transporte de oxÍgeno a travÉs de una pelÍcula …

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i TRANSPORTE DE OXÍGENO A TRAVÉS DE UNA PELÍCULA POLIMÉRICA MULTICAPA CON AGENTES SECUESTRADORES MARÍA JOSÉ RIBÓN PERRY UNIV ERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA DEPA RTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA BOGOTÁ D.C 2009

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i

TRANSPORTE DE OXÍGENO A TRAVÉS DE UNA PELÍCULA POLIMÉRICA MULTICAPA CON AGENTES SECUESTRADORES

MARÍA JOSÉ RIBÓN PERRY

UNIV ERSIDAD DE LOS ANDES

FACULTAD DE INGENIERÍA

DEPA RTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA

BOGOTÁ D.C

2009

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TRANSPORTE DE OXÍGENO A TRAVÉS DE UNA PELÍCULA POLIMÉRICA MULTICAPA CON AGENTES SECUESTRADORES

MARÍA JOSÉ RIBÓN PERRY

Ingeniera Química

Ingeniera Mecánica

Proyecto de grado para optar por el título de M. Sc. Ingeniería Mecánica

Asesor: Gregorio Orlando Porras rey

Ingeniero Mecánico

Msc Ingeniería Mecánica

PhD Ingeniería de procesos

UNIV ERSIDAD DE LOS ANDES

FACULTAD DE INGENIERÍA

DEPA RTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA

BOGOTÁ D.C

2009

Page 3: TRANSPORTE DE OXÍGENO A TRAVÉS DE UNA PELÍCULA …

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TABLA DE CONTENIDO

1. RESUMEN...................................................................................................................... 1 2. INTRODUCCIÓN ........................................................................................................... 2

2.1. Justif icación ............................................................................................................. 2 2.2. Objetivos .................................................................................................................. 3

2.2.1. Objetivo general ............................................................................................... 3 2.2.2. Objetivos específ icos ....................................................................................... 3

3. MARCO TEÓRICO ........................................................................................................ 4 3.1. Modelo físico............................................................................................................ 4

3.1.1. Difusión............................................................................................................. 4 3.1.2. Cinética de reacción......................................................................................... 5 3.1.3. Equilibrio químico ............................................................................................. 6

3.2. Método Numérico .................................................................................................... 6 3.2.1. Generalidades de los métodos numéricos ...................................................... 6 3.2.2. Diferencias f initas ............................................................................................. 7

3.3. Optimización y diseño de experimentos ................................................................. 8 3.3.1. Metodología Taguchi........................................................................................ 9

4. RESULTADOS Y DISCUSIÓN .................................................................................... 10 4.1. El modelaje ............................................................................................................ 10

4.1.1. Suposiciones .................................................................................................. 10 4.1.2. Ecuaciones generales .................................................................................... 11 4.1.3. Incorporación del método numérico............................................................... 13 4.1.4. Caso particular ............................................................................................... 13

4.2. La simulación ......................................................................................................... 15 4.2.1. Convergencia del método .............................................................................. 15 4.2.2. Validación del Modelo .................................................................................... 16 4.2.3. Resultados y tendencias ................................................................................ 17

4.3. La optimización ...................................................................................................... 20 4.3.1. Escogencia de variables ................................................................................ 21 4.3.2. Resultados de la optimización ....................................................................... 22

5. CONCLUSIONES ........................................................................................................ 24 BIBLIOGRAFÍA .................................................................................................................... 25

Page 4: TRANSPORTE DE OXÍGENO A TRAVÉS DE UNA PELÍCULA …

iv

INDICE DE GRAFICOS

Figura 1: Reacción de Oxidación de la Quercetina. .................................................... 14

Figura 2: Análisis de convergencia ................................................................................. 15

Figura 3: Error variando el número de nodos ............................................................... 17

Figura 4: comportamiento de la concentración de oxígeno en una barrera pasiva y

una activa............................................................................................................................ 18

Figura 5: comportamiento del sulfito de calcio, el oxígeno y el sulfato de calcio a lo

largo del tiempo. ................................................................................................................ 18

Figura 6: Comportamiento de la concentración de oxígeno en una barrera activa.

.............................................................................................................................................. 19

Figura 7: comportamiento de las barreras de dos capas frente a diferentes

espesores............................................................................................................................ 20

Page 5: TRANSPORTE DE OXÍGENO A TRAVÉS DE UNA PELÍCULA …

v

INDICE DE TABLAS

Tabla 1: Arreglo ortogonal para diseñoTaguchi.............................................................. 9

Tabla 2: Condiciones iniciales ......................................................................................... 12

Tabla 3: Condiciones de frontera para diferentes casos............................................. 12

Tabla 4: Tiempo crítico para una barrera pasiva y activa ........................................... 17

Tabla 5: Tiempos críticos en barreras multicapas. ...................................................... 20

Tabla 6: Descripción de los factores y niveles para Taguchi ..................................... 22

Tabla 7: Arreglo ortogonal y resultado a simulaciones................................................ 22

Tabla 8: Tabla ANOVA ..................................................................................................... 22

Tabla 9: Promedios por nivel ........................................................................................... 23

Page 6: TRANSPORTE DE OXÍGENO A TRAVÉS DE UNA PELÍCULA …

1

1. RESUMEN

Los empaques deben contener y conservar en buen estado el producto almacenado, todo

ello a un bajo costo, un fácil procesamiento y preferiblemente con materiales amigables

con el medio ambiente. Por esto se busca desarrollar un material polimérico con el cual se

limite el paso del oxígeno por medio de la incorporación de un agente secuestrador que lo

atrapa.

