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Información tecnológica

versión On-line ISSN 0718-0764

Inf. tecnol. v.17 n.6 La Serena  2006

http://dx.doi.org/10.4067/S0718-07642006000600020 

 

Información Tecnológica-Vol. 17 N°6-2006, pág.: 133-139

MODELADO Y SIMULACION

SIMPHA: Programa de Simulación para el Proceso de Producción de Aceite de Maíz y Harina de Maíz Precocida

SIMPHA: Simulation Software for Production Processes of Corn Oil and Pre-Cooked Corn Flour

Sergio A. Pérez, Zulay M. Niño y Geraldine Cisneros
Escuela de Ingeniería Química, Facultad de Ingeniería, Universidad de Carabobo,
Avenida Bolívar 125-39, Valencia-Venezuela (e-mail: sperez@uc.edu.ve)


Resumen

Se presenta el desarrollo del programa SIMPHA para la simulación del proceso de refinación del maíz para la obtención de harina precocida y aceite comestible. El software desarrollado permite el estudio de los parámetros relacionados con la eficiencia del proceso y genera de manera rápida y confiable información para la toma de decisiones. Para el logro de los objetivos fue necesario identificar las etapas del proceso, desarrollar los modelos matemáticos, codificar el algoritmo de resolución de los modelos matemáticos, desarrollar el algoritmo para la estimación de los costos y validar el programa. Los resultados obtenidos fueron comparados con datos reales provenientes de una planta en operación obteniéndose desviaciones inferiores a 2% en el balance de materia. El programa permite igualmente calcular la relación costo-beneficio resultante de cualquier modificación al proceso.

Palabras clave: simulación de procesos, harina de maíz, aceite de maíz, balance de materia


Abstract

Development of the SIMPHA software program is presented for the simulation of the refining process which produces precooked corn flour and edible corn oil. The software developed allows study of the parameters related to the efficiency of the process, rapidly and reliably generating information for use in decision making. In order to reach the objective it was necessary to identify the stages in the process, develop mathematical models, codify algorithms for resolution of the mathematical models, develop the algorithm for cost estimations, and validate the program. The results obtained were compared with real data from an operating plant, obtaining deviations of less than 2% in material balances. The program can calculate the cost-benefit factor for any modification introduced into the process.

Keywords: process simulation, corn flour, corn oil, material balance


INTRODUCCIÓN

El proceso de refinación  de maíz consta de dos líneas de producción: la línea de producción de harina precocida de maíz y la línea de producción de aceite. La primera, está conformada por un área de recepción del maíz, seguida del proceso de desgerminación, en donde se realiza la separación de las partes que conforman el grano de maíz; luego se procede a una etapa de laminado en la cual se obtienen las hojuelas que posteriormente van a los molinos, donde se le añaden aditivos (hierro y vitaminas) para finalmente llevar al producto al área de empaque, obteniéndose como producto la harina de maíz precocida. La segunda línea, consta de una etapa de extracción del aceite de maíz del germen, la cual se realiza utilizando hexano como solvente extractor, luego se utilizan procesos de separación para eliminar el hexano del aceite extraído; como fase final se realiza la refinación del mismo, a través de procesos químicos y físicos, para luego realizar el  envasado del aceite. Al realizar la extracción del aceite de maíz, del material desgrasado se obtienen tres subproductos, como lo son la germarina, la  maizina y la torta. La Fig. 1 presenta el diagrama de bloques del proceso antes descrito (Álvarez, 1991; McNeill et al., 2005).

El uso de modelos en Ingeniería Química está consolidado, pero la utilización de "modelos dinámicos" en vez de los "modelos en estado estacionario" es más reciente. Esto se refleja en la existencia en el mercado actualmente de potentes programas destinados a la simulación dinámica de procesos químicos, tales como ASPEN PLUS, PROSIM PLUS, HYSYS, DESIGN II, solo por mencionar algunos (Linninger et al., 2000). Estos programas de simulación poseen herramientas matemáticas sofisticadas, las cuales pueden solucionar tanto la condición inicial de estado estacionario así como los siguientes cambios dinámicos. En la actualidad los programas de simulación de procesos se han incorporado de forma generalizada en la industria química, llegando a convertirse en herramientas indispensables para el diseño, modificación y evaluación de equipos y plantas. Esto se debe principalmente a la gran versatilidad que ofrecen en cuanto a la manipulación de las muchas variables involucradas en los procesos y así como la evaluación económica, lo que proporcionan información importante que permite realizar un análisis completo de diversas alternativas para la mejora de un proceso, sin necesidad de materializar los cambios propuestos y obtener conclusiones confiables acerca de la conveniencia o no de implementar la alternativa en cuestión (Webb y Ramírez, 2003).

