UNIVERSIDAD DEL VALLE DE GUATEMALA Facultad de Ingeniería Trabajo de graduación presentado por Miguel Ángel Samayoa Ricci para optar al grado académico de Licenciado en Ingeniería Mecánica Guatemala 2009 “Diseño de tres líneas de producción para la fabricación de dulce duro y dulce paleta” “Diseño de tres líneas de producción para la fabricación de dulce duro y dulce paleta.” UNIVERSIDAD DEL VALLE DE GUATEMALA Facultad de Ingeniería Trabajo de graduación presentado por Miguel Ángel Samayoa Ricci para optar al grado académico de Licenciado en Ingeniería Mecánica Guatemala 2009 “Diseño de tres líneas de producción para la fabricación de dulce duro y dulce paleta.” V ÍNDICE Listado de tablas VIII Listado de ilustraciones IX Listado de fórmulas X Listado de diagramas, planos y gráficas XI Resumen XII I. INTRODUCCIÓN 1 II. OBJETIVOS 3 A. General 3 B. Específico 3 III. JUSTIFICACIÓN 4 IV. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 5 A. Delimitación del problema 5 B. Conceptual 5 C. Geográfico 5 D. Temporal 6 E. Técnico 6 V. MARCO TEÓRICO 7 A. Descripción de la empresa 7 B. Fabricación industrial de caramelos 8 C. Dulce duro tipo caramelos 9 D. Miel, jarabe y almíbar 10 E. Cristalización 10 F. Materias primas a utilizar 10 1. Azúcar 10 2. Azucares no cristalizables (Glucosa y Fructosa) 12 a. Glucosa (Dextrosa) 12 b. Fructosa (levulosa) 12 3. Saborizantes 13 G. Proceso clásico y propiedades de la elaboración de la miel y el caramelo duro 14 H. Equipo de la línea de proceso 15 1. Marmita disolvedora automática 15 2. Cámara presurizada y evaporador (Cocedora) 16 3. Mesa de enfriamiento y amasado 17 4. Bastoneadora 18 5. Egalizador 19 VI 6. Troqueladora 20 7. Túnel de enfriamiento 20 8. Empacadora 21 9. Embolsadora 21 I. Equipo auxiliar de la línea de producción 22 1. Compresores 22 2. Secador de condensado 23 3. Caldera 23 4. Equipo de aire acondicionado 23 J. Métodos para el cálculo de la carga térmica 24 K. Selección de servicio para maquinaria 25 1. Selección de conductores eléctricos según capacidades 25 2. Selección de conductores en tubo tipo conduit 27 3. Selección de tubería para la distribución de vapor 28 4. Propiedades del vapor 29 L. Aspectos para la evaluación económica del proyecto 30 1. Método del Valor Presente Neto (VPN) 30 2. Método de la Tasa Interna de Retorno (TIR) para la evaluación económica del proyecto 31 3. Cálculo del Punto de Equilibrio (PE) en unidades producidas 31 VI. METODOLOGÍA 33 A. Métodos, técnicas e instrumentos 33 VII. RESULTADOS 35 A. Flujo para la elaboración del dulce 35 B. Selección de equipos 37 1. Rutinas de mantenimiento preventivo 43 2. Selección de conductores eléctricos, según capacidades y selección de conductores en tubo tipo conduit 47 a. Solución para la selección de conductores eléctricos según capacidades 47 b. Solución para la selección de tubería conduit según capacidad 48 3. Selección de tubería para conducción de vapor 48 a. Solución para la selección de tamaños en tubería para la distribución de vapor 48 4. Selección de equipo para unidad de refrigeración 50 a. Solución para la selección de unidad de refrigeración 50 C. Análisis financiero 54 1. Cálculo de Valor Presente Neto (VPN o VAN) 54 2. Cálculo de la Tasa Interna de Retorno (TIR) 54 3. Cálculo de Punto de Equilibrio (PE) 55 D. Ejecución del proyecto 57 VII VIII. DISCUSIÓN DE RESULTADOS 58 IX. CONCLUSIONES 63 X. RECOMENDACIONES 64 XI. FUENTES DE CONSULTA 65 XII. ANEXOS 67 VIII LISTADO DE TABLAS Tabla 1. Humedad relativa teórica para diferentes tipos de dulce 24 Tabla 2. Pérdida por cambio de aire diferente temperatura y humedad relativa 25 Tabla 3. Pérdida por motores eléctricos 25 Tabla 4. Intensidad de corriente admisible para conductores de cobre 27 Tabla 5. Valores establecidos para factores de relleno 28 Tabla 6. Dimensiones de tubo metálico tipo pesado y área disponible para conductores 28 Tabla 7. Propiedades del vapor 28 Tabla 8. Tabla de componentes del diagrama de flujo 35 Tabla 9. Equipos, especificaciones y gráficos 38 Tabla 10. Rutinas de mantenimiento para máquina disolvedora 43 Tabla 11. Rutinas de mantenimiento para máquina cocedora 44 Tabla 12. Rutinas de mantenimiento para máquina amasadora 44 Tabla 13. Rutinas de mantenimiento para la máquina de bastonear 45 Tabla 14. Rutinas de mantenimiento para la máquina egalizadora 45 Tabla 15. Rutinas de mantenimiento para la máquina troqueladora 45 Tabla 16. Rutinas de mantenimiento para el túnel de enfriamiento 46 Tabla 17. Rutinas de mantenimiento para las máquinas empacadoras 46 Tabla 18. Rutinas de mantenimiento para la máquina embolsadora 47 Tabla 19. Selección eléctrica de máquinas 51 Tabla 20. Cálculos de vapor 52 Tabla 21. Cálculos del Valor Presente Neto (VPN) 54 Tabla 22. Cálculos de la Tasa Interna de Retorno (TIR) 54 Tabla 23. Cálculos del Punto de Equilibrio (PE) 55 Tabla 24. Cálculos para el primer año (PE) 55 IX LISTADO DE ILUSTRACIONES Ilustración 1. Disolvedora automática 16 Ilustración 2. Cámara presurizada y evaporador 17 Ilustración 3. Mesa de enfriamiento 18 Ilustración 4. Bastoneadora 19 Ilustración 5. Egalizador 19 Ilustración 6. Troqueladora 20 Ilustración 7. Embolsadora 22 X LISTADO DE FÓRMULAS Fórmula 1. Fórmula química de la sacarosa 11 Fórmula 2. Fórmula química de la glucosa 12 Fórmula 3. Fórmula química de la fructosa 13 Fórmula 4. Pérdida a través de las paredes 24 Fórmula 5. Transferencia de calor a través de las paredes 24 Fórmula 6. Carga de productos 25 Fórmula 7. Sección de cable 26 Fórmula 8. Factor de relleno 28 Fórmula 9. Calor a vapor 29 Fórmula 10. Cálculo de consumo de vapor 29 Fórmula 11. Cálculo sección de tuberías 30 Fórmula 12. Tasa mínima atractiva de retorno 30 Fórmula 13. Valor presente neto (VPN) 31 Fórmula 14. Tasa interna de retorno 31 Fórmula 15. Contribución a la ganancia 31 Fórmula 16. Punto de equilibrio 32 XI LISTADO DE DIAGRAMAS, PLANOS Y GRÁFICAS Diagrama 1. Diagrama de flujo 36 Plano 1. Planta de distribución de nuevas líneas de producción 53 Gráfica 1. Punto de equilibrio 56 Gráfica 2. Fases de ejecución del proyecto 57 XII RESUMEN La producción de dulce en Guatemala, es hoy en día uno de los más prósperos dentro de los productos no tradicionales de exportación; el mismo contribuye al desarrollo socioeconómico de las regiones productoras, a través de la generación de fuentes de trabajo en donde las áreas que son aptas para la producción se encuentran actualmente en una ubicación apropiada para la comercialización y competitividad en el mercado internacional, así como de las características del mercado local, especialmente en la región central de la República de Guatemala. Su impacto económico a nivel nacional es de singular importancia, puesto que contribuyen a un aumento sustancial del Producto Interno Bruto (PIB). Este trabajo pretende constituirse en una fuente de información para actualizar, ampliar y fortalecer los conocimientos de los técnicos, operarios, empresarios, estudiantes y todas aquellas personas que en forma directa o indirecta, tengan actividades relacionadas con la producción de productos alimenticios en el área de la confitería; además de proporcionarle al productor los conocimientos y técnicas de instalación, incluyendo la comercialización, para que de esta manera sea un complemento a otros trabajos efectuados a la fecha en productos no tradicionales de exportación. Se ha demostrado que la producción de dulce en Guatemala, es considerado como un producto rentable bajo prácticas de producción adecuadas. Su rentabilidad depende en gran parte de la cantidad y calidad producida para la exportación a los países demandantes del producto, los cuales exigen estándares elevados de calidad, cantidad y tiempo de entrega asegurados para su aceptación. A pesar de los esfuerzos de las entidades privadas para que los fabricantes incrementen la producción; tales esfuerzos no han reflejado los frutos esperados. Se considera que la productividad y eficiencia, podría aumentarse en forma significativa si, los productores complementaran las adecuadas prácticas productivas, con un buen manejo de variables y técnicas de producción y mercadeo de los productos y de esta manera reducir al máximo la cantidad de productos clasificados como rechazo. La rentabilidad de producción para caramelo de exportación en Guatemala, se determinó contando con la información básica de los costos de producción, utilizando técnicas de evaluación financiera tales como: Registros y costos de producción actualizados, cálculo del Punto de Equilibrio (PE), el Valor Actual Neto (VAN) y la Tasa Interna de Retorno (TIR). El Valor Actual Neto (VAN) muestra si la producción soporta una tasa del 10% para su aceptación. 1 I. INTRODUCCIÓN Es de conocimiento común, que todas las empresas productoras de caramelo, procuren constantemente su crecimiento y mejora en todos los procesos de producción y comercialización. Los proyectos de instalación y movimiento de maquinaria son bastante delicados y requieren de mucha atención en cada parte del diseño, para descubrir su perfecto punto de funcionalidad y éxito. Los pasos para el diseño de una instalación, dependen de su complejidad. Es aquí donde la Ingeniería Mecánica, como ciencia aplicada, establece varios criterios y procedimientos para el diseño de procesos productivos que contribuyan a la utilización óptima de los recursos de producción. La industria de confitería, al igual que la mayoría de industrias manufactureras, a través de la historia y principalmente en la actualidad, que se enfrenta una crisis económica debido al alza de los combustibles fósiles, inquiere la sustitución o implementación de nuevas técnicas o materiales para la disminución de los costos de producción. Aparta que, como toda industria que ofrece un producto al mercado, se ve comprometida a desarrollar e innovar productos nuevos, ya sea en cuestión de formulación de nuevos estilos, tipos de productos o puramente el mercadeo comercial. Otro aspecto importante a considerar, es el surgimiento y desarrollo de nuevas tecnologías; la automatización general de los procesos, tanto de manufactura como de extracción, es tema que representa una alta inversión inicial, la cual se traducirá en un ahorro considerable de gastos innecesarios y costos de producción elevados en lo que respecta a la mano de obra y control de variables en beneficio de la calidad o inocuidad del producto se refiere. En el caso específico de las industrias de confitería guatemaltecas, a groso modo, se puede definir que: En la fabricación de caramelos se suelen usar como materias primas el azúcar, la glucosa y el agua, que se combinan en las proporciones adecuadas para generar un jarbe, luego se somete a una evaporación con vacío, que produce la eliminación del agua presente en el jarabe cocido, quedando una pasta de caramelo que puede ser moldeada en diferentes formas. Se puede inferir que los caramelos son soluciones de azúcares transformadas por una viscosidad muy fuerte, en una estructura vítrea. Son productos de una masa de azúcar cristalizada de alta concentración. A su vez se puede mencionar un sin fin de equipo especializado en la fabricación del caramelo, tales como disolvedoras, cocedoras, amasadoras, bastoneadoras, egalizadores, troqueladores, túneles de enfriamiento, empacadoras, entre otras, que combinadas crean una línea de producción. 