El transporte de ox ígeno a través de una película está regido por fenómenos de

transferencia de masa, mientras que el proceso de capturar el oxígeno por medio del

agente, por fenómenos de cinética de reacción. Para modelar los fenómenos anter iores

se utilizó la segunda ley de Fick para transporte de masa por gradientes de concentración, y un modelo de reacción de primer orden proporcional a la concentración del oxígeno en

cada posición en películas multicapa. El fenómeno difusivo sólo aplica al oxígeno ya que

el agente secuestrador y los productos de reacción son inmóviles.

Para realizar la simulación se aplicó el método de las diferencias f initas implícito con

condiciones de frontera tipo Dirichlet dadas por la ley de Henry entre las películas o entre

las películas y el medio, según la posición y el caso multicapa que se desarrolle.

Finalmente, se desarrolla una herramienta computacional para diseñar películas

multicapas que optimizan parámetros como la disposición y espesor de las películas para

diversos casos.

Ejemplos particulares evidencian cómo este tipo de herramientas permiten estudiar

alternativas y de esta forma diseñar las películas polimér icas activas y pasivas que

aumentan el t iempo en alcanzar una concentración particular de oxígeno hasta dos

órdenes de magnitud.

Page 7: TRANSPORTE DE OXÍGENO A TRAVÉS DE UNA PELÍCULA …

2

2. INTRODUCCIÓN

2.1. Justificación Los plásticos, a diferencia de los metales y los vidrios, permiten la permeación de gases,

solventes y vapores. Actualmente los envases de algunos productos alimenticios,

farmacéuticos, industriales, entre otros, son películas poliméricas ordinarias y en algunos

casos multicapas. Dichos empaques poliméricos son adecuados por ser fácilmente

procesables y de bajo costo, sin embargo, son permeables a algunos solutos y gases

como el oxígeno del ambiente. El paso de oxígeno dentro de los empaques y el transporte

de compuestos como dióxido de carbono y vapor de agua generan pérdida de

propiedades y facilita la degradación de los productos empacados (Ahvenainen & Raija,

2003).

Es por lo anterior que se busca adicionar un agente químico que secuestre (atrape) el

soluto (oxígeno) impidiendo su paso por la barrera o envase, prolongando el t iempo en

que el producto almacenado llega a su concentración crítica de oxígeno, antes de perder

o cambiar sus propiedades. Vale la pena resaltar que por medio de este producto se

puede prolongar la vida de lo contenido en el empaque y, que a la vez, se trata de un

producto que podría ser reciclable y de bajos costos de producción frente a otras

alternativas.

Para modelar el paso del soluto a través de la película polimérica debe considerarse

principalmente dos fenómenos: la transferencia del oxígeno (soluto) a lo largo de la película polimérica (difusión) y la reacción entre el agente secuestrador y el soluto que

impide el paso de este último (Solovyov et al., 2005a).

Las ecuaciones resultantes de los modelos a plantear son ecuaciones diferenciales

parciales, muchas veces sin solución analítica o de complejidad limitada, por lo cual se

implementó la solución numérica, específ icamente las diferencias f initas (Solovyov et al.,

2005a). Así se pudo estudiar los fenómenos implicados en estado transitorio y diseñar

películas poliméricas según los requerimientos específ icos de la aplicación.

Page 8: TRANSPORTE DE OXÍGENO A TRAVÉS DE UNA PELÍCULA …

3

2.2. Objetivos 2.2.1.Objetivo general

- Modelar el proceso de transferencia de un soluto a lo largo de una película

polimér ica con agentes secuestradores.

2.2.2.Objetivos específicos

- Evaluar el t iempo necesario para alcanzar un t iempo crítico de almacenamiento de

un producto en un envase con agentes secuestradores.

- Comparar un envase con barrera pasiva (sin agentes), frente un envase activo

(con agentes).

- Determinar los parámetros y configuraciones críticos en un envase con barrera

activa.

Page 9: TRANSPORTE DE OXÍGENO A TRAVÉS DE UNA PELÍCULA …

4

( )2),( txCDJ AAA ∇−=

3. MARCO TEÓRICO

3.1. Modelo físico Para modelar cualquier fenómeno es necesario partir de los principios de conservación

generales que involucran variables extensivas, a ecuaciones diferenciales parciales que

caracterizan completamente el fenómeno estudiado y que involucran principios

constitutivos.

Los principios de conservación se dividen en tres: conservación de masa, de energía y de

momento. Para el caso estudiado se parte de la conservación de masa que se ve a

continuación.

( )10),(=

dttxdM

Donde M es la masa y t el tiempo. Debe tenerse en cuenta que dicha ecuación, al tener

una reacción química, es válida para balances sobre los elementos más no

necesariamente sobre las especies.

