UNIVERSIDAD NACIONAL PEDRO RUIZ GALLO FACULTAD DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA CURSO: MAQUINARIA INDUSTRIAL I DOCENTE: Mg. Ing. Norman Osvaldo Aguirre Zaquinaula ALUMNO: Quispe Manrique Cristopher Xavier Arroyo Carrasco Carlos Alberto Puelles Delgado Roldan David Vargas Estela Karlo Stip CICLO: 9 Ciclo – 2022-II LAMBAYEQUE – PERÚ: FEBRERO 2023 INDICE RESUMEN ........................................................................................................................................................................... 3 INTRODUCCIÓN ................................................................................................................................................................ 1 1. TERMINOLOGÍA ............................................................................................................................................................ 2 2. ETAPAS DE LA PRODUCCIÓN DEL CAFÉ.............................................................................................................. 3 2.1 COSECHA .................................................................................................................................................................... 3 2.2 MANEJO POST-COSECHA ....................................................................................................................................... 4 2.3 BENEFICIO SECO ...................................................................................................................................................... 4 2.4 BENEFICIO HÚMEDO ................................................................................................................................................ 4 3. DEFINICIÓN DE DESPULPADO................................................................................................................................. 4 3.1 TIPOS DE DESPULPADO ......................................................................................................................................... 5 4. DESCRIPCIÓN DEL PROBLEMA ............................................................................................................................... 6 5. OBJETIVOS .................................................................................................................................................................... 7 5.1. Objetivo general .......................................................................................................................................................... 7 5.2. Objetivos específicos ................................................................................................................................................. 7 6. LISTA DE EXIGENCIAS ............................................................................................................................................... 8 7. ESTRUCTURA DE FUNCIONES .............................................................................................................................. 11 7.1. CAJA NEGRA............................................................................................................................................................ 11 7.2. PROCESOS TECNICOS ......................................................................................................................................... 11 7.3. ESTRUCTURA DE FUNCIONES GENERALES .................................................................................................. 12 7.4. MATRIZ MORFOLÓGICA ....................................................................................................................................... 15 8. EVALUACIÓN TÉCNICA Y ECONÓMICA DE LAS PROPUESTAS .................................................................... 17 9. CONCLUSIONES ........................................................................................................................................................ 20 10. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ........................................................................................................................ 