Modelizado y optimización del proceso de compresión de aditivos alimentarios mediante DEM(Discrete Element Method)

Resumen

Los aditivos son utilizados de manera generalizada en la industria de la alimentación y su uso está regulado por diferentes legislaciones que intentan asegurar la salud de los consumidores. La dosificación de estos aditivos se realiza habitualmente por dos métodos muy diferenciados: disueltos en agua, dando lugar a lo que se denomina líquido de gobierno, o en forma de comprimidos. El primer método es el más utilizado, a pesar de los muchos inconvenientes que presenta: bajo aprovechamiento de las sustancias utilizadas, corrosión y deterioro de maquinaria e instalaciones, contaminación del agua, dosis incorrectas, ingredientes insolubles, etc. El segundo sería el ideal en caso de resolver la dificultad de compresión de muchas de las mezclas requeridas. En la actualidad, el método casi exclusivo en las industrias conserveras y en los laboratorios de investigación del sector, sigue siendo el líquido de gobierno, lo que motiva a buscar soluciones que hagan realidad la expansión progresiva de los comprimidos de aditivos en la industria de la alimentación, más concretamente, en la conservera. El objetivo general es definir un modelo virtual que se comporte como el real, y que ayude a solucionar, en lo posible, los problemas actuales de compresión de aditivos alimentarios. Para ello, se emplea el Método de Elementos Discretos (Discrete Element Method, DEM), el cual permite estudiar el comportamiento de los aditivos alimentarios, considerados como partículas, ante diferentes solicitaciones. Con el programa EDEM® Simulation, de la empresa DEM Solutions, se simula el proceso de compactación dentro del molde, observando el comportamiento del producto al variar distintos parámetros. También se estudia el efecto de rotura por aplicación de fuerzas exteriores. La metodología propuesta en la presente tesis se divide en tres fases: 1. Analizar todos los posibles modelos de contacto del software EDEM susceptibles de crear cohesión entre las partículas para simular la compactación y posteriormente la rotura. 2. Estudiar el proceso de compresión real en laboratorio para obtener datos medibles y comparables con los obtenidos en el programa de DEM. 3. Definir y optimizar los parámetros más adecuados de cada modelo de contacto, para poder comparar los resultados reales y los virtuales, y finalmente intentar validar el proceso. A partir de las simulaciones realizadas y de los resultados obtenidos, se obtienen dos conclusiones principales: ECM (Edinburgh Elasto-Plastic Contact Model) ha resultado ser el mejor de todos los modelos de contacto analizados para la simulación de la fabricación de comprimidos. Sin embargo, para la rotura, la tensión es más baja de lo necesario y la deformación del material es demasiado plástica. Hertz-Mindlin with Bonding es el modelo que mejores resultados ofrece en las simulaciones de rotura del comprimido, aunque no es capaz de reproducir fielmente el valor de la fuerza de rotura, obteniéndose siempre valores excesivamente altos. La metodología más adecuada para obtener las mejores respuestas consiste en fabricar el comprimido mediante el modelo ECM, y posteriormente aplicar el modelo de contacto Hertz-Mindlin with Bonding para simular el ensayo de rotura. Finalmente, una vez modelado el proceso de fabricación de comprimidos, se plantean una serie de aplicaciones prácticas que auguran interesantes resultados. El modelizado del proceso de compresión de aditivos alimentarios mediante DEM es un campo complejo en el que queda camino por recorrer. En esta línea, parece del más alto interés continuar trabajando con modelo ECM, dado que es el que mejor comportamiento tiene en la fabricación de comprimidos, buscando una mayor optimización de los parámetros del mismo. Así, como trabajos futuros, se plantea el uso de otras variables cuantitativas, como, por ejemplo, la deformación plástica remanente tras la compresión o rotura, para determinar la calidad de los comprimidos. También se propone el uso de la metodología de superficie de respuesta para optimizar los parámetros del modelo de fabricación de comprimidos. Otra línea de trabajo interesante sería el estudio de mezclas con adherencia en los punzones, como la que aparece en los procesos reales cuando se emplea ácido cítrico.