Partiendo de los principios de conservación, se debe establecer los principios

consecutivos que caractericen totalmente el fenómeno deseado. Para el caso del

transporte de oxígeno por barreras multicapas se va a utilizar los principios descritos a

continuación (Toro, 2009).

3.1.1. Difusión El transporte de ox ígeno a través de un empaque f lexible polimérico, como lo es una bolsa de leche, permite el paso de pequeñas partículas gaseosas como el oxígeno

hasta el producto almacenado. Lo anterior corresponde a la transferencia de masa y

ocurre por gradientes de concentración y la permeabilidad al oxígeno del empaque.

Lo anterior está modelado por la primera ley de Fick y se conoce como difusión (en

un sistema isobárico e isotérmico), como se ve en la ecuación 2 donde J

corresponde al f lujo molar de una especie A, D su difusividad, C su concentración y

el operador gradiente. (Welty et al., 2004)

Page 10: TRANSPORTE DE OXÍGENO A TRAVÉS DE UNA PELÍCULA …

5

( )3),(2 txCDdt

dCAA

A ∇=

( )4EaeB

abAóeEbBaA

kk

→+→+

( )5AA kCr =−

Al realizar un balance de materia diferencial sobre un componente, por ejemplo el

oxígeno (A), en un sólido o f luido estacionario sin reacción tal como ocurre en una

película polimérica pasiva, se llega a la segunda ley de Fick, Ecuación 3.

La difusividad se asume constante, independiente de la concentración.

3.1.2. Cinética de reacción

Al diseñar empaques para proteger el producto almacenado, se busca limitar el

fenómeno anterior. Esto se logra por medio de la escogencia del material del

empaque, por ejemplo el aluminio no es permeable al oxígeno. Con la adición de un

agente secuestrador a la película polimérica se limita el paso de oxígeno por medio

de una reacción química en la medida que pasa por la película.

La cinética (rapidez) de una reacción debe determinarse experimentalmente; sin

embargo se clasif ican según su dependencia de las concentraciones (primer orden,

segundo orden). El caso estudiado aquí, corresponde a una reacción de primer

orden que involucra tres especies: el agente secuestrador, el oxígeno y el producto de reacción (Ecuación 4 y 5).

De la ecuación anter ior se evidencia que la velocidad de reacción de un componente

A (rA) depende de una constante cinética (k) y la concentración de dicho

componente, a,b y c corresponde a los coeficientes estequiométricos de los

componentes de la reacción. Como convención se va a asumir que rA corresponde a

generación de A, mientras que - rA corresponde a su desaparición (Fogler, 2001).

Page 11: TRANSPORTE DE OXÍGENO A TRAVÉS DE UNA PELÍCULA …

6

( )6er

br

ar EBA =

−=

Por último, para realizar los balances de masa respecto a un solo componente, se

utiliza las velocidades de reacción relativas relacionadas mediante la Ecuación 6.

Por medio de la ecuación anterior es posible establecer los balances de los

diferentes componentes en términos de una única variable o velocidad de reacción

de uno de los componentes.

3.1.3. Equilibrio químico Con los dos modelos anteriores se explica lo que ocurre en el interior de la película.

Sin embargo, hace falta establecer las leyes que rigen la interfase entre las películas

polimér icas y/o las condiciones externas al empaque.

En la interfase existe un equilibrio que permite establecer una condición de frontera

entre las fases involucradas. Para casos en los que se considera que se tiene una

solución diluida, se puede considerar la ley de Henry dada por la Ecuación 7.

En donde p corresponde a la presión parcial del componente A y H es la constante

de Henry.

Considerando la ley de Henry, es correcto asumir que entre las dos fases las

presiones parciales son constantes (iguales); de esta forma conociendo la

concentración de soluto en una de las fases es posible determinar la concentración

en la otra (Welty et al., 2004).

3.2. Método Numérico

3.2.1. Generalidades de los métodos numéricos

Los métodos numéricos son aproximaciones discretas a operadores continuos, por

medio de los cuales se puede implementar un enmallado y algoritmo que permite

resolver ecuaciones diferenciales complejas e incluso sin solución analít ica.

( )7),(int),(int terfaseHCterfasep AA =

Page 12: TRANSPORTE DE OXÍGENO A TRAVÉS DE UNA PELÍCULA …

7

Entre algunas características importantes de los métodos numéricos esta: los

resultados son siempre numéricos y no funciones como ocurre con la solución

analítica, el resultado numérico es una aproximación y presenta un error, el error se

puede disminuir tanto como se quiera pero esto requiere refinar la discretización lo

que implica que aumenta el número de cálculos requeridos, otra característica es

que los métodos numéricos permiten la solución de ecuaciones y fronteras

complicadas. (Gerald Curtis, 2000)

Para el caso de estudio, es importante evaluar la convergencia de del método

implementado, en donde se estudia la aproximación (al aumentar el número de

nodos) de un punto de la función a un valor dado. Con lo anterior, es posible establecer un tamaño de celda o malla que permite obtener una buena

aproximación con un error pequeño, sin necesidad de una discretización muy f ina

que implique una carga computacional alta.

3.2.2. Diferencias finitas

Diferencias f initas es un método discreto de solucionar ecuaciones diferenciales.