21 ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1: Partes del café en cereza ............................................................................................ 2 Figura 2: Cosecha del café en cereza ........................................................................................ 3 Figura 3: Despulpado ................................................................................................................ 5 Figura 4: Caja negra ................................................................................................................ 11 Figura 5: Funciones generales ................................................................................................ 13 Figura 6: Estructura de funciones ........................................................................................... 14 Figura 7: Evaluación de propuestas ........................................................................................ 19 Figura 8: Concepto solución ................................................................................................... 20 ÍNDICE DE TABLAS Tabla 1: Lista de exigencias ...................................................................................................... 8 Tabla 2: Matriz morfológica ................................................................................................... 15 Tabla 3: Evaluación económica .............................................................................................. 17 Tabla 4: Evaluación Técnica ................................................................................................... 18 Tabla 5: Evaluación de conceptos de solución ....................................................................... 19 RESUMEN El desarrollo del diseño de la maquina despulpadora de café, luego de realizar un estudio de sus necesidades, se planteó una solución que ayudara a aumentar la producción y disminuir los defectos en el grano de café, causados por el uso de una maquina ineficiente y obsoleta. Después que se selecciona la alternativa más viable, se realizan los cálculos pertinentes para el diseño detallado de la máquina, se realizara los manuales que contiene la información para su operación, montaje, mantenimiento y lo más importante las normas de seguridad que protegen la integridad del operario. Por último evaluaremos el impacto ambiental y la evaluación financiera, que determina la viabilidad del proyecto y sus beneficios. INTRODUCCIÓN Perú es un país en vía de desarrollo, ante lo cual gran parte de la población habita en zonas rurales, por lo que su sustento se basa en la venta y consumo de lo cosechado en sus tierras, gracias a los diversos climas y la variedad de altitud en las tierras se pueden sembrar muchos productos como el café nacional, el cual se destaca no solo por su original sabor, sino también por su olor y la calidad de su grano. Según la SUNAT, los montos de exportación de café entre enero y junio de 2022 sumaron un total de US$ 436 millones, un 328% más con respecto al mismo periodo de 2021, convirtiéndose en la mayor suma exportada durante un primer semestre de los últimos años , esto ha ocasionado que los caficultores aumenten la producción, esto se ve en manifiesto con el incremento de hectáreas sembradas, esto conlleva a aumentar la producción, sin embargo este aumento conlleva a la adquisición de equipos acorde a su nuevo nivel de productividad. El cultivo y beneficio del café es un proceso que consta de varias etapas, cada uno de ellos es de vital importancia en la calidad del producto final, dadas las condiciones de los terrenos y posterior al análisis de la situación realizado, se definió que el despulpado es el proceso donde mayores inconvenientes y daños al fruto se producen, por tal razón en este proyecto se busca diseñar una maquina despulpadora de café que cumpla con las necesidades planteadas. 