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SISTEMA DE MONITOREO Y SUPERVISIÓN PARA EL PROCESO DE HIDRÓLISIS DE HARINA Y ALMIDÓN
DE YUCA EN LA PRODUCCIÓN DE EMPAQUES BIODEGRADABLES A NIVEL INDUSTRIAL
PorLuz Dary Patiño Jiménez
William Enrique León Hoyos
Dir.: Ing. Juan Fernando Flórez Marulanda
UNIVERSIDAD DEL CAUCAFACULTAD DE INGENIERIA ELECTRONICA Y
TELECOMUNICACIONESPROGRAMA DE INGENIERIA EN AUTOMATICA INDUSTRIAL
AGENDA
7
OBJETIVOS1
INTRODUCCIÓN INTRODUCCIÓN 2
3 MODELAMIENTO ISA 88 PARA EL PROCESO DE HIDRÓLISIS DE HARINA/ALMIDÓN DE YUCA
4 INGENIERÍA CONCEPTUAL, BÁSICA Y DETALLADA
5 DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DEL SCADA PARA EL PROCESO DE HIDRÓLISIS DE HARINA/ALMIDÓN DE YUCA EN LA PRODUCCIÓN DE EMPAQUES BIODEGRADABLES
RESULTADOS RESULTADOS6
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
Objetivo General Diseñar e implementar un sistema de monitoreo y supervisión,
teniendo en cuenta la documentación técnica de la instrumentación y automatización de un biorreactor piloto de 3 lts, para el proceso de hidrólisis de harina y almidón de yuca en la producción de empaques biodegradables a nivel industrial.
Objetivos Específicos
Documentar bajo estándares técnicos el proceso, la instrumentación y automatización de un biorreactor piloto de 3 lts destinado al proceso de hidrólisis de harina y almidón de yuca.
Diseñar e implementar un sistema de monitoreo y supervisión para el biorreactor destinado al proceso de hidrólisis de harina y almidón de yuca.
Comprobar el correcto funcionamiento del sistema de monitoreo y supervisión en un biorreactor piloto de 3 Lts empleado en el proceso de hidrólisis de harina y almidón de yuca.
Objetivos1/1
AGENDA
7
OBJETIVOS1
INTRODUCCIÓN INTRODUCCIÓN 2
3 MODELAMIENTO ISA 88 PARA EL PROCESO DE HIDRÓLISIS DE HARINA/ALMIDÓN DE YUCA
4 INGENIERÍA CONCEPTUAL, BÁSICA Y DETALLADA
5 DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DEL SCADA PARA EL PROCESO DE HIDRÓLISIS DE HARINA/ALMIDÓN DE YUCA EN LA PRODUCCIÓN DE EMPAQUES BIODEGRADABLES
RESULTADOS RESULTADOS6
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
INTRODUCCIÓN
“Uso de productos y subproductos de yuca en el desarrollo de empaques
biodegradables”
Biodegradabilidad
1/4
Harina /almidón de yuca
Está constituido por amilosa y la amilopectina
Mayor fuente de hidratos de carbono en la alimentación del hombre
Se transforma en un gel
Alimento de reserva de los vegetales
Pesado Lavado Troceado Secado MoliendaOBTENCIÓN
• Hidrólisis
Se basa en la ruptura de enlaces por agua
• Entrecruzamiento
• Sustitución
• Oxidación
Problemas de inestabilidad
2/4
Celda de proceso de hidrólisis de harina/almidón de yuca
BAÑO TERMOSTATADO
BIORREACTOR
BOMBA SUMERGIBLEARMARIO DE
CONTROLCOMPUTADOR
