituyente.

Final 1950

Sprout-Waldron (Muncy,PA)

Preacondicionadores presurizados para pre cocción de ingredientes a la entrada de extrusión por encima de 212°F.

1960 Varios Comercialización de alimentos semihúmedos para animales domésticos, Almidones pre gelatinizados y harinas de galletas.

1960 Archer Daniels Midland Company, Decatur, IL.

Productos de harina de soya texturizada o concentrados con apariencia de carne. (Proteína texturizada Vegetal)

Mitad 1970

Wenger, Sabetha, KS. Segunda generación de extrusores (tornillo segmentado y celda cilíndrica) de tornillo simple y doble tornillo.

Inicio 1990

Varios Los acondicionadores, cilindros venteados, extrusores tercera generación de rosca profunda con reducido calor autógeno.

1998 Wenger, Sabetha, KS. Extrusores de cuarta generación.

8 Evaluación del proceso de extrusión de doble tornillo a partir del modelamiento y


alimentos

El mecanismo de la extrusión de tipo continuo de doble tornillo se realiza mediante dos

tornillos helicoidales inter-engranados en co-rotación. Como se observa en la figura 1-1

se alimenta una mezcla seca desde una tolva hacia un preacondicionador. Se adiciona

vapor y agua se mejoran las características para transportar mediante la rotación de los

tornillos, durante este paso ocurre la gelatinización el almidón. Enseguida el almidón

gelatinizado forma una masa elástica inflable que permite que la formulación entera se

expanda en collares porosos donde a medida que alcanza la matriz de cizallamiento, la

presión aumenta hasta el nivel requerido para pulsar el extruido a través del orificio del

troquel, en el que la fricción entre y la superficie del tornillo da como resultado el

calentamiento del material (Riaz, 2000), finalmente es fraccionado por una cuchilla

giratoria adoptando la forma requerida saliendo a condiciones de presión atmosférica.

Figura 1-1 Proceso general del mecanismo de extrusión. Fuente: (Emin & Schuchmann, 2013).

Dentro de las ventajas de este mecanismo al tratarse de un proceso continuo, se puede

alcanzar una alta producción de forma controlada y uniforme en comparación con otros

procesos. El producto tiene altos estándares de calidad, inactiva enzimas, elimina

factores anti nutritivos y aromas amargos, fácilmente corregidos gracias a la rápida

producción y respuesta de monitoreo. Adopta condiciones específicas de dureza,

densidad, humedad y palatabilidad que luego son enriquecidas con la adición de grasa e

hidrolizado que juegan un papel fundamental para la aceptación por parte del

consumidor. A continuación se presentan en detalle las principales etapas y equipo:

Mezcla seca Agua + vapor

PREACONDICIONADOR

EXTRUSOR

TORNILLOS HELICOIDALES AL INTERIOR DEL EXTRUSOR

MATRIZ (DADO)

Material fraccionado

CORTADOR

Masa elástica inflable

Fundamentos teóricos 9

1.1.1 Preacondicionamiento

El objetivo del preacondicionamiento es prehumidificar y precalentar las materias primas,

antes del proceso de extrusión, ocurre precocción de los almidones, con lo que se

obtiene un incremento de la energía térmica de la mezcla, se reduce la energía mecánica

requerida para la extrusión, y como consecuencia, un aumento de productividad del

extrusor y una reducción de la tasa de desgaste del mismo (Clextral, 2010).

Figura 1-2 Diagrama de proceso de la etapa de preacondicionamiento. Fuente: Esta investigación.

El tamaño de las partículas provenientes de la molienda juega un papel muy importante

donde a menor tamaño de las partículas, más superficie de área expuesta para que el

vapor pueda:

I. Humedecer la mayor cantidad de partículas de la masa por condensación del

vapor.

II. Transferir el suficiente calor a la masa y la pueda ablandar para su mejor

absorción del condensado.

III. Mantener la suficiente temperatura interna de las partículas por un tiempo

determinado, para que se produzca la gelatinización de los almidones y

desnaturalización de las proteínas, y se liguen adecuadamente.

Entradas

*Mezcla seca proveniente de Molienda.

*Agua

*Vapor

Preacondicionamiento

* Prehumidificación.

* Precalentamiento y precocción.

Salidas

*Mezcla prehumidificada, precalentada y precocida

hacia el proceso de extrusión.



alimentos

Las condiciones termodinámicas del acondicionamiento (humedad de la masa,

temperatura, tiempo de retención y presión de vapor) no son las mismas para todos los

alimentos; éstas van a variar de acuerdo al tipo de alimento que se quiere fabricar, al

tamaño del mismo y a las condiciones estructurales y de diseño del equipo que se tiene

en la planta de proceso.

El tiempo de residencia en el preacondicionador debe garantizar la constante

humidificación y la absorción de las partículas más grandes, por lo que se deduce que a

mayor tamaño de las partículas, mayor será el tiempo de hidratación a una tasa de

absorción constante (Clextral, 2010). En este proceso se debe contar con los mínimos

tiempos de residencia para optimizar las condiciones de preacondicionamiento, para

garantizar la humidificación constante y la absorción de la humedad por las partículas.

La figura 1-3 presenta la prehumidificación al 20%, 25% y 30% en el proceso térmico de

gelatinización del almidón de maíz (Sigma Aldrich) estudiado a través de calorimetría

diferencial de barrido (DSC) con respecto al tiempo de retención en el preacondicionador.

Figura 1-3 Influencia del agua sobre el proceso de preacondicionamiento. Fuente: Adaptado de (Buhler-Usach, 2016)


El equipo utilizado es de doble eje corrotativo. En los ejes van instaladas paletas que se

pueden orientar para dar flujos frontales, reversos y neutrales y dependiendo de su

configuración en el eje, se puede obtener variaciones en la tasa de llenado del

preacondicionador, así como en el tiempo de residencia del producto dentro del mismo.

La velocidad de los ejes también se puede ajustar para variar la eficiencia del mezclado:

mientras más alta sea la velocidad de los ejes, mejor será el mezclado radial y axial

(Guy, 2001).

Un aspecto importante a considerar es que un buen contacto entre el vapor y las

partículas se logra a una tasa de llenado entre 40 y 60 % y a una velocidad de ejes entre

140 y 180 rpm.

Bajo estas premisas, el mejor vapor es aquél que al contacto con la masa de alimento

condensa parcialmente, y el resto lo entrega como calor. Para ello es conveniente utilizar

un vapor a baja presión 1 a 1.5 Bar y con un tiempo de residencia de 90 segundos como

mínimo (Clextral, 2010).

Partiendo de la ecuación 1.1 para calcular la Energía térmica específica (ETE) (Buhler-

Usach, 2016), se puede calcular el vapor requerido (mst) en el preacondicionador en

relación a harina dosificada como se presenta en la ecuación 1.2.

𝐸𝑇𝐸 =𝛥𝑇 ∗ ((ms ∗ cs) + ((mw ∗ cwt) ∗ cw))

100∗

𝐶1

𝐶2 (1.1)

ETE en kWh/t, C1 corresponde a 1000 kg/ton y C2 a 3600 s/h.

mst =ETE ∗ C2

Δhst ∗ 𝐶1∗ 100% (1.2)

Introduciendo la ecuación 1.1 en 1.2 se obtiene:

mst =(ΔT ∗ ms ∗ cs) + (ΔT ∗ ms ∗ cw)

Δhst (1.3)



alimentos

Donde ms es la fracción solida de la masa [%], mw es el contenido de agua [%], mwa es la

adición de agua en kg por 100 kg de harina, cs es la capacidad calorífica específica de

sólidos [kJ/kg°C], cw es la capacidad calorífica específica del agua [kJ/kg°C], ΔT es el

aumento de la temperatura entre harina fría y harina preacondicionada [°C], Δhst es la

diferencia de entalpía entre el vapor y el condensado [kJ/kg], mst en [%].

1.1.2 Extrusión

El objetivo de la etapa de extrusión es dar cocción, textura y forma a las croquetas o

alimento extruido. Consiste en forzar a pasar una masa a presión que se comporta como

un fluido no newtoniano con flujo laminar a través de una resistencia. El equipo utilizado

es un extrusor de doble tornillo co-rotativo que realiza la transformación con la adición y

control de vapor, agua y en algunos casos color.

Figura 1-4 Diagrama de proceso de la etapa de extrusión. Fuente: Esta investigación.