1. TERMINOLOGÍA Café: es el producto en forma de frutas y granos de las especies cultivadas Coffea Linnaeu, cuyos granos son utilizados en diferentes etapas como alimentos. Café verde o grano oro: es el producto formado por las semillas de los frutos maduros de las plantas cultivadas de café, especies Coffea arábiga y Coffea robusta; extraídas de la envoltura externa (exocarpio, mesocarpio y endocarpio). Café cereza: termino que se emplea para el fruto de café maduro, que consta de: piel, pulpa, mucilago, pergamino y grano, como se indica en la figura 1. Figura 1: Partes del café en cereza Fuente: Internet Endocarpio: este término es empleado para designar al “pergamino”, el cual está unido a la semilla cuando ésta fresca, la cual se separa al momento que se seca el café. Epicarpio o exocarpio: término empleado para designar la piel del fruto y la cual protege al fruto. Grano: termino designado para las semillas que contiene la cereza del café. Mesocarpio: capa de tejido que se ubica entre el epicarpio y el endocarpio, y la cual posee principalmente de mucílago, pectináceo y pulpa. Mucílago: término empleado para especificar la capa viscosa que es ubicada junto a la pulpa y se adhiere al pergamino; esta capa no se elimina en el despulpado. Pulpa: capa exterior del mesocarpio, que se ubicada debajo de la piel, se retira con una máquina despulpadora. 2. ETAPAS DE LA PRODUCCIÓN DEL CAFÉ El tratamiento del café en cereza, empieza con el proceso de cosecha el cual necesita dedicación y tiempo para el cultivo. 2.1 COSECHA El momento de la cosecha se realiza el pipeteo este despoja a la cereza madura, para esta actividad es necesario realizarla en dos o cinco turnos; este método obtiene el grano de mejor calidad y es realizado por pequeños caficultores llamados sobado en el cual se quita las cerezas tiernas y maduras este método genera una producción baja. Figura 2: Cosecha del café en cereza Fuente: Tulacingo cosecha del café 2.2 MANEJO POST-COSECHA Este tratamiento también es conocido como beneficio, con este se obtiene el café oro el cual se obtiene al despojar las cerezas rojas y maduras de cafeto y empleando algunos procesos se comercializa el producto. La post-cosecha o beneficio consta de dos partes: Beneficio Seco y Beneficio Húmedo. 2.3 BENEFICIO SECO El café en cereza es limpiado de las ramas, hojas y toda clase de desechos, posteriormente es secado en el sol moviéndolo constantemente para evitar el moho, el secado dura ocho días en climas adecuados; en climas con lluvias, humedad y cielos nublados puede ocasionar que la pulpa se pudra. 2.4 BENEFICIO HÚMEDO En este proceso el café es colocado en tanques con agua los cuales permiten quitar las impurezas que flotan, la cereza se remoja durante 12 horas este proceso sirve para que los granos se hinchen y posteriormente se elimina la pulpa. Luego los granos son secados lo cual reduce el grano y elimina envolturas externas este proceso es realizado de dos maneras: la primera es dejarla secar con el sol o en máquinas secadoras con aire caliente manteniéndolo con una humedad del 10% en el proceso. El producto final es conocido con el nombre de café verde, luego se selecciona manualmente a con la ayuda de una maquina las semillas defectuosas y elementos extraños al café. 3. DEFINICIÓN DE DESPULPADO Podemos definir al proceso de despulpado como la operación de remover el exocarpio o cascara del fruto (café cereza); este proceso se produce mediante el estrujamiento del café cereza entre dos superficies en movimiento relativo, este proceso debe realizar el mismo día de la recolección de café, como se muestra en la figura 3. Figura 3: Despulpado Fuente: Internet 3.1 TIPOS DE DESPULPADO A continuación se describirán los diferentes tipos de despulpado. Despulpado seco Este proceso de despulpado se requiere corrientes de agua sobre la maquina despulpadora, ya que el agua residual tiene contacto con la pulpa pero el inconveniente principal de esta máquina se opone al principio de requerimiento mínimo de caudales de agua en el lugar de despulpado. Despulpado húmedo. Para realizar este proceso es necesario que el grano de café en cereza sea puesto previamente en tanques con agua, este proceso es el más utilizado por los caficultores, la mayoría de máquinas son diseñadas para trabajar bajo este proceso. 