2 Este trabajo de investigación, fue desarrollado en la Industria Procesadora de Guatemala, Sociedad Anónima -NIASA-, en la República de Guatemala, Centroamérica, en el periodo de producción 2,008 a 2009. El presente trabajo de tesis, se enfoca al diseño de tres líneas para la fabricación de dulce duro y dulce paleta; este tipo de proyectos tiene gran importancia en el contexto de nuestro país, ya que se atraviesa actualmente por una alta tasa de desempleo a nivel operativo y con el montaje de cualquier planta de manufactura se generan empleos directos e indirectos, por lo consiguiente, un crecimiento económico. Uno de los objetivos de este trabajo de investigación, es el de aplicar los conocimientos aprendidos a lo largo de la carrera de Ingeniería Mecánica en el diseño de las líneas de fabricación de golosinas, que maneje conceptos de manufactura de clase mundial, menores tiempos de trabajo, diagrama de flujos adecuado, entre otros; y con estas herramientas lograr una alta eficiencia que permita la competitividad ante un mercado globalizado. Este tipo de estudios de diseño, es importante para el ejercicio en diferentes ramas de la ciencia, específicamente en las matemáticas como ciencia exacta básica en ingeniería. En los estudios y prácticas de la ingeniería mecánica, se utilizan numerosos conceptos sobre diferentes áreas y en las aplicaciones reales, es una miscelánea del conjunto de conocimientos adquiridos, pero influye el criterio de la persona. Entre los beneficios para la sociedad se puede mencionar: la generación de empleos, el desarrollo de la industria, y a través de ello, una mejor calidad de vida para los guatemaltecos. Para las empresas, son oportunidades de operaciones continuas de procesos bien definidos logrando con ello la eficiencia en la producción. 3 II. OBJETIVOS A. General Diseñar tres líneas de producción para la fabricación de dulces y determinar el nivel de operaciones necesarias para cubrir todos los costos operativos y asociados a diversos niveles de ventas y evaluar la rentabilidad derivada de los costos de producción e ingresos de las tres líneas de producción por medio de análisis financiero. B. Específicos  Conocer la línea de producción de la empresa y sus resultados en el periodo de 2 años.  Diseñar tres líneas de producción para la empresa, que sean funcionales, seguras y productivas  Determinar la aceptabilidad financiera de la producción por medio cálculos financieros el Valor Actual Neto y el Punto de Equilibrio con datos e un periodo de dos años; 2008-2009. 4 III. JUSTIFICACIÓN Las líneas de producción para la fabricación de dulces duros y dulces paleta deben contar con estudios técnicos y financieros para evaluar la competitividad de las empresas. Para lograr sus expectativas deben contar con mecanismos de evaluación periódica, tanto de sus instalaciones, maquinaria, equipos y funcionamiento. Al no contar con las evaluaciones, las empresas no producen lo esperado, por lo que se deben encontrar alternativas de diseño de las líneas de producción, las cuales deben contar con un estudio de evaluación financiera de la producción, para determinar si el nivel de operaciones cubren los costos operativos y asociados a diversos niveles de ventas y la rentabilidad derivada de los costos de producción e ingresos con el objeto de maximizar recursos humanos y de infraestructura. 5 IV. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA En Guatemala, la industria de confitería se basa en producción artesanal y producción industrial. Las industrias artesanales basan su producción en la mano de obra familiar, equipos e instrumentos acondicionados para la producción y no llenan los requisitos básicos para cumplir con estándares que demanda el mercado internacional de confitería. En la producción industrial es necesario contar con mano de obra calificada y maquinaria industrial moderna y que cumpla con las expectativas de las empresas para competir en el mercado nacional e internacional, con costos de operación que permitan un margen de utilidad adecuado. Las líneas de producción para la fabricación de dulces no producen lo esperado, debido en parte a que no efectúan estudios técnicos periódicos de la eficiencia de los equipos y la evaluación financiera de la producción, para determinar el nivel de operaciones necesarias para cubrir todos los costos operativos y asociados a diversos niveles de ventas y evaluar la rentabilidad derivada de los costos de producción e ingresos. A. Delimitación del problema La investigación, se limita a la industria de confitería localizada en la zona industrial en las zona 8 del departamento de Guatemala, específicamente a la Industria Procesadora de Guatemala, Sociedad Anónima -NIASA-. No se contempla la construcción de un prototipo, ni el montaje y operación del mismo. El sistema de producción propuesto se enfoca únicamente en las etapas de cocción, troquelado y empaque de los caramelos. B. Conceptual El presente estudio está dirigido a Empresas de la industria guatemalteca, dedicadas a la producción comercial de confitería, específicamente en presentaciones de dulce duro y dulce paleta para mercado local e internacional. C. Geográfico El presente trabajo de investigación, se realizó en la República de Guatemala, Centroamérica, específicamente en la Industria Procesadora de Guatemala, Sociedad Anónima -NIASA- localizada en la zona 12 en la ciudad de Guatemala. 6 D. Temporal El estudio de diseño de tres líneas de producción para la fabricación de dulce duro y dulce paleta es de dos años de producción; 2,008-2,009. E. Técnico La investigación está dirigida a una empresa industrial productora de dulce duro y dulce paleta en la que su producción oscila entre 25,000 a 35,000 toneladas anuales, que genera fuentes de trabajo a más de 200 personas y su capacidad instalada es menor a 7,000 metros 2 . Utilizando como equipos en su línea de producción: Marmita disolverá automática, cámara presurizada y evaporador, mesa de enfriamiento y amasado, bastonera, egalizador, túnel de enfriamiento, empacadora y embolsadora, además de equipos auxiliares a la línea de producción como: compresores, secador de condensado, caldera y aire acondicionado. La Industria Procesadora de Guatemala, Sociedad Anónima -NIASA-, fue constituida en el año 1,985 con la idea principal de sus fundadores, de ofrecer al mercado guatemalteco golosinas de la más alta calidad, con la intención de producir para los mercados de exportación a través de un proceso productivo eficiente. Al inicio de operaciones el mismo año de constitución fabricando el Chicle Bazooka, bajo licencia de Toops Company y su exitoso resultado motivo a su diversificación en otra clase de chicles, caramelos duros, paletas y galletas. Es una empresa dedicada a la manufactura de productos alimenticios en el área de la confitería (gomas de mascar, galletas dulces, duros, paletas y bombones). Con una fuerza laboral de 215 personas, una moderna planta con superficie techada de 5,500 metros 2 y una capacidad instalada de aproximadamente 30,000 toneladas anuales de productos. Atiende el mercado local y exporta a Centroamérica, El Caribe, México y Venezuela. 14. Como empresa, -NIASA-, busca elaborar productos de confitería, con alta calidad y enviarlos a cada rincón de Guatemala, así como en Centroamérica, El Caribe y otros países del mundo. Para lograrlo cuenta con personal calificado y motivado, así como la renovación tecnológica de sus procesos de manufactura. Con precio y calidad competitiva para satisfacer las demandas de sus clientes y con el compromiso del mejoramiento continuo, busca una rentabilidad adecuada para sus accionistas y el bienestar de sus empleados. 14. La tendencia de Industria Procesadora de Guatemala, Sociedad Anónima -NIASA-, es llegar a ser una empresa de las mejores en la rama de la confitería, ofreciendo a los clientes productos de alta calidad a precios altamente competitivos. 14. 7 V. MARCO TEÓRICO A. Descripción de la empresa La Industria Procesadora de Guatemala, Sociedad Anónima -NIASA-, fue constituida en el año 1,985 con la idea principal de sus fundadores, de ofrecer al mercado guatemalteco golosinas de la más alta calidad, con la intención de producir para los mercados de exportación a través de un proceso productivo eficiente. Al inicio de operaciones el mismo año de constitución fabricando el Chicle Bazooka, bajo licencia de Toops Company y su exitoso resultado motivo a su diversificación en otra clase de chicles, caramelos duros, paletas y galletas. Es una empresa dedicada a la manufactura de productos alimenticios en el área de la confitería (gomas de mascar, galletas dulces, duros, paletas y bombones). Con una fuerza laboral de 215 personas, una moderna planta con superficie techada de 5,500 metros cuadrados y una capacidad instalada de aproximadamente 30,000 toneladas anuales de productos. Atiende el mercado local y exporta a Centroamérica, El Caribe, México y Venezuela. 14. Como empresa, -NIASA-, busca elaborar productos de confitería, con alta calidad y enviarlos a cada rincón de Guatemala, así como en Centroamérica, El Caribe y otros países del mundo. Para lograrlo cuenta con personal calificado y motivado, así como la renovación tecnológica de sus procesos de manufactura. Con precio y calidad competitiva para satisfacer las demandas de sus clientes y con el compromiso del mejoramiento continuo, busca una rentabilidad adecuada para sus accionistas y el bienestar de sus empleados. 14. La tendencia de Industria Procesadora de Guatemala, Sociedad Anónima -NIASA-, es llegar a ser una empresa de las mejores en la rama de la confitería, ofreciendo a los clientes productos de alta calidad a precios altamente competitivos. 14. En la fabricación industrial de caramelos, se suelen usar como materias primas azúcar 1 , glucosa 2 , agua, saborizantes y colorantes, que se combinan en las proporciones específicas y en distintas etapas del proceso. El proceso inicia con la combinación de la azúcar, glucosa 1 Se denomina azúcar a la sacarosa, cuya fórmula química es C12H22O11,también llamada azúcar común o azúcar de mesa. La sacarosa es un disacárido formado por una molécula de glucosa y una de fructosa, que se obtiene principalmente de la caña de azúcar o de la remolacha azucarera. 2 La glucosa es un monosacárido con fórmula empírica C6H12O6, que aparentemente se asemeja a la fructosa pero con diferente posición relativa de los grupos -OH y O=. Es una hexosa, es decir, que contiene 6 átomos de carbono, y es una aldosa, esto es, el grupo carbonilo está en el extremo de la molécula. Es una forma de azúcar que se encuentra libre en las frutas y en la miel. http://es.wikipedia.org/wiki/Sacarosa http://es.wikipedia.org/wiki/Carbono http://es.wikipedia.org/wiki/Hidr%C3%B3geno http://es.wikipedia.org/wiki/Ox%C3%ADgeno http://es.wikipedia.org/wiki/Disac%C3%A1rido http://es.wikipedia.org/wiki/Glucosa http://es.wikipedia.org/wiki/Fructosa http://es.wikipedia.org/wiki/Ca%C3%B1a_de_az%C3%BAcar http://es.wikipedia.org/wiki/Remolacha_azucarera http://es.wikipedia.org/wiki/Monosac%C3%A1rido http://es.wikipedia.org/wiki/F%C3%B3rmula_emp%C3%ADrica http://es.wikipedia.org/wiki/Carbono http://es.wikipedia.org/wiki/Hidr%C3%B3geno http://es.wikipedia.org/wiki/Ox%C3%ADgeno http://es.wikipedia.org/wiki/Fructosa http://es.wikipedia.org/wiki/Hidroxilo http://es.wikipedia.org/wiki/Carbonilo http://es.wikipedia.org/wiki/Hexosa http://es.wikipedia.org/wiki/Aldosa http://es.wikipedia.org/wiki/Carbonilo http://es.wikipedia.org/wiki/Az%C3%BAcar http://es.wikipedia.org/wiki/Fruta http://es.wikipedia.org/wiki/Miel 8 promedio de 60 rpm y 110º C hasta que se alcance un ºBrix 1 entre 69º a 72° y que no presente grumos de azúcar dentro de la miel; el tiempo aproximado de esta etapa es de 10 minutos. Posteriormente el jarabe se cuece en una cocedora con una temperatura entre 136º - 140º C, en donde automáticamente comienza el efecto de Vacío aproximado de 18 a 22 in. Hg. Durante esta etapa ocurre una evaporación rápida, eliminando el agua presente en el jarabe cocido, quedando como resultado una pasta de caramelo que puede ser moldeada en diferentes formas. Para homogenizar la mezcla obtenida de la cocedora se traslada la pasta de caramelo a unos disipadores de calor en donde es amasada en conjunto con el saborizante y colorante. Cuando la mezcla haya sido lo suficientemente manipulada y homogénea, manteniendo una consistencia vítrea, maleable pero a su vez dura, puede ser trasladada hacia las bastoneras, las cuales deben estar a una temperatura de 80º a 90º C, para ser troquelada en la forma correspondiente. De la troqueladora, es ingresada a túneles de enfriamiento con aire forzado en donde el enfriamiento ulterior provoca la cristalización de la masa, formando el caramelo propiamente dicho al conferirle rigidez que lo hace apto para su empaquetado primario y posterior embolsado. 