Para el caso de estudio se analiza dos variables el tiempo (t) y la distancia (x). En

donde la primera variable se analiza en el dominio de 0 ≤ t ≤ tcrítico (tcrítico corresponde

al tiempo en el que el producto almacenado cambia sus propiedades o se afecta por

el oxígeno) y la segunda variable se analiza en el dominio 0 ≤ x ≤ L (L corresponde

al espesor máximo de la película). Lo primero que debe hacerse es diferenciar las

variables por medio de una malla de puntos igualmente espaciados (∆t para el

tiempo y ∆x para la distancia).

La base de los elementos f initos es la aproximación de las derivadas por medio de

series de Taylor truncadas como se ve a continuación, donde la primera derivada se

va a plantear para el t iempo y está dado por diferencias progresivas y la segunda derivada se va a plantear para la distancia (Engelberger,2009).

( )8)()()(1

xxfxfxf

dxd jj

∆−

=+

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8

( )9)()(2)()( 211

2

2

xxfxfxfxf

dxd nnn

∆+−

= −+

Las aproximaciones anteriores se aplican a la ecuación diferencial y a las

ecuaciones de frontera, con lo que queda totalmente discreto el sistema y se puede

solucionar con ayuda computacional sin problema.

El modelo es solucionado por diferencias f initas implícitas ya que de esta forma las

ecuaciones del modelo son inherentemente estables independiente del tamaño del

espaciamiento del tiempo.

3.3. Optimización y diseño de experimentos Para llegar a un resultado ideal luego de modelar y simular un fenómeno, es necesario

establecer las características y propiedades que logran el mejor resultado posible. Para lo

anterior debe establecerse un diseño de experimentos con el cual definir a partir de unos

pocos experimentos y/o simulaciones, la disposición que permite optimizar los resultados.

Todo diseño de experimentos debe: Definir la f inalidad de lo estudiado, identif icar las

variables, definir niveles de las variables (posibles configuraciones o valores que puede

tomar), seleccionar un tipo de diseño de experimentos (en este caso se va a utilizar

Taguchi), realizar la experimentación o simulaciones y analizar los datos.

Un diseño de experimentos factorial es aquel que existe varias variables con diversos

niveles, por lo que su interacción involucra la experimentación de las diferentes

combinaciones (Yang Kai et al, 2008).

Parte del análisis de datos, involucra el ANOVA (Analisys of variance), con el cual se

puede: descomponer la variación de los datos experimentales de acuerdo a sus fuentes,

cuantif icar la cantidad de variación debido a cada fuente e identif icar las variables que

producen una varianza signif icativa en los experimentos (Yang Kai et al, 2008). Para el

análisis ANOVA debe calcularse la suma de cuadrados (SS), los grados de libertad, las

medias cuadradas (MS) y el test F (si es mayor a 2 la variable es signif icativa (Reyes,

2009)).

Page 14: TRANSPORTE DE OXÍGENO A TRAVÉS DE UNA PELÍCULA …

9

3.3.1. Metodología Taguchi

La metodología Taguchi es un tipo de diseño de experimentos que permite el diseño

robusto de productos, basado en la incorporación de matrices ortogonales que

definen los experimentos que se deben llevar a cabo (no requiere la totalidad de las

combinatorias). Para el caso de estudio se utilizó el siguiente arreglo.

Tabla 1: Arreglo ortogonal para diseñoTaguchi

1 1 1

1 2 2 2 1 1

2 2 1

Al tener definidos las configuraciones que deben hacerse, se lleva a cabo la

experimentación y/o simulación. De los resultados se lleva a cabo el análisis

ANOVA y se evalúa la signif icancia de las variables. Una vez se tiene las variables

signif icativas se calcula los promedios por nivel y por variables con lo que se define

la configuración que permite los máximos o mínimos, según aplique. (Yang Kai,

2008)

Page 15: TRANSPORTE DE OXÍGENO A TRAVÉS DE UNA PELÍCULA …

10

4. RESULTADOS Y DISCUSIÓN

4.1. El modelaje

4.1.1. Suposiciones

El modelo planteado es una ecuación diferencial parabólica con condiciones de

frontera tipo Dirichlet, que se solucionó por medio del método implícito de

diferencias f initas. Para programar el método y simular el modelo se utilizó Matlab

7.0.

Se modela y simula una película polimérica multicapa, variando el espesor y

posición de la(s) película (s) activa(s) o pasiva(s). Lo anterior con el f in de evaluar el

paso del oxígeno en función de la película y la posición dentro de su espesor. El

tiempo máximo o t iempo límite de la simulación corresponde al tiempo en el que el

alimento alcanza la concentración critica de oxígeno, a partir de la cual comienza a

degradarse o a perder propiedades. Dentro de las suposiciones al modelo están las

siguientes:

- El agente secuestrador está constituido por pequeñas partículas que se incorporan

uniformemente a una matriz polimérica; su concentración inicial es constante a lo

largo de toda la matriz.

- La barrera se activa en el tiempo inicial, y su concentración de oxígeno en dicho

momento es nula.