1.1.2.1 Transformación de energía mecánica

La energía mecánica se transforma (disipa) en energía térmica cuando cuerpos se

mueven en presencia de fuerzas de roce que se oponen al movimiento continuo; por eso

sube la temperatura de la masa (Buhler-Usach, 2016). Como se observa en la figura 1-5,

Entradas

*Mezcla prehumidificada, precalentada y precocida

proveniente del proceso de preacondicionamiento.

Extrusión

* Cocción.

* Humidificación.

*Transporte y formado.

Salidas

*Croquetas con densidad, humedad requeridos hacia el

proceso de secado.


el movimiento de la rosca dentro del extrusor se asemeja a dos placas que se mueven en

movimiento contrario.

Figura 1-5 Disipación de la energía mecánica en un extrusor. Fuente: (Buhler-Usach, 2016)

La energía mecánica disipada aumenta la temperatura por los siguientes motivos:

Aumento de la velocidad

Disminución de la distancia entra ambas placas

Mayor viscosidad de la masa entremedia

La energía mecánica que esta disipada dentro una maquina rotativa, por ejemplo un

extrusor, es definida por la fuerza rotativa multiplicada con la velocidad rotativa del eje. La

energía mecánica específica (EME) se define por la energía mecánica disipada por cada

kilogramo de masa que pase por el proceso, la cual aumenta su temperatura. (Beltrán &

Marcilla, 2012). Como se presenta en la figura 1-6 el motor ejerce la fuerza necesaria

para mover los ejes de los tornillos y la carga alimentada al extrusor.

Figura 1-6 Esquema de Energía Mecánica Especifica en extrusor. Fuente: Esta investigación.

Motor

Eje extrusor

Tornillo



alimentos

Al subir la temperatura de la masa puede: aumenta la rotación de roscas, Incrementar el

torque (configuración de rosca, adición de grasa, etc.) o crecer la capacidad (mayor masa

pasando por el extrusor).

Para calcular la energía mecánica específica (EME) (Hu, Hsieh, & Huff, 2008) se

presenta la siguiente ecuación:

𝐸𝑀𝐸 =𝑛 ∗ 𝑃 ∗ 𝜏

𝑛𝑚𝑎𝑥 ∗ 𝑄 ∗ 100 (1.4)

EME en kWh/t, donde n es la velocidad de tornillo (RPM), P la potencia del motor del

tornillo (kW), 𝜏 el torque del tornillo (%),𝑛𝑚𝑎𝑥 la velocidad máxima del tornillo (RPM), y Q

el flujo másico total (kg/h).

1.1.2.2 Conducción y convección de calor

Algunos autores han trabajado los modelos tradicionales más relevantes como lo sugiere

la siguiente clasificación:

A. Modelos que permiten la descripción del flujo: (Tadmor, 1970), (Janssen, 1978),

(Tayeb, 1988).

B. Los aspectos energéticos del material y del extrusor: (Jepson, 1953), (Mohamed,

1990), (Van Zuilichem, 1990), (Della Valle G, 1993), (Tayeb J., 1988), (Chang K.

L. B., 1991).

C. El comportamiento reológico del material: (Fletcher S. I., 1985), (Vergnes B.,

1987), (Mohamed I.O., 1991).

El estudio de estos modelos presenta parámetros geométricos de los equipos y

condiciones de operación, se hacen aproximaciones para reducir su complejidad:

ecuaciones de balances de energía en estado estacionario, transmisiones mono-

dimensionales, cilindro isotérmico o suponer el extrusor como un conjunto de zonas

funcionales (Guy, 2001). La expresión general de la ecuación del balance de energía se

define como:


𝑄 ∗ 𝐶𝑝 ∗ 𝑑𝑇𝑚 = ℎ𝑚𝑐

∗ 𝐴 ∗ 𝑑𝑧(𝑇𝑐 − 𝑇𝑚) + 𝑑𝑞𝑐𝑖𝑧 (1.5)

Donde Q es el flujo másico total [kg/h], 𝐶𝑝 es el calor específico de la masa [J*kg−1 ∗

K−1], 𝑑𝑇𝑚 es el diferencial de temperatura de la masa [K], ℎ𝑚

𝑐 es la entalpia desde la

masa hacia el cilindro [J*kg−1 ∗ K−1], A es la circunferencia de la pared del cilindro [m], dz

es el incremento axial [m], 𝑑𝑞𝑐𝑖𝑧 es el diferencial de intercambio de calor de cizallamiento

[J/h].

Surge la necesidad de crear un modelo de elementos finitos que prediga la temperatura

en el interior del cilindro y los límites térmicos, por ende, la intención del uso del software

es realizar el cálculo del campo de temperaturas Tc en todos los puntos del cilindro.

Dicho método está basado en la resolución de la ecuación de transmisión de calor en

condiciones no estacionarias (Guy, 2001):

ρc ∗ CPC ∗∂TC

∂t= λc ∗ ∇TC + ∅ (1.6)

Donde ρc es la densidad del cilindro [kg*m−3], CPC es el calor especifico del cilindro

[J*kg−1 ∗ K−1], t es el tiempo [s], λc es la conductividad térmica del cilindro [W* m−1 ∗

K−1], ∇ es el operador Laplaciano y ∅ las tensiones térmicas [W].

El objetivo del modelo detallado es identificar las tensiones térmicas que afectan al

cilindro:

La entrada de energía desde el anillo del calentador: ∅calentamiento.

Pérdidas de energía al exterior: ∅pérdidas.

El término de la fuente de generación de energía por el cizallamiento del material:

∅material.

La energía absorbida por el enfriamiento del líquido: ∅enfriamiento.

El extrusor utilizado en esta investigación cuenta con un control de temperatura

independiente en los barriles 2, 4 y 5, dicha temperatura es controlada por la adición de

calor por medio de resistencias eléctricas y un sistema de refrigeración con agua

incorporado en los barriles como se muestra en la figura 1-7.



alimentos

Figura 1-7 Sistema de refrigeración con agua dentro del barril. Fuente: (Clextral, 2010)

El aumento de temperatura dentro del extrusor a causa de la energía mecánica

específica (EME) estará dado por:

𝛥𝑇 =100 ∗ 𝐸𝑀𝐸

((ms ∗ cs) + ((mw ∗ cwt) ∗ cw))∗

𝐶1

𝐶2

(1.7)

ΔT en °C, C1 corresponde a 1000 kg/ton y C2 a 3600 s/h.

La figura 1-8 presenta el comportamiento de la temperatura debido a la energía mecánica

específica (EME) y la temperatura mecánica específica para las etapas de

preacondicionamiento y extrusión a partir del tiempo que tarda el proceso de formación

de alimentos para mascotas expandidos.

Figura 1-8 Variación temperatura en preacondicionamiento y extrusión. Fuente: (Buhler-Usach, 2016).

Tiempo [s] 10 20 30 40 50

ETE, t = 70°C

EME, t = 55°C

Temperatura [°C]

100

200

Desgasificacion

t = 35°C

EME

t = 20°C

Expansión

t = 35°C

150°C

25°C

Precondicionamiento Extrusión


1.2 Características y especificaciones del almidón

El almidón es un polímero cuya estructura molecular se basa en la unión de moléculas de

glucosa que están unidas entre ellas mediante enlaces α-D-(1-4) y/o α-D-(1-6), que

forman sus dos macromoléculas principales: la Amilosa, polímero lineal con grado de

polimerización de 100 a 1000 unidades de glucosa y la Amilopectina, un polímero

ramificado con grado de polimerización de aproximadamente 40.000 unidades de

glucosa. El almidón es único entre los carbohidratos que ocurren en la naturaleza en

forma de gránulos constituidos por regiones amorfas y semicristalinas. Es reconocida la

gran importancia que tiene la organización física de estos gránulos en su funcionalidad y

por tanto en el comportamiento de los productos alimenticios con formulaciones ricas en

almidón (Pineda Gomez, Coral, Arciniegas, Rorales, & Rodriguez, 2010).

Figura 1-9 Estructura de a. Amilosa y b. Amilopectina. Fuente: (Acosta Osorio, 2013)

a.

b.

Muchos estudios reconocen el almidón, como componente predominante en los cereales,

juega un rol principal en la expansión, mientras que los otros ingredientes tales como

proteínas, azúcares, grasas, y fibras actúan como “diluyentes”, con efectos inversos.

(Guy, 2001).



alimentos

Como se observa en la figura 1-10, por su tamaño y complejidad, el gránulo de almidón

crudo no es digerible por el organismo humano o animal debido a su estructura

semicristalina, por lo cual se deben utilizar procesos calor y humedad para transformarlo.

