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Universidad Nacional Micaela Bastidas de Apurimac
Ingeniería Agroindustrial
UNIVERSIDAD NACIONAL MICAELA BASTIDAS DE
APURIMAC
CARRERA PROFESIONAL DE INGENIERIA AGROINDUSTRIAL
TEMA:
DESARROLLO DE UN SOFTWARE PARA PREDICCIONES DE PROPIEDADES
FISICAS DE LOS ALIMENTOS Y HERRAMIENTAS AGROINDUSTRIALES
AUTOR:
WILSON URRUTIA GUTIÉRREZ
[email protected]
http://wilsonurrutia.jimdo.com/
ABANCAY julio del 2008
Desarrollo de Software para cálculos en ingeniería Agroindustrial
Wilson Urrutia Gutiérrez
Universidad Nacional Micaela Bastidas de Apurimac
Ingeniería Agroindustrial
I.- RESUMEN
Los cálculos en ingeniería agroindustrial conlleva gran demanda de tiempo, en
especial si se trata de estimar las propiedades físicas de los alimentos por ello el
presente trabajo aborda el desarrollo de un programa computacional que realiza, de
forma rápida y sencilla, el cálculo de las propiedades térmicas de los alimentos,
basados en las correlaciones obtenidas por Choi y Okos y conteniendo una base de
datos con un análisis proximal de una amplia gama de alimentos Peruanos. El
diseño de esta herramienta ha sido realizado en el lenguaje de programación Visual
Basic 6.0. El programa permite calcular: la densidad del alimento, su calor
específico, la conductividad térmica y difusividad térmica, los cuales son datos
importantes para el diseño de equipos, tecnologías, etc.
El software determina iteraciones y graficas del análisis de las propiedades físicas
del alimento en cuestión.
II.-INTRODUCCION
En el mundo actual, las tendencias están fijadas al uso de herramientas
computacionales (Software) para los cálculos ingenieriles, incluso actualmente se
controlan procesos completos usando computadoras y softwares especiales
(Inteligencia artificial), en la que el software se encarga de controlar los parámetros
del proceso e intervine cuando sea necesario.
Los alimentos son sistemas complejos, siendo de origen biológico están sujetos a
una gran variabilidad en su composición y estructura (Toledo,1991); sumado a lo
anterior existen cambios en la composición que ocurren durante los procesos típicos
de la industria alimentaria, tales como, congelación, evaporación, deshidratación,
etc; esto hace que se dificulte el conocer su comportamiento y sus propiedades
físicas.
Entre las propiedades de alimentos más recurrentes, están las propiedades
térmicas, íntimamente ligadas a los procesos térmicos. Las propiedades térmicas
involucradas en los distintos procesos térmicos son: conductividad térmica, calor
específico y difusividad térmica.
Aunque en la literatura se puede encontrar cierta información experimental
sobre las propiedades térmicas de algunos alimentos comunes, la inmensa cantidad
de productos alimenticios, sus diferentes composiciones, y las diferentes
temperaturas a que se llevan a cabo los procesos, hacen que las posibilidades de
encontrar un valor adecuado sean reducidas.
III.-OBJETIVOS
 Facilitar los cálculos usuales en corto tiempo y con mayor presición, que
permitan tener resultados confiables en las decisiones de diseño e ingeniería
de alimentos
 Tener conocimiento de las características termo físicas de los alimentos para
su posterior aplicación en los cálculos ingenieriles y diseños.
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 Comprobar la efectividad del metido planteado en el Software con datos
experimentales obtenidas por Heldman (1981) y Toledo (1991) de las
propiedades de los alimentos.
IV.-PROBLEMÁTICA
Para los calcular las propiedades termofisicas de los alimentos, se requiere mucho
tiempo y utilización de formulas largas complejas. Además de ello son pocas las
investigaciones que reportan datos de algunos alimentos analizados, que incluso no
se adecuan a nuestra realidad.
VI.-ANTECEDENTES
Actualmente solo se conoce un intento de Desarrollo de software para este fin,
además no esta difundido su uso debido a errores de codificación y programación
(Ingeniería del software).
Negrete C., Valdivia C. y Zúñiga R. de la Universidad de Santiago de Chile.
