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Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias
versión On-line ISSN 2071-0054
Rev Cie Téc Agr vol.30 no.4 San José de las Lajas oct.-dic. 2021 Epub 01-Dic-2021
ARTÍCULO ORIGINAL
Evaluación de dos molinos para triturado de desechos de vacunos para la alimentación de cerdos
IUniversidad Agraria de La Habana, San José de las Lajas, Mayabeque, Cuba.
IIUniversidad Politécnica Tecnológica “José Antonio Anzoategui” (UPTJAA), El Tigre, Anzoátegui, Venezuela.
La producción de cerdos en Venezuela se ha visto afectada por los altos costos de los alimentos concentrados. Una alternativa para disminuir los costos de producción en la alimentación de cerdos es el uso de huesos de ganado vacuno, por su alto contenido de proteínas y otras propiedades que conllevan a una buena alimentación en el proceso de engorde de cerdos. Se realizó la evaluación de los órganos de trabajo de dos molinos en el triturado de huesos de ganado vacuno determinándose la calidad de triturado y consumo energético. Fueron determinadas la granulometría y la energía de impacto en el péndulo Sharpy. Se aplicó un diseño experimental tipo factorial 23, curvas de dispersiones y barras de Pareto. Como variables controladas se tuvo el tipo de molino, masa húmeda y tipo de hueso y como variables respuestas la masa tamizada, tiempo de molienda, revoluciones del motor y humedad. Se determinaron las propiedades físicas y mecánicas, así como, longitud, masa seca, masa húmeda, fuerza y esfuerzo. Se compararon los molinos de dedos y sufrideras y de martillo en cuanto a calidad de triturado y consumo energético. Se determinó que el molino de martillo tiene mayor eficiencia.
Palabras-clave: molino martillo; molino de dedos y sufrideras; péndulo Sharpy
INTRODUCCIÓN
La alimentación del ganado porcino constituye un problema extremadamente serio según Campabadal (2009), si se tiene en cuenta que el cerdo realiza una impecable competencia con el hombre debido a que su alimentación tradicional consiste en cereales y otros productos de consumo humano y que desde el punto de vista proteico sus requerimientos son de 5 a 8 veces superior que en el hombre. (Iglesias & Soto, 1987; Martínez, 2011). Debido al incremento de las necesidades alimentarías en la población en cuanto a huevo, carne y leche, se quiere que la nutrición de los animales de explotación, no solo dependa de fuentes vegetales sino también de subproductos de animales (BPFA-ICA, 2020; FAO e IFIF, 2016; Keene et al., 2005; Uribe et al., 2011). Las industrias avícola y porcina son los principales consumidores de harina de carne y hueso (Hamilton y Kirstein, 1996). Para obtener un alimento de calidad es necesario observar una serie de exigencias zootécnicas que deben tenerse presentes a la hora de someter un material al proceso de trituración, fundamentalmente en lo relacionado con el tamaño de la partícula (Buitrago et al., 2004; Careeta, 2013; Covenin 1882-83: 83, 1983; Parra & Portilla, 1987). Un método factible para la obtención de estas harinas es a través de la utilización de molinos (Martínez, 2007; 2009; Paneque, 1988; Paneque et al., 2018). Por ello el presente trabajo tiene como objetivo evaluar los regímenes de trabajo de los molinos de martillo y el de dedos y sufrideras durante la obtención de harina de hueso de ganado vacuno para la alimentación de cerdos, con un uso racional de la energía eléctrica en los mismos y obteniendo una harina que cumpla con las exigencias zootécnicas.
MATERIALES Y MÉTODOS
Se seleccionaron como materia prima dos tipos de huesos, escápula y fémur, ya que reúnen las condiciones geométricas para garantizar su dimensionamiento de forma más confiable y se utilizaron el molino de martillo y el molino de dedos y sufrideras (Chirino, 1980; Castillo, 2011). Los huesos provienen de dos pequeñas industrias cárnicas de la zona (Bodegón el Destete y Bodegón Doña África), ubicadas en la ciudad de El Tigre, estado Anzoátegui, Venezuela.