Figura 1-10 a. Microscopia diferencial de barrido (x2500) de almidón SS. Fuente: (Acosta Osorio, 2013) b. Microscopia diferencial de barrido (x4730) de almidón de maíz. Fuente: (Buhler-Usach, 2016).

a.

b.

La gelatinización es quizá la transición más importante del almidón, donde los polímeros

de almidón sometidos a procesos de calentamiento, sufren cambios irreversibles que

provocan el hinchamiento y disrupción del gránulo con una consecuente pérdida de

cristalinidad. (Acosta Osorio, 2013). Si el proceso continua, se llega a la dextrinización

donde ocurre ruptura del almidón por acción del calor, que no es deseable en este caso

para el proceso de extrusión de alimentos por el requerimiento de humedad de la

mezcla.

Figura 1-11 Transición del almidón en el proceso de extrusión. (Buhler-Usach, 2016).


Para la transición se requiere un porcentaje de agua mayor al 30 % y una temperatura

entre 60 y 75°C, valor que depende de la fuente de origen del almidón. Durante el

proceso, las moléculas de almidón vibran rompiendo los puentes de hidrógeno

intermoleculares de las zonas amorfas de los gránulos, lo que provoca el hinchamiento

por una absorción progresiva e irreversible de agua que finalmente se liga a la estructura.

(Acosta Osorio, 2013).

Figura 1-12 Efectos del procesamiento mediante extrusión sobre la integridad y deformación de gránulos de almidón. Fuente: (Buhler-Usach, 2016).

1.3 Configuración de tornillos

Los extrusores de doble tornillo se dividen en co-rotatorios y contrarotatorios. Como sus

nombres indican, la diferencia se halla en si los dos tornillos giran en el mismo sentido o

en opuesto. Se clasifican también si los dos tornillos se entretejen uno con otro, se

describen como inter-engranados o no engranados. Para el caso de esta investigación

se utiliza un extrusor de doble tornillo que está compuesto por dos ensambles

atornillados, acoplados y co-rotatorios, montados sobre ejes estriados ubicados dentro de

un barril cerrado como se puede ver en la figura 1-13.



alimentos

Figura 1-13 Tipos de tornillos inter-engranados contrarotatorios y co-rotativos. Fuente: (Beltrán & Marcilla, 2012).

Debido a la amplia gama de diseños de tornillos y barriles, varios perfiles de tornillos y

funciones del proceso pueden ser adaptados teniendo en cuenta los requisitos de cada

proceso. Es así que los extrusores de doble tornillo pueden llevar a cabo los siguientes

procesos: transporte, compresión, mezcla, cocción, cizallamiento, calentamiento,

enfriamiento, bombeo, moldeo, etc. con altos niveles de flexibilidad. La principal ventaja

de los extrusores de doble tornillo reticulado y co-rotatorio es su notable capacidad de

mezcla, la cual confiere características excepcionales a los productos extrudidos y les

aporta un significativo valor a las unidades de procesamiento. Como se presenta en la

figura 1-14, esto se debe a la zona de acople se origina en el espacio entre los tornillos, y

a su vez, en el espacio entre el modulo y los tornillos, es allí donde se da lugar el

micromezclado.

Figura 1-14 Zonas de micromezcla en configuración de tornillos inter-engranados, co-rotativos. Fuente: (Clextral, 2010).


La estabilidad del proceso y la calidad del producto que se obtiene dependen en gran

medida del diseño de las secciones del tornillo. Los parametros más importantes en el

diseño son longitud (L), diametro (D), ángulo de filete (θ) y el paso de rosca (w) (Beltrán

& Marcilla, 2012) como se presenta en la figura 1-15.

Figura 1-15 Diseño típico de sección de tornillo. Fuente: (Beltrán & Marcilla, 2012)

Los tornillos del extrusor estan configurados con diferentes segmentos que varian sus

funciones en transporte, cizallamiento, mezcla y unión (Figura 1-16). Estos segmentos

reposan sobre un eje estriado que permite cambiar la configuración del tornillo

dependiendo el tipo de producto a procesar o las caracteristicas requeridas del mismo.

Figura 1-16 Funciones de secciones de tornillo según diseño. Fuente: (Clextral, 2010).

a. Transporte.

b. Cizallamiento.



alimentos

c. Mezcla.

d. Unión.

Proveniente del proceso de preacondicionamiento, la mezcla entra en contacto con el

tornillo en la zona de alimentación en donde uno de los tornillos ha sido modificado para

aumentar su capacidad volumétrica y de esta manera evitar atascamientos en el by-pass

de alimentación, luego el producto en la zona de transporte es llevado hasta la zona de

compresion, alli, el perfil cizallante de los tornillos que se encuentra en sentido contrario

al del flujo del producto generándole de esta manera una restricción haciendo que se

comprima y se comience a producir un tapon de material en donde se da el mayor aporte

a la cocción del producto.

El producto en el interior del barril se comporta como un fluido laminar, lo que ocasiona

que capas de producto sean transportadas a diferentes velocidades, teniendo que el

producto más cercano a las paredes de los barriles tieneden a tener velocidad o mientras

que las capas mas cercanas al tonillo llevan la mayor velocidad, esto produce que unas

capas de producto corten unas con otras y se genere mucha fricción entre ellas, para

lograr este corte entre las capas se requiere de energía mecánica que luego es

transformada en energía calórica gracias al efecto de fricción entre las capas del

material.


1.4 Contexto económico

Se prevé que el mercado mundial de extrusión de alimentos, por productos y equipos

alimentarios, crecerá en tasa anual compuesta de crecimiento (CAGR) de 4,26% y 2,41%

de 2017 a 2022, para alcanzar un valor proyectado en 2022 de USD 68,38 mil millones y

USD 7,11 mil millones, respectivamente. (Markets and Markets, 2017) .Esto se debe a la

creciente preferencia del consumidor hacia los alimentos extruidos, conduciendo a un

aumento en la demanda de equipos de extrusión. Además, se prevé que el rápido

crecimiento de la industria alimentaria procesada enfocada a los hogares urbanos,

impulsa las economías en desarrollo y asi a la demanda de productos alimenticios

extruidos.

Figura 1-17 Distribución del mercado de alimentos extruidos por tipo de compañía, designación y Región en el año 2016. Fuente: (Markets and Markets, 2017).

Respecto al tipo de extrusor, el mercado de extrusión de alimentos en el año 2016 está

liderado por el extrusor de doble tornillo, seguido por el extrusor de tornillo único

(Markets and Markets, 2017). Características como la facilidad de funcionalidad, bajo

costo de producción, mejor control de los parámetros del proceso, alto nivel de

flexibilidad del proceso y alto porcentaje de mezcla posicionan a la extrusión de doble

tornillo como la líder.



alimentos

La extrusión en caliente representó una mayor cuota de mercado en 2016 debido a la

alta eficiencia de transferencia de energía a la masa con altas temperaturas a corto

plazo. El segmento de snacks representó la mayor cuota de mercado en 2016, seguido

por los cereales listos para desayuno (Markets and Markets, 2017). La tecnología de

extrusión dio un impulso fenomenal a la industria de aperitivos aumentando la posibilidad

de nuevas formas y tamaños y texturas utilizando diversas materias primas.

Asia Pacífico representó la cuota de mercado más grande del mercado de la extrusión de

alimentos en 2016. Este mercado es impulsado por la creciente demanda de alimentos

procesados, tales como snacks extruidos en países en desarrollo como India, China,

Japón y Australia. La región europea representó la mayor cuota de mercado para el

mercado de equipos de extrusión de alimentos en 2016 (Markets and Markets, 2017).

Las innovaciones, las aplicaciones diversificadas y la multifuncionalidad de los equipos

de extrusión de alimentos impulsan el mercado en Europa.

Figura 1-18 CARG de alimentos extruidos por región para el año 2022. Fuente: (Markets and Markets, 2017).

El principal factor restrictivo para el mercado de la extrusión de alimentos es el precio y la

disponibilidad de las materias primas. Los cambios en las condiciones climáticas en todo

el mundo han reducido la producción de materias primas como la papa, el maíz y la

yuca. El aumento de los precios de las materias primas es una preocupación importante

para los fabricantes de alimentos extruidos.

