s35b2ac868326b4b9.jimcontent.com€¦ · Web viewABANCAY julio del 2008. I.- RESUMEN. Los cálculos en ingeniería agroindustrial conlleva gran demanda de tiempo, en especial si

Universidad Nacional Micaela Bastidas de ApurimacIngeniería Agroindustrial

UNIVERSIDAD NACIONAL MICAELA BASTIDAS DEAPURIMAC

CARRERA PROFESIONAL DE INGENIERIA AGROINDUSTRIAL

TEMA:

DESARROLLO DE UN SOFTWARE PARA PREDICCIONES DE PROPIEDADES FISICAS DE LOS ALIMENTOS Y HERRAMIENTAS AGROINDUSTRIALES

AUTOR:

WILSON URRUTIA GUTIÉRREZ

[email protected]

http://wilsonurrutia.jimdo.com/

ABANCAY julio del 2008

Desarrollo de Software para cálculos en ingeniería AgroindustrialWilson Urrutia Gutiérrez


I.- RESUMEN

Los cálculos en ingeniería agroindustrial conlleva gran demanda de tiempo, en especial si se trata de estimar las propiedades físicas de los alimentos por ello el presente trabajo aborda el desarrollo de un programa computacional que realiza, de forma rápida y sencilla, el cálculo de las propiedades térmicas de los alimentos, basados en las correlaciones obtenidas por Choi y Okos y conteniendo una base de datos con un análisis proximal de una amplia gama de alimentos Peruanos. El diseño de esta herramienta ha sido realizado en el lenguaje de programación Visual Basic 6.0. El programa permite calcular: la densidad del alimento, su calor específico, la conductividad térmica y difusividad térmica, los cuales son datos importantes para el diseño de equipos, tecnologías, etc.El software determina iteraciones y graficas del análisis de las propiedades físicas del alimento en cuestión.

II.-INTRODUCCION

En el mundo actual, las tendencias están fijadas al uso de herramientas computacionales (Software) para los cálculos ingenieriles, incluso actualmente se controlan procesos completos usando computadoras y softwares especiales (Inteligencia artificial), en la que el software se encarga de controlar los parámetros del proceso e intervine cuando sea necesario.

Los alimentos son sistemas complejos, siendo de origen biológico están sujetos a una gran variabilidad en su composición y estructura (Toledo,1991); sumado a lo anterior existen cambios en la composición que ocurren durante los procesos típicos de la industria alimentaria, tales como, congelación, evaporación, deshidratación, etc; esto hace que se dificulte el conocer su comportamiento y sus propiedades físicas.

Entre las propiedades de alimentos más recurrentes, están las propiedades térmicas, íntimamente ligadas a los procesos térmicos. Las propiedades térmicas involucradas en los distintos procesos térmicos son: conductividad térmica, calor específico y difusividad térmica. Aunque en la literatura se puede encontrar cierta información experimental sobre las propiedades térmicas de algunos alimentos comunes, la inmensa cantidad de productos alimenticios, sus diferentes composiciones, y las diferentes temperaturas a que se llevan a cabo los procesos, hacen que las posibilidades de encontrar un valor adecuado sean reducidas.

III.-OBJETIVOS

Facilitar los cálculos usuales en corto tiempo y con mayor presición, que permitan tener resultados confiables en las decisiones de diseño e ingeniería de alimentos

Tener conocimiento de las características termo físicas de los alimentos para su posterior aplicación en los cálculos ingenieriles y diseños.



Comprobar la efectividad del metido planteado en el Software con datos experimentales obtenidas por Heldman (1981) y Toledo (1991) de las propiedades de los alimentos.

IV.-PROBLEMÁTICA

Para los calcular las propiedades termofisicas de los alimentos, se requiere mucho tiempo y utilización de formulas largas complejas. Además de ello son pocas las investigaciones que reportan datos de algunos alimentos analizados, que incluso no se adecuan a nuestra realidad.