BOMBAS PERISTALTICASTx de pH
3/4
4/4
CELDA DE PROCESO
AGENDA
7
OBJETIVOS1
INTRODUCCIÓN INTRODUCCIÓN 2
3 MODELAMIENTO ISA 88 PARA EL PROCESO DE HIDRÓLISIS DE HARINA/ALMIDÓN DE YUCA
4 INGENIERÍA CONCEPTUAL, BÁSICA Y DETALLADA
5 DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DEL SCADA PARA EL PROCESO DE HIDRÓLISIS DE HARINA/ALMIDÓN DE YUCA EN LA PRODUCCIÓN DE EMPAQUES BIODEGRADABLES
RESULTADOS RESULTADOS6
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
MODELAMIENTO ISA 88 PARA EL PROCESO DE HIDRÓLISIS DE HARINA/ALMIDÓN DE YUCA
MODELAMIENTO ISA 88 PARA EL PROCESO DE HIDRÓLISIS DE HARINA/ALMIDÓN DE YUCA
PROCESO DE HIDRÓLISIS DE HARINA Y ALMIDÓN DE YUCA
PROCESO DE HIDRÓLISIS DE HARINA Y ALMIDÓN DE YUCA
ETAPA 2: PREPARAR Y PROBAR EQUIPOSETAPA 2: PREPARAR Y PROBAR EQUIPOS
ETAPA 3: PREPARAR SUSPENSIÓNETAPA 3: PREPARAR SUSPENSIÓN
ETAPA 4: HIDROLIZARETAPA 4: HIDROLIZAR
ETAPA 1: LIMPIAR EL BIORREACTORETAPA 1: LIMPIAR EL BIORREACTOR
Modelo de proceso de la hidrólisis de harina/almidón de yuca
ETAPAS DEL PROCESO
Modelo de proceso según ISA 88parte I
1/16
ETAPA 2: PREPARAR Y PROBAR EQUIPOSETAPA 2: PREPARAR Y PROBAR EQUIPOS
Preparar y probar baño de enfriamientoPreparar y probar baño de enfriamiento
Preparar y probar baño termostatadoPreparar y probar baño termostatado
Preparar y probar sensor de temperaturaPreparar y probar sensor de temperatura
Preparar y probar sensor y transmisor de pHPreparar y probar sensor y transmisor de pH
Preparar y probar bombas peristálticasPreparar y probar bombas peristálticas
Preparar y probar agitadorPreparar y probar agitador
ETAPA 1: LIMPIAR EL BIORREACTORETAPA 1: LIMPIAR EL BIORREACTOR
Desconectar los instrumentosDesconectar los instrumentos
Verificar disponibilidad de los elementosVerificar disponibilidad de los elementos
Limpiar tapaLimpiar tapa
Ubicar la tapa sobre el tanqueUbicar la tapa sobre el tanque
Limpiar tanqueLimpiar tanque
Operaciones de cada etapa del proceso
2/16
ETAPA 3: PREPARAR SUSPENSIÓNETAPA 3: PREPARAR SUSPENSIÓN
Pesar la harina/almidónPesar la harina/almidón
Verificar disponibilidad de los elementosVerificar disponibilidad de los elementos
Añadir H2O destiladaAñadir H2O destilada
Agregar mezcla al biorreactorAgregar mezcla al biorreactor
ETAPA 4: HIDROLIZARETAPA 4: HIDROLIZAR
Suministrar información del batchSuministrar información del batch
Configurar parámetros de controlConfigurar parámetros de control
Iniciar hidrólisisIniciar hidrólisis
Obtener porcentaje de dextrosaObtener porcentaje de dextrosa
Operaciones de cada etapa del proceso 3/16
Modelo de proceso de la hidrólisis de harina/almidón de yuca 4/16
5/16
Modelo físico de la hidrólisis de harina/almidón de yuca
Modelo Físico ISA 88 Distribución Laboratorio de Biotecnología.