Departamento de Ciencia y Tecnología de los Alimentos. Facultad Tecnológica,
desarrollaron un
V.- JUSTIFICACION
En el campo laboral del ingeniero agroindustrial, se presentan situaciones en la uqe
debe aplicar métodos de calculo usando correlaciones empíricos, pero dicho
método demanda mucho tiempo y hay alto riesgo de error.
VI.- INFORMACIÓN TECNICA
La toma de decisiones para aplicar metidos y técnicas de conservación,
procesamiento, diseño de equipos, etc. Supone conocer las propiedades de los
alimentos, puesto que de ello depende el tratamiento a la que se someterá y por
ende de la calidad del productos. Continuación se describen los mas
fundamentales.
Densidad ( Es la propiedad resultante de la relación de una propiedad intensiva y
otra extensiva, indica la unidad de volumen para una determinada masa. Este
parámetro es utilizado para los cálculos de calidad (Estado de madurez, sólidos
totales, etc) en frutas y tubérculos. Sus unidades son (Kg/m3)
Calor específico(Cp): Es la medida de la cantidad de energía que acompaña al
cambio de una unidad de temperatura por unidad de masa. Sus unidades son
(J/kgºC).
Conductividad térmica (k): Es igual al flujo de calor de un área cuando se
incrementa la temperatura en una unidad y la distancia en una unidad de
longitud. Sus unidades son (W/mºC).
Difusividad térmica (): Es la relación entre la conductividad térmica y el calor
específico por su densidad. Sus unidades son (m2/s).
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Debido a la necesidad de evaluar estas propiedades, se han propuesto
muchas expresiones que permiten predecir las propiedades térmicas basándose en
los componentes de los alimentos; entre estas están las ecuaciones de Siebel
(1912), Dickerson (1969), y Charm (1978) para determinación del calor específico;
Maxwell (1904), Riedel (1949), Earle (1966), Sweat (1974), Harper (1976),
Rask(1989), Lind(1991), etc. para la conductividad térmica.
Choi y Okos (1987) estudiaron el efecto de la variación de la composición en
las propiedades térmicas llegando a obtener correlaciones para los siguientes
componentes: humedad, proteínas, lípidos, carbohidratos, fibras y cenizas. Estas
correlaciones están función únicamente de la temperatura a que está expuesto el
alimento.
Las correlaciones encontradas para evaluar el calor específico en (J/kg°C),
de los distintos componentes son los siguientes:
Cp proteinas = 2008,2 + 1208,9·10-3T – 1312,9·10-6T2
Cp lípidos= 1984,2 + 1473,3·10-3T – 4800,8·10-6T2
Cp carbohidratos = 1548,8 + 1962,5·10-3T – 5939,9·10-6T2
Cp fibra = 1845,9 + 1930,6·10-3T - 4650,9·10-6T2
Cp cenizas = 1092,6 + 1889,6·10-3T – 3681,7·10-6T2
Para el agua sobre la congelación:
Cp agua = 4176,2 – 9,0862·10-5T + 5473,1·10-6T2
donde T es la temperatura del alimento en ºC
Siendo el Cp del alimento:
Cp alimento =  Cpi·Xi
donde Xi = Fracción de componente del alimento
Para la conductividad térmica evaluada en (W/mºC), de los distintos componentes
son las siguientes:
k agua = 0,57109 + 0,0017625T – 6,7376·10-6T2
kproteinas = 0,1788 + 0,0011958T - 2,7178·10-6T2
k lípidos = 0,1807- 0,0027604T - 1,7749·10-7T2
k carbohidratos = 0,2014 + 0,0013874T - 4,3312·10-6T2
k fibra = 0,18331+ 0,0012497T – 3,1683·10-6T2
k cenizas = 0,3296 + 0,001401T – 2,9069·10-6T2
La conductividad térmica del alimento se calcula como:
kalimento =  ki · Xvi
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Donde Xvi es la fracción en volumen de cada componente del alimento y se
determina de la fracción de masa Xi, de la densidad individual (i) y de la densidad
del alimento (alimento):
Xvi = (Xi · alimento /i)
Las densidades individuales en (kg/m3) son obtenidas de las ecuaciones
siguientes:
 agua = 997,18 + 0,0031439T – 0,0037574T2
 proteinas = 1329,9 – 0,51814T
 lípidos = 925,59 – 0,41757T
 carbohidratos = 1599,1 – 0,31046T
 fibra = 1311,5 – 0,36589T
 cenizas = 2423,8 – 0,28063T
La difusividad térmica de los alimentos, se calcula a partir de la densidad,
calor específico y conductividad térmica a través de la fórmula siguiente:
 alimento =
kalimento .
