DISEO DE PLANTAS DE ALIMENTOS Act. 8 LECCION EVALUATIVA UNIDAD 2

17.4 DIMENSIONAMIENTO DE EQUIPOS

Para la industria de alimentos, se dispone de equipos fabricados bajo normas y estandarizados a capacidades definidas, tal es el caso de envasadoras de botellas o enlatadoras, tneles de congelacin, hornos, secadores, cutter, etc.

Otros equipos se fabrican acorde a las necesidades del usuario, como tanques, silos, transportadores, marmitas, etc.

Algunos equipos deben ser fabricados para ser colocados en sitios con areas y alturas muy definidos

El ingeniero debe establecer la capacidad de los equipos que requiera la planta y en muchos casos establecer un dimensionamiento para su ubicacin en planta

17.4.1. Cronogramas

Ya en el anterior captulo, estandarizacin de procesos, se han presentado los cronogramas para el proceso de elaboracin de tamales.

Los cronogramas son necesarios para poder determinar el tamao de equipos y de servicios principalmente en procesos de cochada.

Un resultado de integrar los cronogramas es la Hoja patrn, figura 12 del anterior capitulo, esta hoja se emplea como control operacional para el desarrollo de los procesos.

Los cronogramas ms usuales son de:

Operaciones

Equipos individuales

De Operaciones de Procesos en equipos consecutivos

Servicios

Mano de Obra.

Los cronogramas de operaciones se emplean para representar las operaciones que se llevan a cabo durante el desarrollo de operaciones unitarias y procesos unitarios realizados en un equipo en particular empleando una escala descendente para cada operacin en particular.

Para la escala de tiempo se emplea una escala apropiada acorde al tiempo empleado en la etapa o proceso desarrollado en el equipo.

Para un proceso de coccin de carnes que demanda aproximadamente una hora se pude emplear una escala de 5 minutos, en tanto que para la fermentacin de mostos que demandan una semana se puede emplear una escala de da o de

segmentos de 12 horas.

Los cronogramas de equipos se hacen sobre una fila, como se observa en la parte inferior de la figura

Cronogramas de operaciones y de equipo FIGURA 17-2

Los cronogramas de Operaciones de Procesos en equipos consecutivos, sirven de base para:

la visualizacin del tiempo demandado en cada uno de los equipos del proceso y establecer el equipo dominante.

verificar el nmero de cochadas a elaborar en periodos de tiempo

elaboracin de los cronogramas de servicios y de mano de obra.

estudiar alternativas de proceso

estudiar ampliaciones de planta.

17.4.2. Tamao de los Equipos

De acuerdo a la estandarizacin del proceso se establecen los equipos requeridos para desarrollar el proceso

El tamao de los equipos esta referido inicialmente a su capacidad de produccin, como unidades ( volumen o pesos a procesar) flujos (magnitudes por unidad de tiempo) para tener un equipo correctamente utilizado.

El no realizar clculos del tamao lleva a tener equipos subutilizados por sobredimensionamiento o cuellos de botella por subdimensionamiento.

En la industria crnica, se encuentran equipos como molinos o cter que trabajan tan solo un 10 20% del tiempo que trabajan los dems equipos.

Equipos de flujo continuo como transportadores, dosificadores y aun empacadoras son los cuellos de botella que ms se presentan en la industria de alimentos.

El papel del ingeniero de alimentos es determinar el tamao del sistema operacional, en lo que se constituye el diseo operacional de equipos.

Colateralmente se deben establecer dimensiones espaciales (largo, ancho, alto, dimetros, etc.) para la distribucin de los equipos en planta.

Partiendo de los cronogramas de proceso, se establecen las operaciones de cochada y las continuas.

Para permitir un correcto empalme entre las operaciones continua y las de cochadas o viceversa se acostumbra a usar los tanques pulmn (o buffer) para lquidos y las mesas de acumulacin para slidos.

Para los equipos que trabajan continuamente la capacidad esta definida de acorde a los flujos de produccin estimada esta en estudios de mercado, propios de la formulacin del proyecto de la planta.