Si bien es cierto, existen en el mercado una gran variedad de programas comerciales de simulación de procesos, pero la gran parte de ellos están dirigidos a aplicaciones relacionadas con la industria petrolera, gas natural, química, sistemas de tratamiento de efluentes, etc., resultando escasa en la literatura corriente publicaciones con aplicaciones de programas de simulación en el proceso de refinación del maíz. Solo algunas aplicaciones dirigidas a la etapa de secado  del maíz (Souza et al., 2002) o estudios de rendimiento en la etapa de molienda han sido publicados (Singh y Singh, 2004). Sin embargo, en la actualidad es posible de contar con programas avanzados para la simulación de la fase de cultivo y crecimiento de las plantas de maíz, debido a la disponibilidad de modelos matemáticos desarrollados en los últimos treinta años de investigación en esta área.

En tal sentido como parte de este trabajo se propone desarrollar una herramienta informática que permita simular el proceso de producción de harinas precocidas de maíz y aceite comestible, y que permita igualmente conocer la relación costo-beneficio resultante de cualquier  modificación al proceso y así contar una herramienta novedosa y eficaz para el estudio de cada uno de los parámetros relacionados con el proceso.

METODOLOGÍA

A continuación se presentan una serie evolutiva de pasos que describe la metodología empleada durante le realización del presente trabajo:

Diagrama de flujo del proceso de refinación.

Esta etapa se inicia con la identificación de los equipos que conforman un proceso típico de producción de harina de maíz y aceite comestible y su disposición dentro de una planta. Esto con el objetivo de conocer los principales fenómenos físicos y químicos que ocurren en el proceso de refinación de maíz.

Fig. 1: Diagrama de bloque del proceso de refinación del maíz

Modelos matemáticos del proceso.

Para el desarrollo de los modelos matemáticos representativos del proceso de fabricación de harina precocida y aceite comestible de maíz, se siguió un procedimiento  constituido por las etapas que se muestran en la Fig. 2. La ley fundamental que se utilizó para la descripción matemática del proceso de fabricación de harina precocida y aceite de maíz, fue la de conservación de la masa y el establecimiento de relaciones entre variables a partir de modelos de correlación con datos del proceso.

Para realizar la selección de las variables de caracterización del proceso, utilizadas en la formulación del modelo, se llevó a cabo un análisis detallado de cada etapa, identificando aquellas variables de tipo cuantitativo que permiten determinar el valor de los parámetros fundamentales del proceso, los cuales se señalan a continuación:

Rendimiento endospermo-maíz (%)

Cantidad de granos de maíz alimentados (ton)

Producción de harina precocida (ton)

Producción de Aceite de Maíz (ton)

Producción de Maizina

Producción de Germarina

Producción de Torta Gruesa (ton)

Humedad del grano a la entrada. (%)

Humedad de la harina (%)

Humedad en las diferentes etapas (%)

Impurezas (%)

Dosificación de Vitaminas (ton)

Porcentaje de aceite en la harina (%)

Estructura lógica de los modelos matemáticos

En esta etapa se establece la estrategia para la codificación del algoritmo de resolución de los modelos matemáticos desarrollados.

Algoritmo para determinar los costos

En esta etapa primeramente se establecen los modelos para la estimación de los costos originados por concepto de materia prima, los beneficios generados por los productos y subproductos a las diversas condiciones de proceso y la rentabilidad de las propuestas simuladas. Luego se codifican los algoritmos para los cálculos respectivos.

Evaluación del programa desarrollado

Se definen las condiciones a las cuales se ejecutará el programa para realizar la validación y la recolección en planta de los datos requeridos. A fin de dar una aplicación real al trabajo realizado se consideró una empresa refinadora de maíz con un proceso de producción similar, con una capacidad total de producción de 20.000 tons de harina precocida de maíz y 2.500 tons de aceite puro de maíz, resultado de procesar 26.000 toneladas de maíz al mes. Finalmente se realizó la simulación y se determinó la desviación porcentual entre los resultados obtenidos en planta y los arrojados por el programa.