VI.-ANTECEDENTES

Actualmente solo se conoce un intento de Desarrollo de software para este fin, además no esta difundido su uso debido a errores de codificación y programación (Ingeniería del software).Negrete C., Valdivia C. y Zúñiga R. de la Universidad de Santiago de Chile. Departamento de Ciencia y Tecnología de los Alimentos. Facultad Tecnológica, desarrollaron un

V.- JUSTIFICACIONEn el campo laboral del ingeniero agroindustrial, se presentan situaciones en la uqe debe aplicar métodos de calculo usando correlaciones empíricos, pero dicho método demanda mucho tiempo y hay alto riesgo de error.

VI.- INFORMACIÓN TECNICA

La toma de decisiones para aplicar metidos y técnicas de conservación, procesamiento, diseño de equipos, etc. Supone conocer las propiedades de los alimentos, puesto que de ello depende el tratamiento a la que se someterá y por ende de la calidad del productos. Continuación se describen los mas fundamentales.

Densidad ( Es la propiedad resultante de la relación de una propiedad intensiva y otra extensiva, indica la unidad de volumen para una determinada masa. Este parámetro es utilizado para los cálculos de calidad (Estado de madurez, sólidos totales, etc) en frutas y tubérculos. Sus unidades son (Kg/m3)

Calor específico(Cp): Es la medida de la cantidad de energía que acompaña al cambio de una unidad de temperatura por unidad de masa. Sus unidades son (J/kgºC).

Conductividad térmica (k): Es igual al flujo de calor de un área cuando se incrementa la temperatura en una unidad y la distancia en una unidad de longitud. Sus unidades son (W/mºC).

Difusividad térmica (): Es la relación entre la conductividad térmica y el calor específico por su densidad. Sus unidades son (m2/s).



Debido a la necesidad de evaluar estas propiedades, se han propuesto muchas expresiones que permiten predecir las propiedades térmicas basándose en los componentes de los alimentos; entre estas están las ecuaciones de Siebel (1912), Dickerson (1969), y Charm (1978) para determinación del calor específico; Maxwell (1904), Riedel (1949), Earle (1966), Sweat (1974), Harper (1976), Rask(1989), Lind(1991), etc. para la conductividad térmica.

Choi y Okos (1987) estudiaron el efecto de la variación de la composición en las propiedades térmicas llegando a obtener correlaciones para los siguientes componentes: humedad, proteínas, lípidos, carbohidratos, fibras y cenizas. Estas correlaciones están función únicamente de la temperatura a que está expuesto el alimento.

Las correlaciones encontradas para evaluar el calor específico en (J/kg°C), de los distintos componentes son los siguientes:

Cp proteinas = 2008,2 + 1208,9·10-3T – 1312,9·10-6T2

Cp lípidos= 1984,2 + 1473,3·10-3T – 4800,8·10-6T2

Cp carbohidratos = 1548,8 + 1962,5·10-3T – 5939,9·10-6T2

Cp fibra = 1845,9 + 1930,6·10-3T - 4650,9·10-6T2

Cp cenizas = 1092,6 + 1889,6·10-3T – 3681,7·10-6T2

Para el agua sobre la congelación:

Cp agua = 4176,2 – 9,0862·10-5T + 5473,1·10-6T2

donde T es la temperatura del alimento en ºC

Siendo el Cp del alimento:Cp alimento = Cpi·Xi

donde Xi = Fracción de componente del alimento

Para la conductividad térmica evaluada en (W/mºC), de los distintos componentes son las siguientes:

k agua = 0,57109 + 0,0017625T – 6,7376·10-6T2

kproteinas = 0,1788 + 0,0011958T - 2,7178·10-6T2

k lípidos = 0,1807- 0,0027604T - 1,7749·10-7T2

k carbohidratos = 0,2014 + 0,0013874T - 4,3312·10-6T2

k fibra = 0,18331+ 0,0012497T – 3,1683·10-6T2

k cenizas = 0,3296 + 0,001401T – 2,9069·10-6T2

La conductividad térmica del alimento se calcula como:

kalimento = ki · Xvi



Donde Xvi es la fracción en volumen de cada componente del alimento y se determina de la fracción de masa Xi, de la densidad individual (i) y de la densidad del alimento (alimento):