Las propiedades físicas y mecánicas de los huesos a considerar en la evaluación de los órganos de trabajo de los molinos fueron:
Propiedades físicas: humedad, masa, longitud, diámetro y densidad.
Propiedades mecánicas: energía absorbida en impacto (fuerza y esfuerzo).
El procedimiento de molinado se realizó en el Taller del Galpón 4, perteneciente al Programa Nacional de Formación en Mecánica (PNF-Mecánica) de la UPTJAA, el cual presenta un área de 1 500 m2, estando equipado con máquinas y equipos necesarios para impartir la docencia.
En las pruebas realizadas a los huesos de escápula y de fémur se consideraron las condiciones de experimentos, tomándose diferentes imágenes fotográficas, con sus respectivas dimensiones con el objeto de caracterizar:
a.) Condición natural, en esta se distinguen en los huesos de escápula el color blanco, forma maciza con geometría casi trapezoidal y los huesos de fémur de color blanco claro.y forma cilíndrica hueca alargada, con masa humeda blanda en su interior.
b.) Condición troceada (trozos de aproximadamente entre 10 y 12 cm).
c.) Condición molida, para apreciar en las harinas de hueso su coloración y granulometría (Ramos, 2010).
El molino de martillos DPM 4, fabricado en Brasil, se encuentra ubicado en el Taller del Galpón 4, perteneciente al Programa Nacional de Formación en Mecánica de la UPTJAA. Es una máquina estacionaria, utilizada para moler principalmente granos, activado por medio de un motor eléctrico trifásico que se enciende de forma manual y tiene las siguientes características: potencia 8 kW, voltaje 220 V, corriente nominal 15,7 A, velocidad nominal de 3 300 rpm (frecuencia de rotación), presenta 24 martillos, diámetro del tambor de 0,293 m, largo del tambor 0.095 m, largo del martillo 0,115 m, ancho del martillo 0,042 m y grosor del martillo de 0,005 m. cabe destacar que debido a la falta del motor original de este molino, se trabajó con un motor de 4 kW de potencia y 1 790 rpm.
La herramienta u órgano de trabajo consta de martillo (móvil) y cuchillas (fijas), que actúan impactando la materia prima cortándola sucesivamente en trozos más pequeños hasta obtener la correspondiente granulometría de la harina.
El molino de dedos y sufrideras marca CADELMA, fabricado en Maracaibo, Venezuela, se encuentra ubicado en el mismo lugar y es una máquina estacionaria que se utiliza para moler principalmente granos, es activado por medio de un motor eléctrico trifásico que es encendido por el operador de forma manual y tiene las siguientes características: potencia 4 kW, voltaje 220 V, corriente nominal 15,7 A, velocidad nominal de 1 790 rpm (frecuencia de rotación), presenta 3 paletas de acero en forma de manos con 0,15 m de alto, 0,8 m de ancho y 0,01 m de espesor, diámetro del tambor de 0,34 m, largo del tambor 0,14 m. La herramienta u órgano de trabajo consta de paletas en forma de dedos y cuchillas fijas que cortan el material antes de triturarlo.
Ambos molinos trabajan con un motor cuya potencia está por debajo de los requerimientos técnicos establecidos por los fabricantes (15 kW)
Para obtener la harina a partir de la materia prima seleccionada, se realizaron los siguientes pasos:
Recepción de la materia prima: Los huesos usados se picaron en tamaños de diferentes medidas (aleatorias) para poder ser procesados por los molinos.
Almacenamiento: La materia prima fue transportada hasta el Galpón cuatro perteneciente al Departamento de Ingeniería Mecánica de la UPTJAA, donde fue almacenada para posteriormente proceder a realizar los experimentos.
Pesado y embolsado en masas: Los trozos de huesos picados fueron pesados en muestras de masas de 1, 2, 3, 4 y 5 kg (tres porciones o muestras por cada kg de masa pesada respectivamente), siendo embolsadas posteriormente.
Molienda: Cumplido la distribución de las muestras (pesado y embolsado), se procedió a moler en ambos molinos en las mismas condiciones de peso y potencia del motor (4kW) en el mismo orden de pesaje.