Fuente propia
6/16
Materia prima para
producir termoformados (Harina)
Materia prima para
producir películas flexibles
(Almidón)
Clasificación de la celda de proceso
Unidad de hidrolizado
MULTIPRODUCTO
7/16
Resistencia calorífica
Sensor de Temperatura
Transmisor de Temperatura
Bomba peristáltica para ácido
Bomba peristáltica para base Sensor de
PHTransmisor
de PH
Sensor de Temperatura
Variador
Bomba de refrigeración
Transmisor de Temperatura
Servomotor Encoder
Stma. de pH
ME_PH
Stma. de Calentamiento
ME_CAL
Stma. Agitación
ME_AGIT
Stma. Enfriamiento
ME_ENFR
CP_HHAY
HIDRO_UNIT
LABORATORIO DE BIOTECNOLOGÍA
FACULTAD DE CIENCIAS AGROPECUARIAS
UNIVERSIDAD DEL CAUCAEMPRESA
SITIO
AREA
CELDA DE PROCESO
UNIDAD
MODULOS DE EQUIPO
MODULOS DE CONTROL
Modelo físico de la hidrólisis de harina/almidón de yuca 8/16
Modelo de control procedimental de la hidrólisis de harina/almidón de yuca
Procedimiento
Procedimientos de Unidad
Operaciones
Fases
Operación Procedimiento de Unidad
Op_Vrfr_dsbd_elmts
PU_HIDRO
Dscntr_instmentsLmpr_ tpLmpr_ tnqUbcr_ tp_n_tnqPrpr_ prbr_ sstma_rfgprpr _prbr _baño_termPrpr_ prbr _sx_tempPrpr_ prbr_sx _tx_pHPrpr_ prbr_bmbs_perPrpr_ prbr_agtdrVrf_dsp_elmPsr _hna/almdnAñdr_agdAgr_mzcl_bio.Smnstr_infoCnf_prmts Incr_hdlsObnr_ % _dex
Modelo de control procedimental
Relación entre operaciones y procedimiento de unidad
9/16
Tabla 2. Col.2
prpr _prbr _baño_term
Prpr_ prbr _sx_temp
Prpr_ prbr_sx _tx_pH
Prpr_ prbr_bmbs_per
Prpr_ prbr_ sstma_rfg
Añdr_agd
P_HHAY
PU_HIDRO
Op_Vrfr_dsbd_elmts
Dscntr_instments
Lmpr_ tp Lmpr_ tnq Ubcr_ tp_n_tnq
Vrf_dsp_elm Psr _hna/almdn Agr_mzcl_bio.Prpr_ prbr_agtdr
Cnf_prmts Incr_hdls Obnr_ % _dexSmnstr_info
Procedimiento
Procedimientos de Unidad
Operaciones
Fases
Modelo de control procedimental de la hidrólisis de harina/almidón de yuca 10/16
Relación entre descripción de fase, fase y operación 11/16
12/16
Récipe de la hidrólisis de harina/almidón de yuca
13/16
14/16
15/16
16/16
AGENDA
7
OBJETIVOS1
INTRODUCCIÓN INTRODUCCIÓN 2
3 MODELAMIENTO ISA 88 PARA EL PROCESO DE HIDRÓLISIS DE HARINA/ALMIDÓN DE YUCA
4 INGENIERÍA CONCEPTUAL, BÁSICA Y DETALLADA
5 DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DEL SCADA PARA EL PROCESO DE HIDRÓLISIS DE HARINA/ALMIDÓN DE YUCA EN LA PRODUCCIÓN DE EMPAQUES BIODEGRADABLES
RESULTADOS RESULTADOS6
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
INGENIERÍA CONCEPTUAL, BÁSICA Y DETALLADA
AGENDA
7
OBJETIVOS1
INTRODUCCIÓN INTRODUCCIÓN 2
3 MODELAMIENTO ISA 88 PARA EL PROCESO DE HIDRÓLISIS DE HARINA/ALMIDÓN DE YUCA
4 INGENIERÍA CONCEPTUAL, BÁSICA Y DETALLADA
5 DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DEL SCADA PARA EL PROCESO DE HIDRÓLISIS DE HARINA/ALMIDÓN DE YUCA EN LA PRODUCCIÓN DE EMPAQUES BIODEGRADABLES
RESULTADOS RESULTADOS6
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DEL SCADA PARA EL PROCESO DE HIDRÓLISIS DE HARINA/ALMIDÓN DE YUCA EN LA PRODUCCIÓN DE EMPAQUES BIODEGRADABLES
Requerimientos
Debe ser una guía durante el
proceso. Procedimientossiempre de la misma forma.
