Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias Vol. 32, No. 1, January-March, 2023, ISSN: 2071-0054
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TECHNICAL NOTE

Energy Evaluation of ¨Rómulo Padrón¨ Feed Factory Based on the General Consumption of the Plant

 

iDAnnia García Pereira*✉:annia@unah.edu.cu

iDJavier León Martínez

iDGemma Domínguez Calvo

iDPedro Paneque Rondón


Universidad Agraria de La Habana, Facultad de Ciencias Técnicas, San José de las Laja, Mayabeque, Cuba.

 

Author for correspondence: Annia García Pereira, e-mail: annia@unah.edu.cu

ABSTRACT

The production of concentrated foods with high-energy efficiency indicators is currently a challenge in Cuba. Therefore, in this research, the objective is to carry out an energy evaluation of ¨Rómulo Padrón¨ Feed Factory based on the general consumption of the plant. For this, a diagnosis of the factory is carried out, the main tools that evaluate energy efficiency in this type of industry are determined and an improvement plan is presented. The results show average monthly values of production, energy consumed and the consumption index of 4589.4 t; 35,117 kWh and 7.56 kWh/t, and 108.13 t daily for the month of March; 802.93 kWh and 7.42 kWh/t, respectively. In addition, it was determined an unstable behavior of the energy consumed based on production (monthly and daily), with correlation coefficient values of 0.88 and 0.81, respectively.

Keywords: 
Concentrated Food, Diagnosis, Efficiency, Consumption Index, Production

Received: 10/7/2022; Accepted: 09/12/2022

Annia García Pereira. Profesora Dr.C. Titular, Universidad Agraria de La Habana, Facultad de Ciencias Técnicas, Autopista Nacional km 23 ½, Carretera de Tapaste, San José de las Lajas, Mayabeque, Cuba, e-mail: annia@unah.edu.cu.

Javier A. León-Martínez. MSc., Profesor Asistente, Universidad Agraria de La Habana, Facultad de Ciencias Técnicas, San José de las Lajas, Mayabeque, Cuba, e-mail: compos@nauta.cu, jleon@unah.edu.cu.

Gemma Domínguez-Calvo. Ing., Profesora, Universidad Agraria de La Habana, Facultad de Ciencias Técnicas, San José de las Lajas, Mayabeque, Cuba, e-mail: gemma@unah.edu.cu.

Pedro Paneque-Rondón. Dr.C. Investigador y Profesor Titular, Universidad Agraria de La Habana, Centro de Mecanización Agropecuaria (CEMA), San José de las Lajas, Mayabeque, Cuba, e-mail: paneque@unah.edu.cu.

The authors of this work declare no conflict of interests.

AUTHOR CONTRIBUTIONS: Conceptualization: A. García. Data curation: A. García, J. León. Formal Analysis: A. García, J. León. Investigation: A. García, J. León, G. Domínguez, P. Paneque. Methodology: A. García. Supervision: A. García, J. León, P. Paneque. Validation: A. García, J. León. Visualizacion: A. García, J. León.Writing - original draft: A. García, G. Domínguez. Writing - original draft: A. García, J. León, P. Paneque.

CONTENT

INTRODUCTION

 

Energy problems are becoming more important in the world, based on the accelerated development of some countries, which has led to intense competition for control of oil reserves. Energy efficiency is one of the main areas of opportunity to reduce costs, protect the environment and increase the competitiveness of industries (Monteagudo-Yanes, 2004MONTEAGUDO-YANES, J.P.: U.C. CEEMA. Diplomado en Gestión Energética, en convenio con la Universidad de Ibagué, Inst. Universidad de Ibagué, U.C. CEEMA, Ibagué, Colombia, 2004.; Monteagudo-Yanes & Gaitan, 2005MONTEAGUDO-YANES, J.P.; GAITAN, O.G.: “Herramientas para la gestión energética empresarial.”, Scientia et technica, 3(29): 169-174, 2005, ISSN: 0122-1701.). It seeks to achieve a more efficient use of energy without reducing production levels, without reducing the quality of the product or service, or affecting safety or environmental standards. It is characterized by the ability to achieve production objectives, using the least amount of energy possible, that is to achieve a production level, with the quality requirements established by the client, with the lowest energy consumption and expenditure and the lowest associated environmental pollution (Borroto-Nordelo et al., 2005BORROTO-NORDELO, B.A.; LAPIDO-RODRÍGUEZ, M.; MONTEAGUDO-YANE, J.P.; DE ARMAS-TEYRA, M.A.; MONTESINOS-PÉREZ, M.; DELGADO-CASTILLO, J.; PADRON, A.; PERCY-VIEGO, F.; GONZÁLEZ-PEREZ, F.: “La gestión energética: una alternativa eficaz para mejorar la competitividad empresarial”, Energética, (33): 65-69, 2005, ISSN: 0120-9833.; Borroto-Nordelo, 2009BORROTO-NORDELO, A.E.: Tecnología de gestión total eficiente de la energía, Ed. Editorial Universo Sur, Cienfuegos, Cuba, 2009.; Bustos-Burgos & Chiquito-Sánchez, 2017BUSTOS-BURGOS, M.J.; CHIQUITO-SÁNCHEZ, D.D.: Sistema de Gestión de Eficiencia Energética basado en la NORMA ISO 50001 en la en la FIQ-UG en el Laboratorio de Operaciones Unitarias de la Facultad de Ingeniería Química de la Universidad de Guayaquil, Inst. Facultad de Ingeniería Química de la Universidad de Guayaquil, Guayaquil, Ecuador, Publisher: Universidad de Guayaquil, Facultad de Ingeniería Química., 2017.; Ruiz & Hall-Mitre, 2017RUIZ, A.; HALL-MITRE, E.: “Desarrollo de un sistema de gestión de eficiencia y ahorro energético para las instituciones del sector público”, Revista de Iniciación Científica, 3(1): 70-76, 2017, ISSN: 2413-6786.).