Proceso de secado: Las muestras de huesos molidos, fueron sometidas a un secado a convección libre o natural, por un lapso de sesenta y siete (67) días.
Tamizado: Transcurrido el proceso de secado, se procedió a tamizar la materia molida en los tamices de 4, 2 y 1 mm.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Análisis de las propiedades físico mecánicas de los huesos de ganado vacuno para su trituración.
En las Tablas 1 y 2 se muestran las medidas de masa, longitud, espesor y diámetros de los huesos de ganado vacuno escápula y fémur, con sus respectivos promedios; mientras que en la Tabla 3 se muestran los modelos de funciones: exponencial, lineal, logarítmica, polinómica orden 2 y potencial (Walpole et al., 1999; 2012).
Hueso | Muestra | Masa (g) | Longitud (mm) | Espesor (mm) | Promedio (mm) | ||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
m | L1 | L2 | e1 | e2 | e3 | Longitud | Espesor | ||
1 | 730 | 370 | 400 | 17,3 | 10,9 | 5,2 | 385 | 11,1 | |
2 | 750 | 350 | 390 | 19,9 | 9,8 | 4,6 | 370 | 11,4 | |
3 | 750 | 370 | 395 | 19,7 | 13,9 | 6,8 | 382 | 13,5 | |
4 | 780 | 370 | 380 | 19,0 | 13,5 | 7,2 | 375 | 13,2 | |
5 | 1050 | 385 | 400 | 27,4 | 18,6 | 7,0 | 392 | 17,7 | |
6 | 900 | 370 | 380 | 19,7 | 12,7 | 8,0 | 375 | 13,5 | |
7 | 800 | 370 | 400 | 19,6 | 13,1 | 5,5 | 385 | 12,7 | |
8 | 800 | 380 | 400 | 21,9 | 13,0 | 7,0 | 390 | 14,0 | |
9 | 1180 | 380 | 420 | 24 | 16,6 | 9,4 | 400 | 16,7 |
Hueso | Muestra | Masa (g) | Longitud (mm) | Diámetro (mm) | Promedio (mm) | |||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
m | L1 | L2 | L3 | D1 | D2 | D3 | Longitud | Diámetro | ||
Fémur | 1 | 1700 | 370 | 350 | 390 | 51,6 | 10,9 | 49,05 | 370 | 47,4 |
2 | 2070 | 350 | 380 | 410 | 56 | 9,8 | 51,2 | 396,7 | 50 | |
3 | 2030 | 370 | 370 | 410 | 56,85 | 13,9 | 51,2 | 390 | 50,3 | |
4 | 2070 | 370 | 340 | 400 | 58,2 | 13,5 | 52,9 | 366,7 | 51,5 | |
5 | 1850 | 385 | 360 | 400 | 56,1 | 18,6 | 52,7 | 380 | 50,6 | |
6 | 1970 | 370 | 340 | 390 | 19,7 | 12,7 | 52,9 | 363,3 | 52,1 | |
7 | 1770 | 370 | 360 | 400 | 19,6 | 13,1 | 54,9 | 380 | 48,9 | |
8 | 1850 | 380 | 350 | 380 | 21,9 | 13,0 | 55 | 363,3 | 49,4 | |
9 | 2400 | 380 | 360 | 420 | 24 | 16,6 | 57,05 | 390 | 54,3 |
Modelos | Hueso-Requerimientos-Medidas | |||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
a) Escápula | b) Fémur | |||||||
Funciones | Longitud | Espesor | Longitud | Diámetro | ||||
R2 | % | R2 | % | R2 | % | R2 | % | |
Exponencial | 0,4721 | 47,21 | 0,7541 | 75,41 | 0,2168 | 21,68 | 0,7726 | 77,26 |
Lineal | 0,4810 | 48,10 | 0,7762 | 77,62 | 0,2205 | 22,05 | 0,7776 | 77,76 |
Logarítmica | 0,4600 | 46,00 | 0,7923 | 79,23 | 0,2163 | 21,63 | 0,7797 | 77,97 |
Polinómica de Orden 2 | 0,5395 | 53,95 | 0,8128 | 81,28 | 0,2234 | 22,34 | 0,7786 | 77,86 |
Potencial | 0,4516 | 45,16 | 0,7780 | 77,80 | 0,2124 | 21,24 | 0,7720 | 77,20 |
De acuerdo a los datos obtenidos en las Tablas 1 y 2, se puede observar que, para el hueso de escápula, el espesor posee mejores condiciones en cuanto a la posición para el ensayo de impacto en el péndulo Sharpy.