CP alimento ·  alimento
El cálculo de las propiedades térmicas de los alimentos usando estas
correlaciones en forma manual es bastante tedioso y requiere de bastante tiempo,
por lo que se requiere del uso de nuevas herramientas que permitan la evaluación
de estas propiedades en forma precisa y confiable en un corto tiempo. Si se
combinan estas ecuaciones planteadas por Choi y Okos con los recursos
computacionales se simplifica enormemente la evaluación de estas propiedades.
En las tablas Nº1 y Nº2 se indican los cálculos de Cp y k respectivamente para
algunos alimentos obtenidos de forma experimental, y se comparan con los
entregados por el programa propuesto.
VII.-INGENIERIA DEL SOFTWARE
Paso1: Construcción de la base de datos en Access 2003 y registro de
alimentos.
El software utiliza una base de datos construido en Microsoft office Access 2003, la
cual contiene tablas con los datos completos de los alimentos que serán analizadas
en el software. En el desarrollo de la base de datos, se utilizo datos recolectados de
distintos libros y trabajos de investigación concernientes al análisis de alimentos.
Entre los datos principales de los alimentos utilizados para los cálculos de
Propiedades físicas y cálculos de Computo químico, se datan los siguientes:
Humedad, proteínas, carbohidratos, grasa, cenizas, fibras, las cuales son los que
mas influyen en las variación de las propiedades del alimento en función a la
temperatura. Mientras para los cálculos de Score químico se registraron todos los
aminoácidos esenciales correspondientes a cada alimento tales como: Isoleucina,
Leucina, lisina, metionina + cisterna, fenilalanina + tirosina, treonina, tirosina, valina,
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histidina; ademas del nitrogeno total para cada limento obtenido en funcion al
contenido de proteína y factor de conversión. Todos los datos numéricos se
declararon como Double (Números reales) en las propiedades de las tablas.
Paso2: Desarrollo del interfaz del software
a.- Creaciones de controles ActiveX
Los controles de Visual Basic no cooperan a una buena apariencia de los
programas creados en el, por ello se crean controles especiales usando el mismo
visual Basic.
Loa controles ActiveX son aquellos que tienen la extensión *.OCX. los cuales se
usan para mejorar los efectos visuales dentro de un programa. La desventaja es
que el programa es dependiente de dicho control para su ejecución, por ello en este
caso se desarrollo un control ActiveX que no solamente mejorara la apariencia del
Software, sino también estará incluido inseparablemente dentro del programa.
Se ha desarrollado el control ActiveX llamado “WilsonUG.ocx” y dentro de ella están
los controles para visual Basic tales como: WilsBoton. WilsText. Los cuales han sido
utilizados para el desarrollo de este software.
b.- Declamación de función de interfaz WinXp mediante archivo de modulo
“manifest”
Visual Basic 6.0 es una herramienta para aplicaciones de 32 bits, fue creada
cuando todavía estaba en uso windows 98 por tal motivo no tiene las referencias
necesarias a los nuevos controles que incluye windows XP.