Generalmente la formulacin de proyecto establece cifras de produccin para periodos anuales y el mismo estudio define el tamao ptimo de planta. Sin embargo con el uso de las herramientas de clculos se puede tener un diseo de planta simultneo para diferentes tamaos de produccin, empleando la simulacin operacional.

17.4.3 Calculo para equipos de proceso continuo.

El clculo para los equipos de proceso continuo, se hace de acuerdo a los flujos msicos o volumtricos que maneja el equipo.

Debe recordarse que flujo es el transporte o transferencia de masa o volumen por unidad de tiempo.

Ejemplo 1. Al establecer el tamao para una industria pasterizadora, se tiene cifras de 10.000.000 de kilos de leche al ao. Es de anotar que la unidad internacional para el manejo de la leche es el kilo. Determinar la produccin horaria por litros.

Los equipos de envasado estn dimensionados en botellas litros o garrafas por hora.

Para determinar el tamao de la las envasadoras se requiere llevar los 10.000.000 de kilos a botellas, litros garrafas por hora, .Siendo lo usual los litros, se emplear esta unidad.

Tomando una densidad promedio de la leche de 1,030 kg/l, la cantidad de leche a envasar es: 10.000.000 /1.030 = 9.708.738 litros.

En el caso de la industria pasterizadora, se laboran todos los das del ao. De tal forma que la produccin diaria ser: 9.708.738 / 365 = 26.599 litros.

Tomando turno de 8 horas al da, y teniendo media hora de preparacin y alistamiento de equipos y media hora de aseo y desinfeccin,

La produccin horaria ser de 26.599 / 7 = 3.800 l / hr. A continuacin se

presenta la respectiva hoja de clculo.

Produccin anual de leche kilos 10.000.000

Densidad de la leche kl / l 1,030

Litros a envasar litros 9.708.738

Das laborales cada uno 365

Leche diaria a envasar litros 26.599

Horas da laborar cada una 7,0

Produccin horaria litros/hr 3.800

TABLA 17-3 Clculo de produccin horaria

Probablemente no se encuentran en el mercado envasadoras de esta capacidad, pero se selecciona la que se aproxime por encima a esta capacidad.

Una capacidad mayor cubre la produccin que se deja por las paradas en el envasado por diferentes causas, como baja presin en el vapor, fallas elctricas y an fallas mecnicas.

Diferente forma de clculo se presenta en aquellas industrias que trabajan nicamente los das laborales y el sbado medio da, el otro medio da esta destinado generalmente a aseos completos de equipos e instalaciones.

Ejemplo 2. Establecer la capacidad de las envasadoras para una planta cervecera que producir 1.800.000 hectolitros (Hl) al ao.

En el mbito cervecero estas son las unidades empleadas, en tanto que las botellas o latas son de 1/3 de litro.

Luego las botellas a envasar son

1.800.000 Hl x 100 l/hl x 3 bot/l = 540.000.000 de botellas

Para determinar el tiempo que trabajan en el envase, se debe tener en cuentas los dominicales, sbados, y das festivos.

Para Colombia se estima un promedio de 18 das como festivos a tener en cuenta y los sbados se trabaja medioda.

Los das laborados sern

365 52 52/2 18 = 269

El envase diario ha de ser

540.000.000 / 269 = 2.074.349 botellas.

El saln de envase de una planta cervecera trabaja los tres turnos al da es decir 24 horas.

De las 24 horas dos se dedican al aseo de las lavadoras de botellas y

pasterizadora de tal forma que el tiempo que trabajan las envasadoras es de 22 horas.

La capacidad horaria es de

2.074.349 / 22 = 91.247 botellas.

Los equipos mas grandes que existen en el mercado son de 10.000 decenas por hora1, equivalente a 100.000 botellas horas. Tomando esta capacidad se requieren 91.247 /10.000 = 0.91 ==== 1 envasadora.

Ante la eventualidad de un dao, la planta se puede parar y no es conveniente tener una envasadora. Razones practicas llevan a disponer de tres envasadoras de menor capacidad, que bien puede ser del orden de 40.000 botellas /hr.

Este nmero, permite tener una envasadora en mantenimiento que normalmente dura 20 das calendario.