4. DESCRIPCIÓN DEL PROBLEMA Para entender un poco más las variables en la calidad del producto es necesario entender que el procedimiento más importante del proceso de lavado es el despulpado, pero antes se debe comprender que afecta el precio del grano a nivel comercial, principalmente este valor depende de tres variables: Procedencia Esta variable corresponde al lugar de cosecha del grano o puerto del cual embarco para su exportación. Defectos A pesar del cuidado de los caficultores en las diversas etapas de la cosecha y producción, los granos pueden presentar defectos, tales como, granos rotos, manchados o impurezas. Características Para un producto de calidad superior se tienen en cuenta algunas características básicas como el tamaño del grano, su color, uniformidad, sabor y olor. Al realizar un breve análisis de las variables que afectan el precio del producto observamos que desde el punto de vista del agricultor, la procedencia ni las características son controladas por él, ya que la procedencia es constante para el campesino, este no varía el lugar de los cultivos, lo mismo ocurre con las características, que en su mayoría dependen del lugar de procedencia. De esta manera la única variable que el productor podría controlar son los defectos, la mayoría de ellos ocurren durante el proceso de despulpado, causados por la máquina, los principales son: Granos rotos: Este es un problema muy grave, ya sea que el grano presente una rotura parcial o total, al tener un grano roto este puede infectar de hongos los sanos. Pedazos de cascara en el pergamino: además de manchar el grano, los pedazos de cascara pueden afectar la fermentación reduciendo de esta manera la calidad del producto, este problema puede ser solucionado con un excelente lavado de los granos. Está establecido internacionalmente que para evaluar estos defectos se debe tomar una muestra de cada saco y contar el número de cada uno de estos defectos, esta se cuenta para determinar el precio del saco de café. Como podemos observar el precio del producto depende del uso de una buena máquina de despulpado, una que no genere tantos defectos reduciendo la calidad del café y las ganancias del caficultor. 5. OBJETIVOS 5.1. Objetivo general Diseñar una máquina y fabricar el prototipo, para la quiebra y separación de las almendras de cacao. Siguiendo la metodología de la Norma VDI 2221 y mediante una tecnología apropiada para el Nivel Tecnológico actual del productor peruano y que sea económicamente accesible. 5.2. Objetivos específicos Utilizar el método de diseño propuesto por la Norma Alemana VDI 2221 (1986), con la finalidad de obtener un diseño óptimo y apropiado. El Prototipo deberá despulpar 187.5 Kg/h, rendimiento que se estima suficiente para la producción de un agricultor con un mínimo de dos hectáreas. Elaborar la Lista de Exigencias para la máquina en base a la comprensión de la Solicitud y los requerimientos técnicos necesarios. Utilizar un Software de Diseño Mecánico, de preferencia Solidworks para el modelamiento de las piezas y la simulación del ensamblaje. El prototipo deberá ser ergonómico, portátil y de fácil mantenimiento preventivo. El Presupuesto aproximado para la fabricación de Prototipo no deberá superar los S/. 4 000,00. De manera tal que resulte accesible a un agricultor cafetero promedio. 6. LISTA DE EXIGENCIAS Tabla 1: Lista de exigencias LISTA DE EXIGENCIAS UNIVERSIDAD NACIONAL PEDRO RUIZ GALLO PÁGINA: CLIENTE: FACULTAD DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA FECHA: PROYECTO: MÁQUINA DESPULPADORA DE CAFE AUTOR: N° 1 2 3 4 FECHA (CAMBIOS) D Ó E E DESCRIPCION FUNCION PRINCIPAL: - Realizar la quiebra y extracción de las almendras del café. - Extraer 187.5 Kg/h, de cerezos de café. CINEMATICA: Movimiento rotatorio constante, será la adecuada para no afectar la estructura D del café y su calidad según la norma técnica NTP 209.310:2019 E E 5 E 6 E ENERGIA: Accionamiento eléctrico o manual. FUERZAS: La máquina debe ser lo suficientemente rígida como para mantener su estabilidad durante la operación del despulpado. MATERIA: Café RESPONSABLE LISTA DE EXIGENCIAS