Energy management benefits the industry, helping to guarantee product quality, reducing production costs and increasing its competitiveness. It benefits the country by postponing financing requirements for energy infrastructure, promoting new technologies and the modernization of the industrial sector and reducing the import of capital goods for energy development. And finally, it benefits the society by conserving resources for future generations, reducing polluting emissions to the environment and contributing to the formation of an energy and environmental culture (Borroto-Nordelo et al., 2005BORROTO-NORDELO, B.A.; LAPIDO-RODRÍGUEZ, M.; MONTEAGUDO-YANE, J.P.; DE ARMAS-TEYRA, M.A.; MONTESINOS-PÉREZ, M.; DELGADO-CASTILLO, J.; PADRON, A.; PERCY-VIEGO, F.; GONZÁLEZ-PEREZ, F.: “La gestión energética: una alternativa eficaz para mejorar la competitividad empresarial”, Energética, (33): 65-69, 2005, ISSN: 0120-9833.; 2006BORROTO-NORDELO, A.; MONTEAGUDO-YANES, J.P.: Gestión y economía energética, Ed. Centro de Estudios de Energía y Medio Ambiente, Universidad de Cienfuegos, Cienfuegos, Cuba, Centro de Estudios de Energía y Medio Ambiente, Universidad de Cienfuegos, Cuba, 2006.; Borroto-Nordelo & Aldersey-Williams, 2006BORROTO-NORDELO, A.; ALDERSEY-WILLIAMS, J.: Gestión y economía energética, no. 104, Ed. Editorial Universidad de Cienfuegos, vol. 1, Cienfuegos, Cuba, 2006.; Bravo-Hidalgo & Martínez-Perez, 2016BRAVO-HIDALGO, D.; MARTÍNEZ-PEREZ, Y.: “Eficiencia energética, competitividad empresarial y economía verde.”, Revista Publicando, 3(9): 447-466, 2016, ISSN: 1390-9304.).

On the other hand, in industrial development, knowledge has been expanded based on improving animal nutrition, reaching high levels of development since progress in genetics and health have partially influenced an improvement in production results, achieving by simply changing the formulation of food, an increase in production volumes. Balanced feed is a necessity not only for the animal but also for the producer, because it allows storage for long periods, provisioning in times of scarcity, saving time in preparation and ease of handling when feeding animals (BPFA-ICA, 2020BPFA-ICA: Buenas prácticas en la fabricación de alimentos para animales en Colombia, Inst. Instituto Colombiano Agropecuario, Grupo De Regulación Y Control De Alimentos Para Animales., Bogotá D.C., Colombia, publisher: Instituto Colombiano Agropecuario, Grupo de Regulación Y Control de…, 2020.). The same (feed) play a leading role in the global food industry, by allowing the economic production of animal products throughout the world (Cartaya, 2017CARTAYA, Y.: Evaluación de la sección de molinado en la línea 1 de producción en la UEB fábrica de piensos “Rómulo Padrón” del municipio Jaruco, Inst. UEB fábrica de piensos “Rómulo Padrón”, Informe técnico, Jaruco, Mayabeque, Cuba, 2017.).

The commercial production or sale of manufactured feed is carried out in more than 140 countries and more than 30,000 feed factories; this world production has risen 14% in the last 5 years. The total world quantity produced of compound feed in 2016 is slightly above 1,032,000 m, which represents an increase of 3.7% compared to last year, despite the decrease in the number of factories by 7% (BPFA-ICA, 2020BPFA-ICA: Buenas prácticas en la fabricación de alimentos para animales en Colombia, Inst. Instituto Colombiano Agropecuario, Grupo De Regulación Y Control De Alimentos Para Animales., Bogotá D.C., Colombia, publisher: Instituto Colombiano Agropecuario, Grupo de Regulación Y Control de…, 2020.). Feed manufactured in industrial plants is used to develop and maintain animals for human consumption, animals that produce meat, milk, eggs, wool, leather, and other products under a wide range of production conditions. Concentrated foods are nothing more than mixtures of foods that provide primary nutrients, which contain less than 18% crude fiber, high values of energy and they are manufactured from previously prepared and scientifically qualified recipes (Cartaya, 2017CARTAYA, Y.: Evaluación de la sección de molinado en la línea 1 de producción en la UEB fábrica de piensos “Rómulo Padrón” del municipio Jaruco, Inst. UEB fábrica de piensos “Rómulo Padrón”, Informe técnico, Jaruco, Mayabeque, Cuba, 2017.). The technological process for obtaining concentrated food is made up of 3 fundamental stages (Reception of Raw Material, Production and Marketing) within which there are different tasks that must be controlled according to the CA that is desired to obtain the required quality. The production process of the industries dedicated to the preparation of concentrated foods generates high consumption of energy, regardless the characteristics with which the raw materials arrive, mills and mixers demand a great amount of energy and because of that, they are called key posts. Therefore, it is necessary to carry out an energy evaluation of agro-industrial plants. Hence, the objective of this research is to evaluate energetically ¨Rómulo Padrón¨ Feed Factory from the general consumption of the plant.

MATERIALS AND METHODS

 

For the energy evaluation of the factory, a working group is created made up of specialists who are part of the research project for the integral evaluation of it; conceived by four professors, the energy specialist and five students. During the selection of the working group, age, sex, years of work related to the subject, educational level and, in the case of university graduates, the specialty in which they were trained, have been taken into account.

Determining Information Needed for Diagnosis

 

The information necessary for the diagnosis in this type of research is determined from the theoretical foundations. The factory will be characterized in terms of its electrical infrastructure and all sources of energy consumption, its main activities, those associated or not to production, as well as daily, monthly and annual reports of energy consumption and production values. The most recent data corresponding to the first quarter of 2019 are analyzed, with the aim of obtaining the relationship between energy, production and the consumption rate of the plant.

Selection of Areas and Equipment to be Diagnosed

 

Once the characterization of the plant and its main energy consumption areas has been carried out, as well as the conditions of the electrical installations that influence losses, a selection of the areas and equipment to be diagnosed is made. Information about daily, monthly and annual reports of the factory to the National Electrical Union (UNE) and the periodic conciliations the factory carries out with it, as part of its control to establish consumption plans, are used to evaluate the relationship between consumption and production of concentrated food.