Por otra parte, para el hueso fémur, la mejor posición para el ensayo de impacto es el diámetro en comparación con la longitud en el péndulo Sharpy.
Análisis de los parámetros operacionales en función de la calidad del triturado.
En la Tabla 4 se muestran los parámetros operacionales de los molinos de dedos y sufrideras y de martillo.
N° Pruebas | Molino de dedos y sufrideras Molino de martillo | |||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Masa inicial (kg) | Hueso | Tiempo molido (s) | Granulometrías a 67 días | Tiempo molido(s) | Granulometrías a 67 días | |||||
1 mm | 2 mm | 4 mm | 1 mm | 2 mm | 4 mm | |||||
1 | 1000 | fémur | 120,23 | 0 | 0 | 100 | 60,15 | 0 | 50 | 200 |
2 | 1000 | escápula | 120,5 | 0 | 50 | 50 | 45,65 | 25 | 100 | 300 |
1 | 2000 | fémur | 180,49 | 0 | 50 | 150 | 60,57 | 50 | 150 | 400 |
2 | 2000 | escápula | 240,12 | 50 | 100 | 400 | 60,2 | 50 | 150 | 500 |
1 | 3000 | fémur | 300,42 | 0 | 50 | 200 | 120,46 | 50 | 200 | 500 |
2 | 3000 | escápula | 360,47 | 100 | 200 | 700 | 120,42 | 100 | 200 | 700 |
1 | 4000 | fémur | 480,36 | 50 | 200 | 600 | 120,5 | 50 | 250 | 800 |
2 | 4000 | escápula | 540,18 | 100 | 300 | 900 | 120,59 | 150 | 400 | 1100 |
1 | 5000 | fémur | 660,45 | 100 | 300 | 800 | 240,01 | 150 | 400 | 1200 |
2 | 5000 | escápula | 900,12 | 150 | 400 | 1200 | 125,56 | 150 | 500 | 1500 |
Fuente. Los autores
En la Figura 1 se muestran las medidas (longitud, espesor y diámetro) contra masa de los huesos (escápula y fémur). De acuerdo a los datos obtenidos en la Figura 1, se puede observar que, para el hueso de escápula, el espesor posee mejores condiciones en cuanto a la posición para el ensayo de impacto en el péndulo Sharpy. Por otra parte, para el hueso fémur, la mejor posición para el ensayo de impacto es el diámetro en comparación con la longitud en el péndulo Sharpy.
En la Figura 2 se muestra el comportamiento de la masa inicial en función del tiempo del molino de dedos y sufrideras para determinar la masa luego del proceso de molido y secado.
En la Figura 3 se muestra el comportamiento granulométrico del hueso de fémur y escápula, para el molino de dedos y sufrideras luego de 67 días de secado a convección libre usando tamices de 1, 2 y 4 mm. Se pudo observar que para los tamices de 1 mm y 2 mm, la cantidad de masa fue muy escasa.
Sin embargo para el hueso de fémur y el hueso de escápula, usando el tamiz de 4 mm se observó que para el hueso de escápula la cantidad de masa que pasó por el tamiz de 4 mm fue superior a la cantidad de masa que pasó de hueso de fémur. Por lo tanto el hueso de escápula es mejor para el tamizado en este tipo de molino.
En la Figura 3 se muestra el comportamiento de la masa inicial en función del tiempo del molino de martillo para determinar la masa obtenida luego del proceso de molido y secado.
Se observa en la Figura 3 el comportamiento granulométrico del hueso de fémur y escápula para el molino de martillo luego de 67 días de secado a convección libre usando tamices de 1, 2 y 4 mm. Se pudo observar que para los tamices de 1 y 2 mm, la cantidad de masa obtenida, fue muy escasa.