UNIVERSIDAD NACIONAL PEDRO RUIZ GALLO PÁGINA: CLIENTE: FACULTAD DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA FECHA: PROYECTO: MÁQUINA DESPULPADORA DE CAFE AUTOR: 7 8 E E SEGURIDAD: - El dispositivo debe contar con los elementos necesarios para garantizar y salvaguardar la seguridad del operador. - Así mismo la máquina debe contar con señalización de seguridad. ERGONOMIA: - Trabajarán un operador y un ayudante es decir dos personas. - Será una máquina especialmente diseñada para que su manejo sea agradable. FABRICACION: Será fabricado en talleres que cuenten con la implementación necesaria y se utilizará piezas e implementos normalizados para facilitar su mantenimiento. ENSAMBLAJE: El montaje y desmontaje se realizará con herramientas manuales y sencillas. 9 E 10 USO: Los componentes deberán tener una D alta resistencia a la oxidación y la corrosión debido al contacto directo con el café. 11 E MANTENIMIENTO: Se le podrá dar mantenimiento con equipamiento básico. LISTA DE EXIGENCIAS UNIVERSIDAD NACIONAL PEDRO RUIZ GALLO PÁGINA: CLIENTE: FACULTAD DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA FECHA: PROYECTO: MÁQUINA DESPULPADORA DE CAFE AUTOR: 12 13 14 15 Fuente: Elaboración propia D E GEOMETRIA: Será diseñada de tal manera que sus dimensiones serán de acuerdo a las manejables por un peruano promedio. TRANSPORTE: Será desmontable para ser fácilmente transportada al lugar de trabajo. COSTO: El Presupuesto aproximado para la D fabricación de Prototipo no deberá superar los S/. 4 000,00. E CONTROL: Será de control manual o eléctrico. 7. ESTRUCTURA DE FUNCIONES 7.1. CAJA NEGRA Figura 4: Caja negra Fuente: Elaboración propia Entradas - Materia : Granos de café. - Energía : Proveniente de una fuente eléctrica o manual - Señal : Para iniciar la máquina. Salidas - Materia : Cáscara café y cerezos de café. - Energía : Energía cinética, calor, vibraciones, ruido y desgaste. - Señal : Controlar el correcto funcionamiento. 7.2. PROCESOS TECNICOS Se han reconocido los siguientes 5 procesos básicos. Almacenar granos de café. Secar y acondicionar los frutos para el despulpado. Realizar el despulpado. Separar las cáscaras de los granos de los cerezos de café. Recoger los cerezos de café despulpados y almacenarlos. 7.3. ESTRUCTURA DE FUNCIONES GENERALES Diagrama de flujo del procesamiento del café Descripción del proceso de café por vía húmeda. Vía Húmeda (A este café se le llama lavado o fermentado) Se recolectan las cerezas El grano es remojado para que se hinche y luego quitarle impurezas. Selección y limpieza: el café es procesado el mismo día de su recolección, previo a ser remojado y no se deja expuesto al eso el café en este proceso. Despulpado: el proceso debe realizar antes de las 6 horas de recolección de la cereza ya al tardarse más tiempo el producto puede afectarse, la despulpadora debe cumplir los requerimientos necesarios para la producción diaria a despulpar. Esta máquina debe limpiarse, calibrarse cada vez que se utilice además debe tener un mantenimiento de acuerdo al establecido por el fabricante. La pulpa seca se la puede emplear como abono para las posteriores siembras. Fermentación: este proceso se coloca el café despulpado en tanque de agua, con el fin de quitar la textura rugosa del café para luego proceder al secado. Lavado: el producto fermentado se lava con esto se consigue que el producto dure mucho más tiempo. Secado: este proceso se lo puede realizar de forma manual o con una máquina. El café obtendrá un color verde oliva dentro de 4 ó 5 días del proceso, con este proceso se realiza el café soluble. Almacenamiento: se almacena el café en sacos limpios, hasta obtener el peso ideal por saco para su posterior exportación. Figura 5: Funciones generales Fuente: Elaboración propia Figura 6: Estructura de funciones Fuente: Elaboración propia 7.4. MATRIZ MORFOLÓGICA Tabla 2: Matriz morfológica Concepto 5 Concepto 1 Concepto 2 Concepto 3 Fuente: Elaboración propia Concepto 4 Concepto de solución 1 Bicicleta Tolva Ciclindro Con puas Movimiento vibratorio Tornillo Sin fin Gravedad Cajas de madera Faja transportadora Gravedad Sacos Concepto