Tamaño de mercado en 2022 (US$ Billones)

MERCADO DE EXTRUSIÓN DE ALIMENTOS POR REGIÓN, 2022

CA

GR

20

17

-20

22

(U

S$

Bil

lon

es

)

Asia

Europa

Norteamérica

Resto del mundo


Empresas como Bühler (Suiza), Baker Perkins (Reino Unido) y Coperion (Alemania) han

adquirido una posición de liderazgo en el mercado a través de la provisión de una amplia

cartera, atendiendo a las variadas necesidades del mercado, segmentos de

usuario. También se centran en la innovación y se diversifican geográficamente (Markets

and Markets, 2017).

El principal nicho de mercado es el de snacks extruidos, impulsado por los hábitos de los

consumidores, las estrategias de marketing de las empresas y los envases atractivos, la

estrategia de precios y las economías en desarrollo. Los principales actores del mercado

adoptan nuevos lanzamientos de productos y expansiones como su estrategia preferida

para sostener la competencia en el mercado (Markets and Markets, 2014). Los diferentes

ingredientes utilizados para fabricar snacks extruidos y una introducción de una amplia

gama de sabores ha impulsado aún más el mercado.

Figura 1-19 Tamaño del mercado de snacks por región en 2013 y proyectado para 2019. Fuente: (Markets and Markets, 2014).

*p: proyectado

El mercado de snacks extruidos se estima que llegará a alrededor de $ 31 mil millones en

2019. En 2013, Asia-Pacífico fue el mayor mercado de snacks extruidos y se estima que

crecerá en el CAGR más alto de 2014 a 2019. Se prevé que el mercado indio de crezca a

una CAGR de más del 12% de 2014 a 2019. Se estima que el mercado latinoamericano

es el segundo mercado de más rápido crecimiento (Markets and Markets, 2014).

Norteamérica

Europa

Asia

Latinoamérica

Resto del mundo

Total

Tam

añ

o d

e m

erc

ad

o (

US

$ M

illo

nes)



alimentos

1.5 Dinámica de Fluidos Computacionales (CFD)

La simulación a partir de Dinámica de Fluidos Computacionales o CFD por sus siglas en

ingles es una de las alternativas que ha tomado fuerza en los últimos años debido al

desarrollo de software cada vez más especializado con mejores resultados y mayor

versatilidad para la optimización de fenómenos de transporte.

Dentro de las ventajas tenemos:

Brinda la oportunidad de ahorro de tiempo y costos asociados a la

implementación de nuevos proyectos.

Desarrollar modelos con robustos cálculos.

Disminuir el porcentaje de error del modelo versus datos experimentales.

Para que el modelado se pueda desarrollar, las variables de los flujos de entrada de

mezcla seca, entrada de vapor y agua deben ser caracterizadas a escala laboratorio para

garantizar un punto de partida óptimo. Debido a la inestabilidad del proceso se deben

hacer simplificaciones para la puesta en marcha y evitar el uso de remallado por la

técnica de superposición de malla (Avalosse , 1996).

La modelación numérica hace parte importante del diseño de procesos en múltiples

sectores, los cuales cada vez se hacen más sofisticados y requieren de mejores

prácticas de diseño y construcción para ser óptimos una vez en su operación.

Hay múltiples aplicaciones del CFD a problemas de diseño en ingeniería con gran éxito

que sirven como base para sustentar su aplicación en desarrollos actuales y futuros, ya

que cada vez la capacidad computacional es más alta lo que permite llevar a cabo

desarrollos cada vez más complejos y detallados en mucho menor tiempo. En la figura 1-

20 se presentan dos casos, el primero es el modelamiento aerodinámico de los vehículos

de fórmula 1 que la década del 90 tomo fuerza dentro de las escuderías; el segundo es el

modelamiento de la transferencia en un intercambiador de tubos y coraza.


Figura 1-20 Ejemplo de aplicaciones de CFD. Izq.: Modelamiento aerodinámico de un vehículo de fórmula 1. Fuente: (Rodriguez, 2014). Der: Modelamiento de intercambiador de tubos y coraza. Fuente: (Schmitz, 2014).

1.5.1 Software CFD

En la actualidad existen un gran número de software CFD en el mercado, algunos son de

tipo libre y otro de tipo comercial, en gran medida se debe a las características y

requerimientos del usuario, ya sea para uso académico o industrial.

El software libre es constantemente actualizado y desarrollado por sus mismos usuarios,

lo cual hace que haya innovación constante y mejoras continuas por parte de una

comunidad mundial tratando temas relacionados con CFD. Las formas de mejorar las

características del software en términos técnicos y hacerlo adaptable a las necesidades

de cada simulación están a la mano de los usuarios. También debido a que gráficamente

este tipo de códigos es más ligero y aprovecha mejor la capacidad del equipo de

cómputo el tiempo de cálculo es menor al que se requeriría para la misma simulación en

software comercial. Existe una ventaja clara en cuanto a la compatibilidad, ya que este

tipo de software no tiene restricciones y esto hace que sean empleados varios tipos de

formatos para mallas y geometrías sin inconvenientes (Guevara M. , Diseño de un equipo

de recuperación de líquidos de gas natural empleando CFD, 2015).

Una desventaja notable es que las interfaces de usuario de este tipo de software no son

muy amigables lo cual hace que el Set-up (o configuración) de una simulación tome más



alimentos

tiempo del que llevaría utilizando la interfaz de usuario de un software comercial para

CFD. Además, el soporte técnico especializado puede ser escaso, y por lo tanto costoso

en países como Colombia, por lo cual el usuario debe ser un buen conocedor del

software y de la estructura numérica de la tecnología CFD (Guevara M. , Diseño de un

equipo de recuperación de líquidos de gas natural empleando CFD, 2015).

Dentro del software más comunes de tipo libre se encuentran:

OpenFoam

Code_Saturn

SU2

PyFR

FEniCS

Gerris Flow Flower

Palabos

Overture

Clawpack

El software comercial cuenta con una interfaz diseñada para ser fácilmente asimilada por

una persona que no requiere de profundos conocimientos en la dinámica de fluidos y su

estudio empleando volúmenes finitos para poner en marcha una simulación.

Adicionalmente el soporte es rápido y sólido, siempre y cuando se cubran los costos

asociados a estos servicios. En países como Colombia existen varias empresas

encargadas de dar soporte a este tipo de software representando una ventaja

considerable frente al software libre en cuanto a cobertura y soporte oportuno (Guevara

M. , Diseño de un equipo de recuperación de líquidos de gas natural empleando CFD,

2015).

La desventaja más grande que tiene este tipo es el alto costo de las licencias que deben

adquirirse para poder emplear la capacidad total de la máquina y el software como tal.

Por ejemplo, una licencia completa de Ansys está rondando los 70000 USD (año 2014).

Adicionalmente restringe las posibilidades de utilización de la capacidad de la máquina

cuando la licencia no es la más completa. Esto hace que utilizar varios procesadores en

paralelo o un clúster de varios equipos de cómputo para una simulación CFD sea

bastante costoso en términos de licencia y software. Sin embargo, en términos de horas


de ingeniería puede ser más efectivo el software comercial (Guevara M. , Diseño de un

equipo de recuperación de líquidos de gas natural empleando CFD, 2015).

Dentro del software más comunes de comercial se encuentran:

Ansys Fluent

Ansys CFX

Comsol

SolidWorks Flow Simulation

ADINA

FloVENT

Flow Vision

1.5.2 Metodología de modelamiento CFD

A continuación se describen en detalle cada una de las etapas de esta metodología y las

actividades propias de cada una de estas dentro del proceso de modelamiento

empleando simulaciones CFD.

Figura 1-21 Etapas y actividades de un modelamiento CFD. Fuente: esta investigación.



alimentos

La modelación empleando CFD está compuesta por tres etapas principales: pre-

procesamiento, procesamiento y pos-procesamiento.

Pre-Procesamiento: corresponde a toda la preparación de la simulación y el

modelamiento para que este sea llevado a un buen término, consisten principalmente de:

construcción de la geometría, definición del dominio, generación de la malla y set-up o

configuración de la simulación.

La construcción de la geometría consiste en la digitalización 3D del sistema que será

modelado. La definición del dominio es de gran importancia, ya que este consiste en

especificar cuál es el volumen de control del sistema que será simulado.

La generación de la malla corresponde a la discretización del dominio del sistema, esta

discretización se hace empleando volúmenes finitos que pueden ser tetraédricos,

hexaédricos o poliédricos de acuerdo a la geometría y los fenómenos que se involucran.

La malla generada debe ser probada y debe cumplir con ciertos criterios de calidad para

poder llegar a resultados físicamente posibles y precisos.

El set-up corresponde a la selección de los modelos matemáticos y parámetros a ser

utilizados para describir los fenómenos involucrados en la simulación del sistema. Luego

de esto la simulación esta lista para correr, poner el programa a correr corresponde a la

etapa llamada procesamiento.

