M.Sc. Ángel Rafael Arteaga-Linzan^I, Dr.C. María Isabel Fernández-Parra^II, Dr.C. Ángel Luis Brito-Sauvanell^II

^I Universidad Técnica de Manabí, Provincia de Manabí, República de Ecuador.

^II Universidad de Oriente, Santiago de Cuba, Cuba.

RESUMEN

La carencia de indicadores para la evaluación energético-económica del proceso de elaboración de conservas de atún en latas, motivó el presente trabajo dirigido a establecer indicadores energético - económicos que contribuyan al establecimiento de benchmarking que sirvan de referencia para la evaluación de dicho proceso. La metodología utilizada combinó, a partir de la literatura consultada, un método para determinar la eficiencia energética de un generador de vapor pirotubular con un procedimiento para el cálculo del costo del vapor saturado generado por el sistema, y finalmente adapta la propuesta de indicadores claves de desempeño para la mejora del rendimiento de una industria, estableciendo los indicadores para la evaluación energético - económica del proceso objeto de estudio. Los principales resultados arrojaron que el consumo de vapor específico fue de 1 142 t de vapor/ton de materia prima, con un costo específico de 27,074 $/t de materia prima, concentrándose el 72,67% del consumo de vapor en los procesos de cocinado y esterilizado. La implementación de los indicadores propuestos corroboró su pertinencia.

Palabras clave: atún, vapor, cocinado, esterilizado, indicadores energético-económicos.

ABSTRACT

The lack of indicators for the energetic - economic evaluation of the canned tuna canning process motivated the present work aimed at establishing those indicators that contribute to the establishment of benchmarking that serve as reference for the evaluation of this process. The methodology used combined, from the literature consulted, a method to determine the energetic efficiency of a pyrotubular steam generator with a procedure to calculate the cost of saturated steam generated by the system, and finally adapts the proposal of key indicators of performance for the improvement of an industry performance, establishing the indicators for the energetic - economic evaluation of the process under study. The main results showed that the consumption of specific steam was 1,142 t of steam/t of raw material, with a specific cost of 27,074 USD/t of raw material, concentrating 72.67% of steam consumption in cooking and sterilization processes. The implementation of the proposed indicators corroborated the relevance.

Keywords: tuna, steam, cooking, sterilization, energetic-economic indicators.

INTRODUCCIÓN

El sector de la pesca es particularmente importante en los países en vías de desarrollo, ya que representa el medio de vida del 8% de la población mundial (Avadí y Fréon, 2013). Se estima que 56,6 millones de personas trabajaban en el sector primario de la pesca de captura y la acuicultura en 2014, de los cuales el 36% lo hacía a tiempo completo, el 23% a tiempo parcial y el resto eran pescadores ocasionales o de situación sin especificar (FAO, 2016).

El sector de la pesca y la acuicultura representaron para la República de Ecuador el 12% de sus exportaciones, convirtiéndose en el segundo reglón exportable después del petróleo en el país (Avadí et al., 2015). El Ecuador se encuentra entre los diez principales países del mundo en captura de atún, y es el segundo mayor procesador de atún, después de Tailandia, con casi el 12% de la producción global anual. A partir del 2014, 27 plantas procesadoras de atún operan en el país de acuerdo al Viceministerio de Acuacultura y Pesca (Pacheco, 2013), localizadas en dos provincias de la costa: el 81% en Manabí, específicamente en la ciudad de Manta y el 19% en Guayas, en las ciudades de Guayaquil y Posorja, número que se ha incrementado ya que en el 2008 solo existían 18 plantas (Avadí et al., 2015).

En el proceso de elaboración de conservas de atún en latas, el vapor constituye el medio más idóneo de transporte del calor demandado por los diferentes procesos, tales como cocción, empaque, esterilizado, etiquetado y encartonado, para convertir al atún en un producto terminado (Avadí et al., 2015). Factores como la eficiencia y productividad de los equipos y máquinas que lo generan y consumen, determinarán de manera directa el costo de la tonelada de vapor producido y de la tonelada de la materia prima procesada (Jiménez et al., 2016).