Xvi = (Xi · alimento /i) Las densidades individuales en (kg/m3) son obtenidas de las ecuaciones

siguientes:

agua = 997,18 + 0,0031439T – 0,0037574T2

proteinas = 1329,9 – 0,51814T lípidos = 925,59 – 0,41757T carbohidratos = 1599,1 – 0,31046T fibra = 1311,5 – 0,36589T cenizas = 2423,8 – 0,28063T

La difusividad térmica de los alimentos, se calcula a partir de la densidad, calor específico y conductividad térmica a través de la fórmula siguiente:

alimento = kalimento . CP alimento · alimento

El cálculo de las propiedades térmicas de los alimentos usando estas correlaciones en forma manual es bastante tedioso y requiere de bastante tiempo, por lo que se requiere del uso de nuevas herramientas que permitan la evaluación de estas propiedades en forma precisa y confiable en un corto tiempo. Si se combinan estas ecuaciones planteadas por Choi y Okos con los recursos computacionales se simplifica enormemente la evaluación de estas propiedades. En las tablas Nº1 y Nº2 se indican los cálculos de Cp y k respectivamente para algunos alimentos obtenidos de forma experimental, y se comparan con los entregados por el programa propuesto.

VII.-INGENIERIA DEL SOFTWARE

Paso1: Construcción de la base de datos en Access 2003 y registro de alimentos.El software utiliza una base de datos construido en Microsoft office Access 2003, la cual contiene tablas con los datos completos de los alimentos que serán analizadas en el software. En el desarrollo de la base de datos, se utilizo datos recolectados de distintos libros y trabajos de investigación concernientes al análisis de alimentos.Entre los datos principales de los alimentos utilizados para los cálculos de Propiedades físicas y cálculos de Computo químico, se datan los siguientes: Humedad, proteínas, carbohidratos, grasa, cenizas, fibras, las cuales son los que mas influyen en las variación de las propiedades del alimento en función a la temperatura. Mientras para los cálculos de Score químico se registraron todos los aminoácidos esenciales correspondientes a cada alimento tales como: Isoleucina, Leucina, lisina, metionina + cisterna, fenilalanina + tirosina, treonina, tirosina, valina, histidina; ademas del nitrogeno total para cada limento obtenido en funcion al



contenido de proteína y factor de conversión. Todos los datos numéricos se declararon como Double (Números reales) en las propiedades de las tablas.Paso2: Desarrollo del interfaz del software

a.- Creaciones de controles ActiveXLos controles de Visual Basic no cooperan a una buena apariencia de los programas creados en el, por ello se crean controles especiales usando el mismo visual Basic.Loa controles ActiveX son aquellos que tienen la extensión *.OCX. los cuales se usan para mejorar los efectos visuales dentro de un programa. La desventaja es que el programa es dependiente de dicho control para su ejecución, por ello en este caso se desarrollo un control ActiveX que no solamente mejorara la apariencia del Software, sino también estará incluido inseparablemente dentro del programa.Se ha desarrollado el control ActiveX llamado “WilsonUG.ocx” y dentro de ella están los controles para visual Basic tales como: WilsBoton. WilsText. Los cuales han sido utilizados para el desarrollo de este software.

b.- Declamación de función de interfaz WinXp mediante archivo de modulo “manifest”Visual Basic 6.0 es una herramienta para aplicaciones de 32 bits, fue creada cuando todavía estaba en uso windows 98 por tal motivo no tiene las referencias necesarias a los nuevos controles que incluye windows XP.