Sin embargo para el hueso de fémur y el hueso de escápula, usando el tamiz de 4 mm se observó que para el hueso de escápula la cantidad de masa que pasó por el tamiz de 4 mm fue superior a la cantidad de masa que pasó de hueso de fémur. Por lo tanto el molino de martillo también tiene mejor respuesta en la trituración del hueso de escápula al obtenerse mayor cantidad de masa final durante el tamizado.
Considerando los parámetros operacionales de los molinos (de dedos y sufrideras y de martillo), donde ambos trabajaron con un motor de 4 kW, y de acuerdo a las Figuras 2 y 3, se pudo observar que el molino de martillo realizó el proceso de trituración de los huesos en menor tiempo y con mayor cantidad de harina pasada por la criba de 4 mm, siendo mejor el hueso de escápula.
Análisis de los parámetros operacionales en función del consumo de energía
En la Tabla 5 se establecen los parámetros operacionales del molino de dedos y sufrideras y el molino de martillo para la determinación del consumo energético.
Nº pruebas | Parámetros para el molino de dedos y sufrideras | Parámetros para el molino de martillo | |||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Hueso | Masa Molida (kg) | Intensidad (A) | Frecuencia de rotación [rpm] | Masa Molida (kg) | Intensidad (A) | [rpm] | |||||
Línea 1 | Línea 2 | Línea 3 | Centro del Motor | Línea 1 | Línea 2 | Línea 3 | Centro del Motor | ||||
1 | fémur | 750 | 14 | 16 | 15 | 1700 | 900 | 14,3 | 16 | 15 | 1775 |
2 | escápula | 850 | 14,8 | 15,2 | 16,3 | 1796 | 800 | 13 | 15,4 | 14 | 1720 |
1 | fémur | 1850 | 14,9 | 16,4 | 17 | 1700 | 1800 | 15 | 18 | 16 | 1782 |
2 | escápula | 1750 | 14 | 16 | 15,9 | 1750 | 1700 | 14 | 16 | 15,9 | 1760 |
1 | fémur | 2700 | 15,2 | 18 | 19,4 | 1720 | 2600 | 17,6 | 20,7 | 16 | 1749 |
2 | escápula | 2600 | 18,4 | 19 | 21,2 | 1780 | 2550 | 16 | 21,8 | 19 | 1730 |
1 | fémur | 3450 | 22,1 | 19,5 | 18 | 1740 | 3300 | 16,8 | 19,5 | 18 | 1780 |
2 | escápula | 3650 | 15 | 18,5 | 22,2 | 1790 | 3700 | 15,3 | 17 | 16,4 | 1745 |
1 | fémur | 4450 | 16,4 | 15,3 | 19,15 | 1760 | 4600 | 18,5 | 22,1 | 19 | 1765 |
2 | escápula | 4500 | 16,8 | 17 | 19 | 1785 | 4400 | 16 | 17,4 | 14,2 | 1748 |
Fuente. Los autores
En la Figura 4 se observa la variación de la intensidad en función a la masa procesada para el molino de dedos y sufrideras.
Se observa en la Figura 4 que para el molino de dedos y sufrideras, el incremento de la intensidad se reflejó en la línea 1 y la línea 2, para el hueso de fémur en comparación con el hueso de escápula. Sin embargo en la línea 3 el incremento de la intensidad se hizo presente en el hueso de escápula en comparación al hueso de fémur, aunque esta diferencia no resultó significativa.
En la Figura 5 se observa la variación de la intensidad en función a la masa procesada para el molino de martillo.
Se observa en la gráfica de la Figura 5 que para el molino de martillo el incremento en la intensidad para la línea 1, se hizo presente con el hueso de fémur respecto al hueso de escápula. Sin embargo para la línea 3, el incremento de la intensidad se reflejó en el hueso de fémur, en comparación al hueso de escápula.