Debe permitir el
uso correcto y adecuado
de los equipos.
Visualizar tendencias
y debe imprimirse un reporte
Text
Las interfaces del HMI
deben ser de fácil
interpretación.
SCADA
Generar alarmas Recopilar la información relevante
manteniendo un único formato
1/8
Diseño y desarrollo de las HMI del sistema de monitoreo y supervisión
HMI
Modelos de la norma ISA 88
Estudio del proceso de hidrólisis
Necesidades Usuarios
2/8
Grupo 1
Obedecen el modelo de proceso de hidrólisis de
harina/almidón de yuca
Grupo 2
Visualización de alarmas y de tendencias
HMI SCADA
Text
Text
Etapas
Limpiar el biorreactorPreparar y probar
equiposPreparar la suspensiónHidrolizar
Otroscriterios
Clasificación interfaces3/8
El fondo de las pantallas
Letras y Numeros
El cuadro sinoptico
Otros criterios
Funcionalidad
Ubicacion de los
elementos
Convenciones de diseño Usabilidad
Representaciónde valores
Proximidad
Color de las pantallas
4/8
HMI
Organización jerárquica interfaces
GRAFICA
DE pH
(R1)
GRAFICA
DE VELOCIDAD (R2)
GRAFICA
DE TEMPERATURA
(R3)
TODAS LAS GRAFICAS
(R4)ALARMAS
(R5)
PANTALLA INICIAL (I1)
MENU PRINCIPAL (P1) PROCESO
LIMPIAR BIORREACTOR (E1)
PREPARAR EQUIPOS (E2) PREPARAR SUSPENSIÓN (E3)
HIDROLIZAR ETAPAS
BAÑO DE ENFRIAMENTO(O1)
BAÑO TERMOSTATAD
O (O2)
SENSOR DE TEMPERATURA
(O3)
SENSOR Y TRANSMISOR
DE PH (O4.1)
BOMBAS PERISTÁLTICAS (O5.1)
AGITADOR
(O6)
BOMBAS PERISTÁLTICAS (O5.2)
BOMBAS PERISTÁLTICAS (O5.3)
SENSOR Y TRANSMISOR
DE pH(O4.2)
PROCESO DE HIDRÓLISIS
(E4)
REPORTE
(O7.1)
REPORTE 2 (O7.2)
PARAMETROS
(O8.1)
PARAMETROS2 (O8.2)
OPERACIO
NES
PRIMER GRUPO
SEGUNDO
GRUPO
5/8
Interfaces6/8
7/8
Reporte8/8
DATOS DEL BATCH
PARMETROS DE CONFIGURACIÓN
DATOS FUNCIONAMIENTO
CELDA
AGENDA
7
OBJETIVOS1
INTRODUCCIÓN INTRODUCCIÓN 2
3 MODELAMIENTO ISA 88 PARA EL PROCESO DE HIDRÓLISIS DE HARINA/ALMIDÓN DE YUCA
4 INGENIERÍA CONCEPTUAL, BÁSICA Y DETALLADA
5 DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DEL SCADA PARA EL PROCESO DE HIDRÓLISIS DE HARINA/ALMIDÓN DE YUCA EN LA PRODUCCIÓN DE EMPAQUES BIODEGRADABLES
RESULTADOS RESULTADOS6
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
RESULTADOS
Objetivo de las pruebas1 2
¿Cuál es la mejor
configuración de
parámetros para el
control de PH?
