1.
INTRODUCCIÓN
En referencia con las perspectivas de la FAO[1],
la producción de gramíneas en el año 2019 fue de 2 715’000.000 TM[2]
en todo el mundo, un 2,3 % más que en 2018. El trigo y el maíz son la principal
fuente de alimentación para el ser humano, están asociados al origen de la
civilización y cultura de todos los pueblos, son la materia prima de los
cereales. Los países que más producen maíz, valorado en toneladas métricas son
EEUU, China, Brasil, la Unión Europea, Ucrania, y Argentina. En el Ecuador durante
el 2018, según datos de INEC, a través del sistema ESPAC, señala que para maíz
duro se tuvo ventas de 1´232.670 TM a nivel nacional, mientras que para maíz
suave reporta ventas de 27.986 TM. [1]
El
maíz es un elemento esencial en la gastronomía de la región y del país, tanto
para consumo directo, así como sustento para la manufactura de otros productos. La producción elaborada de alimentos en la
era actual es cada vez mayor, las normas de control de calidad son cada vez más
exigentes, es necesario aumentar la tecnificación de los procesos de producción
en el campo. En este sentido, se propone
la construcción de una máquina para facilitar el proceso de desgrane de maíz y
acelerar el rendimiento del tiempo de producción. Se realiza un análisis de trabajos realizados
respecto a los tipos de desgranado, así como del diseño y construcción de
máquinas y comparar los sistemas de desgranado manual con el automatizado.
Los pequeños productores realizan el desgranado de
manera manual a través del uso del dedo pulgar, con la fricción
de dos mazorcas o a través de la trilladura colocando las mazorcas en un costal
y golpeándolas con un palo. Otras técnicas de uso cotidiano son el uso máquinas
desgranadoras manuales de madera, con grapas, de lámina metálica, y de metal
fundido. [2]
[3]
En cuanto al diseño y construcción de máquinas
desgranadoras de maíz existen algunos estudios expuestos a nivel internacional,
que detallan los parámetros necesarios para realizar el diseño. El principal elemento que diferencia cada
equipo es como se diseña, construye y de que material está hecho el cilindro de
desgranador. Otro elemento a considerar
es la fuerza requerida para separar el grano de la mazorca, se debe realizar el
análisis y simulaciones respecto a la acción de la carga en el eje central, para
determinar la potencia requerida del sistema. [4]
[5]
2. METODOLOGÍA Y MATERIALES
La
investigación del presente proyecto es aplicada, la cual se desarrolló
mediante:
Investigación
Bibliográfica.- búsqueda en: libros de ingeniería mecánica, artículos
científicos, revistas técnicas, tesis referentes y publicaciones en Internet,
orientadas a diseños de máquinas y mecanismos que permitan desprender el grano
del zulo de maíz y utilizar la mejor opción.
[3] [4] [5]
Investigación
de Campo.- A través del método de observación y pruebas experimentales se realiza
una comparativa entre el método manual y el automatizado de desgrane. Para determinar la
eficiencia del sistema, se procede a comparar el tiempo y la cantidad de granos
en buen y mal estado desprendidos del zulo.
Se realizarán tres pruebas, desgranado manual y desgranado automatizado
de una y tres mazorcas.
Para
el desarrollo del proyecto, se requirió seguir una serie de pasos y etapas,
que, en conjunto, cumplirían con el objetivo planteado. Cada etapa desempeña
una función específica dentro del esquema global, y también sirve de apoyo para
la siguiente etapa, haciendo que la implementación sea un sistema funcional, se
puede referenciar estos procedimientos en la Figura 1.
Figura 1. Diagrama de procedimientos
A. ANÁLISIS DE VARIEDADES DE MAÍZ
La clasificación botánica del maíz es lo reflejado en
la Tabla 1:
Tabla
1.