Compilation of the Necessary Quantitative and Qualitative Information

 

For the collection of the necessary information, the following methods will be used: observation, photography (digital camera, Cannon Powershot 348, 7.2 megapixels) and interview. On the other hand, the factory's energy database will be used, where the daily consumption appears since January 2019 according to the record of the meter-counter clock, an equipment established in Cuba for monitoring energy consumption throughout the infrastructure of the country, both state and private. The consumption plan assigned by the UNE according to the expected production volumes will be also considered. In addition, there will be data on the daily production values ​​of the factory during the four-month period-analyzed (January-April) obtained from the entity's production department, in the same format as the previous ones. The values ​​of the total energy consumed are obtained through the sum of the daily values ​​of the reading offered by the meter:

E m = i = 1 n E 1 + E 2 + E 3 + + E i ; k W h  (1)

where:

E m energy consumed monthly;

E 1 , E 2 , E 3 , E i = energy consumed daily;

Similarly, the value of daily production is recorded to obtain a total monthly production as shown:

P m = i = 1 n P 1 + P 2 + P 3 + + P i ; t  (2)

where:

P m = monthly production

P 1 , P 2 , P 3 , P i = daily production

Field Measurements, Data Collection and Filtering

 

The data obtained will be reviewed and filtered using the Microsoft Excel 2010 tool, which will be also used to statistically analyze the dependence established between energy consumption and the consumption index vs. production from obtaining the coefficient of determination. This tool will be used to obtain the models that correspond to said behavior. In this stage, the following actions will be carried out:

  • The energy consumption (E) and production (P) values associated with them are recorded in periods of time (T) (day, month, year, etc.), and the graph E - P is obtained as a function of T.

  • The above analysis makes it possible to compare the production variation trends in each period (from one day to the next, from one month to another, etc.) with the consumption variation trends and the periods where abnormal variations occur are identified.

  • Using the linear regression method, the coefficient of determination between E and P is established, the line that best fits the points located on the diagram or trend line is drawn, and the model with the best fit is obtained.

  • The consumption index of the factory IC=f (P) is determined from the expression E=f (P). The actual data (E/P, P) of the E and P data records used to make the E vs P plot are determined, and the IC vs P plot and the IC vs T plot are obtained.

RESULTS AND DISCUSSION

 

Results of the Energy Evaluation of the Plant

 

Rómulo Padrón¨ Feed Factory with Spanish technology was built in 1961. It is located in Jaruco Municipality, Mayabeque Province between 23° north latitude and 82° west longitude, subordinated to the Western Feed Company belonging to the Ministry of Agriculture. The feed factory constructively has the capacity to produce 19.2 t (9.6 for each line) of feed per hour, taking into account that each work line grinds 2.4 t per 15 min and has two production lines. At the end of 2019, , it was possible to produce a real of 60,655.67 t from a 67,000 t plan, for a non-compliance of 6,344.33 t (90.5%). Table 1 shows the average values of production (4,589.4 t), energy consumed (35,117 kWh) and the consumption index (7.56 kWh/t) during the months analyzed.

TABLE 1.  Monthly production, energy consumption and consumption index
Parameters January February March April Average
Production (t) 4229.0 4204.7 4944.,9 4978,9 4589.4
Energy Consumed (kWh) 34650 31320 36708 37790 35117
Consumption Index (kWh/t) 8.19 7.45 7.42 7.59 7.56

Figure 1 corresponds to the E-P vs T graph, which shows the simultaneous variation of the energy consumption of the grinding section of line two with the production carried out over time. A tendency to instability can be seen in the first two months of the year and then, to the increase in the months of March and April, which as a positive element shows production values above those of consumption.

The abnormal behavior of the variation in energy consumption with respect to the variation in production in the months of January and February is because there is energy consumed that is not directly related to production. The fundamental causes, according to the interviews carried out, were related to the lack of raw material, breakages in the weighing system and a breakage in one of the two mills. Also in the month of February, there were effects on the electric power for approximately 35 hours. It was also found that on working days, when there was no production due to the above causes, the work of the offices, the repairing workshop and the night public lighting were maintained. Night public lighting is kept on daily for security reasons and it consumes approximate 48 kWh in 12 hours (16 mercury lamps, consumption 250 Wh). During the analysis of the linearity between the energy consumed and the average production for the analyzed period of January-April (Figure 2), a determination coefficient of R2 = 0.77 was obtained. The dependence between both variables was obtained through the correlation coefficient r = 0.88. It shows a strong direct relationship between both variables and that the values ​​of energy consumed correspond 88% to the production carried out. This value is considered adequate for this type of analysis according to Borroto-Nordelo & Monteagudo-Yanes (2002)BORROTO-NORDELO, A.; MONTEAGUDO-YANES, J.P.: Al Ahorro de Energía en Sistemas Termodinámicos, Ed. Editorial U.C. Unión Eléctrica. Ministerio de la Industria Básica, 1ra. ed., La Habana, Cuba, CEEMA. Universidad de Cienfuegos. Editorial U.C. Unión Eléctrica. Ministerio de la Industria Básica, 2002, ISBN: 959-257-045-0. (r≥ 80% adequate, although the closer to 100% the better) taking into account that all factory , in addition to the energy consumption that is used directly to fulfill its corporate purpose, carries collateral expenses produced by all the supporting processes.

FIGURE 1.  Graph Energy Consumed -Production vs. Time.
FIGURE 2.  Dispersion diagram obtained from the statistical analysis of Energy Consumed vs. Production.