Fig. 2: Etapas para la modelación de proceso de producción de harina de maíz y aceite comestible

PROGRAMA SIMPHA

Para  desarrollar  el  programa de simulación el  proceso  fue  delimitado  en   cinco etapas principales, considerando en cada una modelos descriptivos del proceso de refinación de harina, basados en las leyes de la conservación de la masa. Las operaciones involucradas en el procesamiento del maíz para la obtención de la harina precocida y aceite de maíz son básicamente operaciones unitarias que involucran cambios físicos de la materia, a excepción de la laminación, única etapa donde se experimenta un cambio a nivel molecular. Las etapas del proceso consideradas en el  simulador son: i) limpieza; ii) desgerminación; iii) laminación; iv) molienda y empaque; y v) extracción y separación.

El programa SIMPHA fue desarrollado en un lenguaje de programación orientada a objetos, lo que permite al usuario interactuar de forma sencilla con el programa, facilitando la comprensión y manejo de la información.

Para su utilización, inicialmente el usuario debe seleccionar sobre que base de cálculo desea realizar la simulación, teniendo para ello tres opciones, sean: a) a partir de la cantidad de harina precocida a obtener, b) a partir del consumo de maíz, o c) a partir de la cantidad de aceite a producir. La ventana de inicio del programa contiene tres opciones: i) producción de harinas; ii) consumo de maíz; y iii) producción de aceite crudo. Una vez seleccionada la opción a utilizar aparece una ventana que permite al usuario establecer las especificaciones para la simulación en relación a los rendimientos para  cada  etapa del proceso, sea que estos los fije el usuario o los calcule el programa en base a un rendimiento global dado por el usuario. Una vez indicado el modo a utilizar en relación al rendimiento del proceso, se muestra la ventana donde se presentan al usuario las distintas etapas del proceso. Igualmente, en esta ventana, se puede establecer las unidades para los flujos, y acceder a la subrutina para el cálculo de los costos asociados a la simulación.

El diagrama de flujo permite al usuario acceder a cada una de las etapas que constituyen el proceso a simular, haciendo doble clic sobre el icono representativo de la misma, siendo allí donde se definen los parámetros característicos de cada etapa. Al activar por medio un doble clic el icono asociado a la mazorca  de maíz, se podrá redefinir la composición del maíz a procesar, a nivel del grano entero, endospermo, germen, pericarpio y pedicelo, como se muestra en la  Fig 3.

Para realizar la simulación se pulsa el botón simular. Una vez finalizada la misma, el usuario tiene acceso a la rutina que determina los costos y beneficios asociados a la simulación realizada. Como parte de esta rutina, se tiene la opción de almacenar diferentes casos para luego representar de forma grafica un estudio comparativo, tanto de la producción como de los costos y beneficios de los diferentes escenarios simulados. La Fig. 4 muestra los resultados de un estudio económico realizado con el simulador.

VALIDACIÓN DEL PROGRAMA

Con el propósito de validar el programa de simulación (SIMPHA) para el proceso de fabricación de harinas precocidas y aceite crudo de maíz, se realizaron pruebas en la planta con rendimientos Grits/Maíz de 72,5 % y 76,02% respectivamente, con las cuales se obtuvo la información de planta requerida para la validación. Posteriormente, se realizó la simulación, a las mismas condiciones y con los mismos rendimientos, para generar la información necesaria para realizar las comparaciones pertinentes. Las variables utilizadas como referencia para la validación del programa  fueron las cantidades de productos obtenidos, así como la cantidad de materia prima consumida, los rendimientos de las etapas y el porcentaje de aceite en la harina precocida, ya que estos parámetros son de gran importancia para la toma de decisiones por parte de una empresa procesadora de maíz para la producción de harina y aceite comestible.  Es importante señalar, que tanto en el simulador como en las pruebas industriales, se trabajó a una humedad de entrada del  maíz entre 11% - 12,5 %,  y se consideraron cambios en la humedad  durante el proceso desde 13 a 11,5% en la etapa de laminación y desde 11,5 a 12,5 % en la etapa de molienda. El ajuste final de humedad a 12,5% se debe a especificaciones en la harina.