Procesamiento: Tiempo de simulación requerido para que la etapa de pre-procesamiento

converge a los resultados.

Pos-procesamiento: consiste en la evaluación de los resultados obtenidos de la

simulación desarrollada.


1.5.3 Criterios de calidad de Malla

La calidad de la malla generalmente se revisa empleando ciertos criterios cuantitativos

para los elementos que la conforman. La mayoría de los criterios que son utilizados para

evaluar la calidad de las mallas se centran en la forma de los elementos que la

componen (ANSYS, 2016). La Figura 1-22 ilustra dos elementos de calidad diferente.

Figura 1-22 Ilustración de dos elementos tetraédricos de malla de diferente calidad, (a) elemento de mala calidad, (b) elemento de buena calidad. Fuente: (Guevara M. , Diseño de un equipo de recuperación de líquidos de gas natural empleando CFD, 2015) .

Existen varios criterios para determinar la calidad de la malla, pero dentro de los más

recomendados y utilizados en los principales proyectos de dinámica de fluidos

computacional (ANSYS, 2016) están:

Ortogonalidad: Es una comparación entre una celda del mallado con un elemento

volumen que corresponde a un cubo perfecto (un cubo con todas sus aristas iguales), el

cubo perfecto tiene una ortogonalidad con un valor de 1. Como criterio de calidad de una

malla que será empleada para una simulación CFD se toma el valor de la ortogonalidad

del elemento con la peor ortogonalidad de toda la malla, y se debe cumplir que esta no

sea menor a 1,0E-03. La simulación puede tener problemas de convergencia por la

presencia de un único elemento de mala calidad, por tal motivo este criterio se plantea

para el elemento de peor calidad de la malla (ANSYS, 2016).



alimentos

Skewness (o sesgo/asimetría), Este criterio de calidad de malla funciona de forma

inversa al anterior. Un mal elemento tiene un Skewness ratio (o relación de sesgo o

asimetría) cercano a 1, por lo tanto el criterio consiste en que el elemento con el mayor

Skewness ratio no debe superar el 0,98 (ANSYS, 2016).

Si los anteriores criterios se cumplen la malla se considera de buena calidad y no se

presentaran problemas de convergencia durante la simulación. Sin embargo, puede que

se tenga entonces una malla con demasiados elementos haciendo muy largo el tiempo

de cálculo, para lo cual existen diferentes estrategias de mallado como lo es la utilización

de elementos de diversas formas (hexaedros, tetraedros, poliedros), la selección de una

de estas formas dependerá también de los fenómenos a modelar (Fernández Oro, 2012).

2. METODOLOGÍA

La modelación CFD desarrollada tiene como propósito simular el proceso extrusión de

una mezcla de almidón no newtoniano común en la industria de alimentos, en un extrusor

de escala industrial en las instalaciones una compañía de producción masiva. La

simulación se desarrolló en ANSYS FLUEN® 16. La descripción detallada de la

simulación y su desarrollo es mostrada a continuación.

La complejidad del proceso a ser modelado hace necesario el enfoque de técnicas de

simulación avanzada: CFD (Versteeg & Malalasekera, 1995) (Guevara & Belalcazar, NGL

supersonic separator: modeling, improvement, and validation and adjustment of k-epsilon

RNG modified for swirl flow turbulence model, 2017). A continuación se presentan las

generalidades técnicas necesaria para comprensión del presente trabajo y el desarrollo

de trabajos posteriores que tomen este como base:

• Estado estacionario y operación estable.

• Sistema adiabático, considera el calentamiento de los tornillos. No se tiene en

cuenta calor de convección ni radiación con el entorno.

• Fluido incompresible no newtoniano utilizando los parámetros típicos para la

sangre humana.

• Modelo de Carreau para la viscosidad.

• La simetría de los tornillos es la real del equipo (no se simplifica).

• No se considera la rotación de los tornillos.

• Temperatura de pared propia de cada barril.

En este caso la naturaleza no newtoniana del fluido hace que su modelación resulte

compleja a la vez que interesante. Se presentan los resultados en estado estacionario

con una malla optimizada y estos son validados con datos experimentales de

temperatura en el equipo real a escala industrial.



alimentos

En especial cuando se trabaja con sistemas fluidos compresibles altamente turbulentos,

o con patrones de flujo circulares complejos como es este caso, CFD resulta ser un

enfoque bastante preciso y útil, siendo para el caso particular de la extrusión de fluidos

no newtoniano un reto técnico de la ingeniería (Guevara M. , Diseño de un equipo de

recuperación de líquidos de gas natural empleando CFD, 2015)

2.1 Geometría y dominio de la simulación

Como primer paso se encuentra el desarrollo de la geometría, esta es desarrollada con

base en el catálogo del equipo provisto por el fabricante (Ejemplo ver figura 2-1) y la

medición en sitio del equipo y las piezas de repuesto del mismo. Con base en esta

información se diseña la geometría en 3D como se observa en la figura 2-2.

Figura 2-1 Ilustración del Extrusor BC105_HAA equipo estudio de esta investigación. Fuente: (Clextral, 2010)

Metodología 35

Figura 2-2 Geometría 3D del extrusor de doble tornillo en: a. vista isométrica. b. vista planta. Fuente: Esta investigación.

a.

b.

En las simulaciones CFD comúnmente se tiene la geometría del equipo vacío, pero para

el desarrollo de la simulación es necesario tener el volumen interno del equipo, es decir

donde estará el fluido de trabajo, a este volumen interno útil del equipo se le llama

dominio de la simulación. Cuando el equipo a modelar es geométricamente complejo, se

hace el equipo tal como es y se recurre a una operación de tipo Booleano de extracción

de volumen interno, es sobre este último volumen que se realiza la malla (Versteeg &

Malalasekera, 1995), (Guevara, 2015), (ANSYS, 2016).

La Figura 2-3 ilustra el dominio para la geometría base. Para llevar a cabo este paso se

utilizó el software Design Modeler de Ansys, este se seleccionó debido a que facilita la

digitalización de los detalles propios de la geometría, usando la operación llenado (Fill)

que permite definir el espacio interno de una geometría para una pieza sólida. En este

caso este espacio corresponde al dominio de flujo que ocurre dentro del cañón del

extrusor, es decir, el espacio entre los tornillos y la superficie interna del barril.



alimentos

Figura 2-3 Dominio del extrusor de doble tornillo para la simulación CFD. Fuente: Esta investigación.

2.2 Malla y condiciones de frontera

La malla se desarrolla sobre la geometría descrita anteriormente, los parámetros

principales de la malla se resumen en la tabla 2-1.

Tabla 2-1 Propiedades de la malla modelada. Fuente: Esta investigación.

PROPIEDAD VALOR

Tamaño mínimo de elemento 5,00E-03

Tamaño máximo de elemento 2,00E-02

Cantidad de elementos 2’387.575

Tipo de elementos Tetraédricos

Calidad ortogonal de la malla 5,31E-02

La forma de evaluar la calidad de la malla consiste en revisar el elemento de peor calidad

en la malla, es decir el de menor calidad ortogonal, si este elemento tiene una calidad

ortogonal mayor a 1,0E-03 se puede considerar que la malla es de buena calidad.

(ANSYS, 2016).

Metodología 37

Una malla de buena calidad significa que sus elementos son de una forma adecuada

para llevar a cabo el cálculo numérico, debido a esto un único elemento de mala calidad

en la malla puede ocasionar que la simulación completa diverja o converja a valores

físicamente imprecisos.

La figura 2-4 muestra la malla desarrollada para la simulación del proceso, se puede ver

la malla superficial y como esta es refinada en los detalles del equipo para obtener

resultados de mayor precisión. En este caso la malla tetraédrica fue optimizada

cambiando los tetraedros por poliedros, que son elementos que permiten una malla de

mejor calidad y más rápida convergencia.

Figura 2-4 Malla optimizada- poliédrica del extrusor de doble tornillo para la simulación CFD. Fuente: Esta investigación.



alimentos

2.3 Fluidos y condiciones de proceso para la simulación

Las condiciones de la simulación relacionadas a las propiedades de los fluidos y las

condiciones de frontera (condiciones de operación) son las que corresponden a los datos

e información recolectada del equipo real y su operación, estas se muestran a

continuación:

Tabla 2-2 Propiedades de los fluidos y condiciones de proceso para el set-up de la simulación CFD. Fuente: Esta investigación.