Clasificación botánica del maíz. [6]
|
Detalle |
Descripción |
|
Reino: |
Plantae |
|
División: |
Magnoliophyta |
|
Clase: |
Liliopsida |
|
Orden: |
Cyperales |
|
Familia: |
Poaceae |
|
Género: |
Zea |
|
Especie: |
Mayz |
|
Nombre científico: |
Zea mayz L. |
El maíz presenta una gran variedad en cuanto al color,
textura, composición y apariencia del grano, una clasificación preliminar se
puede presentar como: [7]
a) La constitución del endospermo y del grano
b) El color del grano
c) El ambiente en el que se cultiva
d) La madurez
e) El uso
B. ANÁLISIS DE CARACTERÍSTICAS MORFOLÓGICAS DEL MAÍZ.
Se determina en primera instancia las dimensiones de
la mazorca de maíz duro, característico de la Sierra y la Costa, además de la
variedad de maíz blanco harinoso, como se expresa en la Tabla 2.
Tabla
2.
Características morfológicas de maíz blanco harinoso. [7]
|
Características |
N |
Min |
Max |
Promedio |
|
Longitud de la mazorca (mm) |
20 |
100 |
165 |
132 |
|
Diámetro de la mazorca (mm) |
20 |
49 |
72 |
60 |
|
Peso de la mazorca (g) |
20 |
108,45 |
198,47 |
165,57 |
|
Porcentaje de desgrane (%) |
20 |
68,12 |
87,56 |
75,87 |
|
Número de hileras de granos |
20 |
10 |
16 |
11,7 |
|
Número de granos por hilera |
20 |
13 |
20 |
18,35 |
|
Peso de 1000 granos (g) |
4 |
723,78 |
789,56 |
756,31 |
|
Longitud del grano (mm) |
20 |
9 |
14 |
12,1 |
|
Ancho del grano (mm) |
20 |
8 |
13 |
10,8 |
Los datos físicos del dimensionamiento de la mazorca de
maíz se pueden detallar en la Tabla
3.
Tabla
3.
Datos físicos de diferentes tipos de maíz. [5]
|
Características |
Tipos de Maíz |
|
|||
|
Maíz duro (Sierra) |
Maíz duro (Costa) |
Maíz Suave amarillo |
Maíz suave blanco |
||
|
Diámetro de
mazorca Dm(mm) |
46-50 |
46 a 55 |
46 a 65 |
49 a 70 |
|
|
Diámetro de
zulo Dz(mm) |
30-40 |
35-45 |
30-40 |
30-40 |
|
|
Longitud de
mazorca Lm(mm) |
200 a 250 |
180 a 250 |
200 a 250 |
180 a 250 |
|
|
# de hileras
por mazorca |
7 a 9 |
7 a 8 |
6 a 9 |
6 a 9 |
|
|
# de granos
por hilera |
17 a 36 |
13 a 35 |
10 a 33 |
9 a 30 |
|
|
# granos por
mazorca |
230 a 350 |
200 a 250 |
115 a 256 |
120 a 245 |
|
La madurez fisiológica del grano de maíz se verifica cuando
la humedad se establece entre un 37% y un 38%. Cuando el grano alcance
alrededor de un 28% de humedad se puede realizar la cosecha automatizada, no
siendo recomendable que descienda a menos del 15%. [3]
[5]
Si los valores son superiores o inferiores a esta escala, los
granos se aplastan, se rompen o pulverizan.
Para obtener un desgranado eficiente, el grado de humedad del maíz debe
estar alrededor del 13 % al 15 % por lo que se debe someter a métodos de
secado, uno es dejar la mazorca en la planta y exponerlo a las corrientes de
aire a la temperatura ambiente, otro es dejar la mazorca en la planta y
exponerlo a las corrientes de aire a la temperatura ambiente o mediante silos
de secado. En la noche la semilla puede
absorber agua del ambiente, se recomienda no dejar a la intemperie. Decir que la humedad del maíz es del 13%
significa que en una muestra de 100g de producto bruto hay 13g de agua y 87g de
materia seca. [3]
[5]
El contenido de humedad de los granos se expresa, por lo
general, como porcentaje del peso total del grano (base húmeda):
|
|
(1) |
PA = peso del agua
PT = peso del agua + peso de la materia seca (peso total de
grano). [10]
C. ANÁLISIS DE SISTEMAS PARA DESGRANAR MAÍZ
Para determinar el sistema de desgranado de maíz se toma
como referencia dos procesos que ejemplifican los pasos a seguir para realizar
el trabajo, como se observa en la Figura 2. [3]
Figura 2.