5. B. Fabricación industrial de caramelos En la fabricación industrial de caramelos, se suelen utilizar como materias primas: azúcar 2 , glucosa 3 , agua, saborizantes y colorantes, que se combinan en las proporciones específicas y en distintas etapas del proceso. El proceso inicia con la combinación del azúcar, glucosa y agua para generar un jarabe (almíbar) en una marmita con un agitador a velocidad promedio de 60 rpm y una temperatura de 110° C. hasta que se alcance un grado Brix entre 69° a 72° y que no presente grumos de azúcar dentro de la miel, el tiempo aproximado de esta etapa es de 10 minutos. Posteriormente el jarabe se cuece en una cocedora con una temperatura entre 136° y 140° C, en donde automáticamente se inicia el efecto vacío aproximado de 18 a 22 pulgadas Hg. Durante esta etapa ocurre una evaporación rápida, eliminando el agua presente en el jarbe cocido, quedando como resultado una pasta de caramelo que puede ser moldeada en diferentes formas. Para homogenizar la mezcla obtenida de la cocedora, se traslada la pasta de caramelo a disipadores de calor en donde es amasada en conjunto con el saborizante y colorante. 1 Los grados Brix (símbolo °Bx) miden el cociente total de sacarosa disuelta en un líquido. Una solución de 25 °Bx tiene 25 g de azúcar (sacarosa) por 100 g de líquido o, dicho de otro modo, hay 25 g de sacarosa y 75 g de agua en los 100 g de la solución. 2 Se denomina azúcar a la sacarosa, cuya fórmula química es C12H12O11, también llamada azúcar común o azúcar de mesa. La sacarosa es un disacárido formado por una molécula de glucosa y una de fructosa, que se obtiene principalmente de la caña de azúcar (Saccharum officinalis) o de la remolacha azucarera (Beta vulgaris) 3 La glucosa es un monosacárido con formula empírica C6H12O6, que aparentemente se asemeja a la fructosa, pero con diferente posición relativa de los grupos -OH y O=. Es una hexosa, es decir, que contiene 6 átomos de carbono, y es una aldosa, esto es, el grupo carbonilo está en el extremo de la molécula. Es una forma de azúcar que se encuentra libre en las frutas y en la mie. 9 Cuando la mezcla haya sido lo suficientemente maleable y homogénea, manteniendo una consistencia vítrea, maleable, pero a la vez dura, puede ser trasladada hacia las bastoneras, las cuales deben estar a una temperatura entre 80 a 90° C; para ser troquelada en la forma correspondiente. De la troqueladora, es ingresada a túneles de enfriamiento con aire forzado en donde el enfriamiento ulterior provoca la cristalización de la masa, formado el caramelo propiamente dicho al conferirle rigidez que lo hace apto para su empaquetado primario y posterior embolsado. 5. C. Dulce duro tipo caramelo Los caramelos son soluciones de azúcares transformados por una viscosidad muy fuerte, en una estructura vítrea. Son productos de una masa de azúcar cristalizada de alta concentración, compuesta principalmente de azúcar (sacarosa), glucosa, sabores y colores. El dulce denominado bola dura (Hard-Crack Stage) es aquel que se trabaja hasta una temperatura de 154° C, con una concentración correspondiente de 99% donde prácticamente no habrá agua en la mezcla. El azúcar (sacarosa) en los confites puede estar cristalizado y, en este caso, los cristales pueden ser grandes o pequeños; o bien, puede no estar cristalizado, siendo amorfo o vidrioso; que esté cristalizado o no, la estructura del azúcar conlleva a que puede estar blanda o dura; la blandura es propiciada por un alto nivel de humedad, la incorporación de aire lograda mediante la agitación y/o batido, y por modificaciones debidas a otros ingredientes del producto. La presencia de un soluto en un líquido, hace que aumente su punto de ebullición, y por eso cuando más porcentaje de azúcar haya disuelto, más aumentara la temperatura de ebullición. Pero cuando se calienta la mezcla, el agua hierve y se evapora, y por tanto aumenta a la concentración de azúcar: esto hace que aumente más el punto de ebullición de la mezcla. Esta relación es predecible, y llevando la mezcla a una temperatura en concreto, se consigue la concentración de azúcar deseada. En general, a temperaturas más altas (mayor concentración de azúcar) quedan caramelos más duros y rígidos, mientras que las temperaturas más bajas producen caramelos más suaves. 9. Los dulces que contiene azúcar en forma no cristalizada como los caramelos en los que se encuentra en estado amorfo, vidrioso y que son duros, contiene humedad de 2% o menos. 10 D. Miel, jarabe y almíbar Los jarbes son líquidos de consistencia viscosa que por lo general contienen soluciones concentradas de azucares, como la sacarosa, en agua o en otro líquido. En la industria de la confitería se le denomina almíbar, que es una solución sobresaturada de agua y azúcar, cocida hasta que comienza a espesar. La consistencia, que va desde un líquido apenas viscoso a un caramelo duro y quebradizo, depende de la saturación de azúcar en el agua y del tiempo de cocción. Referencia 5. E. Cristalización La operación de cristalización es aquella por medio de la cual se separa un componente de una solución liquida, transfiriéndolo a la fase sólida en forma de cristales que precipitan. Es una operación necesaria en todo producto químico que se presenta comercialmente en forma de polvos o cristales, ya sea el azúcar o sacarosa, la sal común o cloruro de sodio. Para poder ser transferido a la fase sólida, es decir, cristalizar un soluto cualquiera debe eliminar su calor latente o entalpia de fusión, por lo que el estado cristalino además de ser el paso más puro, es el de menor nivel energético de los tres estados físicos de la materia, en el que las molecular permanecen inmóviles unas respecto a otras, formando estructuras en el espacio, con la misma geometría, sin importar la dimensión del cristal. La cristalización a partir de una solución, es un ejemplo de la creación de una nueva fase dentro de una mezcla homogénea. El proceso tiene lugar en dos etapas. La primera de ellas consiste en la formación del cristal y recibe el nombre de nucleación. La segunda corresponde al crecimiento del cristal. El potencial impulsor de ambas etapas es la sobresaturación, de forma que ni la nucleación en el crecimiento tendrá lugar en una solución saturada o insaturada. 8. F. Materias primas a utilizar 1. Azúcar: Se denomina azúcar a la sacarosa, la cual es un disacárido formado por una molécula de glucosa y una de fructosa que se obtiene principalmente de la caña de azúcar 4 o de la remolacha azucarera 5 . En ámbitos industriales se usa la palabra azúcar para designar los diferentes monosacáridos y disacáridos. Los azucares monosacáridos como la glucosa y fructosa, se condensan para formar sacarosa y agua. Por lo tanto, la sacarosa tiene la formula empírica C12H22O11, y un peso molecular de 342.3 Los cristales de sacarosa son prismas monoclínicos que tienen una densidad de 1.588; una solución al 26% (p/p) y tiene una densidad de 1.18175 a 20° C. y activa su rotación especifica (alfa)D 20+66.53 4 Saccharum officinalis 5 Beta vulgaris 11 cuando se utiliza un peso normal. Su punto de fusión es de 188° C y se descompone al fundirse. El índice de refracción es de 1.3740 para una solución de 26% (p/p). La sacarosa es soluble tanto en agua como en etanol; es solo ligeramente soluble en metanol e insoluble en éter o cloroformo. Cuando se hidroliza, ya sea mediante acido o invertida, la sacarosa produce cantidades equimolares de glucosa y fructosa, y la mezcla se conoce como invertida. Sin embargo, estos azucares no se presentan siempre en cantidades iguales en el guarapo crudo. A pesar de que la sacarosa es dextrógira, y esta característica se utiliza para medir la cantidad de sacarosa en solución, la rotación especifica de la invertida es de (alfa)D 20-39.7 debido a que la actividad levógira de la fructosa es mayor a la actividad dextrógira de la glucosa. El azúcar o sacarosa, es el elemento en mayor proporción, regularmente, en la elaboración de jarabe o sirope, en donde se satura para producir el efecto edulcorante y la estructura vítrea en el caramelo duro. La sacarosa solamente puede hidrolizarse mediante la acción de ácidos y enzimas, en sus 2 monosacárido, glucosa y fructosa. En la industria confitera se refiera a la glucosa como dextrosa y a la fructosa como levulosa, la mezcla hidrolizada de dextrosa y levulosa se llama Azúcar invertido. 18. Fórmula 1: Fórmula química de la sacarosa Fuente: Paniagua L. Una de las principales razones de la importancia de esta azúcar invertida, es que puede prevenir o ayudar a controlar el grado de cristalización de la sacarosa por dos causas:  Tanto la dextrosa como la levulosa se cristalizan más lentamente que la sustitución de una parte de la sacarosa por Azúcar invertido, disminuye la cristalización rápida durante el enfriamiento de los jarabes.  La mezcla de sacarosa + Azúcar invertido, es más soluble en agua que la sacarosa sola. El aumento de la solubilidad equivale a una disminución de la cristalización. El Azúcar invertido no solo limita el grado de cristalización de la sacarosa, sino que propicia la formación de cristales pequeños, esenciales a una textura suave. Otra propiedad del Azúcar invertido es la microscopicidad, que ayuda a prevenir que los dulces más 12 chiclosos se resequen y se pongan quebradizos, además influye en la dulzura del producto al aumenta el poder edulcorante. 16. 2. Azúcares no cristalizables (Glucosa y Fructosa) a. Glucosa (Dextrosa): La glucosa dextrosa es metabólicamente el azúcar más importante en las plantas verdes y los animales, y su amplia distribución tanto en el reino vegetal como en el animal está indicada por sinónimos como azúcar de maíz, azúcar de uva y azúcar de la sangre. La fórmula empírica de la glucosa es C6H12O6 y el peso molecular es 180.2. Los cristales anhidros de glucosa son rómbicos, se funden a 146°C y tienen una densidad de 1.544; en una solución de 26%, tiene una densidad de 1-10643. El monohidrato de glucosa produce un cristal monoclínico esfenoidal, un extremo del cual se disuelve con mucha rapidez que el otro; se funde a 83°C. La glucosa es menos soluble en agua que la sacarosa. Es soluble en etanol e insoluble en éter. Las moléculas de glucosa se condensan en diferentes maneras para formar almidón, dextrama y celulosa. Fórmula 2: Fórmula química de la glucosa Fuente: Paniagua L. La glucosa produce, en la elaboración de caramelo duro, el efecto de cristalinidad y ayuda a retardar el efecto de cristalización de la sacarosa, actuando como inhibidor y retardante de las reacciones de inversión. 