PROPIEDAD/VARIABLE VALOR

Temperatura de entrada 20 °C

Presión de Salida* 0,00 Pa

Flujo de entrada 1,43 kg/s

Densidad** 450,00 kg/m3

Cp** 3,23 J/kg°C

Conductividad térmica** 0,024w/m°C

Viscosidad Carreau model

* CFD calcula manométricamente de atrás hacia adelante este valor corresponde a

presión real en el equipo de 101,325 kPa pero se debe ingresar al set up como 0,00 Pa.

** Valores para fluido no newtoniano. Parámetros típicos. (Siebert & Fodor, 2009).

Ya que el fluido de trabajo es una pasta con un comportamiento no newtoniano, se

emplea el modelo de Carreau para hallar la viscosidad aparente 𝑛𝑎𝑝𝑝, este se detalla a

continuación (Emin & Schuchmann, 2013), (Siebert & Fodor, 2009):

donde 𝑛0 es la viscosidad de cizallamiento cero, λ es el tiempo y n es el índice de ley de

potencia. La velocidad de corte aparente ϔ𝑎𝑝𝑝 ( 𝑠−1) es calculada por la ecuación 2.2.

𝑛𝑎𝑝𝑝 = 𝑛0 ∗ (1 + (𝜆 ∗ ϔ𝑎𝑝𝑝)2

)

𝑛−12

(2.1)

Metodología 39

donde Qv es el caudal volumétrico (𝑚𝑚3/𝑠), B es el ancho de la hendidura (𝑚𝑚), h es la

altura de la hendidura (𝑚𝑚).

El extrusor tiene un sistema de control de temperatura para cada barril, temperatura de

entrada y temperatura de salida como se observa en la Figura 2-5, donde monitorea y

corrige automáticamente con la adición de vapor y agua para tener estable la

temperatura de operación. Se tomaron los datos de estas temperaturas durante 8 días de

operación cada hora aproximadamente para un total de 114 series de datos, de estos

valores se halló el promedio para cada zona y se reportan en la tabla 2-3.

Figura 2-5 Ubicación de termopares en el equipo real para la medición de temperatura de entrada, temperatura en cada barril y temperatura de salida. Fuente: Esta investigación.

Tabla 2-3 Perfil de temperaturas experimentales, valores promedio del equipo real de acuerdo a Figura 2-5. Fuente: Esta investigación.

Zona Temperatura (°C) Temperatura (K)

Tin =T1 61,0 334,0

T2 61,5 334,5

T3 42,5 315,5

T4 73,0 346,0

T5 81,5 354,5

Tout 100,5 373,5

Volumen de control

Barril 1 Barril 2 Barril 3 Barril 4 Barril 5T1

Tin Tout

T2 T3 T4 T5

ϔ𝑎𝑝𝑝 =6𝑄𝑣

(𝐵 ∗ ℎ2) (2.2)



alimentos

2.4 Set up de simulación

Figura 2-6 Set Up en Ansys con parámetros para el modelo de Carreau-Fluido no newtoniano. Fuente: Esta investigación.

3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN

En esta sección se resumen los resultados obtenidos para la simulación CFD del proceso

y su validación frente a los datos experimentales tomados en el equipo.

3.1 Resultados de la simulación CFD

Con el fin de analizar el comportamiento del equipo en operación, se presentan las

gráficas tridimensionales generadas en el software después del procesamiento de datos.

Inicialmente se muestran las líneas de corriente del fluido con la escala de color en

términos de velocidades (m/s).

Figura 3-1 Vectores de velocidad de la mezcla no newtoniana. Vista frontal. Fuente: Esta investigación.

Velocidad



alimentos

A partir de los vectores de flujo en la figura 3-1, se observa el perfil de velocidad en

direcciones de flujo axial. Se forma material fundido a baja velocidad junto al tornillo

desde 0,000 hasta 0,232 m/s, este va aumentando hasta que se iguala a la tolerancia

radial entre el tornillo y la superficie del barril, como consecuencia de la geometría y

movimiento del tornillo se creará un gradiente de velocidad en el fluido con valores entre

0,465 y 0,697 m/s.

El polímero fundido será barrido por el borde del tornillo, este avanza separándose del

eje del tornillo y pasando a la siguiente sección. Allí se acumula, el tamaño del pozo

crece y se repite el proceso hacia la siguiente sección. Como se observa en la figura 3-2

las líneas de corriente tienen un perfil de velocidad variable debido a la geometría de los

tornillos. A mayor distancia entre los bordes axiales de la sección de tornillo más tiempo

le tomará al fluido pasar a la siguiente sección y su velocidad será menor, alrededor de

0,232 m/s.

Figura 3-2 Líneas de corriente en detalle. Vista de planta. Vista frontal. Fuente: Esta investigación.

Velocidad

Resultados y discusión 43

La configuración del tornillo afecta la velocidad del fluido. Como se observa en la figura 3-

3, secciones del tornillo con ángulos cercanos a 90° el material no avanza rápidamente,

allí ocurre un mejor mezclado. El fluido se acumula y compacta haciendo que la presión

aumente. El perfil tiene velocidades bajas en las secciones donde hay entrada de agua o

vapor de la mitad hacia el frente del tornillo.

Figura 3-3 Líneas de corriente: a. vista isométrica. b. vista planta. Fuente: Esta investigación.

a.

b.

Los contornos de velocidad a lo largo de las diferentes secciones del equipo en términos

de los cilindros se muestran en la Figura 3-4. Estos son importantes ya que permiten

analizar en detalle el patrón de flujo y el mapa de velocidad en cada sección del tornillo.

Velocidad



alimentos

Figura 3-4 Contornos de velocidad para cada sección de barril a lo largo del equipo. Fuente: Esta investigación.

En la figura 3-5 se presenta en resumen el perfil de velocidad a medida que se avanza

hacia adelante en el tornillo.

0,064 m 0,630 m

1,300 m 1,640 m

1,970 m 2,300 m

Velocidad


Figura 3-5 Perfil de velocidad a lo largo del equipo. Fuente: Esta investigación.

Nota: La alimentación del equipo corresponde a 0,0 y el final hacia 2,4m.

Ya que el equipo cuenta con un sistema de calentamiento a lo largo de los cilindros, se

debe revisar el comportamiento térmico en detalle en términos del fenómeno de

transferencia de calor. Con el fin de evaluar este comportamiento de vital importancia

para la operación es conveniente visualizar la temperatura a lo largo de las paredes de

los tornillos internos (figura 3-6).

Las líneas de corriente desde diferentes orientación es permiten ver como localmente las

temperaturas de comportan de forma progresiva en aumento, al entrar en contacto con

las paredes calientes de los cilindros como se observa en la figura 3-7.

Tanto las paredes internas de los barriles como el fluido tienen temperaturas variables. El

perfil va desde 292,7 K en la entrada de la mezcla en las primeras secciones de los

tornillos hasta 374,3 K en las últimas secciones de los tornillos donde se descarga el

producto.

Ve

loc

ida

d (

m*

s-1

)

Distancia Z (m)



alimentos

Figura 3-6 Mapa de temperaturas en la pared de los tornillos. Fuente: Esta investigación.

El calor necesario es suministrado por dos condiciones: la conducción desde la superficie

de las paredes del barril o la disipación viscosa debido al cizallamiento del material. La

primera varía por el control de temperatura del equipo que adiciona agua o vapor según

sea la desviación. Si esta contribución aumenta hace que el flujo de calor por conducción

también aumente y por tanto la velocidad de fusión aumenta.

La segunda contribución se debe a la geometría de las secciones del tornillo. Esto hace

que la temperatura aumente o disminuya debido a que la velocidad del fluido también

cambia. En lugares de retroceso se requiere de mayor transferencia de calor para

superar la sección. La fricción entre la superficie del tornillo y la mezcla hace que esta se

caliente. Por ende, la velocidad de giro del tornillo también afecta y se ve identificada en

la disminución de la carga de alimentación o en el aumento de presión y temperatura en

el cañón del extrusor.

Temperatura


Figura 3-7 Líneas de corriente vista isométrica temperatura como variable. Fuente: Esta investigación.

Es de gran importancia controlar la temperatura en el proceso para tener una densidad y

dureza requerida en los alimentos obtenidos. Con temperaturas entre 343 K y 353 K para

garantizar la gelatinización del almidón pues esto permite enriquecer el producto con

grasa y proteína. Con esta temperatura se elimina compuestos indeseables de la

disociación por la acción enzimática e inhibe la carga bacteriana y de hongos que puede

contener la mezcla de maíz o las otras materias primas.