Sistemas para máquina desgranadora
D. DESARROLLO DEL SISTEMA MECÁNICO
Construcción estructura mecánica: Se procede armar
el cilindro utilizando una plancha de 2 mm, el cilindro tiene un radio de R = 190mm
y lo largo de 600 mm, como se observa en la Figura 3.
Figura 3.
Estructura, cilindro principal
De un tubo cuadrado de acero, se corta 4 pedazos de 600 mm
de largo, en un extremo se realiza un corte semicírculo con ángulo de 135º
grados para que este igual que el cilindro sin ningún desperfecto. En el otro extremo, se coloca las bases de
100 x 100 mm, además se añade 2 ruedas móviles y 2 fijas, como se observa en la
Figura 4.
Figura 4.
Estructura, base del cilindro
Construcción de la
tolva y adecuación del cilindro principal: La tolva tiene una
forma piramidal, se acopla al cilindro realizando un corte en la parte superior
del mismo; el sistema tiene una capacidad de ½ arroba de maíz, como se observa
en la Figura 5.
Figura 5.
Sistema receptor, tolva y cilindro.
Sistema
desgranador: Se procede a construir la criba, en la parte inferior
del cilindro, se coloca una plancha perforada de un grosor de 2 mm, las
perforaciones tienen un radio R = 6 mm con una separación de 20 mm en forma
horizontal y 30 mm en forma vertical, como se observa en la Figura 6.
Figura 6.
Sistema desgranador, criba
El cilindro desgranador consta de un tubo de 30 mm de
diámetro incluyéndose una cadena de 180 mm que va soldado al eje, además de la
cadena que sirve para golpear la mazorca y sacar el grano, como se observa en
la Figura 7.
Figura 7. Sistema desgranador, cilindro
y cadenas.
Fuente de
energía y sistema de transmisión: El sistema
posee una fuente de energía eléctrica a 110 V con potencia de ½ HP, colocado en
la parte posterior con una base de 240 x 180 mm para evitar vibraciones. El motor se conecta a través de un sistema de
transmisión con poleas de 6 pulgadas y 2 pulgadas de un canal y una banda tipo
A. Además, se construye la protección
para el sistema de transmisión hecha de acero inoxidable, las medidas son de
380 mm de largo, y una semicircunferencia inferior de radio R = 60mm, y una
semicircunferencia superior de radio R = 100mm, como se observa en la Figura 8
y Figura 9.
Figura 8. Fuente de energía, motor de ½
HP
Figura 9. Sistema de transmisión y protección
Sistema de
separación de producto: Consta de una rampa y
una abertura. La rampa está hecha de
acero inoxidable con medidas de 510 x 250 x220 mm, como se observa en la Figura 10.
Además, se realiza un corte a un
costado del cilindro, para la salida del grano y del zulo, la tapa tiene una
medida de 380 x 230 mm, como se observa en la Figura 11.
Figura 10.
Sistema de separación de producto, rampa para que
evacue el grano.
Figura 11. Sistema de separación
de producto, tapa lateral
E. DESARROLLO DEL SISTEMA ELÉCTRICO
El sistema electromecánico consta de: 2 pulsadores, 2 luces
piloto, 1 botón de paro de emergencia, 1 selector de 3 posiciones, 1 temporizador
digital, 1 breaker, 1 contactor, 1 relé térmico, 1 riel din, y 1 alarma. Todos los elementos se colocan en un tablero
de control que permite administrar el sistema de manera automatizada. La
instalación del sistema eléctrico se observa en la Figura 12
y la Figura 13.
Figura 12. Sistema de control,
vista interior
Figura 13. Sistema de control,
vista exterior
F.