18. El jarabe de glucosa es un producto que se extrae de la hidrolisis de almidón en medio acido. Es una mezcla de diferentes azucares de cadenas carbonatadas más o menos extensa. El almidón es un polisacárido que tiene una formula general (C6H10O3)n; en donde “n” indica que existe un gran número de unidades con la formula entre paréntesis en una molécula de almidón. b. Fructosa (levulosa): Llamada también azúcar de frutas, la fructosa es más dulce que la sacarosa y la glucosa; de las tres es la menos abundante en la caña de azúcar (Sacharum officinalis). A semejanza de la glucosa, es más abundante en las partes en crecimiento de la planta y menos abundante en la parte inferior del tallo y las raíces. 13 Fórmula 3: Fórmula química de la fructosa Fuente: Paniagua L. La fórmula empírica de la fructosa es la misma que la glucosa (C6H12O6) y el peso molecular el mismo. Los cristales ortorrómbicos de fructosa tienen una densidad de 1.598 y una solución al 26% (p/p) tiene una densidad de 1.1088. Los cristales se funden a 105°C. La fructosa es muy soluble en agua y ligeramente soluble en etanol. La deshidratación de la fructosa, en la degradación de azucares en el momento de cocer la miel para la formación de caramelos duros, produce Hidróximetilfurfural, alterando el color y produciendo olores y sabores extraños. 16. 3. Saborizantes: Los saborizantes son preparados de sustancias que contienen los principios sápido-aromáticos, extraídos de la naturaleza (vegetal) o sustancias artificiales, de uso permitido en términos legales, capaces de actuar sobre los sentidos del gusto y del olfato, pero no exclusivamente, ya sea para reforzar el propio (inherente del alimento) o transmitiéndole un sabor y/o aroma determinado, con el fin de hacerlo más apetitoso, pero no necesariamente con este fin. Suelen ser productos en estado líquido, en polvo o pasta, que pueden definirse, en otros términos a los ya mencionados, como concentrados de sustancias. Existen varios tipos:  Naturales: Son obtenidos de fuentes naturales y por lo general son de uso exclusivamente alimenticio por métodos físicos tales como extracción, destilación y concentración.  Sintéticos: Elaborados químicamente que reproducen las características de los encontrados en la naturaleza.  Artificiales: Obtenidos mediante procesos químicos, que aún no se han identificado productos similares en la naturaleza. Son productos clasificados como inocuos para la salud. 1. 14 G. Proceso clásico y propiedades de la elaboración de la miel y el caramelo duro Los caramelos son soluciones de azúcares transformados por una viscosidad muy fuerte, en una estructura vítrea. Son productos de una masa de azúcar cristalizada de alta concentración, compuesta principalmente de azúcar (sacarosa), glucosa, sabores y colores. La capacidad del azúcar en disolverse depende de la temperatura de la marmita donde se mezclará con el resto de ingredientes, de la granulometría del azúcar, de la velocidad de agitación y de los minerales que contenga. Se ha comprobado que a mayor aumento de temperatura, el azúcar se disolverá con mayor facilidad hasta llegar al punto de saturación. La Presencia de glucosa en la mezcla (agua-azúcar) disminuye la solubilidad. Los jarabes o mieles de baja DE (Dextrosa Equivalente) permiten obtener y mantener esta estructura aumentado e impidiendo la cristalización de la sacarosa (inhibidor de la cristalización). Aumentan igualmente el tiempo de conservación de los productos limitando que se humedezcan gracias a su débil higrospícidad. Para mantener el estado vítreo del dulce es necesario elaborar el jarabe a temperaturas inferiores a 110º C, pero de igual forma, para evitar la caramelización del jarabe, que comienza a 140º C – 145º C, se utiliza la ebullición al vacío. La temperatura de ebullición de la miel depende de la presión que ejerce el aire, esto quiere decir, que a mayor altura de elaboración, menor será la temperatura requerida. 18. El proceso de elaboración del caramelo duro comienza con vapor a 75 a 100 psi, utilizado para la preparación del jarabe en una marmita a velocidad promedio de 60 rpm y 110º C. Este jarabe, o miel, cuenta con una formulación especifica entre la relación azúcar- agua-glucosa. Poco a poco la miel se irá concentrando y cocinando hasta que el jarabe se encuentre en el estándar de ºBrix (normalmente entre 69º a 72º) y que no se encuentren grumos de azúcar dentro de la miel. Este jarabe se coloca dentro de la cocedora hasta que llegue al rango de 136º - 140º C, en donde automáticamente comienza el efecto de Vacío (aproximadamente de 18 a 22 in. Hg. controlado en el vacuometro) con el fin de evaporar toda el agua posible sin que la mezcla pierda las características de color y sabor. La mezcla concentrada empieza a descender por un cono, manejado por una llave de paso entre la cámara de vacío y la cocinadora, que lentamente va dejando caer la miel concentrada por las paredes de la cocedora. En el momento en que ya no hay más mezcla que descienda, ni agua que pueda evaporarse, se pierde el vacío, por lo que se vierte la mezcla en el carrito transportador, para luego ser trasladada hacia la mesa de amasado con el fin de enfriarla gradualmente y de agregarle el resto de ingredientes propios de cada mezcla (acido, sabor, color, suavizantes, preservantes, etc.). Cuando la mezcla haya sido lo suficientemente manipulada y homogénea, manteniendo una consistencia vítrea, maleable pero dura, puede 15 ser trasladada hacia las bastoneras, las cuales deben estar a una temperatura de 80º a 90º C, para ser troquelada y empacada en la presentación correspondiente. 18. Es preciso, controlar, durante todo el proceso, los parámetros de temperatura, presión y humedad, para obtener una mezcla ideal, y mantener estas variables lo más constantes posibles, de manera que todos los lotes salgan lo más semejantes posibles. Al finalizar la producción, es necesario medir la humedad del producto y hacer un análisis de procesos, verificando la eficiencia de la producción. 18. H. Equipo de la línea de proceso Se conforma por nueve equipos para completar la línea de proceso: 1. Marmita Disolvedora Automática: El objetivo de este equipo, es el dosificar las distintas materias primas, que compondrán la miel final para el dulce, ésta cuenta con una conexión de vapor, una conexión para eliminar el agua condensada debido al diferencial de temperatura ocasionado por la transferencia de calor dentro del sistema de propagación de calor, también posee una conexión para la alimentación de glucosa, de azúcar y agua. El vapor es quien suministrara la energía necesaria para el precalentamiento utilizado en la dilución de los componentes, así como la energía requerida para un pre cocimiento de la miel. Dentro del proceso al alimentar, tanto el agua, el azúcar y la glucosa en el orden respectivo, el equipo se encarga de un mezclado uniforme en toda la solución, hasta homogenizarla lo mejor posible. El diseño de la máquina es bastante simple, cuenta con un motor de 2 Hp de potencia, conexión delta trifásico 6 y un voltaje de 240 voltios; acoplado a un tren de engranajes para obtener la velocidad necesaria de trabajo requerida por el aspa con que se realiza en mezclado de la materia prima. El recipiente donde se realiza el mezclado es una olla de doble pared de bronce en donde circula el vapor que trasmite el calor necesario para realizar el precalentamiento y el pre cocimiento de la miel, para esto es necesario contar con un caudal de vapor de 608 Lb/hr. 4. 6 Un sistema de corrientes trifásicas, es el conjunto de tres corrientes alternas monofásicas de igual frecuencia y amplitud (y por consiguiente, valor eficaz) que presentan una cierta diferencia de fase entre ellas, en torno a 120°, y están dadas en un orden determinado. 16 Ilustración 1: Disolvedora automática 2. Cámara presurizada y evaporador (Cocedora): Mediante una bomba de pistón, el jarabe es introducido en una cámara presurizada de vapor en el interior de la cual hay un serpentín de acero inoxidable sanitario, chapa 304. Al interior de la cámara se le aplica una presión de vapor aproximadamente de 5 a 6 bares para conseguir la cocción del caramelo a una temperatura de 140°C. Ésta se regula a través de un sistema de control que abre el paso del vapor mediante una electroválvula en función de la consigna de temperatura que se haya fijado al control de la temperatura. Una vez sale la masa de caramelo del serpentín, pasa a la cámara de expansión donde se evaporan todos los gases producidos durante la cocción (mayoritariamente, agua) y estos son expulsados a la atmosfera a través de la chimenea. Dentro de esta cámara hay un sistema de abertura llamado, válvula de aguja, la cual tiene la función de regular la cantidad de jarabe que cae de la cámara siguiente, la de vacío. El operador abre y cierra esta aguja para conseguir un mayor o menor vacío dentro de esta cámara y se cierra automáticamente cuando se deja de hacer vacío y así evitar que el jarabe siga cayendo. Esta cámara de vacío tiene la función de realizar la evaporación del agua que todavía resta en la masa del caramelo y que no ha sido posible extraer en la cámara de expansión. Los líquidos sometidos a una presión reducida provocan un punto de ebullición más bajo, esto se aprovecha para seguir extrayendo agua del caramelo a una temperatura menor a la cocción. Durante este proceso, transcurren alrededor de cinco minutos en donde al final la masa ya se puede retirar de la cámara de vacío, depositándola del perol a una mesa de enfriamiento en donde se le añadirá el aroma y los ácidos para conseguir el gusto del caramelo especificado por producción. El funcionamiento de esta máquina se da por medio de un mecanismo de sproket o cadena, accionado por el trabajo que realiza un motor eléctrico de 2 Hp acoplado a una caja reductora para cruzar la trasmisión 90°. Los sprokets tienen una relación de 3:1 con el diámetro menor del lado del motor y el diámetro mayor acoplado al conjunto de los componentes en movimiento. Para producir el vacío en la cámara de expansión se utiliza una bomba de vacío que extrae las 17 moléculas de agua para expulsarlas a la atmosfera, para esto se utiliza un motor eléctrico trifásico, con una potencia de 25 Hp y un voltaje de 240 voltios; acoplado a la bomba por medio de un acople love jove lineal 7 . Para realizar el cocimiento final dentro del serpentín de acero inoxidable, es necesario tener un flujo de vapor de 750 Lb/hr. Referencia 3. Ilustración 2: Cámara presurizada y evaporador 3. Mesa de enfriamiento y amasado: La masa de caramelo es trasladada manualmente del perol a las mesas de refrigeración, las cuales se encuentran localizadas por debajo de la altura de volteo del perol para una fácil operación. Estas mesas de enfriamiento constan de una plancha de hierro fundido con un espesor de una pulgada, la cual posee instalado en la parte inferior un sistema de tuberías en donde circula de manera continua el agua de pozo. Esta agua es enfriada por medio de un equipo de refrigeración para que el proceso ceda el calor bajando su temperatura, durante el paso del agua. El sistema de enfriamiento es una unidad enfriadora de líquidos tipo chiller 8 ; la cual para enfriar el agua incorpora el uso de una torre de enfriamiento la cual mejora la termodinámica de los equipos compuestos únicamente por condensadores, manejadoras y compresores. Este equipo cuenta además de la torre de enfriamiento con un compresor, un condensador, un evaporador, una válvula de expansión, refrigerante, tuberías, una bomba de impulsión de agua, depósito de agua y todos sus componentes de control. El chiller básicamente opera como lo indica el ciclo de Carnot 9 . Es exactamente en ese lugar en donde se produce el enfriamiento propiamente dicho del agua. Ahora el agua sigue el camino al proceso por el circuito y el refrigerante en estado de vapor es comprimido por un compresor frigorífico obligándolo a seguir el circuito de refrigeración. Seguidamente, el refrigerante, en estado de 7 Sistema de acoplamiento lineal. 