- La cara exterior de la barrera está expuesta al aire lo que implica que la presión

parcial es 0.21 Patm. Mientras que la cara interior inicialmente no está expuesta al

oxígeno con una presión parcial nula.

- La constante cinética de reacción (k), el coeficiente de difusión (D) y los coeficientes

de solubilidad son propiedades constantes inherentes a las sustancias elegidas que

no dependen ni de la posición ni del tiempo, ni de las condiciones exteriores

(temperatura y presión).

- La ley de Henry es aplicable en las interfases de todo el modelo.

Page 16: TRANSPORTE DE OXÍGENO A TRAVÉS DE UNA PELÍCULA …

11

( )10),(),(),(),(),( 22 txkCtxCDtxrtxCDdt

txdCAAAAAA

A −∇=+∇=

( )

( )12),(),(

11),(),(

txkCrdt

txdC

txkCrdt

txdC

EEE

BBB

==

−==

- El agente secuestrador y los productos de reacción son inmóviles, no hay difusión

de esta sustancia.

- La reacción que se lleva a cabo es irreversible y de primer orden dependiente de la

concentración del oxígeno.

4.1.2. Ecuaciones generales

Se lleva a cabo los balances de masa sobre un volumen de control diferencial

dentro de la matriz polimérica. El balance de masa para el componente A en una

barrera pasiva corresponde a la Ecuación 3, mientras que la Ecuación 10 modela el

balance de masa para una barrera activa.

Ya que en una barrera pasiva no existe reacción no se tiene ni productos, ni agente,

por lo cual en este t ipo de barreras no se lleva a cabo el balance para dichos

componentes. Sin embargo, para una barrera activa el balance de masa está dado

por las Ecuaciones 11 y 12 para el componente B (agente secuestrador), y el E

(productos de reacción) respectivamente.

Nótese que en las ecuaciones anteriores no t ienen en cuenta los términos de

difusión de masa, a diferencia de la Ecuación 10, ya que B y E se asumen como

inmóviles, dado que la molécula del agente como la de los productos son mucho

más grandes que la de ox ígeno y comparativamente la difusión es nula. A la vez

por medio de la Ecuación 6, es posible relacionar las ecuaciones anteriores con la

concentración de soluto; por lo tanto la concentración de B y E en cada instante y

posición unidimensional está dado por:

Page 17: TRANSPORTE DE OXÍGENO A TRAVÉS DE UNA PELÍCULA …

12

Debe tenerse en cuenta que la Ecuaciones 10, 11 y 12 son válidas en la medida

que no se haya consumido totalmente el agente secuestrador. Una vez el agente se

haya consumido, la barrera pasa a ser pasiva y en el modelo la constante cinética

pasa a ser nula.

Las condiciones iniciales y de frontera se presentan en la Tabla 2 y 3. Las

condiciones de la Tabla 2 son constantes independiente del caso estudiado, la

Tabla 3 muestra las condiciones de frontera para tres casos: una película pasiva (P), una activa (R) y una película compuesta de una capa pasiva de espesor L1 y una

capa activa de espesor L2 (RP).

Tabla 2: Condiciones iniciales

Cond. Inicial Pin(atm) 0 Pout(atm) 0.21

CA (x,t=0)(%v/v) 0 CB (x,t=0)

(%v/v) CBO CE (x,t=0)

(%v/v) 0

Tabla 3: Condiciones de frontera para diferentes casos

Casos

R P RP

L2 0 0 L2

CA(x=0,t)= Pout* S1 Pout * S1 Pout * S1

CA(x=L1,t)= Sin*CA(x=L1,t) / S1 = Cin(t) Sin*CA(x=L1,t) / S1 = Cin(t) S2*CA(x=L1,t) / S1 = C2(t)

Cin(t)= N/A N/A Sin*CA(x=L1+L2,t)/S2

A-Soluto B-Agente E- Productos

R- Película activa, P-Película Pasiva

( )

( )14),()0,(),(

13),()0,(),(

txkCaexCtxC

txkCabxCtxC

EEE

ABB

+=

−=

Page 18: TRANSPORTE DE OXÍGENO A TRAVÉS DE UNA PELÍCULA …

13

( )152

2

11

111

1j

nA

jnA

jnA

jnA

A

jnA

jnA kC

x

CCCD

tCC

−∆

+−=

− +−

+++

+

4.1.3. Incorporación del método numérico

Se implementó, el método implícito de diferencias f initas unidimensional descrito en

la sección 3.2.2. Las condiciones iniciales y de frontera se tratan de constantes

(condiciones tipo Dirichlet), estas resultan idénticas al agregar el método de solución

numérico a la Tabla 1 y 2 ya presentadas. Al incorporar el método a la Ecuación 10,

se obtiene la Ecuación 15 como se ve a continuación.

.

El superíndice j hace referencia al nodo del t iempo y el subíndice n al nodo.

4.1.4. Caso particular

Actualmente existen varios tipos de agentes secuestradores comerciales, basados

en diferentes reactivos como por ejemplo hierro, acido ascórbico, encimas, entre

otros. Uno de los agentes usados actualmente para retirar el ox ígeno en el interior

de empaques sellados es el ATCO(R) LH-100 de la industria francesa Stada

Industrie, con hierro como reactivo. La reacción presente por medio de dicho agente

se encuentra En la Ecuación 16 (Ahvenainen & Raija, 2003).