PRUEBAS Y
OBTENCIÓN DE RESULTADOS
Se identifica el grado de desprendimiento óptimo del grano
de la mazorca cuando se desprende un 90% del mismo, ver Figura 14. Para verificar la eficiencia del sistema, se
procede a comparar el tiempo y la cantidad de granos desprendidos del zulo
definiendo dos condiciones, en buen estado y en mal estado. Se realizarán tres pruebas, desgranado manual
y desgranado automatizado de una y tres mazorcas.
Figura 14. Grado de desprendimiento óptimo del grano.
Al observar el maíz, se verifica la dureza del grano y el
grado de humedad a través del tacto. Un
campesino de 30 años de experiencia determina el estado de la mazorca
insertando la uña en el grano, determinando que el maíz es de tipo duro y está
en buen estado.
La primera mazorca se sometió a un desgranado manual, tiene
una longitud de 20 cm, mientras que la segunda mazorca se sometió a un
desgranado automático, que tiene una longitud de 22 cm, como se observa en la Figura 15.
Figura 15. Una Mazorca
y zulo, desgranado manual y automático respectivamente.
La tercera prueba se sometió a un desgrane automático a
tres mazorcas al mismo tiempo, tienen un promedio de longitud de 24 cm, como se
observa en la Figura 16.
Figura 16. Tres mazorcas y zulo,
desgranado automático
En la Figura 17,
se observa los granos desprendidos con el método manual.
Figura 17.
Muestra general de granos, después de desgranado
manual
En la Figura 18
y la Figura 19,
se observa los granos desprendidos con el método automático de una mazorca,
evidenciándose la existencia de granos en mal estado.
Figura 18.
Muestra general de granos en buen estado, después de desgranado
automático
Figura 19.
Muestra general de granos en mal estado, después de desgranado
automático
En la Figura 20
y la Figura 21,
se observa los granos desprendidos con el método automático de tres mazorcas,
evidenciándose la existencia de granos en mal estado
Figura 20.
Muestra general de granos en buen estado, después de desgranado
automático
Figura 21. Muestra
general de granos en mal estado, después de desgranado
automático.
3. RESULTADOS
Una vez realizado el análisis de los distintos métodos de
desgrane de maíz, se hallan los siguientes resultados:
La Tabla
4
y la Tabla
5
muestra la cantidad y el porcentaje respectivamente de granos en buen estado y
en mal estado después del proceso de desgranado manual y automático. Estos datos se resumen en la Figura 22
y Figura 23.
Tabla
4.
Tabulación de pruebas 1.
|
Número
de mazorcas |
Granos
en buen estado |
Granos
en mal estado |
Granos
adheridos |
|
Una mazorca proceso
manual |
508 |
0 |
0 |
|
Una
mazorca proceso automático |
520 |
19 |
19 |
|
Tres
mazorcas proceso automático |
1535 |
50 |
0 |
Tabla
5.
Tabulación de pruebas 2.
|
Número
de mazorcas |
Porcentaje
de granos en buen estado |
|
Una mazorca proceso
manual |
100% |
|
Una
mazorca proceso automático |
96.47% |
|
Tres
mazorcas proceso automático |
96.84% |
Figura 22.
Cuadro comparativo de número de granos procesados
Figura 23.
Cuadro comparativo de número de granos procesados
La Tabla
6
muestran el tiempo después del proceso de desgranado manual y automático. Estos datos se resumen en la Figura 24.
Tabla
6.
Tabulación de pruebas 3.
|
Número
de mazorcas |
Tiempo
de proceso para desgrane |
|
Una mazorca proceso
manual |
1.81
segundos |
|
Una
mazorca proceso automático |
0.34
segundos |
|
Tres
mazorcas proceso automático |
0.47
segundos |
Figura 24.
Cuadro comparativo del tiempo de desgrane por cada método y cantidad de
mazorcas
4.