To represent the amount of energy consumed per ton (kW/t) in Figure 3, the consumption index is calculated. In the specific case of this parameter, it is recommended that the lower it is, the more energy efficient the entity is. According to the study carried out, ¨Rómulo Padrón¨ Feed Factory was more efficient in March. It corresponds with what Borroto-Nordelo & Monteagudo-Yanes (2002)BORROTO-NORDELO, A.; MONTEAGUDO-YANES, J.P.: Al Ahorro de Energía en Sistemas Termodinámicos, Ed. Editorial U.C. Unión Eléctrica. Ministerio de la Industria Básica, 1ra. ed., La Habana, Cuba, CEEMA. Universidad de Cienfuegos. Editorial U.C. Unión Eléctrica. Ministerio de la Industria Básica, 2002, ISBN: 959-257-045-0. and Chacón-Cordero (2015)CHACÓN-CORDERO, F.: Evaluación energética en una planta de alimentos balanceados para animales, Inst. Ciudad Universitaria Rodrigo Facio, San José, Costa Rica, 2015. describe, also taking into account the mechanical characteristics of the factory and the nature of the technological process to maintain production values and energy expenditure that guarantee a consumption rate that does not exceed 7.42 kWh/t.

FIGURE 3.  Diagram of Consumption Index vs. Months.

When analyzing the linearity between the average consumption index (CI) and production (P) parameters for each month (Figure 4), a determination coefficient of R2 = 22 was obtained. The dependence between both variables was obtained through the correlation coefficient r = -0.48 that shows a weak inverse relationship between both variables and that the values of the consumption index correspond in 48% with the production carried out in each month. This result is obviously given by the energy values (E ) and production (P) so deficient obtained in January and the irregularities that were previously mentioned in February as shown in Figure 4.

FIGURE 4.  Dispersion diagram obtained from the statistical analysis of the Consumption vs. Production Index of the months evaluated.

When analyzing the behavior of the E-P diagram vs work days in March, (Figure 5) some instability is observed during the course of the days, however, it is also possible to observe correspondence between both parameters analyzed. The production value equal to zero on day 9 corresponds to a failure in the weighing system and low production values on days 6, 12 and 14 caused by interruption in the electrical supply. In the same way, it is possible to verify that when the factory works at full capacity, for example on days 16, 26 and 30, it can become efficient in the use of energy. The graph also shows greater instability in production values than in energy consumption, so it is necessary to review organizational problems that could be influencing this behavior.

FIGURE 5.  Graph Energy Consumed-Production vs Time in the month of March.

During the analysis of the linearity between the energy consumed and the average production for each day in March (Figure 6), a determination coefficient of R2 = 66 was obtained. The dependence between both variables was obtained through the coefficient of correlation r = 0.81 that shows a slightly strong direct relationship between both variables and that the values of energy consumed correspond in 81% with the production carried out. This value is considered adequate for this type of analysis, according to Borroto-Nordelo & Monteagudo-Yanes (2002)BORROTO-NORDELO, A.; MONTEAGUDO-YANES, J.P.: Al Ahorro de Energía en Sistemas Termodinámicos, Ed. Editorial U.C. Unión Eléctrica. Ministerio de la Industria Básica, 1ra. ed., La Habana, Cuba, CEEMA. Universidad de Cienfuegos. Editorial U.C. Unión Eléctrica. Ministerio de la Industria Básica, 2002, ISBN: 959-257-045-0. (r≥ 80% adequate, although the closer to 100% the better), taking into account that all factory, in addition to the energy consumption that is used directly to fulfill its corporate purpose, carries collateral expenses produced by all supporting processes.

FIGURE 6.  Dispersion diagram obtained from the statistical analysis of Energy Consumed vs. Production.

Figure 7 shows the kWh/t consumption index during March, which also demonstrates an unstable behavior characterized by peaks and depressions that correspond to the causes described in Figure 5.

FIGURE 7.  Diagram of Consumption Index vs. Days of March.

During the linearity analysis between the consumption index and the average production for each day of March (Figure 8), a determination coefficient of R2 = 39.1 was obtained. The dependence between both variables was obtained through the correlation coefficient r = -0.62, which shows an inverse relationship between both variables and that the values of the consumption index correspond 62% to the production carried out in each month.

FIGURE 8.  Dispersion diagram obtained from the statistical analysis of the Consumption vs. Production Index.

The results obtained ratify the partial fulfillment of the hypothesis in which it was assumed that the Energy Consumed-Production relationship with respect to the months and days of the month of March analyzed would show a stable behavior with strong dependence between them given by correlation coefficients higher than 0.85. The behavior for both, months and days, was unstable but showed a strong correlation between both parameters when the monthly behavior is analyzed, described by coefficient r= 0.88. However, when analyzing the relationship between both parameters in the days of the month March, a slightly strong correlation between them is reached, given by a value of r= 0.81 lower than the expected value of 0.85.

Proposed Action Plan

 

From the results obtained in the diagnosis, the energy evaluation and the analysis of the operation of the motors, a group of recommendations are derived that will be specified as established by the methodology applied for the energy evaluation of the factory, in the improvement plan that is proposed below (Table 2).

TABLE 2.  Plan of measures to improve the energy efficiency of ¨Rómulo Padrón¨ Feed Factory
Classes Measure Responsible Date
Infrastructure
  • Request the preparation of an investment project for the capital repair of the factory

  • Place the plastic protection of the connectives and splices

  • Administration

  • Maintenance staff and electrician

  • September 2018 - approve it in 2019

  • According to availability of inputs

Technical and Technological
  • Replacement of electric motors for ones with a lower rated power

  • Evaluate the rest of the factory engines

  • Monitor electricity consumption at night and when the factory is not producing

  • Determine the causes that lead to the existence of considerable energy consumption that is not directly associated with production.

  • Administration and technical staff in charge of the activity

  • According to investment

  • Period September 2018 to March 2019

  • According to monthly schedule

  • quarterly basis

Organization
  • Train technical staff in energy functioning

  • Properly signal everything related to electrical installations and design the plans if they do not exist

  • Periodically protect and clean the places where the electrical conductors and energy sources are located until they are repaired.

  • Admin. from the Feed Factory and UNAH

  • Administration and technical staff in charge of the activity

  • Administration and personnel trained for that

  • Second semester of 2018

  • Second semester of 2018

  • Monthly.

CONCLUSIONS

 
  • The diagnosis carried out made it possible to identify 9 problems that affect the energy efficiency of the factory, defining their causes and the effect they produce.

  • The average monthly values of production, energy consumed and the consumption index reached values of 4,589.4 t; 35,117 kWh and 7.56 kWh/t, while the daily figures for the month of March were 108.13 t; 802.93 kWh and 7.42 kWh/t, respectively.