8 Equipo de enfriamiento a base de líquido. 9 Un fluido refrigerante en estado líquido se fuerza a experimentar su evaporación debido a una baja de presión en el evaporador, donde además toma calor del agua con la que indirectamente se pone en contacto. 18 vapor, ingresa al condensador adonde se convierte al estado líquido, liberando el calor que sustrajo en el evaporador. 5., 28. Dentro de las mesas de enfriamiento y para aprovechar el descenso de la temperatura de la mezcla, se encuentran las amasadoras, las cuales su objetivo primordial es el homogenizar la mezcla al ser combinada con el colorante, aroma y ácidos. Esta máquina cuenta con un sistema mecánico de sproket y cadena, accionado por un motor eléctrico de 15 Hp, conexión delta trifásico y un voltaje de 240 voltios. 5. Ilustración 3: Mesa de enfriamiento 4. Bastoneadora: Al permanecer un tiempo máximo de cinco minutos en las mesas de enfriamiento y amasado, la masa es trasladada directamente a la bastonera. Aquí la masa continúa enfriándose lentamente hasta una temperatura en donde pueda ser moldeable, pero que a su vez va a principiar a presentar dureza. Mientras ocurre este fenómeno la masa comienza a tomar una forma cónica para convertirla en un cordón que será ingresado al egalizador. Para poder realizar este fenómeno, la maquina cuenta con cuatro bastones en forma de conos que son calentados por medio de un flujo pequeño de vapor (40 Lb/hr.) en comparación con los flujos utilizados en las otras maquinarias descritas anteriormente, y en otros casos con dos resistencias eléctricas de 1000 watts cada una. Este equipo cuenta con dos sistemas de mecánicos de polea y faja accionados por dos motores de distintas capacidades. El sistema principal es accionado por un motor eléctrico de 1 Hp, conexión delta trifásico y una corriente de 240 voltios; es utilizado para accionar el movimiento circular de los bastones que se encuentran dentro de una cámara cónica. El otro sistema mecánico accionado por un motor eléctrico de ¾ Hp, conexión delta trifásico y un voltaje de 24 voltios y es utilizado para elevar una cámara cónica donde se encuentran los bastones cónicos. Esto tiene la función de forzar el movimiento de la masa del caramelo a través de la cámara. 5. 19 Ilustración 4: Bastoneadora 5. Egalizador: Durante el proceso, el cordón compuesto por la masa del caramelo y formado por el bastoneador, inicia una disminución de diámetro como consecuencia de ser introducido a varias secciones de rodos egalizadores de bronce. Estos cumplen un papel importante en el peso del caramelo, ya que estos son los únicos encargados de la calibración del espesor del cordón. La sección de rodos egalizadores está compuesta por cuatro rodos egalizadores y para disminuir el esfuerzo, estos llevan una resistencia eléctrica de 450 watts y de esta manera tener un proceso con el menor desgaste posible en las piezas de la máquina. El funcionamiento mecánico se da por medio de un motor eléctrico de 1.5 Hp, conexión delta trifásico y un voltaje de 240 voltios, que impulsa un sistema mecánico de polea y faja, el cual trasmite a un tren de engranes el movimiento circular de los rodos. Ilustración 5: Egalizador 20 6. Troqueladora: El troquelado, no es más que una simple operación mecánica que se utiliza para conferir la forma definida que requiere el caramelo. Para realizar este paso del proceso, podemos asemejar esta máquina a una prensa mecánica, la cual para su funcionamiento, acumula energía mediante un volante de inercia y la trasmite mecánicamente a un troquel mediante un sistema de biela-manivela, en donde la fuerza del troquelado mayor dentro del sistema se encuentra en punto de muerto inferior, al momento del troquelado en donde se aprovecha a darle forma final al dulce. Los elementos básicos de una troqueladora los constituyen: el troquel que tiene la forma y dimensiones del caramelo, y la matriz de corte por donde se inserta el troquel cuando es impulsado de forma enérgica por la potencia que le proporciona la prensa mediante un accionamiento excéntrico que posee, el cual le provoca un golpe seco y contundente sobre el cordón de caramelo, produciendo un corte limpio. En la industria para la fabricación de caramelo, dependiendo de la presentación puede tener variaciones en este proceso, pero sin modificar el concepto. Tal es el caso de las paletas de caramelo, a las cuales se les introduce el palillo aprovechando la implementación de una palillera. Para los mecanismos descritos, son impulsados por un motor eléctrico de 5 Hp, conexión delta trifásico y un voltaje de 240 voltios. 5. Ilustración 6: Troqueladora 7. Túnel de enfriamiento: Luego del troquelado, el caramelo pasa al túnel de enfriado, donde rueda por un cedazo móvil enfriados y de este modo se evita su deformación. Este equipo no es más que un sistema de aire forzado inducido por un blower 10 con un alto caudal. El tiempo de permanencia del dulce es de cinco minutos, tiempo suficiente para disminuir su temperatura y eliminar el calor innecesario que posteriormente lo pueda deformar. Para el funcionamiento del mecanismo de este equipo, se utiliza un motor de 3 Hp, conexión delta trifásico y una corriente de 240 voltios; el cual está acoplado a un 10 Equipo de aire forzado 21 sistema de bandas transportadoras por medio de un mecanismo sproket y cadena. Para el sistema de aire forzado se utilizan turbina que están conectadas a un ramal de tuberías que inyectan aire del ambiente para bajar la temperatura de los dulces. 5. 8. Empacadora: La máquina de empaquetado es la encargada de proporcional al dulce su primer envoltorio para protegerlo de agentes naturales externo que puedan provocarle algún tipo de deterioro. Utiliza componentes neumáticos, mecánicos, eléctricos y termoeléctricos para producir empaques sellados en ambos extremos del dulce. Su operación es bastante versátil, en el sentido que no necesita de mayor control sobre los parámetros relevantes para obtener una buena calidad del producto. Para realizar el empaquetado de cada caramelo de forma independiente, se utiliza un sistema de porta bobina, con un par de rodos tensores, para el papel termosellable de polipropileno o polietileno. Cada dulce es transportado de un plato dosificador a la estación de sello por medio de una cadena con empujadores graduables a la medida de cada producto. Dentro de la estación de sello se utilizan una serie de rodos selladores para realizar el sello transversal y un sistema de mordazas para realizar el corte de papel. Estos sistemas de sello y mordaza trabajan a base de altas temperaturas proporcionada por un par de resistencias de distinta intensidad. Su operación es sencilla, ya que cuenta con un sistema de control a base de sensores ópticos que mandan una señal a un PLC 11 para realizar ajustes milimétricos de avance y retardo en las velocidades de cadena, plato alimentador y, sello de mordazas y corte. La velocidad de trabajo varía según la presentación que se esté trabajando, ésta puede oscilar entre los 500 a 600 dulces/minuto. Para poder realizar sus funciones de operación, es necesario un conjunto de servo-motores alimentados por energía eléctrica con potencia de 0.5 Hp., trasmitida en forma lineal a una caja reductora, capaz de variar la velocidad de forma electrónica, según lo vaya requiriendo el PLC. Aparte, es necesaria una conexión neumática para todo el sistema de ajuste y amortiguación de sellos de mordaza y corte; el requerimiento es de 2.5 ft/min. 9. Embolsadora: La máquina de embolsado es la encargada de llenar las bolsas de producto con empaque primario y sellarlas. Las bolsas se forman a partir de bobinas de papel que se montan en una porta bovina en la parte posterior de la máquina, la cual no debe tener un diámetro mayor a 400 mm. El papel se desenrolla de la bobina y pasa por un sistema de rodos tensores para darle al papel la rigidez necesaria y evitar que se formen arrugas en él. Al final de este sistema de rodos tensores, el papel se encuentra con el tubo formador de bolsas, el cual dobla el papel y lo forma de manera cilíndrica. Al tubo formador se ajusta el sellador vertical que consta de una resistencia de alambre y cinta teflonada que calienta el papel por la unión y hace una costura. El movimiento vertical del papel, así como el sello horizontal se lleva a cabo por un sistema de mordazas que tiene un movimiento 11 Equipo receptor de señales para la automatización. 22 oscilatorio vertical. Para realizar el sello horizontal, las mordazas cuentan con una resistencia cilíndrica con una potencia de 1000 watts y un largo de 280 mm. Estas resistencias son las encargadas de formar el sello mientras las mordazas comprimen el papel y lo halan hacia abajo. Este sello no basta para cortar las bolsas, para ello se utiliza un mecanismo de cuchillas neumáticas que realizan el corte por medio de una cuchilla de acero templado. Todo el mecanismo de la máquina, se acciona por un motor eléctrico de 2 Hp, el cual trasmite la potencia por medio de un sistema de polea y fajas dentadas. Para el sistema neumático, el requerimiento de aire comprimido es de 15 ft 3 /min. Su versatilidad y diseño sencillo, hace factible que se puedan realizar presentaciones de distintos tipos a una velocidad variada, según el producto que se esté realizando. Esta velocidad, puede variar de 20 a 80 bolsas/minuto. 20. Ilustración 7: Embolsadora I. Equipo auxiliar de la línea de producción Se conforma básicamente por cuatro equipos para completar la línea de producción: 1. Compresores: Para producir el aire comprimido, se utilizan compresores que elevan la presión del aire al valor de trabajo deseado. Ésta es una aplicación técnica que hace uso de aires que han sido sometidos a un aumento de presión por medio de un compresor, el cual reduce el volumen por medio de tornillos. Estos tornillos no son más que un par de tornillos helicoidales que engranan con sus perfiles cóncavos y convexos que impulsan hacia un costado el aire aspirado axialmente. Los tornillos del tipo helicoidal engranan con sus perfiles y de este modo logran reducir el espacio del que dispone el aire. Por la rotación y el sentido de las hélices, el aire es impulsado de un extremo a otro. Para evitar el desgaste de los tornillos y carcasa, los ciclos se traslapan, evitando que se hagan contacto entre sí, lo cual ayuda a proveer de un flujo continuo. 17. 