CONCLUSIóN
Las pruebas realizadas determinan el porcentaje de
eficiencia valorado en un 96,47% para desgranar las mazorcas de maíz del
proceso automatizado respecto al proceso manual. Además, se refleja que el número de granos en
buen estado del proceso automatizado, es similar al proceso manual, valorado en
un 4% con respecto al proceso manual. Si se aumenta el número de mazorcas a ser
procesada la máquina funcionaría mejor.
Respecto al tiempo de procesamiento para desgranar una
mazorca se reduce en un 81.5% el tiempo comparando el proceso manual y el
automatizado; respecto a insertar tres mazorcas el tiempo se reduce en un
74.5%. Con estos valores se evidencia
que al utilizar máquinas desgranadoras de maíz se reduce considerablemente el
tiempo y mejora el rendimiento de la producción.
Para trabajos futuros, es factible realizar pruebas al
modificar las revoluciones del motor eléctrico, a mayor velocidad mayor número
de mazorcas podrá procesar el sistema, pero puede ocasionar que los granos se
quiebren o pulvericen, razón por la cual se debe tener las debidas precauciones
al modificar estos valores.
El sistema desgranador es el más susceptible a cambios
debido a las características propias de los elementos. De acuerdo a los materiales y diseños de la
criba se puede procesar maíz duro o maíz suave.
Se debe tener en cuenta también las características morfológicas y
variedades de maíz, debido a que hay diferentes tamaños de mazorcas y de grano.
Antes introducir las mazorcas de maíz en la máquina, es
necesario previamente determinar el grado de humedad, recalcando que deben
estar en un porcentaje del 13% al 15%.
5. Referencias Bibliográficas
[1] FAO, “Nota
informativa de la FAO sobre la oferta y la demanda de cereales | Situación
Alimentaria Mundial | Organización de las Naciones Unidas para la Alimentación
y la Agricultura,” 2020. http://www.fao.org/worldfoodsituation/csdb/es/
(accessed Feb. 15, 2020).
[2] I. Castelán
Herrera and O. Vázquez Nieto, “Prototipo de desgranadora de maíz que mejora el
proceso de desgranado en la Región de Influencia del Instituto Tecnológico
Superior de Zacapoaxtla,” TEPEXI Boletín Científico la Esc. Super. Tepeji
del Río, vol. 4, no. 8, p. 8, Jul. 2017, doi: 10.29057/estr.v4i8.2387.
[3] J. M. Ureña
Espín, Joel Froilan; Villavicencio Calle, “Diseño Y construcción de una máquina
para el proceso de desgranado de maíz de la costa,” p. 153, 2012.
[4] J. O.
Igbinoba, A. I. I. Unuigbe, F. I. Akhere, G. U. Ibhahe, and V. I. Gbadamose,
“Design and Fabrication of a Corn Sheller,” vol. 6, no. 2, pp. 9449–9458, 2019.
[5] J. O. Pérez
Silva, C. L. Cholca Cacuango, and A. G. Mantilla Valencia, “Diseño y
fabricación de una máquina para desgranar maíz Design and construction of a
corn sheller,” Ingenius Rev. Cienc. y Tecnol., no. 18, pp. 21–29, 2017,
doi: 10.17163/ings.n18.2017.03.
[6] E. F. Guacho
Abarca, “CARACTERIZACIÓN AGRO-MORFOLOGICA DEL MAÍZ (Zea mays L.) DE LA
LOCALIDAD SAN JOSÉ DE CHAZO.,” Esc. Super. POLITÉCNICA CHIMBORAZO, vol.
8, no. 33, p. 44, 2014.
[7] M. Valverde,
“Caracterización E Identificación De Razas De Maíz En La Provincia Del Azuay,”
p. 86, 2015, [Online]. Available:
http://dspace.ucuenca.edu.ec/bitstream/123456789/22897/1/Tesis.pdf.
[8] Yánez, F. M. Estudio
del sistema mecánico aplicado al desgranado de maíz suave seco para mejorar
tiempos de producción en el cantón san miguel provincia de Bolívar. [Ingeniería
Thesis]. Ambato, Ecuador: Universidad
Técnica de Ambato, 2011.