Dentro de la API de Windows XP se encuentra una función que lleva por nombre InitCommonControls().

cuya declaración es:Public Declare Function InitCommonControls Lib "comctl32.dll" () As Long<?xml version="1.0" encoding="UTF-8" standalone="yes"?><assembly xmlns="urn:schemas-microsoft-com:asm.v1" manifestVersion="1.0"><assemblyIdentity type="win32" processorArchitecture="*" version="6.0.0.0" name="mash"/><description>AQUI PONEMOS UNA DESCRIPCION</description><dependency> <dependentAssembly> <assemblyIdentity type="win32" name="Microsoft.Windows.Common-Controls" version="6.0.0.0" language="*" processorArchitecture="*" publicKeyToken="6595b64144ccf1df" /> </dependentAssembly></dependency></assembly>End Function

Esta expresión ya está dada entre los controles de Windows XP sin embargo el llamado a este control se puede efectuar como publico (Varios formularios) o



privado (un solo formulario), el efecto de este control no se muestra en la ejecución de programa, primero tiene que ser compilado el programa a ejecutable (*.exe)

c.- Programación y codificación mediante iteraciones

El funcionamiento del programa se rige en las sentencias digitadas en cada control y para un determinado evento, las cuales son codificaciones que el sistema entiende perfectamente, además de que el momento de programar se le asigna algunas tareas al sistema para que lo ejecute en el momento oportuno.Los códigos generalmente son muy largos, por lo que en este articulo no se incluye por el mismo hecho de que requiere de conocimientos básicos para su utilización.También se programo para guardar reportes de los cálculos realizados en formato Word (*.doc), los cuales son usualmente utilizados para diseño y cálculos de equipos en la Agroindustria. La tendencias de las propiedades con el cambio de la temperatura, también genera graficas y tablas, las cuales también pueden ser almacenas individualmente para posteriores usos en informes y cálculos de proceso (Caso del Score químico y Computo químico), incluyendo además estimaciones de costos y beneficios en algunos casos de calculo.

Si

No

Si

No


INICIO

Eleccion Del Alimento Y Del

alimento especifico

TEMPERATURA

Correlaciones De Choi Y OkosIteración en rangos de T, Guardar datos

fracciones en peso de los

componentes del alimento

% de los componentes K, Cp, y

T > 250º C

FIN

INICIO

porcentajes en peso de los componentes

% = 100


SIMBOLOGÍA DEL ALGORITMO:

El software esta diseñado para la exportación de los datos a formatos de Excel (*.Xls), y HTML (Internet), así como el salvado de datos en formato Word, los alimentos seleccionados se obtiene de una base de datos.

VIII.-RESULTADOS

a.-Interfaz

La imagen siguiente muestra el software completo, incluyendo sus herramientas y menues. Cada icono en la barra de herramientas representa un aplicativo (Formulario de cálculos), al igual ue cada menú.

Los alimentos son seleccionados de una caja desplegable (ComboBox) tal como se muestra en la siguiente imagen.


ENTRADA DE DATOS

INSTRUCCION

DATOS ALMACENADOS DECISIO

N

RESULTADOS EN

PANTALLA


Se registraron alrededor de 500 alimentos en la base de datos, lo que hace posible el cálculo de las propiedades de una amplia gama de alimentos, siendo posible además los cálculos sin la utilización de la base de datos, ingresando datos solicitados.

En la siguiente imagen se muestra la tabla de iteración de las propiedades y la grafica que se genera a partir de ella, la grafica se puede guardar por individual ampliándolo haciéndole doble clic. Los sentencias mas usados son generalmente anidadas (Una dentro de otras), las cuales permite ejecutar una sentencia tomando los datos de varias variables externas al bucle.



Análisis de graficas y tablas de iteración Las opciones de alimentos a analizar son muchas (Depende de la cantidad de alimentos registrados en la base de datos).