23 2. Secador de condensado: A causa del calor generado durante el proceso de compresión, el aire comprimido sale con un grado de saturación del 100% en la mayoría de casos; al ir disminuyendo la temperatura del aire comprimido durante su permanencia en el tanque y su paso por los diferentes accesorios y tuberías, pierde capacidad de retener vapor de agua, lo cual genera inevitablemente condensados. La presencia de condensación en el aire produce diversos problemas, tales como corrosión, mal funcionamiento de herramientas neumáticas, entre otros. Para esto es necesario la instalación de un secador de condensado, el cual consiste en un circuito de refrigeración que se encarga de enfriar aire por debajo de la temperatura mínima en la red de distribución, produciéndose intencionalmente condensado que son retirados por medio de un separador centrifugo.17. 3. Caldera: La caldera es una maquina diseñada para generar vapor saturado. Este vapor se genera a través de una transferencia de calor a presión constante, en la cual el fluido, originalmente en estado líquido, se calienta y cambia de estado. Las calderas son un caso particular en el que se eleva a altas temperaturas de intercambio de calor, en las cuales se produce un intercambio de fase. El calor necesario para caldear y vaporizar el agua puede ser suministrado por un hogar, los gases calientes recuperados a la salida de otro aparato industrial como un horno, por el flujo refrigerador de una pila atómica, por irradiación solar o por una corriente eléctrica. Cuando el calor es suministrado por un líquido caliente o por vapor que se condensa, se suelen emplear otras denominaciones tales como: vaporizador y transformador de vapor. El sinónimo de generador de vapor se emplea de preferencia cuando se habla de calderas de una cierta importancia. Si la caldera, propiamente dicha, está conectada a otros, de los cuales unos calientan el agua como los recalentadores y economizadores de agua o el aire de combustión (pre calentador de aire), y otros recalientan el vapor (re calentadores), suele denominarse el conjunto grupo evaporador, y la parte del grupo en que se produce la evaporación se llama vaporizador o haz vaporizador. Durante su funcionamiento, la caldera propiamente dicha, está sometida interiormente a la presión de equilibrio del agua y de su vapor a la temperatura alcanzada. Los otros elementos del grupo recorridos por el agua o el vapor, a partir de la bomba de alimentación (economizador, re calentador), están sometidos casi a la misma presión, pero la temperatura del fluido puede ser inferior o superior a la ebullición. 6.,18. 4. Equipo de aire acondicionado: El acondicionamiento del aire, es el proceso que limpia, enfría y circula el aire, controlando además el contenido de humedad. En condiciones ideales, logra todo esto de manera simultánea. El acondicionador de aire o clima, toma el aire del interior de una recama, pasando por tubos que se encuentran a baja temperatura, estos están enfriados por medio de un líquido, que a su vez se enfría por medio del condensador, parte del aire se devuelve a una temperatura menor y parte sale expulsada por el panel posterior del aparato. El termómetro se encuentra en el panel frontal 24 para que cuando pase el aire, marque la temperatura a la que está el ambiente dentro de la recámara, y así regulando qué tan frio debe trabajar el compresor y el condensador. La evaluación de la humedad relativa de equilibrio, es primordial para la formulación de productos de confitería, ya que a través de ella se puede predecir el comportamiento del producto elaborado y su vida útil. Cuando un caramelo tiene Humedad relativa de equilibrio superior a la humedad relativa del aire ambiente, el producto tiende a ceder su humedad y después cristalizarse. En caso contrario, cuando la Humedad relativa de equilibrio es inferior a la humedad del aire ambiente, el producto tendera a hidratarse. Tabla 1: Humedad relativa teórica para diferentes tipos de dulce Tipo de dulce Humedad Relativa (%) de equilibrio Caramelo Duro 40-50 Malvavisco 65-70 Gomitas 55-60 Fondant 80-85 Fuente: Braverman’s by Z. Berk., 1976 J. Métodos para el cálculo de la carga térmica Para las fuentes de generadoras de calor, existen diferentes métodos para calcular las cargas térmicas: Pérdida a través de las paredes; cambio del aire y pérdidas por motores eléctricos. Fórmula 4: Pérdida a través de las paredes 𝑄 = 𝐴 𝑥 𝑈 𝑥 ∆𝑇 En donde: Q = ganancia de calor A = área de la superficie U = coeficiente de transferencia de calor T = diferencia de temperatura entre el interior y el exterior promedio Fórmula 5: Transferencia de calor a través de las paredes 𝑈 = 1 1 𝑓𝑖 ⁄ + 𝐿 𝑘⁄ + 1 𝑓0 ⁄ En donde: U = coeficiente de transferencia de calor L = espesor de pared k = coeficiente del material fi= conductividad de superficie interna fo = conductividad de superficie externa 25 Tabla 2: Pérdidas por cambio de aire a diferentes temperaturas y humedades relativas Temperatura de almacenaje °F (°C) Temperatura del aire exterior °F (°C) 50 (10) 80 (26.7) 90 (32.2) Humedad relativa en % 70 80 50 60 50 60 0(-18) 1070 1125 2250 2400 2760 3000 -23(.4) 1250 1310 1460 1630 3000 3240 -20(-28.9) 1450 1500 2720 2900 3240 3520 -30(-35) 1650 1720 2980 3160 3540 3800 Fórmula 6: Carga de productos 𝑄 = 𝑊 𝑥 𝑐 𝑥(𝑡𝑖 − 𝑡𝑓) En donde: W = peso del producto c = calor específico ti = temperatura inicial tf = temperatura final Tabla 3: Pérdidas por motores eléctricos Motor Hp BTU/Hp x h Carga conectada en el interior Perdidas por causas fuera del espacio Carga conectada fuera del espacio 1/8 a ½ 4250 2545 1700 ½ a 3 3700 2545 1500 3 a 20 2950 2545 400 K. Selección de servicio para maquinaria 1. Selección de conductores eléctricos según capacidades. El concepto de conductores eléctricos se aplica a los cuerpos capaces de conducir o transmitir la electricidad, por medio de un material conductor, el cual usualmente es cobre; esto por la facilidad que electrones puedan pasar sobre él. Para ello el cobre debe cumplir con la característica de ser electrolítico de alta pureza: 99.99%. Para uso industrial de conductores de cobre, estos deben poseer un recubrimiento, el cual recibe el nombre de aislamiento. Este tiene como objetivo evitar que la energía eléctrica que circula por el conductor, entre en contacto con su entorno, especialmente las personas. Del mismo modo, el aislamiento debe evitar conductores de distinto voltaje que puedan hacer contacto entre sí. Estos aislantes son en su mayoría sustancias poliméricas. Los diferentes tipos de aislación de los conductores, están dados por su comportamiento técnico y mecánico, considerando el medio ambiente y las condiciones de canalización a que se verán sometidos los conductores que ellos protegen, resistencia a los agentes 26 químicos, a los rayos solares, la humedad, altas temperaturas, llamas, entre otros. Entre los materiales utilizados para el aislamiento de los conductores se puede mencionar el PVC o cloruro de polivinilo, el PE o polietileno, el caucho, la goma, el neopreno y el nylon. Para tendidos eléctricos de alta y baja tensión, existen en Guatemala diversos tipos de conductores de cobre, sin aislantes, diseñados para responder a distintas necesidades de conducción y a las características del medio en que la instalación prestará sus servicios. La selección de un conductor se hará considerando que debe asegurarse una suficiente capacidad de transporte de corriente, una adecuada capacidad de soportar corrientes de cortocircuito, una adecuada resistencia mecánica y un comportamiento apropiado a las condiciones ambientales en que operará y se calcula por la fórmula de sección de conductor. Fórmula 7: Sección de cable 𝑆 = 2 𝑥 𝐿 𝑥 𝐼 𝑥 √3 𝑉𝑓(𝑒%) En donde: S = Sección del conductor en mm 2 L = Longitud del conductor I = Corriente en amperes por conductor Vf = Voltaje entre fases e% = Caída de voltaje en porcentaje Los resultados obtenidos en el desarrollo de la fórmula de sección del conductor en mm 2 , se comparan con tabla 4. 26 27 Tabla 4: Intensidad de corriente admisible para conductores de cobre Nominal (mm)2 AWG 60°C 75°c 90°C 60°C 75°C 90°C >100° 0.32 22 3 3 0.51 20 5 5 0.82 18 7.5 7.5 1.31 16 10 10 2.08 14 15 15 25 20 20 30 3.31 12 20 20 30 25 25 40 5.28 10 30 30 40 40 40 55 8.36 8 40 45 50 55 65 70 90 13.30 6 55 65 70 80 95 100 130 21.15 4 70 83 90 105 125 135 150 26.67 3 80 100 105 120 145 155 200 33.62 2 95 115 120 140 170 180 230 42.41 1 110 130 140 165 195 210 270 53.49 1/0 125 150 155 195 230 245 310 67.42 2/0 145 175 185 225 265 285 360 85.01 3/0 165 200 210 260 310 230 420 107.2 4/0 195 230 235 300 360 385 490 127 250 MCM 215 255 270 340 405 425 540 152.0 300 MCM 240 285 300 375 445 480 610 177.3 350 MCM 260 310 325 420 505 530 670 202.7 400 MCM 280 355 360 455 545 575 730 253.4 500 MCM 320 380 405 515 620 660 840 304 600 MCM 355 420 455 475 690 740 354.7 700 MCM 385 460 630 755 380 750 MCM 400 475 500 635 785 845 405.4 800 MCM 410 490 880 815 456 900 MCM 435 520 730 870 506.7 1000 MCM 455 545 585 780 925 1000 633.4 1250 MCM 495 590 890 1065 760.1 1500 MCM 520 625 980 1175 886.7 1750 MCM 545 650 1070 1280 1013 2000 MCM 560 665 1155 1385 2. Selección de conductores en tubo tipo conduit. Los conductores eléctricos, están limitados en su capacidad de conducción de corriente por razones de calentamiento al existir limitaciones en la disipación de calor, y debido a que el aislamiento impone una fuerte restricción por sus limitaciones de tipo térmica. Por esta razón, el número de conductores dentro de un tubo tipo conduit 12 tiene que ser restringido, de tal forma que permita un arreglo físico de los mismos de acuerdo a la sección del tubo conduit, para que facilite el alojamiento y manipulación durante la instalación de los conductores y se considere también la cantidad de aire necesario para que los conductores se mantengan a temperaturas adecuadas en base de un buen enfriamiento. Estas condiciones se logran estableciendo una relación adecuada entre las secciones del tubo y los conductores expresándose en la fórmula de Factor de relleno y existen valores establecidos para las instalaciones. 12 Tubo rígido, de sección circular, de acero galvanizado o de aluminio, de secciones normalizadas (circuitos industriales). Utilizados en lugares expuestos a golpes y canalización industrial a la vista. 28 Fórmula 8: Factor de relleno 𝐹 = 𝑎 𝐴 En donde: F = Factor de relleno a = área total de conductores A = área interior del tubo Tabla 5: Valores establecidos para factor de relleno F = 53% Para un conductor 31% Para dos conductores 43% Para cuatro o más conductores 40% Luego de desarrollar la fórmula de Factor de relleno, utilizando la Tabla de valores establecidos para factor de relleno, se procede a comparar con la tabla de dimensiones de tubo metálico tipo pesado y área disponible para conductores. Tabla 6: Dimensiones de tubo metálico tipo pesado y área disponible para conductores Designación Diámetro interior en mm. Área interior total en mm2. Área disponible para conductores en mm2. 