A continuacin se presenta la respectiva hoja de clculo.

Produccin anual de cerveza Hectolitros 18.000.000

Botellas cada una 5.400.000.000

Das festivos cada uno 18

Dominicales y sbados cada uno 78

Das laborados cada uno 269

Envase diario botellas 20.074.349

Horas diarias laborada cada una 22

Botellas diarias a envasar cada una 912470

Decenas por hora cada una 91.247

TABLA 17-4. Clculo de produccin para envasadora

17.4.4. Calculo de equipos para procesos por cochada.

El clculo del tamao de los equipos que procesan cochadas es algo ms complejo pues involucra el conocimiento de las materias primas, productos en procesos, mermas y el empleo de los cronogramas de equipos.

Inicialmente se debe determinar el volumen de la cochada referenciado a un equipo en particular, una marmita, un tanque un biorreactor, un secador, etc.

Cuando se dispone de varios equipos secuenciales que elaboran cochadas se debe establecer cual equipo es el referenciado para la cochada y cual es el equipo dominante.

Al disponer de los cronogramas secuenciales de los diversos equipos, visualmente se establece el equipo dominante, aquel que demanda el mayor tiempo para realizar su proceso.

Tomando el ejemplo de la elaboracin artesanal de los tamales, el equipo

1 Krones

dominante es la marmita que demanda 3 horas.

El nmero de cochadas a realizar se establece tomando el tiempo que ha de laborar la planta, o los turnos a programar.

Al tomar un turno de 8 horas, el nmero de cochadas es de 8 / 3 = 2,66 = 2 cochadas, mientras que en dos turnos 16 horas se trabajan 16 / 3 = 5,33 =5 cochadas y para los tres turnos, 24 horas se pueden laborar 8 cochadas.

Una vez se han determinado las cochadas a elaborar se establece la capacidad del equipo.

Ejemplo 3. Establecer la capacidad de la marmita para producir 45.000 tamales mensuales. Si la planta ha de trabajar 3 turnos diarios.

Tomando una jornada laboral el sbado de 12 horas para proceso y 12 horas para aseo, a la semana se trabajan en produccin, 5 x 24 + 12 = 132 horas lo que permite la elaboracin de 132 / 3 = 44 cochadas semanales.

A la vez el promedio de semanas laboradas al mes es de 4,2, de tal forma que la marmita producir 44 x 4,2 = 184 cochada.

El nmero de tamales por cochadas es de 45000 /184 = 245, que se pueden llevar a 250.

Ya en la ingeniera del detalle y con las dimensiones de cada tamal se entra a dimensionar la marmita.

Estos tamales se disponen en canastillas que se superponen una a otras.

17.5 CLCULO DE ALMACENAMIENTO.

Si bien los productos alimenticios se caracterizan por una alta rotacin y perecibilidad, que llevara a tener bajos inventarios y por ende bajos niveles de almacenamiento en determinadas circunstancias se requiere de altos volmenes especialmente de

materias primas como el caso de cereales cuya produccin es estacionaria (cosechas),

de productos de temporalidad con altas demandas en determinados meses del ao, bebidas para navidad y fin de ao.

Productos importados cuyos costos de transporte unitario es inversamente proporcional a los volmenes adquiridos.

La industria harinera, se ve abocada a adquirir altos volmenes de sus insumos, en pocas de cosecha, que generalmente son de mes o mes y medio de duracin para atender la produccin del resto de semestre y en algunas ocasiones del resto del ao acorde a la periodicidad y rotacin de los cultivos.

Si bien las bolsas agropecuarias garantizan suministros de productos agrcolas en cualquier poca del ao, en las negociaciones denominadas a futuro, de un lado

los volmenes a manejar son muy altos y de otro los precios tambin ya que estos absorben los costos de almacenamiento, seguros, fumigaciones, empaques y obviamente utilidades propias del negocio.