Dentro de la bibliografía revisada se han llevado a cabo diferentes investigaciones que dan cuenta de la importancia de la evaluación energético-económica de la maquinaria utilizada en los procesos agrícolas (de las Cuevas et al., 2010; García de la Figal et al., 2012; Pereira et al., 2015), sin embargo, sobre el proceso de elaboración de conservas de atún en latas, no se encontraron trabajos que definan o presenten valores de índices de consumo de vapor/ toneladas de atún procesado total, ni en cada etapa del proceso, lo cual resulta indispensable en estudios de optimización, diseño y control de este tipo de procesos industriales, no solo por la disminución del uso de portadores energéticos, sino también por las emisiones de gases contaminantes, lo cual representa hoy un problema que preocupa a la humanidad.

Por tal motivo, el objetivo de presente trabajo es establecer un set de indicadores energético - económicos para el proceso de elaboración de conserva de atún en latas, que contribuya al establecimiento de benchmarking que sirvan de referencia para su evaluación energético-económica con vistas a la mejora continua de los mismos.

Este trabajo se encuentra dentro de un proyecto financiado por el gobierno ecuatoriano mediante su programa de becas de la Secretaria Nacional de Ciencia Tecnología e Innovación (SENESCYT), y fue realizado en una de las más importantes empresas transnacionales procesadora de conservas de atún en latas en la república del Ecuador.

MÉTODOS

El estudio fue realizado en una de las mayores empresas procesadoras de atún en latas de la República del Ecuador, la cual cuenta con una capacidad de producción de 12000 cajas y exporta sus productos a más de 30 países en Suramérica y Europa. La Figura 1 muestra el mapa de proceso para la elaboración de conservas de atún de dicha empresa, en el cual se diferencia claramente los subsistemas que componen el sistema: generación de vapor y proceso de producción.

La toma de los datos experimentales se realizó en el mes de septiembre del 2015 durante 15 días. Para la determinación de un set de indicadores energético - económicos con vista al establecimiento de benchmarking que permitan la evaluación del proceso de elaboración de conserva de atún en latas para su mejora continua, se ha aplicado una metodología que consta de tres etapas principales.

En la primera etapa, se determinan los parámetros térmicos aplicando el método utilizado por Jiménez et al. (2016), se evalúa la eficiencia energética del generador de vapor pirotubular Marca Cleaver Brooks, y se establecen los costos económicos operativos, lo cual en su integración permiten obtener el costo del vapor saturado generado por el sistema aplicando una adaptación de la metodología utilizada por Silveira et al. (2012).

Parámetros térmicos del sistema de generación de vapor

Mediante un balance de masa al tanque de alimentación de agua de la caldera pirotubular, se determinó la cantidad de agua que sale del tanque GV_A2, utilizando la ecuación (1):

donde:

GV_A1  = entrada al tanque de alimentación de agua (kg/h)

GV_V4´´= entrada de vapor tanque alimentación de agua (kg/h)

Para determinar GVA1 se instaló un medidor de flujo volumétrico de chorro múltiple, modelo GMDX90°C de 2” de diámetro a la entrada del tanque de alimentación de agua de la caldera.

Los parámetros que definen el estado termodinámico de GVV4´´ se obtuvieron mediante el cálculo de las pérdidas de presión y de calor por convección y radiación en la tubería de vapor del tanque de alimentación de agua, aplicando las ecuaciones fundamentales de la mecánica de fluidos y transferencia de calor presentadas por Levenspiel (2014), y aplicadas a la metodología descrita por Vega y Rodríguez (2007). Mediante la realización de un balance de energía al tanque de alimentación de agua de la caldera, se determinó la cantidad de condensado que se formó por el calentamiento del agua de alimentación de la misma, la cual se calculó según la ecuación (2).

La cantidad de vapor generado en la caldera pirotubular, se determinó según la ecuación (3), definiéndola como la diferencia entre el agua que entra a la caldera y la cantidad que sale de esta por concepto de las purgas.

donde:

GV_V1 = vapor generado por la caldera piro tubular (kg/h);

GV_A2= GVA3= salida del tanque de alimentación de agua. (kg/h);

GV_P = agua de purgas de fondo y nivel. (kg/h).