16 (1/2) 15.8 196 103 60 78 21 (3/4) 20.9 344 181 106 137 27 (1) 26.6 557 294 172 222 35 (1-1/4) 35.1 965 513 299 387 41 (1-1/2) 40.9 1313 697 407 526 53 (2) 52.5 2165 1149 671 867 63 (2-1/2) 62.7 3089 1638 956 1236 78 (3) 77.9 4761 2523 1476 1904 91 (3-1/2) 90.1 6379 3385 1977 2555 103 (4) 102.3 8213 4349 2456 3282 129 (5) 128.2 12907 6440 4001 5163 155 (6) 154.1 18639 9879 5778 7456 3. Selección de tubería para la distribución de vapor. Los cálculos se realizan considerando un vapor con las características expresadas en la tabla siguiente de tuberías para la distribución de vapor: Tabla 7: Propiedades del vapor Clasificación de vapor Saturado seco Presión de trabajo 10 kg/cm2 Calor latente 478 Kcal/kg Calor sensible 185 Kcal/kg Calor total 633 Kcal/kg 29 4. Propiedades del vapor. El vapor va a ceder únicamente las kilocalorías que resulten de la diferencia entre el calor total y la temperatura de descarga, que se va a considerar la medida de las temperaturas que constituyen el salto térmico en cada uno de los casos. Para el cálculo de las necesidades de vapor, primero se calcula el calor necesario para aplicar por parte del vapor, mediante la ecuación de calor a aplicar. Fórmula 9: Calor a vapor 𝑄 = 𝑚 𝑥 𝐶𝑒 𝑥 ∆𝑇 = 𝑉 𝑥𝑑 𝑥 𝐶𝑒 𝑥 ∆𝑇 En donde: Q = Calor necesario a aplicar m = masa del fluido a calentar V = volumen de masa a calentar d = densidad del fluido Ce = calor específico del fluido T = salto de temperatura. Una vez conocidas las necesidades teóricas del calor, se realiza una corrección, considerando que la eficiencia de la transmisión es el 95%. Posteriormente, se calculan las necesidades de vapor por unidad de tiempo, teniendo en cuenta el periodo de tiempo en que deberá ocurrir el calentamiento. Para calcular el gasto horario de vapor, se usa la fórmula de cálculo de consumo de vapor. Fórmula 10: Cálculo de consumo de vapor 𝑚 = 𝑄 𝑞 − 𝑡 En donde: m = consumo horario de vapor Q = calor necesario de aplicar q = calor suministrado por 1 kg de vapor t = temperatura de descarga a la que sale el vapor tras el intercambio térmico Para el cálculo de las secciones de cada tubería, en primer lugar se calcula el caudal de vapor que debe circular en cada tramo, en el caso más favorable. La sección de tubería se calcula según la fórmula de Sección de tubería. 30 Fórmula 11: Cálculo de sección de tuberías 𝑆 = 𝑄 𝑣 𝑥 10000 En donde: S = Sección de tubería Q = caudal volumétrico del vapor v = velocidad del vapor L. Aspectos para la evaluación económica del proyecto 1. Método del Valor Presente Neto (VPN): El método del valor presente neto (VPN), es una técnica de evaluación económica que considera el valor del dinero en el tiempo y consiste en el valor que resulta de descontar la suma de los flujos netos (generados en el futuro) a la inversión inicial. 27. Para su cálculo, deben determinarse los flujos netos en efectivo (FNE) que el proyecto producirá en el futuro para un horizonte de tiempo establecido. Para convertir estas cantidades futuras al presente, se utiliza una tasa de descuento, llamada así porque descuenta el valor del dinero en el futuro a su equivalente en el presente, y a los flujos traídos al tiempo cero, se les llama flujos descontados. La tasa de descuento aplicada es la Tasa Mínima Atractiva de Retorno (TMAR) aceptada por la empresa. La TMAR debe considerar los efectos inflacionarios y un premio al riesgo por realizar la inversión. Por lo tanto, la TMAR puede determinarse mediante la siguiente ecuación. 28. Fórmula 12: Tasa mínima atractiva de retorno 𝑇𝑀𝐴𝑅 = 𝑖 + 𝑓 + 𝑖𝑓 En donde: i = tasa de interés premio al riesgo determinado por la inversión- f = tasa de inflación 31 Fórmula 13: Valor presente neto (VPN) 𝑽𝑷𝑵 = −𝑷 + ∑ 𝑭𝑵𝑬𝒏 (𝟏 + 𝑻𝑴𝑨𝑹)𝒏 + 𝑽𝑺 (𝟏 + 𝑻𝑴𝑨𝑹)𝒏 𝒏 𝟏 En donde: I = Inversión Inicial FNE = Flujo Neto de Efectivo del periodo n VS = Valor de Salvamento al final del periodo TMAR = Tasa Mínima Atractiva de Retorno Los criterios de aceptación o rechazo son los siguientes: a. VPN ≥ 0: El proyecto es rentable y se acepta b. VPN ≤ 0: El proyecto no es rentable y se rechaza 2. Método de la Tasa Interna de Retorno (TIR) para la evaluación económica del proyecto. La Tasa Interna de Retorno (TIR) o interés que vuelve al Valor Presente Neto igual a cero, es una serie determinada de flujo de efectivo. Referencia 2. Fórmula 14: Tasa interna de retorno 0 = −𝐼 + ∑ 𝐶𝑡 (1 + 𝐼𝑅𝑅)𝑡 𝑛 1 En donde: I = Inversión Inicial Ct = Flujo Neto de Efectivo del periodo n IRR = Tasa Interna de Retorno t = tiempo (años) 3. Cálculo del Punto de Equilibrio (PE) en unidades producidas. El análisis del Punto de Equilibrio en unidades producidas, en ocasiones es llamado análisis de costo/volumen utilidades, es utilizado para determinar el nivel de operaciones necesarias para cubrir todos los costos operativos y asociados a diversos niveles de ventas en los dos escenarios, evaluar la rentabilidad derivada de los costos de producción e ingresos. 2.,27. Para el cálculo del punto de equilibrio, se calcula primero la contribución a la ganancia calculada con los gastos variables y las ventas brutas. Fórmula 15: Contribución a la ganancia 𝐶𝑜𝑛𝑡𝑟𝑖𝑏𝑢𝑐𝑖ó𝑛 𝑎 𝑙𝑎 𝑔𝑎𝑛𝑎𝑛𝑐𝑖𝑎 = 𝑔𝑎𝑠𝑡𝑜𝑠 𝑣𝑎𝑟𝑖𝑎𝑏𝑙𝑒𝑠 𝑉𝑒𝑛𝑡𝑎𝑠 32 Fórmula 16: Punto de equilibrio 𝑃𝐸 = 𝐺𝐹 %𝐶𝐺 En donde: GF = Gastos Fijos %CG = porcentaje de Contribución a la Ganancia 33 VI. METOLOGÍA Recopilación de datos de producción de la empresa durante un periodo mínimo de dos años a partir del año 2,008. Determinación de los equipos utilizados en la cadena de producción de la empresa, su estado de funcionamiento y productividad, modelos, especificaciones técnicas; estado de las subestructuras de los equipos, que incluyen disposición de los equipos en ambiente techado, instalaciones eléctricas, hidráulicas, ventilación y aspectos de seguridad industrial; mediante presencia en los procesos de producción durante 100 horas en horarios de trabajo normal y horas extras, tomando datos de la producción que incluyen tiempos, costos, cantidad y calidad del producto terminado. Se evaluaron las tres líneas propuestas de producción de dulce duro y dulce paleta, tomando en cuenta el área de los espacios techados aprovechables para el montaje de las tres líneas propuestas con su análisis financiero durante un periodo de dos años. A. Métodos, técnicas e instrumentos Recopilación de información en la empresa en forma presencial, así como de fuentes bibliográficas impresas, digitales e INTERNET. Se obtuvo la información contable de la empresa en estudio para la producción de dulces. Se tomaron datos de fuentes primarias como: Textos técnicos de la industria de producción de alimentos y confitería, así como textos de la carrera de Ingeniería Mecánica de la Universidad del Valle de Guatemala. Textos de Administración Financiera, Mercadotecnia, Física, Matemáticas y Química. Entrevistas con personal administrativo y operativo de la empresa. Se revisaron textos, manuales y documentos de los equipos como fuente secundaria, así como manuales elaborados por la empresa para la producción de confitería. Se utilizaron técnicas de observación simples en la producción y funcionamiento de los equipos instalados. Criterios de diseño basados en el conocimiento adquirido durante los estudios realizados en la Licenciatura de Ingeniería Mecánica de la Universidad del Valle de Guatemala. Con los datos obtenidos se procedió al diseño del sistema de fabricación para las líneas de producción de caramelos, sustentado en conceptos y especificaciones técnicas investigadas y presentadas en el marco teórico del presente documento. Se efectuó una proyección de la capacidad estimada de producción para 5 años a partir del 2,009; El 34 cálculo de la necesidad de insumos, espacio y energía, así como de la línea de producción incluyendo la selección del equipo y diseño de los circuitos eléctricos de potencia. Luego de establecer el diseño, se procedió a realizar un presupuesto de la línea de producción con todos sus sistemas y circuitos en base a precios cotizados en el mercado nacional. Mediante un análisis económico, se determinó si el rendimiento supuesto, justifica la inversión en la propuesta. Para el cálculo, diseño y dibujo del sistema de control y subsistemas, se utilizó el software AutoCAD 2,008 y Microsoft Word para la digitalización, ordenamiento y graficado de la información; para el cálculo del análisis financiero se utilizó Microsoft Excel. En Microsoft Excel se calcularon: La Tasa Mínima Atractiva de Retorno (TMAR), El Valor Actual Neto o Valor Presente Neto (VPN), El Punto de Equilibrio (PE) y la Tasa Interna de Retorno (TIR o IRR). 35 VII. RESULTADOS Para la elaboración del dulce se cuenta desde el ingreso de la materia prima hasta que el producto ingresa a bodega de almacenamiento y distribución comercial, se diseñó un diagrama de flujo de la producción, contando con la materia prima y maquinaria y actividades siguientes: Tabla 8: Tabla de componentes del diagrama de flujo INSUMOS ACTIVIDADES EQUIPOS MATERIA PRIMA DISOLUCIÓN BASTONEADORA AZÚCAR COCIMIENTO DE LA CARGA TROQUELADORA GLUCOSA AMASADO ENFRIADOR AGUA TRANSPORTE DE DULCE MESAS PAPEL BOBINA ENFRIAMIENTO EMPACADORAS BOLSA BOBINA INSPECCIÓN DE FORMA EMBOLSADORAS CAJAS INSPECCION DE PESO BODEGAS PRODUCTO TERMINADO TRANSPORTE A EMPACADORA EMPAQUE PRIMARIO TRASNPORTE A EMBOLSADORA EMBOLSADO INSPECCIÓN DE SELLO INSPECCIÓN DE ENFARDADO TRANSPORTE A CUARENTENA Fuente: Elaboración propia A. Flujo para la elaboración del dulce Se diseñó un diagrama de flujo con el objeto de graficar el proceso de fabricación del dulce, desde su ingreso como materia prima, hasta la presentación terminada del producto. 36 Diagrama 1: Diagrama de flujo Nomenclatura: BMP = Bolsa de materia prima BPT = Producto terminado Fuente: Elaboración propia Azúcar, glucosa y agua Papel bobina Papel bolsa BMP Disolución, y cocimiento de carga Transporte a amasado Amasado Transporte a bastoneador Cajas Transporte de dulce y enfriamiento Bastoneador y troquelado Inspección de forma y peso Transporte a empacadora Empaque primario Transporte a embolsadora Embolsado Inspección de sello y enfardado Transporte área cuarentena y BPT BPT 37 B. Selección de equipos Para la selección de los equipos de la línea de producción, se analizaron las especificaciones técnicas, que incluyen tipo de materiales de fabricación, capacidad, dimensiones, y velocidad según el caso. Tomando en cuenta que las selladoras, embolsadoras y detectores, son equipos ya instalados en la planta y se analiza su redistribución. Se diseñó una tabla que incluye gráficos para seleccionar los equipos. 38 Tabla 9: Equipos, especificaciones y gráficos Nombre del equipo Especificaciones generales Gráfico del equipo Alimentador de Glucosa Material: Acero inoxidable con enchaquetado para recirculación de agua caliente. Inclinación: 25° respecto a la horizontal. Uso: Dosificación de la Glucosa disolvedora. Elevador de cangilones Material: Carbón galvanizado. Capacidad: 2.70 m/hr. Altura: 3.50 m. Velocidad: 88 rpm. Uso: Dosificación del azúcar a la disolvedora. 39 CONTINUACIÓN TABLA 9 Nombre del equipo Especificacion es generales Gráfico del equipo Disolvedora Material: Hierro fundido, cobre y latón. Capacidad: 50 lts. Dimensiones: 1.40 x 2.16 x 2.15 m. Velocidad: 750/1500 rpm. Uso: Elaboración de miel. Cocedora Material: Hierro fundido, cobre, latón y acero inoxidable. Dimensiones: 3.60 x 0.85 x 2.00 m. Capacidad: Uso: Elaboración de jarabe. 40 CONTIUACIÓN TABLA 9 Nombre del equipo Especificaciones generales Gráfico del equipo Amasadora Material: Hierro fundido, acero inoxidable y PVC. Capacidad: 50 kg. Dimensiones: 1.80 x 1.10 x 2.00 m. Uso: Proporcionar consistencia a la mezcla de caramelo. Mesas de amasado Material: Hierro fundido. Dimensiones: 2- 00 x 8.00x 0.75m. Uso: Dar consistencia a la mezcla de caramelo. 41 CONTINUACIÓN TABLA 9 Nombre del equipo Especificaciones generales Gráfico del equipo Bastoneador Material Hierro fundido, cobre y latón. Capacidad: 75 kg. Dimensiones: 2.35x0.72x1.70m. Uso: Reducción del diámetro de la masa de caramelo. Egalizador Material: Hierro fundido, cobre y latón. Dimensiones: 1.20 x 0.40 x 0.75 m; rodos de  0.15 x L 0.254 m. Uso. Proporcionar forma al cordón del caramelo. Troquel y palillera Material: Hierro fundido, cobre, latón y acero inoxidable. Capacidad: 506 kg/hr. Dimensiones: 2.70 x 1.20 x 1.60 m. Uso: Formar diseño del producto final. En el caso de la palillera, insertar el palillo a la plaqueta. 