  • The Energy Consumed - Production relationship with respect to the months and days of the month of March shows an unstable behavior with a strong correlation between both parameters when the monthly behavior is analyzed, described by coefficient r= 0.88, while the relationship between both parameters on the days of the month of March are considered slightly strong given by a value of r= 0.81.

  • Among the main causes of the unstable behavior of the E-P ratio over time, both monthly and daily, are identified: lack of raw material, breaks in the weighing system, a break in one of the two mills and affectations in the electrical fluid, among other factors.

  • Inverse and weak correlation between CI and P with coefficient values ​​r regarding months and days of -0.48 and -0.62, respectively.

REFERENCES

 

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Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias Vol. 32, No. 1, January-March, 2023, ISSN: 2071-0054
 
NOTA TÉCNICA

Evaluación energética a fábrica de piensos ¨Rómulo Padrón¨ a partir del consumo general de la planta

 

iDAnnia García Pereira*✉:annia@unah.edu.cu

iDJavier León Martínez

iDGemma Domínguez Calvo

iDPedro Paneque Rondón


Universidad Agraria de La Habana, Facultad de Ciencias Técnicas, San José de las Laja, Mayabeque, Cuba.

 

Author for correspondence: Annia García Pereira, e-mail: annia@unah.edu.cu

RESUMEN

La producción de alimentos concentrados con elevados indicadores de eficiencia energética constituye un reto en Cuba actualmente. Por lo que en la presente investigación tiene como objetivo, realizar una evaluación energética a la UEB Fábrica de Piensos ¨Rómulo Padrón¨ a partir del consumo general de la planta. Para ello se realiza un diagnóstico de la fábrica, se determinan las principales herramientas que evalúan la eficiencia energética en este tipo de industria y se presenta un plan de mejoras. Los resultados muestran valores mensuales promedio de producción, energía consumida y el índice de consumo de 4589,4 t; 35117 kWh y 7,56 kWh/t, y diarios del mes de marzo de 108,13 t; 802,93 kWh y de 7,42 kWh/t, respectivamente. Además, un comportamiento inestable de la energía consumida en función de la producción (mensual y diaria), con valores de coeficiente de correlación de 0,88 y 0,81, respectivamente.

Palabras clave: 
alimento concentrado, diagnóstico, eficiencia, índice de consumo, producción

INTRODUCCIÓN

 

Los problemas energéticos tienen cada vez más importancia en el mundo, fundamentado por el desarrollo acelerado de algunos países lo que ha propiciado una competencia intensa por el control de las reservas de petróleo. La eficiencia energética es una de las principales áreas de oportunidad para reducir costos, proteger el medio ambiente e incrementar la competitividad de las industrias (Monteagudo-Yanes, 2004MONTEAGUDO-YANES, J.P.: U.C. CEEMA. Diplomado en Gestión Energética, en convenio con la Universidad de Ibagué, Inst. Universidad de Ibagué, U.C. CEEMA, Ibagué, Colombia, 2004.; Monteagudo-Yanes y Gaitan, 2005MONTEAGUDO-YANES, J.P.; GAITAN, O.G.: “Herramientas para la gestión energética empresarial.”, Scientia et technica, 3(29): 169-174, 2005, ISSN: 0122-1701.). Persigue lograr un uso más eficiente de la energía sin reducir los niveles de producción, sin disminuir la calidad del producto o servicio, ni afectar la seguridad o los estándares ambientales, caracteriza la habilidad de lograr objetivos productivos, empleando la menor cantidad de energía posible, es lograr un nivel de producción, con los requisitos de calidad establecidos por el cliente, con el menor consumo y gasto energético, y la menor contaminación ambiental asociada (Borroto-Nordelo et al., 2005BORROTO-NORDELO, B.A.; LAPIDO-RODRÍGUEZ, M.; MONTEAGUDO-YANE, J.P.; DE ARMAS-TEYRA, M.A.; MONTESINOS-PÉREZ, M.; DELGADO-CASTILLO, J.; PADRON, A.; PERCY-VIEGO, F.; GONZÁLEZ-PEREZ, F.: “La gestión energética: una alternativa eficaz para mejorar la competitividad empresarial”, Energética, (33): 65-69, 2005, ISSN: 0120-9833.; Borroto-Nordelo, 2009BORROTO-NORDELO, A.E.: Tecnología de gestión total eficiente de la energía, Ed. Editorial Universo Sur, Cienfuegos, Cuba, 2009.; Bustos-Burgos y Chiquito-Sánchez, 2017BUSTOS-BURGOS, M.J.; CHIQUITO-SÁNCHEZ, D.D.: Sistema de Gestión de Eficiencia Energética basado en la NORMA ISO 50001 en la en la FIQ-UG en el Laboratorio de Operaciones Unitarias de la Facultad de Ingeniería Química de la Universidad de Guayaquil, Inst. Facultad de Ingeniería Química de la Universidad de Guayaquil, Guayaquil, Ecuador, Publisher: Universidad de Guayaquil, Facultad de Ingeniería Química., 2017.; Ruiz y Hall-Mitre, 2017RUIZ, A.; HALL-MITRE, E.: “Desarrollo de un sistema de gestión de eficiencia y ahorro energético para las instituciones del sector público”, Revista de Iniciación Científica, 3(1): 70-76, 2017, ISSN: 2413-6786.). La gestión energética beneficia a la industria, contribuyendo a garantizar la calidad de los productos, reduciendo costos de producción y elevando su competitividad; al país, aplazando los requerimientos de financiamiento para la infraestructura energética, promoviendo nuevas tecnologías y la modernización del sector industrial, y reduciendo la importación de bienes de capital para el desarrollo energético; a la sociedad, conservando recursos para las futuras generaciones, disminuir las emisiones contaminantes al medio ambiente y contribuyendo a la formación de una cultura energética y ambiental (Borroto-Nordelo et al., 2005BORROTO-NORDELO, B.A.; LAPIDO-RODRÍGUEZ, M.; MONTEAGUDO-YANE, J.P.; DE ARMAS-TEYRA, M.A.; MONTESINOS-PÉREZ, M.; DELGADO-CASTILLO, J.; PADRON, A.; PERCY-VIEGO, F.; GONZÁLEZ-PEREZ, F.: “La gestión energética: una alternativa eficaz para mejorar la competitividad empresarial”, Energética, (33): 65-69, 2005, ISSN: 0120-9833.; 2006BORROTO-NORDELO, A.; MONTEAGUDO-YANES, J.P.: Gestión y economía energética, Ed. Centro de Estudios de Energía y Medio Ambiente, Universidad de Cienfuegos, Cienfuegos, Cuba, Centro de Estudios de Energía y Medio Ambiente, Universidad de Cienfuegos, Cuba, 2006.; Borroto-Nordelo y Aldersey-Williams, 2006BORROTO-NORDELO, A.; ALDERSEY-WILLIAMS, J.: Gestión y economía energética, no. 104, Ed. Editorial Universidad de Cienfuegos, vol. 1, Cienfuegos, Cuba, 2006.; Bravo-Hidalgo y Martínez-Perez, 2016BRAVO-HIDALGO, D.; MARTÍNEZ-PEREZ, Y.: “Eficiencia energética, competitividad empresarial y economía verde.”, Revista Publicando, 3(9): 447-466, 2016, ISSN: 1390-9304.).