Para determinar la cantidad de agua que sale de la caldera (GVP) por efecto de las purgas, se colocó a la salida del tanque de purgas un recipiente metálico debidamente cubicado, donde se midió el volumen extraído por hora de la caldera. Sobre la base de las mediciones realizadas y aplicando el procedimiento propuesto por Spirax Sarco, Inc. (2011), se calculó dicho parámetro según la ecuación (4).

donde:

Líquido  = líquido recogido en tanque metálico (kg/h);

Re_vaporizado= vapor flash del condensado de descarga (kg/h).

El vapor generado por el sistema se determinó según la ecuación (5), donde se representa la diferencia entre el vapor generado por la caldera pirotubular y la sumatoria de todos los consumos de los componentes del sistema de generación de vapor.

donde:

GV_V2´´= vapor de calentamiento de combustible de tanque diario (kg/h)

GV_V3´´= vapor de calentamiento de combustible de tanque de almacenamiento (kg/h)

GV_V4´´= vapor de calentamiento de tanque de agua de alimentación de caldera (kg/h)

GV_V5´´= vapor de calentamiento de calentador de combustible (kg/h)

GV_V6 = Vapor de salida a proceso de elaboración de conservas en latas (kg/h).

Para la determinación de los componentes antes mencionados, se construyeron e instalaron tanques aforados para la recolección y cuantificación del condensado, procediendo de manera análoga a la recolección de condensado de las purgas de la caldera.

El flujo de combustible (GVF1) que ingresa al tanque de almacenamiento de combustible (TAF), se obtuvo mediante un análisis estadístico en el software Statgraphic, de la información del combustible que mensualmente ingresó al sistema de generación de vapor durante el año 2015. El combustible consumido por la caldera (GVF8) se calcula por la ecuación 6.

donde:

F_comb   = flujo de combustible a la caldera (kJ/h);

Q_útil    = calor absorbido por el agua en la caldera (kJ/h);

Q_disponible= calor del combustible (kJ/kg _comb.).

El flujo de combustible que maneja la bomba de alimentación de la caldera (GVF5), se determinó mediante las especificaciones técnicas del fabricante.

Las mediciones de la composición química de los gases de escape de la caldera pirotubular, se determinaron mediante el equipo de medición de gases de escape, Marca Testo, modelo 350 serie 02555648 de propiedad de la empresa ELICROM.

Para la obtención de la composición química elemental del combustible fueloil No. 6, que distribuye petrocomercial para todo el sector industrial ecuatoriano, y del cual se abastece la empresa analizada, se envió una muestra a la empresa “SertinLab”, la cual es una compañía que realiza análisis de combustibles y lubricantes, acreditada por el Estado Ecuatoriano.

Evaluación de la eficiencia energética del generador de vapor pirotubular Marca Cleaver Brooks

Una vez realizados las mediciones de todos los parámetros de operación del sistema de generación de vapor, se procede a determinar su eficiencia energética, tanto por el método indirecto y directo, mediante la aplicación de las ecuaciones (7) y (8) según lo expresado por Jiménez et al. (2016).

donde:

q₂  = pérdida por gases de escape (%);

q₃  = pérdida por combustión química incompleta (%);

q₄  = pérdida por combustión mecánica incompleta (%);

q₅  = pérdida por transferencia de calor a través de las paredes (%).

donde:

F_comb   = flujo de combustible a la caldera (kJ/h);

Q_útil    = calor absorbido por el agua en la caldera (kJ/h);

Q_disponible= calor del combustible (kJ/kg _comb.).

Costo del vapor saturado generado por el sistema

El costo de la tonelada de vapor generada por el sistema de generación de vapor de la industria se obtuvo según la ecuación (9) propuesta por Silveira et al. (2012).

donde:

P_V = costo del vapor ($/kg de vapor);

h_V1= entalpia de vapor saturado a la salida de la caldera (kJ/kg);

h_A3 = entalpia de agua que ingresa a la caldera (kJ/kg);

PCI = poder calorífico inferior de fuel #6 (kJ/kg);

CC = precio del combustible (0,252 $/kg de combustible);

PQ = costo de productos químicos (0,00097 $/kg de vapor);

PA= costo del consumo de agua (0,0022 $/kg de vapor);

PEE = costo del consumo de Energía Eléctrica (0,0000337 $/kg de vapor);

PO = costo de operación y mantenimiento (0,00174 $/kg de vapor).