En este caso se hace el análisis de la MANZANA (sin mención de variedad) en intervalo de temperatura de 0 a 150 ºC , el reporte que hace el software es:

------------------------------------------------------------------------CALCULO DE PROPIEDADES FISICAS DE LOS ALIMENTOS IngAgro_Wilson-------------------------------------------------------------------------

ALIMENTO SELECCIONADO: Manzana

TEMPERATURA (Cº)= 20Cº

COMPOSICION DEL ALIMENTO

Agua H2O= 84,2 %Hielo Hie= 0 %Proteina CHON= 0,3 %Fibra Fib= 0,5 %Carbohidrato CHO= 14,5 %Grasa Gra= 0,3 %Ceniza Cenz= 0,2 %

Total= 100 %

RESULTADOS DE LOS CALCULOS DE LAS PROPIEDADES DE UN ALIMENTO EN FUNCION A SUS COMPONENTES

COMPONENTE Densid.(kg/m3) Conduct.(W/mCº) CalorEspec.(Kj/KgCº) Difisiv.(m2/s)AGUA: 995,739916 0,60365856 4,17657196 0,0000001432HIELO: 914,2758 2,054006 2,183838 0,0000010919PROTEINA: 1319,5372 0,20163888 2,03185284 0,0000000776FIBRA: 1304,1838 0,20703668 1,88065164 0,0000000835CARBOHIDATO: 1592,8908 0,22742552 1,58567404 0,0000000905GRASA: 917,2386 0,235847004 2,01174568 0,0000001013CENIZA: 2418,1874 0,35647924 1,12891932 0,0000001316

Producto: 1056,148112 0,56343 3,77038822 0,0000001376"

--------------------------------------------------------------------------*Estos datos son informes generados por el software en formato original.

Tabla iterativa generada por el software, el 150 indica el limite o tope de los cálculos iterativos, pero el rango permitido para este método según Choi y Okos esta comprendida hasta 250 ºC.



1.-Análisis de densidad de la Manzana (Analizada de 0 a 150 ºC)

0

200

400

600

800

1000

1200

0

200

400

600

800

1000

1200

Densidad en funcion a la Tº



2.- Analisis de conductividad de la Manzana (Analizada de 0 a 150 ºC)

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

Conductividad en funcion a la Tº

3.- Análisis de Calor específico (Cp) de la Manzana

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

4,0

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

4,0

Calor especifico en funcion a la Tº



4.- Análisis de la difusividad de la Manzana

0,00000000

0,00000002

0,00000004

0,00000006

0,00000008

0,00000010

0,00000012

0,00000014

0,00000016

0,00000018

0,00000000

0,00000002

0,00000004

0,00000006

0,00000008

0,00000010

0,00000012

0,00000014

0,00000016

0,00000018

Difusividad en funcion a la Tº

IX.-DISCUSIÓN Y CONTRASTACION DE RESULTADO

Tabla Nº1 Conductividad térmica de los varios alimentosProducto. Contenido

de Humedad (%).

Temperatura (ºC).

Conductividad Térmica (W/mºK).

k entregado por el programa (W/mºK)(3)

Zanahorias - - 0.6058(2) 0.5811Cordero - 5.5 0.4777(2) 0.4803Tomate - - 0.5279(2) 0.5952Huevo blanco -

-36-

0.577(1)

0.338(2)0.5644

Músculo de pescado

--

0-10-10

0.557(1)

1.497(2)0.5215

Leche - 37 0.530(1) 0.58720Cerdo 75.9

-46

0.443(1)

0.4881(2)0.48750.4902

Papa 81.5-

1-32-

0.554(1)

0.554(2)0.5547

(1) Heldman (1981)(2) Toledo (1991)(3) Las conductividades térmicas que aparecían con la temperatura de evaluación fueron calculadas a 25ºCTabla Nº2 Características Térmicas de manzanas.(*)



Parámetro. Golden Delicius. Granny Smith. Resultados del programa

Sin congelar

Congeladas

Sin congelar

Congeladas

Porcentaje de Humedad (%).

87.3 87.3 85.8 85.8 84.2

Conductividad Térmica (W/mºC).

0.427 1.45 0.398 1.22 0.325

Calor Específico (kJ/kgºC).

3.69 1.95 3.58 1.68 3.764

Densidad (kg/m3)

8.45 7.88 8.29 7.86 1058

Difusividad Térmica (m2/s) (10-7).