de solución 2 Manivela Tolva Movimiento vibratorio Ciclindro Con puas Concepto de solución 3 Motor Gravedad Tornillo Sin fin Cajas de madera Zaranda cilíndrica Concepto de solución 4 Motor Gravedad Faja transportadora Zaranda cilíndrica Sacos Concepto de solución 5 Motor Gravedad Cajas de madera 8. EVALUACIÓN TÉCNICA Y ECONÓMICA DE LAS PROPUESTAS Teniendo claras las propuestas planteadas, estas serán sometidas a una evaluación desde el punto de vista Técnico y económico. Evaluación económica Costo admisible de fabricación = 4000 Costo ideal = 0.7 x 4000 = S/2800 Valor económico = Costo ideal/Precio aproximado Tabla 3: Evaluación económica CS1 CS2 CS3 CS4 CS5 PRECIO APROXIMADO 2900 3200 3600 3450 3300 VALOR ECONOMICO 0.97 0.88 0.78 0.81 0.85 Teniendo claras las propuestas planteadas, estas serán sometidas a una evaluación desde el punto de vista Técnico y económico. Evaluación Técnica Para establecer el nivel de importancia de los requerimientos del cliente, se le asignó una puntuación priorizando los criterios establecidos. De tal forma se obtuvo un valor cuantitativo que nos facilitó la toma de la decisión más adecuada. Las categorías y sus ponderaciones son: Criterio1 (C1): Fabricación sencilla Criterio2 (C2): Facilidad para el transporte Criterio3 (C3): Sencillez de operación Criterio4 (C4): Reduccion de Daños en los granos de Cafe Criterio5 (C5): Facilidad de mantenimiento Criterio2 (C6): Bajo nivel de ruido Los criterios están valorizados entre 1 como mínimos y 10 como máximo. Valor técnico = suma ponderada/Puntaje máximo Tabla 4: Evaluación Técnica CS 1 CS 2 CS 3 CS 4 CS 5 Peso Valor Puntaje Valor Puntaje Valor Puntaje Valor Puntaje Valor Puntaje C1 C2 C3 C4 C5 C6 0.2 8 1.6 8 1.6 7 1.4 7 1.4 8 1.6 0.2 8 1.6 8 1.6 7 1.4 6 1.2 7 1.4 0.15 9 1.35 8 1.2 8 1.2 8 1.2 8 1.2 0.3 7 2.1 7 2.1 9 2.7 9 2.7 8 2.4 0.1 8 0.8 8 0.8 7 0.7 6 0.6 7 0.7 0.05 9 0.45 8 0.4 7 0.35 7 0.35 7 0.35 Suma Puntaje ponderada Máximo 1 Valor Técnico 7.9 10 0.79 7.7 10 0.77 7.75 10 0.775 7.45 10 0.745 7.65 10 0.765 Evaluación de conceptos de solución Tabla 5: Evaluación de conceptos de solución CS1 CS2 CS3 CS4 CS5 VALOR ECONOMICO 0.79 0.77 0.775 0.745 0.765 VALOR TECNICO 0.97 0.88 0.78 0.81 0.85 Figura 7: Evaluación de propuestas Fuente: Elaboración propia Figura 8: Concepto solución Fuente: Elaboración propia 9. CONCLUSIONES La máquina despulpadora de café seleccionada cumple con la lista de exigencias ya mencionadas, disminuyendo las pérdidas generadas por daño. La máquina tendrá la capacidad de seleccionar el calibre de los granos, esto debido a que la zaranda o criba permite la evacuación de los granos entregándolos por un el costado de esta y no permitiendo el paso de los granos de tamaño mayor al de las perforaciones. La despulpadora de café es de fácil montaje y no tendrá que tener un espacio espacial, siempre y cuando se encuentre cerca a un punto eléctrico. La maquina es ideal debido a que es de fácil manejo y de fácil mantenimiento y no tienen perdida de grano en pulpa, además de contar con bandeja de salida de los granos, la cascara o pulpa y el rechazo por tamaño. En la parte ergonómica, la despulpadora al ser de tamaño robusto, garantiza estabilidad y se sitúa a la altura apropiada al operario, gracias a esto no daña su condición física. 10. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS https://www.cenicafe.org/es/publications/avt0164.pdf https://bibdigital.epn.edu.ec/bitstream/15000/11772/1/CD-6536.pdf https://red.uao.edu.co/bitstream/handle/10614/3482/T0001372.pdf?sequence=1&isAll owed=y https://biblioteca.cenicafe.org/bitstream/10778/58/1/arc050%2801%29078-088.pdf https://repository.uamerica.edu.co/bitstream/20.500.11839/469/1/4091126-2016-2IM.pdf https://biblioteca.cenicafe.org/bitstream/10778/649/3/avt0058.pdf 4 3 2 1 F F E E D D C C B B REBARBAR Y ROMPER ARISTAS VIVAS SI NO SE INDICA LO CONTRARIO: ACABADO: LAS COTAS SE EXPRESAN EN MM ACABADO SUPERFICIAL: TOLERANCIAS: LINEAL: ANGULAR: NOMBRE FIRMA FECHA NO CAMBIE LA ESCALA REVISIÓN TÍTULO: DIBUJ. VERIF. A APROB. A FABR. CALID. 4 MATERIAL: N.º DE DIBUJO PESO: ESCALA:1:20 3 Despulpadora de Café 2 HOJA 1 DE 1 1 A4