Dentro de la API de Windows XP se encuentra una función que lleva por nombre
InitCommonControls().
cuya declaración es:
Public Declare Function InitCommonControls Lib "comctl32.dll" () As Long
<?xml version="1.0" encoding="UTF-8" standalone="yes"?>
<assembly xmlns="urn:schemas-microsoft-com:asm.v1" manifestVersion="1.0">
<assemblyIdentity
type="win32"
processorArchitecture="*"
version="6.0.0.0"
name="mash"/>
<description>AQUI PONEMOS UNA DESCRIPCION</description>
<dependency>
<dependentAssembly>
<assemblyIdentity
type="win32"
name="Microsoft.Windows.Common-Controls" version="6.0.0.0"
language="*"
processorArchitecture="*"
publicKeyToken="6595b64144ccf1df"
/>
</dependentAssembly>
</dependency>
</assembly>
End Function
Esta expresión ya está dada entre los controles de Windows XP sin embargo el
llamado a este control se puede efectuar como publico (Varios formularios) o
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privado (un solo formulario), el efecto de este control no se muestra en la ejecución
de programa, primero tiene que ser compilado el programa a ejecutable (*.exe)
c.- Programación y codificación mediante iteraciones
El funcionamiento del programa se rige en las sentencias digitadas en cada control
y para un determinado evento, las cuales son codificaciones que el sistema
entiende perfectamente, además de que el momento de programar se le asigna
algunas tareas al sistema para que lo ejecute en el momento oportuno.
Los códigos generalmente son muy largos, por lo que en este articulo no se incluye
por el mismo hecho de que requiere de conocimientos básicos para su utilización.
También se programo para guardar reportes de los cálculos realizados en formato
Word (*.doc), los cuales son usualmente utilizados para diseño y cálculos de
equipos en la Agroindustria. La tendencias de las propiedades con el cambio de la
temperatura, también genera graficas y tablas, las cuales también pueden ser
almacenas individualmente para posteriores usos en informes y cálculos de proceso
(Caso del Score químico y Computo químico), incluyendo además estimaciones de
costos y beneficios en algunos casos de calculo.
INICIO
INICIO
porcentajes en peso de los
componentes
Eleccion Del
Alimento Y Del
alimento
especifico
Si
% = 100
fracciones en peso
de los
componentes del
alimento
No
TEMPERATURA
Si
T > 250º C
No
Correlaciones De Choi Y Okos
Iteración en rangos de T, Guardar datos
% de los componentes
K, Cp,  y 
FIN
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SIMBOLOGÍA DEL ALGORITMO:
ENTRADA DE
DATOS
RESULTADOS
EN
PANTALLA
INSTRUCCION
DATOS
ALMACENADOS
DECISION
El software esta diseñado para la exportación de los datos a formatos de Excel
(*.Xls), y HTML (Internet), así como el salvado de datos en formato Word, los
alimentos seleccionados se obtiene de una base de datos.
VIII.-RESULTADOS
a.-Interfaz
La imagen siguiente muestra el software completo, incluyendo sus herramientas y
menues. Cada icono en la barra de herramientas representa un aplicativo
(Formulario de cálculos), al igual ue cada menú.
Los alimentos son seleccionados de una caja desplegable (ComboBox) tal como se
muestra en la siguiente imagen.
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Se registraron alrededor de 500 alimentos en la base de datos, lo que hace posible
el cálculo de las propiedades de una amplia gama de alimentos, siendo posible
además los cálculos sin la utilización de la base de datos, ingresando datos
solicitados.
En la siguiente imagen se muestra la tabla de iteración de las propiedades y la
grafica que se genera a partir de ella, la grafica se puede guardar por individual
ampliándolo haciéndole doble clic. Los sentencias mas usados son generalmente
anidadas (Una dentro de otras), las cuales permite ejecutar una sentencia tomando
los datos de varias variables externas al bucle.
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Análisis de graficas y tablas de iteración
Las opciones de alimentos a analizar son muchas (Depende de la cantidad de
alimentos registrados en la base de datos).