1.37 9.43 1.34 9.26 1.313

(*) Ramaswary y Tung (1981)

Tabla Nº3 Calores específicos de los alimentosProducto. Calor específico experimental

(kJ/kg ªK).Cp entregado por programa (kJ/kgºK)(3)

Mantequilla 2.051-2.135(1)

2.050(2)2.315

Leche entera pasteurizada

3.852(1) 3.866

Pescado fresco 3.600(1) 3.577Papas 3.517(1) 3.661Manzana 3.726-4.019(1)

3.370(2)3.814

Cordero 3.223(1) 3.481Sardinas 3.0.14(1) 3.162Queso 3.265(1) 3.336Zanahoria 3.810-3.935(1)

3.890(2)3.875

3.879Cerdo 2.850(2) 3.208Pollo 3.310(2) 3.383Espinaca 3.800(2) 3.910Pan 2850(2) 2.547Harina 1800(2) 1.982Huevo 3.850(2) 3.340(1) Heldman (1981)(2) Toledo (1991)(3) Los Calores específicos fueron evaluados a 25ºC



Estadísticamente las diferencias en los datos obtenidos por los investigadores citados y los que se obtiene por el programa, no significativos estadísticamente, pudiéndose asumir con toda certeza de dicho dato.

Aunque los valores entregados por el programa no son idénticos en todos los casos, se debe tomar en cuenta que sólo en algunos se disponía de la información sobre la temperatura a la cual fueron obtenidos los valores experimentales.Debido a que en la tabla Nº1 se contaba con todos los componentes del alimento los valores resultaron ser muy similares, lo que demuestra la importancia de contar con toda la información al momento de comparar valores experimentales. Es importante considerar que las correlaciones de Choi y Okos fueron determinadas para alimentos líquidos y no toman en cuenta la interacción de los componentes del alimento para evaluar sus propiedades térmicas.

Información adicional

Adicionalmente el software contiene herramientas programadas para el calculo de:

Psicrometria (Utilizando métodos analíticos ) Calculo de tiempos de congelamiento (Iteración De Planck y Cleland) Cálculos analíticos de las propiedades de los refrigerantes (Freon 12, 22,

717), por métodos analíticos. Concentración en sistemas de 3 tanques (Evaporación). Cálculos analíticos de flujo de fluidos (Tomando como referencia el

Flowpipe”. Birreactores de flujo de pistón (Cálculos iterativos) Cálculos de Score químico (7 alimentos a seleccionar) y análisis de costos. Computo químico en mezcla de alimentos. Base de datos de los alimentos con sus composiciones químicas y

aminoacídicas, etc. Entre otros aplicativos.

Con respecto a los cálculos importantes se programó para generar reportes en Word formato (*:doc), con la finalidad de archivar y/o utilizar en cualquier circunstancia

IX.-CONCLUSIONES

La precisión de los cálculos realizados con el software coinciden con los datos obtenidos experimentalmente por los investigadores citados, siendo la diferencia o error estadísticamente insignificativa. En algunos casos presento una debido a las variaciones en la composición de dicho producto, aun así no son significativos.

El ahorro de tiempo en los cálculos usando el software es inmensamente menor a lo realizado manualmente, solo requiere seleccionar el alimento a analizar y presionar un botón, todo ello demanda alrededor de 6 segundos.

Los controles ActiveX creados y el archivo “Manifest” confieren al software un aspecto mucho mas atractivo, tan igual que la interfaz de programas comerciales que usan el interfaz de WinXp.



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X.-BIBLIOGRAFIA

IBARZ RIBAS, Alberto., BARBOSA CANOVAS, Gustavo V. y otros. METODOS EXPERIMENTALES EN LA INGENIERIA ALIMENTARIA. 2000. Zaragoza.

Heldman, D. y Singh, R.,(1981). Food Process Engineering, segunda edición, Avi Publishing Company, 100-108, 401-403. (Version electronica)

Toledo, Romeo, (1991). Fundamentals of Food Process Engineering, segunda edición, Chapman & Hall, New York, 132-139. . (Version electronica)


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