¿Cuál es la mejor
configuración de
parámetros para el
control de T?
pH Zona 1 Banda de
Histéresis Tiempo de Muestreo
Tiempo de dosificación
de Base
Tiempo de dosificación
de Acido Zona 2 Banda de
Histéresis Tiempo de Muestreo
Tiempo de dosificación
de Base
Tiempo de dosificación
de Acido Zona 3 Banda de
Histéresis Tiempo de Muestreo
Tiempo de dosificación
de Base
Tiempo de dosificación
de Acido TEMPERATURA
Zona 1 Banda de Histéresis
SP-Temperatura de Calentamiento 1
SP-Temperatura de Refrigeración 1
Zona 2 Banda de Histéresis
SP-Temperatura de Calentamiento 2
SP-Temperatura de Refrigeración 2
TIEMPO Tiempo de proceso Tiempo de hidrólisis
VELOCIDAD Velocidad de agitación
OTROS Temperatura de adición de CaCl2
Temperatura de adición de enzima
Tabla de parámetros a configurar en el proceso de hidrólisis
1/2
pH inicial de la suspensión pH que presenta la suspensión al iniciar el proceso.
Tiempo en alcanzar SPTemp1 Tiempo que tarda la suspensión en alcanzar la temperatura de hidrólisis. Para el caso de las nueve pruebas: 55°C.
Tiempo en alcanzar SPTEMP2 Tiempo que tarda la suspensión en alcanzar la temperatura de enfriamiento. Para el caso de las nueve pruebas: 40°C
Tiempo en alcanzar pH 2 Tiempo que tarda la suspensión en alcanzar el pH requerido para inactivar la enzima. Para el caso de las nueve pruebas: pH 4.
Tiempo en alcanzar pH 3 Tiempo que tarda la suspensión en alcanzar el pH requerido para hidrolizar. Para el caso de las nueve pruebas: pH 6.
Nivel de dextrosa Indica la modificación molecular que ha sufrido la estructura de la harina de yuca al ser hidrolizada. Debe estar entre 8 y 9.
Cantidad de reactivos Cantidad de acido y base empelados durante cada prueba.
Tabla de parámetros o variables a medir en las pruebas 2/2
AGENDA
7
OBJETIVOS1
INTRODUCCIÓN INTRODUCCIÓN 2
3 MODELAMIENTO ISA 88 PARA EL PROCESO DE HIDRÓLISIS DE HARINA/ALMIDÓN DE YUCA
4 INGENIERÍA CONCEPTUAL, BÁSICA Y DETALLADA
5 DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DEL SCADA PARA EL PROCESO DE HIDRÓLISIS DE HARINA/ALMIDÓN DE YUCA EN LA PRODUCCIÓN DE EMPAQUES BIODEGRADABLES
RESULTADOS RESULTADOS6
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
1La recopilación de la
información primordial a través de un reporte
generado tras cada tanda de harina/almidón
hidrolizada
2El SCADA
desarrolla el papel de
guía.
3El desarrollo de los
modelos ISA 88 parte I, permitieron que el diseño y
la implementación del SCADA fuera una
secuencia simple y coherente de los pasos
establecidos.
6
Celda de proceso quedo completamente documentada
7Celda de proceso
mejorada en su
equipamiento
8
Jóvenes investigadores
capacitados
4
Reducción de tiempo
de proceso
5
Reducción de consumo de reactivos
Conclusiones1/3
2/3
Recomendaciones
2 3 4
El biorreactor debe estar ubicado a una altura que permita una adecuada manipulación
El armario debe estar a una distancia prudente del biorreactor
Los conectores, terminales y puertos de los instrumentos y equipos deben mantenerse limpios y libres de residuos del procesos
Los equipos deben estar protegidos ante cualquier variación de voltaje presente en la red eléctrica.
1
3/3
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