La comparación del consumo eléctrico se determinó con los molinos de dedos y sufrideras y el molino de martillo en operaciones de trabajo de molienda de huesos de fémur y escápula, ya que la fuente motriz consumió de forma trifásica (tres líneas de corriente), energía eléctrica considerándose la conducta de este parámetro en las Figuras 4 y 5, indicativo del consumo si disminuye o aumenta en este proceso de trituración en función del tiempo. Resultando que el molino de dedos y sufrideras consumió más energía eléctrica de acuerdo al aumento de la intensidad ya que el contacto entre el órgano triturador y la materia requirió más tiempo de molido debido a que tuvo menor rapidez haciendo el proceso de triturado más lento.
Resultados de la determinación de la productividad teórica (qt), real (qr) y eficiencia (e) del molino de martillo y el molino de dedos y sufrideras
Molino de martillo: Teniendo las características de este molino y usando la ecuación representada en la Tabla 6 se obtuvo la productividad teórica del molino de martillo.
k | Diámetro,(m) | Longitud, (m) | ( densidad hueso, (kg/m3) | n, (rpm) | qt, (kg/s) |
---|---|---|---|---|---|
(2,2∙10-4) | 0,293 | 0,095 | 1900 | 1790 | 0,092 |
A partir de los datos y la ecuación qr=m/t (Cantidad de masa procesada durante el trabajo de la máquina/tiempo de trabajo limpio), se obtuvo la productividad real (qr) dando como resultado 0,028 kg/s para molino de martillo. Sustituyendo en la ecuación e = qr/qt, se obtuvo la eficiencia del molino de martillo dando como resultado 0,30 (30%).
Molino de dedos y sufrideras: Teniendo las características de este molino y usando la ecuación de la Tabla 6 se obtuvo la productividad teórica del molino de dedos y sufrideras, representada en la Tabla 7.
Usando la misma ecuación se obtuvo la productividad real (qr) dando como resultado 0,0076 kg/s, para el molino de dedos y sufrideras. De igual modo, se obtuvo la eficiencia (e), de molino de dedos y sufrideras dando como resultado 0,12 (12%).
Determinación de la variante más racional del triturado de huesos en base a la calidad del triturado y el consumo de energía
Considerando los parámetros operacionales estudiados (molino de dedos y sufrideras y molino de martillo), al comparar la calidad de triturado y consumo energético de los mismos, se determinó que el molino de martillo tiene mayor eficiencia que el molino de dedos y sufrideras (30% para el molino de martillo y 12% el de dedos y sufrideras), además la velocidad desarrollada por el molino de martillo durante el proceso de molinado es superior que el de dedos y sufrideras, lo cual permite la obtención de partículas con una granulometría de la harina que cumple con la exigencia zootécnica de los alimentos para cerdos. Ahora, con respecto al consumo energético, el molino de dedos y sufrideras tuvo mayor consumo de acuerdo al aumento de la intensidad de la corriente, ya que el contacto entre el órgano triturador y la materia a procesar requirió en la labor de molido más tiempo, debido a que hace el proceso de triturado más lento y menos eficiente, por tener menor rapidez de triturado.
CONCLUSIONES
En la determinación de las propiedades físico- mecánicas se observó que el hueso de escápula presenta mayor dureza que el de fémur por lo que necesita de mayor esfuerzo durante el proceso de molinado, comportándose el molino de martillo con mejor capacidad destructiva que el de dedos y sufrideras.
El mayor consumo energético se observó con el molino de dedos y sufrideras causado por el contacto entre el órgano triturador y los huesos procesados, requiriendo un mayor tiempo en el proceso de molido, siendo este menos eficiente y más lento que el molino de martillos.
La productividad real del molino de martillo resultó superior a la del molino de dedos y sufrideras durante el proceso de molienda de los huesos de escápula y fémur, por lo que para la obtención de harina de hueso resultó más eficiente el molino de martillo con un 30%.
La calidad de la harina obtenida a partir de la exigencia zootécnica establecida para la alimentación de cerdos con alimentos concentrados obtuvo mejores resultados con el molino de martillos.
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Recibido: 18 de Diciembre de 2020; Aprobado: 20 de Septiembre de 2021