La cinética de reacción para el ATCO es de primer orden proporcional a la

concentración de oxígeno y su constante de reacción de 0.0000325 s-1 a 20°C

(Florence et al., 2004).

Otro agente secuestrador es la Quercetina que es un colorante, antioxidante, no

tóxico. La reacción se presenta en la Figura 1 (Kubo et al., 2004).

( ) ( )16)(424 3222 OHFeOHOOHFe →++

Page 19: TRANSPORTE DE OXÍGENO A TRAVÉS DE UNA PELÍCULA …

14

( )1722 4232

CaSOOCaSO Fe⎯⎯ →⎯++

La reacción anterior catalizada por Cu+2 en una proporción 1:5 de catalizador a

quercetina, tiene una constante cinética de reacción (primer orden) de 0.00088 s-1

(Rossiter et al., 2000).

La constante de reacción para el agente ATCO y quercetina, son muy bajas y no generan un cambio signif icativo en el comportamiento de la película frente a una

película pasiva en especial en películas de polímeros que no son de barrera ya que

predomina el fenómeno difusivo, pueden ser usado para consumir el ox ígeno en la

cabeza de los empaques. El sulf ito de calcio para el caso de estudio es ideal como

agente secuestrador y Fe+2 como catalizador, reactivos con los cuales en presencia

de oxígeno produce sulfato de calcio con una constante de reacción de 0.548 s-1. El

sulf ito de calcio es un compuesto usado como conservante de alimentos y su

producto de reacción se utiliza como desecante y coagulante. La reacción se

evidencia a continuación (Karatza et al., 2008). Se va a tomar una concentración

inicial de agente de 6% v/v en la película.

El caso de estudio toma 900 ml de leche en una bolsa de 0.29 m x 0.225 cm. Se

asume una presión atmosférica de 1 atm, por lo que en el exterior de la bolsa se

tiene una presión parcial de 0.21 atm de ox ígeno, proporcional a la fracción de

oxígeno en el aire. Inicialmente la leche almacenada tiene una concentración de 0.4

ppm (3.6 x 10-10 m3 en los 900 ml de leche) (Rerkrai et al., 1987); la concentración

de oxígeno en el interior del empaque es tan baja que se puede asumir que la

presión parcial del ox ígeno es cero. Como límite se tiene que la leche almacenada

debe tener una concentración del 3% en volumen (2.7 x 10-5 m3 de oxigeno)

(Schaffer et al., 2003) antes de presentar un mal sabor. A condiciones normales la

Figura 1: Reacción de Oxidación de la Q ti

Page 20: TRANSPORTE DE OXÍGENO A TRAVÉS DE UNA PELÍCULA …

15

leche presenta aproximadamente 0.5 %v/v de oxígeno en equilibrio (Alais & Lacasa,

2008), por lo que se asume que su constante de Henry es de 4.256x106 Pa*m3leche/

m3oxigeno. Se utilizó una única matriz polimérica de polietileno de baja densidad cuya

difusividad a 25°C es de 4.6 x10-7 cm2/s (Shli�a�pnikov et al., 1996), y su permeabilidad es de 2.72x10-16 g/msPa (Osw ald et al., 2006), por lo que su

constante de Henry es de 2.409x106 Pa*m3leche/ m3

oxigeno. En general las películas

para empaques f lexibles tienen alrededor de 0.00007 m de espesor, para los

diferentes casos se va a tomar este valor como espesor total.

4.2. La simulación

4.2.1. Convergencia del método

Siendo el nodo 1 el nodo en contacto con el producto almacenado y m el nodo en

contacto con el exterior, si se asume un delta de tiempo de 0.1 segundos y los

nodos m/4, m/2 y 3m/4, se obtiene los siguientes resultados en una barrera reactiva.

A partir de la Figura 2 se evidencia como al aumentar el número de nodos el valor

de las concentraciones converge a un valor y a la vez el error del método disminuye. Para la solución de los casos de estudio que se presentan más adelante, se utiliza

Figura 2: Análisis de convergencia

Page 21: TRANSPORTE DE OXÍGENO A TRAVÉS DE UNA PELÍCULA …

16

un delta de t iempo de 0.1 s y 100 nodos para la distancia, ya que entre los datos

estudiados entre 100 y 120 nodos existe una diferencia menor al 0.8% lo cual no

representa una diferencia muy grande, mientras que si representa un costo

computacional signif icativo.

4.2.2. Validación del Modelo

Para evaluar la validez del modelo planteado en los numerales anteriores frente a

resultados experimentales documentados, se va a asumir una barrera de EVOH de

única capa. El EVOH es un polímero de barrera, ideal para evitar el paso del

oxígeno en la barrera por su baja permeabilidad a dicho soluto (0.2 cm3-

mil/100in2/24h/atm que equivale a 9.02 m3m/m2sPa (Osw ald et al., 2006)). Además,

su difusividad es de aproximadamente 8.3x10-12 m2/s (Kucukpinar & Doruker, 2004),

con lo que se otiene una constante de Henry de 8.86x108 Pa*m3leche/ m3

oxigeno.