Fig. 3: Muestra característica de la composición del tipo de maíz a ser procesado

Fig. 4: Resultados de una evaluación económica realizada por SIMPHA

Los datos obtenidos a través de la prueba industrial a un rendimiento grits/maíz de 72,5%  y los arrojados por la simulación se muestran en la Tabla 1. Al comparar los resultados alcanzados, puede notarse que las desviaciones obtenidas son menores a 2%. Estas desviaciones son aceptables desde el punto de vista práctico, por lo que puede considerarse que el programa SIMPHA presenta una buena capacidad predictiva del comportamiento real del proceso de refinación de maíz.

Para el caso de las comparaciones realizadas con un rendimiento grits/maíz de 76,02%, los resultados obtenidos se muestran en la Tabla 2. Para esta otra condición operacional igualmente se observan desviaciones inferiores a 2%, tal como se obtuvo para la primera validación, lo que ratifica la validez del programa desarrollado. Lo anteriormente expuesto, permite afirmar que el modelo desarrollado para la descripción del proceso de fabricación de harinas precocidas  y   aceite  comestible,  se    ajusta adecuadamente al comportamiento real del proceso. Además, el programa de simulación representa una herramienta que agiliza la capacidad de respuesta y la toma de decisiones del personal técnico ante situaciones eventuales en planta, permitiendo a su vez, el análisis de distintos escenarios a diferentes condiciones de operación.

Tabla 1: Cuadro comparativo para la validación de SIMPHA a un rendimiento grits/maíz
de 72,5% a partir del consumo de 31.393.667 kg  de maíz

Producción (kg)

Resultados

Desviación (%)

Prueba industrial

SIMPHA

Harina precocida

21.864.385,00

22.040.085,00

0,80

Aceite crudo

1.066.236,51

1.052.175,57

1,32

Maizina

2.165.445,31

2.142.517,70

1,06

Germarina

2.383.360,48

2.378.024,70

0,22

Torta gruesa

3.368.709,85

3.348.259,20

0,61

Tabla 2: Cuadro comparativo para la validación de SIMPHA a un rendimiento grits/maíz de
76,02% a partir de la producción de 54.429 kg de harina

Producción (kg)

Resultados

Desviación (%)

Prueba industrial

SIMPHA

Maíz  alimentado

73.600,00

73.921,63

0,44

Aceite crudo

2.278,09

2.253,17

1,09

Maizina

2.980,05

2.963,14

0,57

Germarina

5.508,54

5.546,45

0,69

Torta gruesa

7.561,57

7.696,84

1,79

CONCLUSIONES

De los resultados obtenidos a partir de la validación del programa SIMPHA con datos reales de una planta, se tienen desviaciones inferiores a 2% en los flujos másicos en todas las etapas del proceso. Esta pequeña desviación se mantiene tanto en la validación fijando la cantidad de producción de harina como en aquella fijando la cantidad de maíz a procesar.

AGRADECIMIENTOS

Los autores agradecen al Consejo de Desarrollo Científico y Humanístico de la Universidad de Carabobo (CDCH-UC) por soporte financiero para el desarrollo de este trabajo.

REFERENCIAS

Álvarez, G, Producción del aceite de maíz”, Tesis de grado, Universidad Católica Andrés Bello, Caracas-Venezuela (1991).        [ Links ]

Linninger, A. A., S. Chowdhry, V. Bahl, H. Krendl y H. Pinger, A system approach to mathematical modeling of industrial process, Computers and Chemical Engineering, 24,  591-598, (2000).        [ Links ]

Mcneill, S. G., M. D. Montross, S. A. Shearer, Spatial variation of protein, oil, and starch in corn, Applied Engineering in Agricultural, 21(4), 619-625, (2005).        [ Links ]

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Souza, C. M., D. Queiroz, A. F. Lacerda, Simulation of the corn seed drying process in fixed bed, Sci. Agric., 59 (8), 653-660, (2002).        [ Links ]

Webb, D. y Ramirez W. F., Modeling, simulation and optimization software framework for dynamic systems, Proceeding of the American Control Conference, Denver, Colorado-USA, (2003).        [ Links ]