Adicional mantener las temperaturas controladas garantiza ahorros energéticos debido a

que el consumo de agua, vapor y electricidad es menor. Además, el producto tendrá

características de calidad óptimas en contenido de humedad, grasa y fibra haciendo que

los desperdicios y reprocesos sean mínimos. También permiten que el desgaste de las

secciones de los tornillos y barriles sea conforme al de diseño del equipo y no haga que

el cambio de estas piezas genere un gasto. Por lo anterior, para la industria hace de este

proceso una excelente opción en vez de utilizar métodos tradicionales de cocción y

fraccionamiento tradicionales

Temperatura



alimentos

La presión es otra variable de importancia para la operación del equipo, en este caso el

software opera con la presión manométrica, asumiendo un presión de salida atmosférica

el comportamiento de la presión a lo largo de las líneas de corriente se puede visualizar

claramente (Figura 3-8).

Figura 3-8 Líneas de corriente vista lateral presión como variable. Fuente: Esta investigación.

El equipo tiene una caída de presión promedio de 1,4 kPa (0,2 psi). Sin embargo en la

situación real el perfil debería ser invertido, ya que la presión aumenta al final del equipo

por acción de la bandeja perforada y el tornillo (Clextral, 2010).

Presión


3.2 Validación de la simulación

La validación de la simulación se desarrolló con los datos de temperatura del equipo real

(valores promedio de cada sección). Para esta validación las temperaturas de la

simulación se promediaron en cada sección y este valor se comparó y correlaciono con

los promedios de los datos experimentales reportados para el equipo real como se

evidencia en la tabla 3-1.

Tabla 3-1 Error diferencial de los perfiles de temperatura teórico y experimental. Fuente: Esta investigación.

LONGITUD (m) T CFD (K) T EXP (K) ERROR ERROR (%)

0,01 301,34 293,00 0,03 2,85%

0,41 314,66 334,50 -0,06 -5,93%

0,81 316,96 315,50 0,00 0,46%

1,22 329,93 346,00 -0,05 -4,65%

1,62 342,16 354,50 -0,03 -3,48%

2,03 355,61 373,50 -0,05 -4,79%

Promedio -2,59%

Figura 3-9 Perfil de temperatura y correlación para validación de simulación: perfiles experimentales de temperatura y resultados de CFD. Fuente: Esta investigación.

273,00

293,00

313,00

333,00

353,00

373,00

393,00

- 0,50 1,00 1,50 2,00 2,50

Tem

pe

ratu

ra (

K)

Longitud tornillo (m)

T CFD (K) T EXP (K)



alimentos

Figura 3-10 Perfil de temperatura y correlación para la validación de la simulación: correlación entre los datos de temperatura experimental y los resultados de la simulación de CFD. Fuente: Esta investigación.

Se observa una correlación de 0,906 para el coeficiente R2. Adicionalmente el análisis

cuantitativo de los resultados permite evidenciar que el error porcentual de la simulación

es de -2,59%.

Los resultados presentados en este trabajo investigativo conducen a la evaluación del

proceso de extrusión de doble tornillo resaltando la validación de los datos

experimentales frente a los obtenidos en la simulación CFD, haciendo una serie de

suposiciones y simplificaciones por la complejidad propia del proceso. Es así, el

enriquecimiento para conocer el comportamiento del fluido no Newtoniano que muestra la

mezcla de almidón dentro del extrusor de doble tornillo, saliendo de los estándares

convencionales de caja negra dentro de este tipo de equipos, haciendo que su

comprensión sea mayor en términos de los perfiles de velocidad, temperatura y presión

como se evidenció en este capítulo, a lo anterior se suma la exactitud entre el modelo

planteado y los datos industriales que resultan satisfactorios y abren una serie de matices

de posibilidades de aplicación y apertura para utilizar estos métodos en la industria.


Adicional la aplicación de los resultados en la productividad del proceso trae beneficios y

mejoras en el proceso de extrusión como son:

Aumentar de la capacidad nominal del equipo en un 10%, para efectos prácticos

se tiene que el control de las temperaturas garantiza una mezcla homogénea

pues gracias a la combinación preacondicionador y extrusor disminuyen los

atascamientos en el bypass a la entrada de los tornillos, esto implica para este

caso una mejora de 600 kg/h de producto en proceso.

Garantizar una mejor calidad de producto terminado, controlar las temperaturas,

permite que la humedad pase de 7% en peso en la harina seca proveniente del

mezclado a 19% en las pastillas a la salida del extrusor en un tiempo no mayor a

60 segundos donde ocurre un choque térmico por la adición de vapor a alta

temperatura, de esta forma el recuento microbiológico de Coliformes totales es

menor a 10 ppm y negativo en presencia de Escherichia coli.

Las densidad de la pastilla es un parámetro fundamental en la producción de

alimentos extruidos, para este caso el alimento para mascotas está

estrechamente relacionado con la dureza y porosidad de las pastillas, es así que

la densidad debe permanecer entre valores de 380 a 420 g/L, esta condición se

logra con el control de temperatura a la salida del extrusor con valores cercanos a

355 K como se presenta en la figura 3-11.

Respecto al consumo de agua es fundamental verificar la sensibilidad que tiene la

cantidad de mezcla adicionada al extrusor respecto a la cantidad de agua

adicionada en la pareja preacondicionador – extrusor cuando se mantienen las

mismas temperaturas en las secciones del tornillo. Como se observa en la figura

3-12, se crean líneas de tendencia donde al incrementar la adición de agua no

varía la carga que se puede alimentar al extrusor, esto implica, perdida de recurso

hídrico y por ende, sobrecosto al proceso. Por ello se hayan mínimos de consumo

de agua para diferentes cargsa del extrusor, por ejemplo en la figura 3-12 se

puede concluir que para una carga de 5000 kg/h se debe adicionar 600kg/h de

agua para obtener la misma cantidad de producto y con las mismas

características, solo mantenimiento la temperatura de las secciones del extrusor.



alimentos

Figura 3-11 Variación de densidad de pastilla respecto a temperatura a la salida del extrusor. Fuente: Esta investigación.

Figura 3-12 Variación de carga respecto a cantidad de agua adicionada en preacondicionador y extrusor. Fuente: Esta investigación.

4. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

4.1 Conclusiones

Se evaluó el proceso de extrusión de doble tornillo a partir del modelamiento y simulación

en Dinámica de Fluidos Computacionales (CFD) para la obtención de alimentos,

reproduciendo los resultados de operación real a escala industrial, la validación de la

simulación desarrollada arrojó que el error promedio en la predicción de la temperatura

es de -2,59%, significando esto que la simulación subestima en un pequeño porcentaje

de 2,59% el valor de la temperatura.

El coeficiente de correlación de los datos de la simulación respecto a los valores

experimentales es mayor a 0,9 permitiendo evidenciar una muy buena representación del

fenómeno por parte de la simulación. Concluyendo que las consideraciones generales

para el modelo son adecuadas para replicar el fenómeno de transporte y transformación

dentro del proceso de extrusión. Así, el modelo de Carreau con parámetros modificados

utilizado para la viscosidad simula el comportamiento de una mezcla de almidón no

newtoniana para la obtención de alimentos.

La elaboración de la geometría 3D es de gran importancia para que el modelo haya

obtenido una desviación aceptable. Por ende, se sugiere hacer la geometría completa y

no hacer simplificaciones de corte como se hace comúnmente en simulaciones CFD.

Otro factor relevante es la calidad ortogonal de la malla optimizada que fue de 5,31E-02

superior al requerimiento mínimo de 1,00E-02, con este valor no fue necesario hacer

análisis de convergencia de malla.



alimentos

El proceso de extrusión es uno de las alternativas más importantes en la industria para la

transformación de alimentos. Esto debido a que permite integrar los procesos de mezcla,

cocción, expansión y fraccionamiento para la obtención de productos con alta calidad y

menor gasto energético, esto último si se controlan las temperaturas entre 343 K y 353 K

para garantizar la gelatinización del almidón, eliminar la carga microbiana y no permitir el

desgaste de las piezas del equipo.

Las variaciones en la temperatura dentro del proceso de extrusión se deben

principalmente a contribuciones por el intercambio de calor con las paredes de los

barriles, la viscosidad del fluido y la configuración de las secciones de los tornillos del

equipo.