En este caso se hace el análisis de la MANZANA (sin mención de variedad) en
intervalo de temperatura de 0 a 150 ºC , el reporte que hace el software es:
-----------------------------------------------------------------------CALCULO DE PROPIEDADES FISICAS DE LOS ALIMENTOS IngAgro_Wilson
------------------------------------------------------------------------ALIMENTO SELECCIONADO:
TEMPERATURA (Cº)=
Manzana
20Cº
COMPOSICION DEL ALIMENTO
Agua
Hielo
Proteina
Fibra
Carbohidrato
Grasa
Ceniza
H2O= 84,2
Hie= 0
CHON= 0,3
Fib= 0,5
CHO= 14,5
Gra= 0,3
Cenz= 0,2
%
%
%
%
%
%
%
Total=
100
%
RESULTADOS DE LOS CALCULOS DE LAS PROPIEDADES DE UN ALIMENTO EN FUNCION A
SUS COMPONENTES
COMPONENTE Densid.(kg/m3) Conduct.(W/mCº) CalorEspec.(Kj/KgCº) Difisiv.(m2/s)
AGUA:
995,739916
0,60365856
4,17657196
0,0000001432
HIELO:
914,2758
2,054006
2,183838
0,0000010919
PROTEINA:
1319,5372
0,20163888
2,03185284
0,0000000776
FIBRA:
1304,1838
0,20703668
1,88065164
0,0000000835
CARBOHIDATO: 1592,8908
0,22742552
1,58567404
0,0000000905
GRASA:
917,2386
0,235847004
2,01174568
0,0000001013
CENIZA:
2418,1874
0,35647924
1,12891932
0,0000001316
Producto:
1056,148112
0,56343
3,77038822
0,0000001376"
--------------------------------------------------------------------------
*Estos datos son informes generados por el software en formato original.
Tabla iterativa generada por el software, el 150 indica el limite o tope de los cálculos
iterativos, pero el rango permitido para este método según Choi y Okos esta
comprendida hasta 250 ºC.
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1.-Análisis de densidad de la Manzana (Analizada de 0 a 150 ºC)
Densidad en funcion a la Tº
1200
1200
1000
1000
800
800
600
600
400
400
200
200
0
0
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2.- Analisis de conductividad de la Manzana (Analizada de 0 a 150 ºC)
Conductividad en funcion a la Tº
0,7
0,7
0,6
0,6
0,5
0,5
0,4
0,4
0,3
0,3
0,2
0,2
0,1
0,1
0,0
0,0
3.- Análisis de Calor específico (Cp) de la Manzana
Calor especifico en funcion a la Tº
4,0
4,0
3,5
3,5
3,0
3,0
2,5
2,5
2,0
2,0
1,5
1,5
1,0
1,0
0,5
0,5
0,0
0,0
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4.- Análisis de la difusividad de la Manzana
Difusividad en funcion a la Tº
0,00000018
0,00000018
0,00000016
0,00000016
0,00000014
0,00000014
0,00000012
0,00000012
0,00000010
0,00000010
0,00000008
0,00000008
0,00000006
0,00000006
0,00000004
0,00000004
0,00000002
0,00000002
0,00000000
0,00000000
IX.-DISCUSIÓN Y CONTRASTACION DE RESULTADO
Tabla Nº1 Conductividad térmica de los varios alimentos
Producto.
Contenido
de
Humedad
(%).
Zanahorias
Cordero
Tomate
Huevo blanco
Músculo
de pescado
Leche
Cerdo
75.9
Papa
81.5
-
Temperatur Conductivida k entregado por
a (ºC).
d
Térmica el
programa
(W/mºK).
(W/mºK)(3)
5.5
36
0-10
-10
37
4
6
1-32
-
0.6058(2)
0.4777(2)
0.5279(2)
0.577(1)
0.338(2)
0.557(1)
1.497(2)
0.530(1)
0.443(1)
0.4881(2)
0.554(1)
0.554(2)
0.5811
0.4803
0.5952
0.5644
0.5215
0.58720
0.4875
0.4902
0.5547
(1) Heldman (1981)
(2) Toledo (1991)
(3) Las conductividades térmicas que aparecían con la temperatura de evaluación fueron calculadas
a 25ºC
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Tabla Nº2 Características Térmicas de manzanas.(*)
Parámetro.
Golden Delicius.
Granny Smith.
Sin
congelar
Porcentaje de 87.3
Humedad (%).
Conductividad 0.427
Térmica
(W/mºC).
Calor
3.69
Específico
(kJ/kgºC).
Densidad
8.45
3
(kg/m )
Difusividad
1.37
2
Térmica (m /s)
(10-7).