Por otro lado, en el desarrollo industrial se han ampliado los conocimientos en base a mejorar la nutrición animal, alcanzando altos niveles de desarrollo ya que los progresos en genética y sanidad han influido parcialmente en una mejoría de los resultados productivos logrando con solo cambiar la formulación de los alimentos, un incremento en los volúmenes de producción.

El alimento balanceado constituye una necesidad no solo para el animal sino también para el productor, porque permite el almacenamiento por largos periodos, aprovisionamiento en épocas de escasez, ahorro de tiempo en preparación y facilidad del manejo al alimentar los animales (BPFA-ICA, 2020BPFA-ICA: Buenas prácticas en la fabricación de alimentos para animales en Colombia, Inst. Instituto Colombiano Agropecuario, Grupo De Regulación Y Control De Alimentos Para Animales., Bogotá D.C., Colombia, publisher: Instituto Colombiano Agropecuario, Grupo de Regulación Y Control de…, 2020.). Los mismos (piensos) desempeñan un papel líder en la industria global de alimentos, al permitir la producción económica de productos de origen animal en todo el mundo (Cartaya, 2017CARTAYA, Y.: Evaluación de la sección de molinado en la línea 1 de producción en la UEB fábrica de piensos “Rómulo Padrón” del municipio Jaruco, Inst. UEB fábrica de piensos “Rómulo Padrón”, Informe técnico, Jaruco, Mayabeque, Cuba, 2017.).

La producción comercial o la venta de piensos fabricados se realizan en más de140 países y más de 30000 fábricas de piensos, esta producción mundial ha ascendido un 14 % en los últimos 5 años. La cantidad total mundial producida de piensos compuestos en 2016 se sitúa ligeramente por encima de 1 032 000 t, lo que representa un aumento del 3,7 % respecto al año pasado, a pesar de la disminución del número de fábricas en un 7 % (BPFA-ICA, 2020BPFA-ICA: Buenas prácticas en la fabricación de alimentos para animales en Colombia, Inst. Instituto Colombiano Agropecuario, Grupo De Regulación Y Control De Alimentos Para Animales., Bogotá D.C., Colombia, publisher: Instituto Colombiano Agropecuario, Grupo de Regulación Y Control de…, 2020.).

Los piensos fabricados en plantas industriales se utilizan para desarrollar y mantener animales destinados a alimento para consumo humano, animales que producen carne, leche, huevos, lana y cuero, y de otros productos bajo una amplia gama de condiciones de producción. Los alimentos concentrados no son más que mezclas de alimentos que proporcionan nutrientes primarios, los cuales contienen menos del 18 % de fibra cruda y es alto en energía, se fabrican a partir de recetas previamente elaboradas y científicamente calificadas (Cartaya, 2017CARTAYA, Y.: Evaluación de la sección de molinado en la línea 1 de producción en la UEB fábrica de piensos “Rómulo Padrón” del municipio Jaruco, Inst. UEB fábrica de piensos “Rómulo Padrón”, Informe técnico, Jaruco, Mayabeque, Cuba, 2017.).

El proceso tecnológico para la obtención de los alimentos concentrados está constituido por 3 etapas fundamentales (Recepción de la Materia Prima, Producción y Comercialización) dentro de las cuales existen diferentes labores que deben ser controladas según el AC que se desee obtener con la calidad requerida. El proceso productivo de las industrias dedicadas a la elaboración de alimentos concentrados genera un consumo energético elevado, independientemente de las características con las que lleguen las materias primas, los molinos y las mezcladoras demandan una mayor cantidad de energía por lo que reciben el nombre de puestos claves, por esto es la necesidad de realizar una evaluación energética a las plantas agroindustriales. De ahí que la presente investigación tenga como objetivo evaluar energéticamente a la UEB Fábrica de Piensos ¨Rómulo Padrón¨ a partir del consumo general de la planta.

MATERIALES Y MÉTODOS

 

Para la evaluación energética de la fábrica se crea un grupo de trabajo conformado por especialistas que formen parte del proyecto de investigación, para la evaluación integral de la misma; concebido por cuatro profesores, el energético y cinco estudiantes. Durante la selección del grupo de trabajo se han tenido en cuenta la edad, sexo, los años de trabajo relacionados con la temática, el nivel educacional y en caso de ser graduados universitarios la especialidad en que se formaron.

Determinación de la información necesaria para el diagnóstico

 

La información necesaria para el diagnóstico en este tipo de investigación es determinada a partir de los fundamentos teóricos, donde se va a caracterizar la fábrica, con énfasis en su infraestructura eléctrica, y todas las fuentes de consumo energético, sus principales actividades, las asociadas o no a la producción, así como será necesario contar con los reportes diario, mensual y anual los valores del consumo energético y la producción. En el trabajo se analizan los datos más recientes correspondientes al primer cuatrimestre del año 2019, con el objetivo de obtener la relación entre energía, producción y el índice de consumo de la planta.