El estudio financiero que se haga alrededor de la operacin de la planta dar pautas, para establecer lo inventarios (tanto de producto, como de su rotacin) frente al tamao de equipos y trabajos en horas extras o turnos suplementarios, sin embargo la ingeniera establecer los requerimientos de reas y construcciones para las necesidades de almacenamiento y as disponer de bases para los costos que permitan establecer alternativas respecto a las caractersticas y condiciones de almacenamiento.

17.6. DIMENSIONAMIENTO DE SERVICIOS

Los servicios industriales usualmente empleados en la industria son:

Agua

Energa Elctrica

Energa Trmica (vapor, combustibles)

Refrigeracin (frio)

Aire

Vacio

Gases Industriales (CO2, N2, Acetileno, Argn)

Efluentes (Aguas Residuales)

Aseo.

Dado que en la industria de alimentos, el agua para servicio se toma del agua potable, para el agua como materia prima tambin se elabora tambin cronogramas, ya que a partir de este se determinan los tamaos de tuberas y en muchos casos capacidades de tanques que almacenan agua para su uso en reas especificas

En el estudio de los servicios industriales, se debe tener presente la demanda del servicio como tal y los flujos que se requieren en determinadas horas.

Tomando el caso de los tamales, y como ejemplo en la marmita 1 entre las 10:30 y 10:50 se requieren 12.000 Kcal, y entre las 12:30 y 12:50 se consumen 14.000 Kcal; entre las 10:00 y 13:00 el horno de tamales (procesando una cochada anterior) consume 38.500 Kcal. Igualmente entre las 10:40 y 10:55 se consumen 8.000 Kcal. en una segunda marmita.

El consumo total de calor es de 12.000 + 14.000 + 38.500 + 8.000 = 72.500 kcal. en el periodo entre las 10:00 y las 13:00. Este consumo de calor sirve para establecer los requerimientos del suministro trmico, bien sea kilos de vapor, o de combustible o el consumo de energa elctrica.

Tomando como elemento calefactor el vapor, y con una entalpia de condensacin de 540 Kcal/kg, en las tres horas se consumen 125 kgs. (ver tabla 13-2)

Para determinar el tamao del equipo que suministra el servicio como una caldera, un quemador de gas, resistencias elctricas, etc., es necesario determinar los flujos de calor

Tomando vapor como elemento de calefaccin y con una entalpia de condensacin de 540 Kcal/kg , para una marmita entre las 10:40 y 10:55 se consumen 8.000 / 15 = 533,33 Kcal/min equivalente a 533,33 / 540 =

Para una marmita se consumen entre las 10:30 y 10:50 , 12.000/ 20 = 600 cal/min

Para esta marmita entre las 12:30 y 12:50 consume 14.000/ 20 = 700 Kcal/min y en el horno entre las 10:00 y 13:00 se consumen 38.500 /180 = 186,11.

Observando los flujos entre las 10:00 y 10:30 hay consumo de vapor nicamente en el horno, a un flujo de 0,34 Kgs. /min,

Entre las 10:30 y 10:40 hay un consumo en una marmita y en el horno a un flujo de 1,11 + 0,34 = 1,45 Kgs./min.

Entre las 10.40 y 10:50 hay consumo en las dos marmitas y el horno con un flujo de

1,11 + 0,34 + 0,99 = 2,34 Kgs./min.

EQUIPO Calor requerido Flujo Vapor necesario

Kcal minutos Kcal/min Kg Kg/min

1 Marmita 1 14000 20 700 25,93 1,3

2 Marmita 1 12000 20 600 22,22 1,11

3 Marmita 2 8000 15 533,33 14,81 0,99

4 Horno 33500 180 186,11 62,04 0,34

TOTAL 67500 ------ ------ 125 ------

TABLA 17-2 Consumos y Flujos de Calor y Vapor

17.6.1. Cronograma de Servicios.

Fundamentados en los consumos de calor y los flujos del mismo se hacen los cronogramas del servicio respectivo

En la figura 13-3 se aprecian los consumos de calor y en la figura 13-4 los flujos

de vapor, siendo de anotar que se tienen un flujo mnimo de 0,34 kg / minuto y un flujo mximo de 2,34 kg/minuto.

FIGURA 17-3

FIGURA 17-4

Similarmente se hacen los cronogramas de los otros servicios