El perfil de velocidad del fluido dentro del extrusor tiene un rango desde 0,000 hasta

0,930 m/s debido a la geometría del tornillo y la forma en que es impulsada entre ellas,

donde forma acumulación en las secciones con ángulo cercano a 90° el material no

avanza rápidamente, es allí donde ocurre un mejor mezclado. El fluido se acumula y

compacta haciendo que la presión aumente.

En el anexo A, se presenta un protocolo operacional cuyo objetivo es garantizar la

operación de extrusión y mejorar la transferencia de calor del proceso como resultado

del anterior trabajo investigativo.

La modelación de la Dinámica Computacional de Fluidos (CFD) demostró ser una

herramienta muy útil en términos de ahorro de tiempo y costos para el diseño,

mejoramiento y compresión de equipos de proceso e intensificación de procesos y por

tanto su uso podría extenderse a otros equipos o procesos presentes en la industria de

los alimentos.

Conclusiones y recomendaciones 55

4.2 Recomendaciones

Este trabajo de investigación presenta una etapa temprana en el modelamiento de

procesos complejos de la industria de alimentos como es el caso de extrusión, es así,

que el modelo planteado es un punto de partida para evaluar otras materias primas a los

cuales el mercado está migrando como la Soya, Yuca, Sorgo, Quinua, que con acelerada

consideración están reemplazando los commodities convencionales como la avena y el

maíz.

Se recomienda para futuros trabajos evaluar el modelo considerando la rotación de los

tornillos durante la simulación, podría ser transposiciones de ciertos ángulos, así sean

mínimos, con el objetivo de realizar un análisis de sensibilidad y un acercamiento aun

mayor a la realidad del proceso industrial.

Otro análisis de sensibilidad sugerido es el cambio del modelo Carreau para la

viscosidad, en búsqueda de identificar alternativas al momento de simular materiales no

newtonianos que representen las características según sea el caso de estudio, como el

caso de dureza o fraccionamiento del material.

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A. Anexo: Protocolo operacional del proceso de extrusión de doble tornillo

A continuación se presenta un protocolo operacional cuyo objetivo es garantizar la

operación de extrusión y mejorar la transferencia de calor del proceso como resultado

del anterior trabajo investigativo.

1. Pre arranque

Consiste en la preparación de los equipos antes de su arranque. El operario debe realizar

el siguiente procedimiento:

1.1. Encender el sistema de lubrificación. El tiempo de lubricación es de 600

segundos (10 min) y hasta que este tiempo termine el equipo no va a poder

operar.

1.2. Ajustar la temperatura de las camisas, comenzando siempre desde la zona 5

y terminando en la zona 1.

Zona Temperatura (°C) Temperatura (K)

Tin =T1 61,0 334,0

T2 61,5 334,5

T3 42,5 315,5

T4 73,0 346,0

T5 81,5 354,5

Tout 100,5 373,5

1.3. Revisar y encender el Chiller (sistema de refrigeración).

1.4. Inspeccionar las líneas de vapor. En el manómetro 1 se verifica que el vapor

se está alimentando desde la caldera y en el manómetro 2 se verifica que el

62 Evaluación del proceso de extrusión de doble tornillo a partir del

modelamiento y simulación en Dinámica de Fluidos Computacionales (CFD)

para la obtención de alimentos

vapor este cruzando y no haya obstrucción. Esto se evidencia por un aumento

en la presión.

1.5. A continuación se debe ir al tablero del extrusor, ingresar a la opción vapor del

acondicionador e ingresar el valor de 100 Kg/h en el cuadro consigna.

1.6. Se procede entonces a cerrar la válvula que estaba abierta y a abrir la

siguiente para continuar el destaponamiento. Se procede de esta manera

hasta que se hayan destapado las 5 entradas de vapor. Para asegurarse que

ninguna línea de vapor se encuentre tapada se debe verificar en el

manómetro del vapor del acondicionador que la presión no supere los 5 bares.

Lo contrario es evidencia de taponamiento en una o varias líneas de entrada

del vapor al acondicionador, por lo que se debe parar y comenzar una

inspección para encontrar el problema.

1.7. Ahora se debe apagar el vapor en el acondicionador y encenderlo para la

extrusor. El flujo de vapor que se introduce es de 50 Kg/h.

1.8. Encender el motor del tornillo con una velocidad de 50 rpm. Verificar en

la cámara vacía el movimiento de los tornillos.

1.9. Realizar inspección del agua del preacondicionador. En primer lugar se debe

asegurar que los tanques de agua del extrusor y del preacondicionador estén

llenos y que haya flujo de entrada.

1.10. Revisar el agua del extrusor. Se debe verificar que el agua este entrando al

extrusor. Para ello se desconecta la manguera que dirige el agua hacia el

extrusor.

2. Inicio de la operación

Anexos 63

2.1. Garantizar que el sistema de control de vapor este entre la presión de 6 a 10 bar,

verificando el manómetro de entrada de vapor y ajustando de ser necesario. Bajo

estas premisas, el mejor vapor es aquél que al contacto con la masa de alimento

condensa parcialmente, y el resto lo entrega como calor. Para ello es conveniente

utilizar un vapor a baja presión 1 a 1.5 Bar y con un tiempo de residencia de 90

segundos como mínimo. Calcule la entrada de vapor a partir de:

mst =(ΔT ∗ ms ∗ cs) + (ΔT ∗ ms ∗ cw)

Δhst (A1.1)

Donde ms es la fracción solida de la masa [%], mw es el contenido de agua [%],

mwa es la adición de agua en kg por 100 kg de harina, cs es la capacidad calorífica

específica de sólidos [kJ/kg°C], cw es la capacidad calorífica específica del agua

[kJ/kg°C], ΔT es el aumento de la temperatura entre harina fría y harina

preacondicionada [°C], Δhst es la diferencia de entalpía entre el vapor y el

condensado [kJ/kg], mst en [%].

2.2. Se procede entonces a encender, en el tablero del extrusor, el

preacondicionador con una velocidad de 150 rpm...

2.3. A continuación se enciende el KTRON programando una carga de 1500 Kg.

2.4. Cuando el pre acondicionador se ha llenado al 25% se procede a encender la

bomba del agua del pre acondicionador, programándola con 100 L de

agua/hora. Un aspecto importante a considerar es que un buen contacto entre

el vapor y las partículas se logra a una tasa de llenado entre 40 y 60 % y a

una velocidad de ejes entre 140 y 180 rpm.

2.5. En seguida se programa la entrada de vapor al preacondicionador en 150

Kg/h, con el cual se va a calentar el producto.

64 Evaluación del proceso de extrusión de doble tornillo a partir del

modelamiento y simulación en Dinámica de Fluidos Computacionales (CFD)

para la obtención de alimentos

2.6. Antes de cerrar el Bypass (con lo cual el producto va a comenzar a entrar al

extrusor) se debe ajustar la velocidad del tornillo en 300 rpm, de manera que

se pueda evitar que el producto se atasque por falta de velocidad cuando el

Bypass se cierre.

2.7. Cuando la temperatura del pre acondicionador llegue a 70°C el producto está

en condiciones para ser enviado al extrusor.

2.8. Cuando la velocidad del extrusor este ajustada y las cuchillas estén prendidas

y funcionando se cierra el Bypass, con lo que el producto comienza a llegar a

la extrusor.

2.9. A continuación se debe encender el vapor que se alimenta a la extrusor,

aproximadamente con un valor de 40 Kg/h (no se debe colocar más vapor

debido a que la carga es pequeña) con el fin de que la mezcla que entra no

atasque el extrusor.

2.10. Ajustar el agua que entra al extrusor en un valor de 100 L/h

(aproximadamente). Este valor también depende de la mezcla que se tenga al

momento de trabajar.

2.11. Se procede entonces a aumentar la carga de producto a 3500. Entonces se

deben ajustar los parámetros (cantidad de vapor, cantidad de agua, velocidad

de los tornillos) del pre acondicionador y el extrusor, acordes al nuevo valor de

la carga.

Para calcular la energía mecánica específica (EME) (Hu, Hsieh, & Huff, 2008) se

presenta la siguiente ecuación:

Anexos 65

𝐸𝑀𝐸 =𝑛 ∗ 𝑃 ∗ 𝜏

𝑛𝑚𝑎𝑥 ∗ 𝑄 ∗ 100 (A1.2)

EME en kWh/t, donde n es la velocidad de tornillo (RPM), P la potencia del motor del

tornillo (kW), 𝜏 el torque del tornillo (%),𝑛𝑚𝑎𝑥 la velocidad máxima del tornillo (RPM), y Q

el flujo másico total (kg/h).

evaluación del proceso de extrusión de doble tornillo a...

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