Con los datos anteriores se puede calcular la tasa de transmisión de oxígeno (TTO)

equivalente al f lujo molar de ox ígeno descrito en la fórmula 2, para compararlo con

el valor experimental que corresponde a un rango de entre 0.016 y 0.031(cc / m2-

día) @ 25C & 0%RH). (Matw eb,2009)

Al llevar a cabo los calculos computacionales con los datos anteriores y un espesor

de pared de 1 mm, se obtiene una tasa de transmisión de ox ígeno de 0.0171

cc/m2/24 hr, valor que encaja en el rango experimental y valida el modelo.

Para una barrera de EVOH pasiva con la tasa de transmisión encontrada tendría

una concentración frente al caso estudio de 3.6889e-004 ccoxigeno/ccleche, es

decir 81 días para alcanzar la concentración crítica.

Teniendo como catalizador Quercetina se tendía una TTO de 0.1842 cc/m2/24 hr

en una barrera de 0.00007 m, una concentración diaria frente al caso de estudio de

1.2019e-005 ccoxigeno/ccleche, es decir 104 dias

Page 22: TRANSPORTE DE OXÍGENO A TRAVÉS DE UNA PELÍCULA …

17

4.2.3. Resultados y tendencias

Inicialmente se simuló utilizando el método numér ico la solución estacionaria a la

Ecuación 10 (Solovyov et al., 2005a). En general se encontró que el nodo que

presenta mayor error es el que está en contacto con el producto almacenado. El

error relativo máximo en función del número de nodos presenta un comportamiento

decreciente exponencial como se ve en la Figura 3.

Como se puede ver lo ideal es tener un número elevado de nodos con el f in de

refinar la malla y obtener resultados con errores bajos. Para las siguientes

simulaciones se va a tomar 100 nodos en la malla (m) y 0.1 s como paso de tiempo

(∆t), junto con las propiedades ya mencionadas en el caso particular, todo ello

evaluado en el nodo en contacto con lo almacenado. Para la barrera de única capa

tanto activa como pasiva se tiene los siguientes resultados.

Tabla 4: Tiempo crítico para una barrera pasiva y activa

Tipo barrera Tiempo (s) en alcanzar una

concentración de oxígeno 3% v/v

Pasiva 44 Activa 3841

Figura 3: Error variando el número de nodos

Page 23: TRANSPORTE DE OXÍGENO A TRAVÉS DE UNA PELÍCULA …

18

Resulta evidente que la acción del agente disminuye la permeabilidad al oxígeno de

la barrera y el tiempo en alcanzar la concentración cr ítica aumenta casi en dos

órdenes de magnitud. El comportamiento de las diferentes moléculas involucradas

en una barrera activa a lo largo del tiempo se encuentra en la Figura 5, mientras

que en la Figura 6 se evidencia el efecto del tiempo y la distancia sobre la

concentración de oxígeno en el producto almacenado por una barrera activa.

Figura 4: comportamiento de la concentración de ox ígeno en una barrera pasiva y una activa

Figura 5: comportamiento del sulf ito de calcio, el ox ígeno y el sulfato de calcio a lo largo del t iempo.

Page 24: TRANSPORTE DE OXÍGENO A TRAVÉS DE UNA PELÍCULA …

19

Al estudiar una barrera de dos capas, una pasiva y una activa, se encontró que en

general es mejor ubicar la barrera pasiva en contacto con el exterior (Ver Figura 7).

Sin embargo el mayor tiempo crít ico se obtiene con una capa activa, para diferentes

espesores de barrera pasiva y activa, manteniendo un espesor total de 7 x 10-5 m,

se llega a tener hasta un 7% más de t iempo utilizando la barrera pasiva en contacto

con el exterior en lugar de la activa.

Al utilizar un mayor número de capas, variando la disposición entre pasiva y activa

(manteniendo el espesor total), se logra obtener el máximo t iempo crít ico utilizando

una menor cantidad de agente secuestrador (ver Tabla 5). Se recomienda tener una

barrera pasiva en el exterior e interior (primera y última capa) para evitar el contacto

del agente o los productos con el producto almacenado o el usuario.

Figura 6: Comportamiento de la concentración de oxígeno en una barrera activa.

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20

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00

Tiem

po c

rític

o (s

)

Fracción del espesor que ocupa la pelicula reactiva

Barrera RP, reactiva en contacto con el aire

Barrera RP, reactiva en contacto con el producto almacenado

Tabla 5: Tiempos crít icos en barreras multicapas.