42 Fuente: Elaboración propia CONTINUACIÓN TABLA 9 Nombre del equipo Especificaciones generales Gráfico del equipo Túnel de enfriamiento Material: Hierro fundido, PVC y acero inoxidable. Dimensiones: 4.20 x 1.20 x 1.34 m. Capacidad: 750 kg. Uso: Intercambio de calor necesario para disminuir la temperatura del caramelo. Selladora, embolsadora y detector de metales Equipos ya instalados en la planta, en algunos casos se hará una redistribución. 43 1. Rutinas de mantenimiento preventivo. En la selección de rutinas para el mantenimiento preventivo en forma de tareas de trabajo para las máquinas, se considera la vida útil de los componentes, tipo de lubricante y sobre todo, frecuencia de uso. Se elaboraron cuadros de rutinas de mantenimiento por cada equipo, en las cuales se determinó que el total de horas necesarias en los 9 equipos de las líneas de producción son 49,890 en 51 actividades, además de las que se efectúan con periodicidad semanal y se expresan en los cuadros de rutinas para maquinaria. Es importante contar con un completo stock de repuestos para cumplir con las rutinas programadas para todas las máquinas. Tabla 10: Rutinas de mantenimiento para máquina disolvedora EQUIPO RUTINA Horas Semanas N° Act. DISOLVEDORA Inspección general de tubería de vapor 300 Servicio a motor de disolvedora 300 Inspección de bomba de engranes de alimentación de glucosa 400 Inspección general de disolvedora 600 Inspección de estado de bomba disolvedora 500 Revisión eléctrica de disolvedora 300 Lubricación periódica semanal de disolvedora 25 Lubricación periódica mensual de disolvedora 100 TOTAL 2525 8 Fuente: Elaboración propia Para el mantenimiento preventivo de la máquina disolvedora, son recomendadas 2,525 horas distribuidas en 8 actividades, la actividad que demanda menor tiempo entre un mantenimiento y el siguiente en mantenimiento, es la lubricación periódica semanal de la maquina disolvedora. 44 Tabla 11: Rutinas de mantenimiento para máquina cocedora EQUIPO RUTINA Horas Semanas N° Act. Mantenimiento eléctrico a cocedora 200 Inspección de sistemas de alimentación de vapor y condensado 600 Lubricación general de cocedora 50 COCEDORA Apretar estopas de bomba de vacío en cocedora 100 Servicio a motor de mecanismo de bombeo 3000 Mantenimiento mecánico a bomba de vacío 1500 Mantenimiento mecánico a motor de bomba de vacío 3000 Limpieza de tanque de glucosa 21 TOTAL 8450 21 8 Fuente: Elaboración propia Para el mantenimiento preventivo de la máquina cocedora, son recomendadas 8,450 horas distribuidas en 8 actividades, la actividad que demanda menor tiempo entre un mantenimiento y el siguiente, es la lubricación general de cocedora. La limpieza del tanque de glucosa, se efectúa cada 3 meses por lo que se toman un periodo de 21 días. Tabla 12: Rutinas de mantenimiento para máquina amasadora EQUIPO RUTINA Horas Semanas N° Act. Servicio de motor para amasadora 5000 Lubricación semanal y apriete de tornillos para amasadora 25 AMAZADORA Servicio panel eléctrico amasadoras 960 Inspección de sistema de refrigeración 100 TOTAL 6085 4 Fuente: Elaboración propia Para el mantenimiento preventivo de la máquina amasadora, son recomendadas 6,085 horas distribuidas en 4 actividades, la actividad que demanda menor tiempo entre un mantenimiento y el siguiente, es la lubricación semanal y apriete de tornillos para amasadora. 45 Tabla 13: Rutinas de mantenimiento para la máquina de bastonear EQUIPO RUTINA Horas Semanas N° Act. Lubricación semanal del bastoneador 25 Lubricación interna de cajas en bastoneador 50 Cambio de fajas en bastoneador 1000 BASTONEADOR Servicio panel eléctrico bastoneadores 360 Apriete de castigadores e inspección general 360 Servicio a motor de elevación de bastoneador 6000 Servicio a motor principal de giro de rodos de bastoneador 2500 Cambio de aceite en bastoneador 500 TOTAL 10795 8 Fuente: elaboración propia Para el mantenimiento preventivo de la máquina bastoneadora, son recomendadas 10,795 horas distribuidas en 8 actividades, la actividad que demanda menor tiempo entre un mantenimiento y el siguiente, es la lubricación semanal del bastoneador. Tabla 14: Rutinas de mantenimiento para la máquina egalizadora EQUIPO RUTINA Horas Semanas N° Act. Cambio de grasa de egalizador 300 Lubricación semanal a egalizador 25 EGALIZADOR Inspección periódica a egalizador 150 Inspección eléctrica periódica a egalizador 250 Servicio a motor de egalizador 5000 TOTAL 5725 5 Fuente: Elaboración propia Para el mantenimiento preventivo de la máquina egalizadora, son recomendadas 5,725 horas distribuidas en 5 actividades, la actividad que demanda menor tiempo entre un mantenimiento y el siguiente, es la lubricación semanal del egalizador. Tabla 15: Rutinas de mantenimiento para la máquina troqueladora EQUIPO RUTINA Horas Semanas N° Act. Lubricación semanal de troquel 25 TROQUEL Limpieza a ventilador troquel 720 Servicio a motor del troquel 5000 TOTAL 5745 3 Fuente: elaboración propia 46 Para el mantenimiento preventivo de la máquina troqueladora, son recomendadas 5,745 horas distribuidas en 3 actividades, la actividad que demanda menor tiempo entre un mantenimiento y el siguiente, es la lubricación semanal del troquel. Tabla 16: Rutinas de mantenimiento para el túnel de enfriamiento EQUIPO RUTINA Horas Semanas N° Act. Lubricación del túnel de enfriamiento 60 Servicio a motor de ventilador 4000 TUNEL DE ENFRIAMIENTO Servicio a motor de la banda del túnel de enfriamiento 3840 Limpieza de blowers de túneles de enfriamiento 480 Inspección y lubricación sistema de ventilación 160 TOTAL 8540 5 Fuente: Elaboración propia Para el mantenimiento preventivo del túnel de enfriamiento, son recomendadas 8,540 horas distribuidas en 5 actividades, la actividad que demanda menor tiempo entre un mantenimiento y el siguiente, es la lubricación del túnel de enfriamiento. Tabla 17: Rutinas de mantenimiento para las máquinas empacadoras EQUIPO RUTINA Horas Semanas N° Act. Inspección general de empacadoras 240 Cambio de aceite a empacadoras 1250 EMPACADORAS Inspección y limpieza semanal a empacadoras 25 Cambio de cojinetes a motores 1500 TOTAL 3015 4 Fuente: Elaboración propia Para el mantenimiento preventivo delas máquinas empacadoras, son recomendadas 3,015 horas distribuidas en 4 actividades, la actividad que demanda menor tiempo entre un mantenimiento y el siguiente, es la inspección y limpieza semanal a las empacadoras. 47 Tabla 18: Rutinas de mantenimiento para la máquina embolsadora EQUIPO RUTINA Horas Semanas N° Act. Inspección y limpieza de variador de frecuencia 1500 Inspección y lubricación semanal de embolsadora 1 EMBOLSADORA Inspección semanal de embolsadora 240 Servicio anual embolsadora 5000 Servicio a motor principal embolsadora 720 Cambio de aceite y limpieza de filtro 1 TOTAL 7460 2 6 Fuente: Elaboración propia Para el mantenimiento preventivo delas máquinas empacadoras, son recomendadas 7,460 horas distribuidas en 6 actividades, la actividad que demanda menor tiempo entre un mantenimiento y el siguiente, es la inspección semanal a la embolsadora. 2. Selección de conductores eléctricos, según capacidades y selección de conductores en tubo tipo conduit. La selección de un conductor eléctrico y tubo tipo conduit, se ha considerado que debe asegurarse de una suficiente capacidad de transporte de corriente y una adecuada capacidad de soportar corrientes de corto circuito. a. Solución para la selección de conductores eléctricos según capacidades. En la solución para la selección de conductores, se ejemplifica el cálculo para un equipo, en este caso de una cocedora; el resultado para los otros equipos, se muestra en la Tabla 19. Datos: El equipo para su operación, requiere una potencia de 26 Hp, con tres líneas vivas y un voltaje de 240 voltios. La distancia entre la acometida y el equipo es de 20 metros; el factor de potencia de cos = 0.8 y la caída de tensión máxima es del 2%. Se toma en cuenta un factor de seguridad del 25%. Determinar el número de conductor a utilizar. Solución: Calculo de conversión de potencia: ( 26Hp 1 ) ( 1 Kw 0.746Hp ) = 19.40 Kw Calculo de Corriente en amperes por conductor: I = 19.40Kw 1.732 ∗ 240 ∗ 0.8 ∗ 103 48 Multiplicando por el factor de seguridad: I = 19.40Kw 1.732 ∗ 240 ∗ 0.8 ∗ 103 I = 58.33 A Calculo de sección del conductor utilizando la fórmula S = 2 ∗ 20m ∗ 72.91A ∗ √3 240(0.02) S = 10.52 mm2 En la Tabla de selección de conductores, para S = 10.52 mm 2 se utiliza un conductor N° 6. b. Solución para la selección de tubería conduit según capacidad. Al calcular el área del conductor, se puede obtener con la cantidad de conductores él área interior del tubo y con ello, el diámetro interno de la tubería para la distribución: 𝐴 = 52.62 𝑚𝑚2 0.4 𝐴 = 131.54𝑚𝑚2 𝑑 = √ 4 ∗ 131.5𝑚𝑚2 𝜋 𝑑 = 12.94 𝑚𝑚 Conversión de diámetro de tubería conduit: ( 12.94 𝑚𝑚 1 ) ( 1¨ 25.40 𝑚𝑚 ) = 3 4⁄ ¨ En la tubería tipo conduit, la medida a utilizar para el resguardo de los cables, es de ¾”. 3. Selección de tubería para conducción de vapor. La selección del tamaño de tubería para la conducción de vapor, se considera que sea de suficiente capacidad para transporte de vapor. Realizando los cálculos, considerando un vapor con las características de la Tabla 7. Para el cálculo de las secciones de cada tubería se calcula el caudal de vapor en los casos más desfavorables. a. Solución para la selección de tamaños en tubería para la distribución de vapor. En la solución se ejemplifica el cálculo para un equipo, cocedora, el resultado para el resto de equipos se pueden encontrar en la Tabla 20. 49 Datos: El jarabe debe ser calentado de una temperatura inicial de 110°C; a una temperatura final de 142°C. Para esto se utiliza una cocedora con capacidad de 50 l; y un flujo de jarabe de 600 kg/h. Se considera que un calor especifico de 1.5088 Kcal/kg °C y una densidad de 1.032 kg/l del jarabe. Determinar el diámetro de la tubería a utilizar. Solución: Calculo del salto de tubería: ∆𝑇 = 142°𝐶 − 110°𝐶 ∆𝑇 = 32°𝐶 Calculo del calor necesario a aplicar: 𝑄 = (50 𝑙)(1.032𝑘𝑔/𝑙)(1.5088𝐾𝑐𝑎𝑙/𝑘𝑔°𝐶)(32°𝐶) 𝑄 = 2491.33𝐾𝑐𝑎𝑙 Éste calentamiento se debe realizar en un tiempo de 5 minutos, por lo tanto deberá aportar un calor de: 𝑄 = 2491.33𝐾𝑐𝑎𝑙 5 60 = 29895.97𝐾𝑐𝑎𝑙/ℎ La temperatura de descarga, es: 𝑡𝑑 = 110°𝐶 + 142°𝐶 2 = 126°𝐶 El consumo de vapor es: �̇� = 29895.97 663 − 126 = 55.67𝑘𝑔/ℎ Por lo tanto el consumo diario equivale a: (55.67𝑘𝑔/ℎ) ( 12 60 ) = 278.36𝑘𝑔/𝑑𝑖𝑎 Caudal volumétrico: 𝑄 = (55.67𝑘𝑔/ℎ)̇ ∗ 1ℎ 3600𝑠𝑒𝑔 0.2𝑚3/𝑘𝑔 = 0.0030929𝑚3/𝑠𝑒𝑔 Diámetro de tubería: 𝑑 = √ 4 ∗ 0.0030929𝑚3/𝑠𝑒𝑔 15𝑚/𝑠𝑒𝑔 ∗ 10000 𝜋 = 1.62𝑐𝑚 50 ( 1.62 𝑐𝑚 1 ) ( 1¨ 2.540 𝑐𝑚 ) ≅ 3/4¨ 4. Selección de equipo para unidad de refrigeración. Para utilizar un cuarto de congelamiento es necesario calcular con que capacidades de equipo es posible extraer la cantidad de calor que se genera en el interior por cualquier forma, para lo cual se suman todas las partes que puedan generarlo y se calculan. a. Solución para la selección de unidad de refrigeración. Datos: En un cuarto refrigerado de congelamiento ingresan aproximadamente 833.347Lbs. de caramelo procesado a una temperatura 122°F (50°C) con una temperatura exterior de 80 °F (27°C) a una temperatura de -30 °F (-35°), la cual es necesario congelar durante las 24 horas del día durante 12 horas de trabajo. El aislamiento de las paredes del cuarto son de 8¨ de poliuretano. La carga eléctrica entre el alumbrado el alumbrado, motores y maquinaria es de 36.33 watt