Resultados
del
programa
Congelada Sin
s
congelar
87.3
85.8
Congelada
s
85.8
84.2
1.45
0.398
1.22
0.325
1.95
3.58
1.68
3.764
7.88
8.29
7.86
1058
9.43
1.34
9.26
1.313
(*) Ramaswary y Tung (1981)
Tabla Nº3 Calores específicos de los alimentos
Producto.
Calor
específico
(kJ/kg ªK).
Mantequilla
2.051-2.135(1)
2.050(2)
Leche
entera 3.852(1)
pasteurizada
Pescado fresco 3.600(1)
Papas
3.517(1)
Manzana
3.726-4.019(1)
3.370(2)
Cordero
Sardinas
Queso
Zanahoria
3.223(1)
3.0.14(1)
3.265(1)
3.810-3.935(1)
3.890(2)
Cerdo
Pollo
Espinaca
Pan
Harina
Huevo
2.850(2)
3.310(2)
3.800(2)
2850(2)
1800(2)
3.850(2)
experimental Cp entregado
(kJ/kgºK)(3)
2.315
3.866
3.577
3.661
3.814
3.481
3.162
3.336
3.875
3.879
3.208
3.383
3.910
2.547
1.982
3.340
(1) Heldman (1981)
(2) Toledo (1991)
(3) Los Calores específicos fueron evaluados a 25ºC
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Estadísticamente las diferencias en los datos obtenidos por los investigadores
citados y los que se obtiene por el programa, no significativos estadísticamente,
pudiéndose asumir con toda certeza de dicho dato.
Aunque los valores entregados por el programa no son idénticos en todos los casos,
se debe tomar en cuenta que sólo en algunos se disponía de la información sobre
la temperatura a la cual fueron obtenidos los valores experimentales.
Debido a que en la tabla Nº1 se contaba con todos los componentes del alimento
los valores resultaron ser muy similares, lo que demuestra la importancia de contar
con toda la información al momento de comparar valores experimentales.
Es importante considerar que las correlaciones de Choi y Okos fueron determinadas
para alimentos líquidos y no toman en cuenta la interacción de los componentes del
alimento para evaluar sus propiedades térmicas.
Información adicional
Adicionalmente el software contiene herramientas programadas para el calculo de:
 Psicrometria (Utilizando métodos analíticos )
 Calculo de tiempos de congelamiento (Iteración De Planck y Cleland)
 Cálculos analíticos de las propiedades de los refrigerantes (Freon 12, 22,
717), por métodos analíticos.
 Concentración en sistemas de 3 tanques (Evaporación).
 Cálculos analíticos de flujo de fluidos (Tomando como referencia el
Flowpipe”.
 Birreactores de flujo de pistón (Cálculos iterativos)
 Cálculos de Score químico (7 alimentos a seleccionar) y análisis de costos.
 Computo químico en mezcla de alimentos.
 Base de datos de los alimentos con sus composiciones químicas y
aminoacídicas, etc. Entre otros aplicativos.
Con respecto a los cálculos importantes se programó para generar reportes en
Word formato (*:doc), con la finalidad de archivar y/o utilizar en cualquier
circunstancia
IX.-CONCLUSIONES
La precisión de los cálculos realizados con el software coinciden con los datos
obtenidos experimentalmente por los investigadores citados, siendo la diferencia o
error estadísticamente insignificativa. En algunos casos presento una debido a las
variaciones en la composición de dicho producto, aun así no son significativos.
El ahorro de tiempo en los cálculos usando el software es inmensamente menor a lo
realizado manualmente, solo requiere seleccionar el alimento a analizar y presionar
un botón, todo ello demanda alrededor de 6 segundos.
Los controles ActiveX creados y el archivo “Manifest” confieren al software un
aspecto mucho mas atractivo, tan igual que la interfaz de programas comerciales
que usan el interfaz de WinXp.
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.
X.-BIBLIOGRAFIA
IBARZ RIBAS, Alberto., BARBOSA CANOVAS, Gustavo V. y otros. METODOS
EXPERIMENTALES EN LA INGENIERIA ALIMENTARIA. 2000. Zaragoza.
Heldman, D. y Singh, R.,(1981). Food Process Engineering, segunda edición, Avi Publishing
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Desarrollo de Software para cálculos en ingeniería Agroindustrial
Wilson Urrutia Gutiérrez