Tipos de Barreras Tiempo crítico

(s) Pasiva-Activa-Pasiva (PRP) 3840 Activa-Pasiva-Activa (RPR) 657.3 Aire-Pasiva-Activa-Pasiva-Activa (PRPR) 3841 Aire-Activa-Pasiva-Activa-Pasiva (RPRP) 3841 Pasiva-Activa-Pasiva-Activa-Pasiva (PRPRP) 3841

4.3. La optimización

Para completar el caso de estudio y evidenciar aún más el potencial que involucra el

modelaje y simulación del transporte de oxígeno en barreras poliméricas multicapas, se

va a utilizar la metodología en diseño de experimentos, estadística, diseño robusto y

optimización del matemático japonés G. Taguchi (Medina et al, 2007). La metodología

Taguchi se basa en arreglos ortogonales que involucran la distribución de niveles

(valores) de las variables de un experimento, de esta forma se encuentra la disposición

Figura 7: comportamiento de las barreras de dos capas frente a diferentes espesores

Page 26: TRANSPORTE DE OXÍGENO A TRAVÉS DE UNA PELÍCULA …

21

que optimizan el fenómeno sin necesidad de tener que llevar a cabo experimentalmente

todas la posibles combinaciones entre niveles y variables. (Reyes, 2009)

Para el caso de interés se utilizó un arreglo t ipo L4 para 2 niveles. Para este tipo de

arreglo hay que llevar a cabo 4 experimentos y se puede analizar hasta 3 variables cada

una con 2 niveles diferentes. Si se llevara a cabo la experimentación para todas las

posibles combinaciones sería necesario 8 experimentos diferentes, mientras que con

Taguchi son necesarios 4 experimentos. Si se analizara 7 variables (arreglo L8) es

necesario 8 experimentos mientras que por combinación ser ían 128 experimentos.

4.3.1. Escogencia de variables

Los criterios para elección de las variables y sus niveles son los siguientes:

- Teniendo en cuenta que las películas poliméricas entre EVOH y polietileno son

compatibles y son muy utilizadas para bolsas de leche UHT y jugos (procesado por

coextrusión) (Food Packaging Technology), se va a desarrollar la optimización con

estos dos materiales.

- Se toma una barrera de 3 capas, ya que en los resultados para múlt iples capas que

ya se presentó, se evidenció que por tiempos en alcanzar la concentración critica y

la facilidad en el procesamiento es lo mejor.

- Se va a variar el agente secuestrador entre ATCO y Quercetina (sus cinéticas de

reacción se presentaron anteriormente), no se presenta el sulf ito de calcio para

ahorrar tiempos de simulación, pero de antemano se sabe que el mejor agente

secuestrador entre los presentados es éste.

- Para el espesor de las capas se tiene en cuenta que en la medida que se aumenta

el espesor de la película activa el t iempo en alcanzar la concentración crít ica

aumenta, sin embargo la cantidad necesaria de agente aumenta y por lo tanto los

costos. Buscando el equilibrio costo/tiempo se analiza espesores de barrera iguales

(nivel 1) y un espesor de película activa 2 veces mayor que la pasiva (nivel 2).

Todo lo anterior se resume en la siguiente tabla.

Page 27: TRANSPORTE DE OXÍGENO A TRAVÉS DE UNA PELÍCULA …

22

Tabla 6: Descripción de los factores y niveles para Taguchi

Factor Descripción Nivel 1 Nivel 2

A Mater ial de la barrera

activa (segunda capa) EVOH PEBD

B Agente secuestrador ATCO Quercetina

C Espesores de pared Iguales La película activa es 2 veces la

pasiva

4.3.2. Resultados de la optimización

Para el desarrollo de experimentos Taguchi t ipo L4 se tiene el siguiente arreglo

ortogonal y los resultados a las simulaciones respectivas, además de la tabla

ANOVA (Analysis of Variance).

Tabla 7: Arreglo ortogonal y resultado a simulaciones

Tabla 8: Tabla A NOVA

Efecto SS Grados Libertad V A 3.0 1 3.0 B 6.2 1 6.2 C 0.3 1 0.3

De la tabla ANOVA se deduce que dos de los tres factores analizados son

relevantes, en donde el efecto del factor C no resulta signif icativo. Sin embargo la

tabla ANOVA no especif ica cuál es la distribución que maximiza el tiempo en

llegar a la concentración crítica. Para encontrar el arreglo óptimo es necesaria la

siguiente tabla.

Exp

No. A B C

Tiempo

crítico 1 1 1 1 97.7778 2 1 2 2 99.6875 3 2 1 2 98.9236 4 2 2 1 101.9792

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Tabla 9: Promedios por nivel

Factor A B Nivel 1 98.73265 98.3507 Nivel 2 100.4514 100.83335

De todo el desarrollo anterior se encuentra que para maximizar el tiempo en que la

leche alcanza la concentración crítica, se debe tomar el factor A y B en el nivel 2 y

no debe tenerse en cuenta el factor C. Es decir PEBD como barrera activa y EVOH

como pasivas, Quercetina como agente.

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5. CONCLUSIONES

Se desarrolló un modelo del paso de ox ígeno a través de una película polimérica,

utilizando diferencias f initas como método numér ico de solución; para el estudio de la

respuesta de películas multicapas con elementos tanto pasivos como activos para evitar

la difusión del soluto en aplicaciones típicas.

El uso del agente secuestrador limita considerablemente el f lujo que se alcanza en estado

estacionario lo que alarga el tiempo crítico del empaque.

Se logra obtener el máximo tiempo cr ítico, utilizando un mismo espesor total, por medio

de una película activa o por una barrera multicapa. Se recomienda utilizar barreras de al

menos tres capas con la disposición pasiva-activa-pasiva.

Se evidencia un caso particular en el que se diseña una película con sus características

óptimas, como ejemplo del potencial del presente trabajo.

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