Selección de las áreas y equipos a diagnosticar

 

Una vez realizada la caracterización de la planta y sus principales áreas de consumo energético, así como diagnosticadas las condiciones de las instalaciones eléctricas que influyen en las perdidas, es que se realiza una selección de las áreas y equipos a diagnosticar. En este caso debido al control periódico que lleva la Unión Nacional Eléctrica (UNE), los reportes de información diaria, mensual y anual que debe entregar la fábrica y la conciliación periódica que debe hacer la agroindustria con dicha entidad para establecer los planes de consumo, es que se propone realizar una evaluación de la planta como un todo, buscando en este caso la relación que se establece entre el consumo y la producción de alimento concentrado.

Recopilación de la información cuantitativa y cualitativa necesaria

 

Para la recopilación de la información necesaria, se empleará como métodos: la observación, la fotografía (cámara digital, Cannon Powershot 348, 7.2 megapixels) y la entrevista. Por otro lado, se utilizará la base de datos con que cuenta el energético de la fábrica donde aparece el consumo diario de la fábrica desde enero de 2019 según registro del reloj metro contador, equipo establecido en Cuba para el monitoreo del consumo energético en toda la infraestructura del país tanto estatal como privada, también aparece el plan de consumo asignado por la UNE según los volúmenes de producción esperados. Además, se contará con los datos de los valores de producción diaria de la fábrica durante el cuatrimestre analizado (enero-abril) obtenidos del departamento de producción de la entidad en el mismo formato que los anteriores.

Los valores de la energía total consumida son obtenidos a través de la sumatoria de los valores diarios de la lectura que nos ofrece el metro contador:

E m = i = 1 n E 1 + E 2 + E 3 + + E i ; k W h  (1)

donde:

E m = energía consumida mensual;

E 1 , E 2 , E 3 , E i = energía consumida diaria;

Igualmente, el valor de producción diaria se registra para la obtención de una producción mensual total como se muestra:

P m = i = 1 n P 1 + P 2 + P 3 + + P i ; t  (2)

siendo:

P m = producción mensual;

P 1 , P 2 , P 3 , P i = producción diaria.

Realización de mediciones en campo, recopilación y filtrado de datos

 

Los datos obtenidos fueron revisados y filtrados empleando la herramienta Microsoft Excel 2010 que más tarde además se empleó para analizar estadísticamente la dependencia que se establece entre el consumo energético y el índice de consumo vs la producción a partir de la obtención del coeficiente de determinación, así como para la obtención de los modelos que corresponden con dicho comportamiento. En esta etapa se realizarán las siguientes acciones:

  • Se registran los valores de consumo energético (E) y de producción (P) asociada a los mismos en períodos de tiempo (T) (día, mes, año, etc).y se obtiene el gráfico E-P en función del T.

  • El análisis anterior permite comparar las tendencias de variación de la producción en cada período (de un día a otro, de un mes a otro, etc.) con las tendencias de variación del consumo y se identifican los períodos donde ocurren variaciones anormales.

  • Utilizando el método de regresión lineal se determina el coeficiente de determinación entre E y P, se traza la recta que más ajuste a los puntos situados en el diagrama o línea de tendencia y se obtiene el modelo de mayor ajuste.

  • Se determina el índice de consumo de la fábrica IC=f (P) a partir de la expresión E=f (P). Se determinan los datos reales (E/P, P) de los registros de datos de E y P utilizados para realizar el diagrama E vs P, y se obtiene el diagrama IC vs P y el de IC vs T.

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

 

Resultados de la evaluación energética de la planta

 

La UEB “Rómulo Padrón” con tecnología española, se construyó en 1961, se encuentra ubicada en el municipio Jaruco en la provincia Mayabeque entre los 23° de latitud norte y los 82° de longitud oeste subordinada a la Empresa de piensos Occidente perteneciente al Ministerio de Agricultura. La UEB constructivamente tiene la capacidad de producir 19,2 t (9,6 por cada línea) de piensos por hora, teniendo en cuenta que cada línea de trabajo muele 2,4 t por cada 15 min y posee dos líneas de producción. Al cierre del año 2019 de un plan de 67000 t, se logró producir un real de 60655,67 t para un incumplimiento de 6344,33 t, para un 90,5%. En la Tabla 1 se muestran los valores promedio de producción (4589,4 t), energía consumida (35117 kWh) y el índice de consumo (7,56 kWh/t) durante los meses analizados.

TABLA 1.  Producción mensual, consumo energético e índice de consumo
Parámetros Enero Febrero Marzo Abril Promedio
Producción (t) 4229,0 4204,7 4944,9 4978,9 4589,4
Energía Consumida (kWh) 34650 31320 36708 37790 35117
Índice de Consumo (kWh/t) 8,19 7,45 7,42 7,59 7,56

En la Figura 1 se corresponde con el gráfico E-P vs T, que muestra la variación simultánea del consumo energético de la sección de molinado de la línea dos con la producción realizada en el tiempo y se puede apreciar una tendencia a la inestabilidad en los dos primeros meses del año y luego al incremento en los meses de marzo y abril que como elemento positivo exhibe valores de producción por encima de los de consumo. El comportamiento anormal de la variación del consumo energético respecto a la variación de la producción en los meses de enero y febrero se debe a que existe energía consumida que no está directamente relacionada con la producción. Las causas fundamentales según las entrevistas realizadas estuvieron relacionadas con la falta de materia prima, roturas en el sistema de pesaje y una rotura en uno de los dos molinos, también en el mes de febrero hubo afectaciones en el fluido eléctrico de aproximadamente 35 h. Pudo constatarse además que en los días laborables en los que no hubo producción debido a las causas anteriores, se mantuvo el trabajo de las oficinas, del taller de reparaciones y el alumbrado público nocturno al cual por razones de seguridad se le dedica un consumo diario aproximado en 12 h de 48 kWh (16 lámparas de mercurio, consumo 250 Wh).