En la segunda etapa, se establecen los procesos claves de la elaboración de conservas de atún en latas en correspondencia con los requerimientos tecnológicos de la empresa objeto de estudio, utilizando el mapa de procesos del procesamiento del atún propuesto por Avadí et al. (2015), así como se determina el consumo diario de materia prima y de vapor por etapa del proceso, parámetro este último que se obtuvo aplicando el procedimiento propuesto por Spirax Sarco, Inc. (2011), utilizado en la primera etapa, y se calcula el costo del vapor por día para cada una de las etapas del proceso según la ecuación (10).

Finalmente, en la tercera etapa, se establecen los indicadores para la evaluación energético- económica del proceso de elaboración de conservas de atún en latas adaptando la propuesta de indicadores claves de desempeño para la mejora de rendimiento de una industria propuesta por Lindberg et al. (2015).

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Resultados de la primera etapa

Los valores de los parámetros térmicos del sistema de generación de vapor, determinados a partir de las mediciones realizadas in situ y calculados aplicando las ecuaciones planteadas en los métodos, se muestran en la Tabla 1.

De acuerdo a lo expresado por Jiménez et al. (2016), se evaluó la eficiencia energética del generador de vapor pirotubular, resultando esta de un 84,91% por el método indirecto y un 83,82% por el directo, lo cual se corresponde con los valores predeterminados por Nieuwlaar et al. (2016). Finalmente, el costo de la tonelada de vapor generada por el sistema de la empresa en estudio, en función de sus costos de insumos de operación y mantenimiento fue de 23,7 USD/t de vapor.

Resultados de la segunda etapa

Los valores de los parámetros de consumo diario de materia prima y de vapor, así como el costo del vapor por día para cada etapa del proceso de elaboración del atún, se determinaron a partir de las mediciones realizadas in situ y la aplicación de las ecuaciones planteadas en los métodos, (Tabla 2).

Los resultados antes presentados permiten inferir que el rendimiento diario del proceso de elaboración del atún en la empresa objeto de estudio es del 39%, el cual se considera aceptable, no obstante, se debe trabajar para incrementarlo ya que según lo expresado por Zugarramurdi et al. (1999), el mismo debe estar en un rango entre 38 - 40% y Taboada et al. (2016), lo ubica en un 41%. Además, los resultados evidencian que el 72,67% del consumo de vapor se concentra en los procesos de cocinado y esterilizado, reafirmando lo expuesto en el mapa de proceso de Avadí et al. (2015), donde considera dichos procesos como consumidores de vapor en la elaboración de conserva de atún en latas.

Resultados de la tercera etapa

Se adapta la propuesta de indicadores claves de desempeño para la mejora de rendimiento de una industria de Lindberg et al. (2015), estableciendo dos indicadores fundamentales para la evaluación energético - económica de cada etapa del proceso de elaboración de conservas de atún en latas: consumo específico (Conev) y costo específico de vapor (Cosev), los cuales se calculan aplicado las ecuaciones (11) y (12). Los resultados alcanzado en la empresa objeto de estudio constan en la Tabla 3.

CONCLUSIONES

-Los indicadores para la evaluación energético-económica de cada etapa del proceso de elaboración de conserva de atún en latas, con vistas al establecimiento de benchmarking que sirvan de referencia para su mejora continua fueron consumo específico y costo específico de vapor.

-La pertinencia de los indicadores propuestos quedó corroborada con su implementación en la empresa objeto de estudio.

NOTA

La mención de marcas comerciales de equipos, instrumentos o materiales específicos obedece a propósitos de identificación, no existiendo ningún compromiso promocional con relación a los mismos, ni por los autores ni por el editor.