Durante el análisis de la linealidad entre la energía consumida y la producción promedio para el periodo analizado de enero-abril (Figura 2), se obtuvo un coeficiente de determinación de R2 = 0,77, mientras que la dependencia entre ambas variables se obtuvo a través del coeficiente de correlación r = 0,88 que demuestra una relación fuerte directa entre ambas variables y que los valores de energía consumida corresponden en 88 % con la producción realizada, valor que se considera como adecuado para este tipo de análisis según Borroto-Nordelo y Monteagudo-Yanes (2002)BORROTO-NORDELO, A.; MONTEAGUDO-YANES, J.P.: Al Ahorro de Energía en Sistemas Termodinámicos, Ed. Editorial U.C. Unión Eléctrica. Ministerio de la Industria Básica, 1ra. ed., La Habana, Cuba, CEEMA. Universidad de Cienfuegos. Editorial U.C. Unión Eléctrica. Ministerio de la Industria Básica, 2002, ISBN: 959-257-045-0., (r ≥ 80 % adecuado, aunque mientras más cercano a 100% mejor) teniendo en cuenta que todas las agroindustria además del consumo energético que se emplea directamente para cumplir con el objeto social de la misma, lleva gastos colaterales producidos por todos los procesos de apoyo

FIGURA 1.  Gráfico Energía Consumida - Producción vs Tiempo.
FIGURA 2.  Diagrama de dispersión obtenido del análisis estadístico de Energía Consumida vs Producción.

Para representar la cantidad de la energía consumida por cada tonelada (kW/t), en la Figura 3 es calculado el índice de consumo, en el caso específico de este parámetro se recomienda que tanto menor sea, más eficiente energéticamente es la entidad. Según el estudio realizado, la “UEB Rómulo Padrón” fue más eficiente en el mes de marzo en correspondencia con lo que describen Borroto-Nordelo y Monteagudo-Yanes (2002)BORROTO-NORDELO, A.; MONTEAGUDO-YANES, J.P.: Al Ahorro de Energía en Sistemas Termodinámicos, Ed. Editorial U.C. Unión Eléctrica. Ministerio de la Industria Básica, 1ra. ed., La Habana, Cuba, CEEMA. Universidad de Cienfuegos. Editorial U.C. Unión Eléctrica. Ministerio de la Industria Básica, 2002, ISBN: 959-257-045-0. y Chacón-Cordero (2015)CHACÓN-CORDERO, F.: Evaluación energética en una planta de alimentos balanceados para animales, Inst. Ciudad Universitaria Rodrigo Facio, San José, Costa Rica, 2015., también teniendo en cuenta las características mecánicas de la fábrica y la naturaleza del proceso tecnológico se trate de mantener valores de producción y gasto energético que garanticen un índice de consumo que no exceda los 7,42 kWh/t.

FIGURA 3.  Diagrama Índice de Consumo vs Meses.

Al analizar la linealidad entre los parámetros de índice de consumo (IC) y producción (P) promedio para cada mes (Figura 4), se obtuvo un coeficiente de determinación de R2 =22 mientras que la dependencia entre ambas variables se obtuvo a través del coeficiente de correlación r = -0,48 que demuestra una relación débil inversa entre ambas variables y que los valores de índice de consumo se corresponden en 48% con la producción realizada en cada mes, este resultado obviamente está dado por los valores energía (E) y producción (P) tan deficientes obtenidos en el mes de enero y las irregularidades que se mencionaron anteriormente en el mes de febrero y están en correspondencia con los resultados en la Figura 4.

FIGURA 4.  Diagrama de dispersión obtenido del análisis estadístico del Índice de Consumo vs Producción de los meses evaluados.

Al analizar el comportamiento del diagrama de E-P vs días de trabajo en el mes de marzo, (Figura 5) se aprecia cierta inestabilidad durante el transcurso de los días, sin embargo, también es posible apreciar correspondencia entre ambos parámetros analizados. Sobresale el valor de producción igual a cero del día 9, que se corresponde con una falla en el sistema de pesaje y bajos valores de producción los días 6, 12 y 14 motivados por interrupción en el fluido eléctrico. De igual manera es posible constatar que cuando la fábrica trabaja a plena capacidad ejemplo los días 16, 26 y 30, puede llegar a ser eficiente en el uso de la energía. El gráfico además muestra mayor inestabilidad en los valores de producción que en el consumo energético, por ello se precisa revisar problemas organizativos que pudieran estar influyendo en este comportamiento.

FIGURA 5.  Gráfico Energía Consumida-Producción vs Tiempo en el mes de marzo.

Durante el análisis de la linealidad entre la energía consumida y la producción promedio para cada día del mes de marzo (Figura 6), se obtuvo un coeficiente de determinación de R2 =66, mientras que la dependencia entre ambas variables se obtuvo a través del coeficiente de correlación r = 0,81 que demuestra una relación ligeramente fuerte directa entre ambas variables y que los valores de energía consumida corresponden en 81% con la producción realizada, valor que se considera como adecuado para este tipo de análisis según Borroto-Nordelo y Monteagudo-Yanes (2002)BORROTO-NORDELO, A.; MONTEAGUDO-YANES, J.P.: Al Ahorro de Energía en Sistemas Termodinámicos, Ed. Editorial U.C. Unión Eléctrica. Ministerio de la Industria Básica, 1ra. ed., La Habana, Cuba, CEEMA. Universidad de Cienfuegos. Editorial U.C. Unión Eléctrica. Ministerio de la Industria Básica, 2002, ISBN: 959-257-045-0. (r ≥ 80 % adecuado, aunque mientras más cercano a 100% mejor) teniendo en cuenta que todas las agroindustria además del consumo energético que se emplea directamente para cumplir con el objeto social de la misma, lleva gastos colaterales producidos por todos los procesos de apoyo.

FIGURA 6.  Diagrama de dispersión obtenido del análisis estadístico de Energía Consumida vs Producción.

En la Figura 7 se muestra el índice de consumo kWh/t durante el mes de marzo, en el mismo también se aprecia un comportamiento inestable caracterizado por picos y depresiones que se corresponden con las causas descritas en la Figura 5.