MEMORIA DESCRIPTIVA

CAMPO DE LA INVENCION

La presente tecnología se relaciona con la industria de la acuicultura y la producción de alimentos en general. En particular, la presente tecnología se relaciona con un sistema para el procesamiento de porciones de alimento, que logra una optimización de la energía potencial térmica, incluso bajo discontinuidades del proceso de carga de las porciones de alimento a un tanque de enfriado, debido al intercambio térmico entre el objeto que ingresa y el medio, con un volumen menor de enfriamiento.

En particular se relaciona con un dispositivo y método que logra una optimización de la energía potencial térmica del fluido, en donde el dispositivo y método están diseñados para amortiguar las improductividades y asegurando una productividad promedio más eficiente del proceso.

Actualmente en la industria de procesamiento de alimentos, los tanques espiral (spiral tank o bleeding tank o chilling tank) o tanque con tornillo sin fin o tornillo de Arquímedes, son usados para enfriar biomasa o producto alimenticio o peces, específicamente, en los estanques de espiral se insertan los peces para ser desangrados después de haber sido sacrificados para ser desangrados o bien después de eviscerados. El proceso de desangre de los peces se debe de hacer entre los 18°C y -1 °C, pero los peces a desangrar están a una temperatura que corresponde, normalmente a su medio, que en el caso del mar es entre 2°C a 18°C lo que genera un aumento de carga térmica del fluido que está dentro del o los tanques espirales. Además, el proceso de enfriamiento post eviscerado se realiza entre los 18°C y - 4°C, lo cual depende de la temperatura de eviscerado.

Además, existe otra restricción importante que es la del tiempo mínimo de permanencia de la biomasa o producto alimenticio o peces a procesar, que es necesario para el proceso de disminución de temperatura, esto unido a que el tornillo permite el flujo en una misma dirección lo que impide que la carga de la biomasa o producto alimenticio o peces a procesar se carguen en extremo próximo a la salida del tanque espiral, dadas estas variables de producción es que se requiere un tornillo helicoidal de paso variable para compensar las restricciones de velocidad conste del tornillo respecto de la variabilidad de carga y temperatura de la biomasa o producto alimenticio o peces a procesar, en un tiempo acotado de enfriamiento el cual se busca que sea mínimo. Este tiempo de permanencia fluctúa normalmente entre los 20 minutos hasta los 250 minutos.

La forma de funcionamiento es permitiendo el intercambio térmico entre el objeto y el medio. Normalmente el medio usado es hielo liquido (en inglés : Fluid Ice o slurry ice), también se suele usar una mezcla con hielo + agua (puede ser agua dulce o salada) o bien el uso de sistemas RSW (Por sus siglas en inglés, Refrigerated Sea Water), los cuales refrigeran agua salada sin cambiar de estado, manteniéndola siempre en estado líquido.

En el caso de enfriar peces, es un sistema ampliamente utilizado ya que elimina el riesgo de congelación, ya que los peces se congelan bajo 2 debido a su composición bioquímica (presencia de lípidos) y el sistema de enfriamiento por RSW trabaja a -2°C (normalmente se una algunos grados Celsius más). De esta forma, no hay riesgo de congelación en comparación con otros métodos (Hielo en escama, Fluid Ice, etc) usados en el estado del arte.

Lo anteriortambién es una ventaja, ya que, si por alguna razón productiva es necesario detener el proceso, térmicamente no es un problema, es decir aumentar el tiempo de residencia no afecta la calidad de la materia prima e incluso tiene un factor positivo., pero merma la producción e incluso puede generar aumento de costos.

El tanque espiral cumple la función de enfriar la biomasa, normalmente son FIFO, (el primero que entra es el primero que sale, por sus siglas en inglés) en el proceso de carga lateral o carga frontal, la biomasa o producto alimenticio o peces a procesar están a una temperatura superior a la del fluido lo que genera variaciones de carga térmica según el tiempo de residencia de la biomasa en el tanque espiral, a medida que va disminuyendo la temperatura de dicha biomasa, y como estos deben de estar un tiempo mínimo dentro del tanque, es de relevancia que los volúmenes de las cámara que reciben la biomasa sean más grandes respectos de los volúmenes que tengan menor carga térmica externa producto de la biomasa ingresada. ESTADO DEL ARTE

En el arte previo existe diversa literatura respecto al enfriamiento de biomasa, normalmente el proceso requiere un tiempo de residencia. La temperatura del cuerpo depende de varios factores, sin embargo, a graso modo se comporta de forma exponencial y depende de varios factores:

1.- Propiedades del Cuerpo (Propiedades térmicas, Geometría, variabilidad de densidad y transferencia de calor dentro del mismo cuerpo (pescado), etc.)

2.- Gradiente Térmico (diferencia del cuerpo a enfriar versus el medio donde es enfriado)

3.- Densidad de trabajo: Es importante mantener una densidad de trabajo adecuada para una correcta transferencia térmica. La densidad de trabajo va a depender de la energía potencial térmica, ya que el proceso se torna ineficiente sobre ciertos niveles de energía térmica / volumen.

4 - Recirculación: Permite una estabilidad de la temperatura del medio además de proporcionar al cuerpo energía térmica disponible para ser absorbida.

5.- Agitación: Está demostrado que la agitación por aireación permite la separación de los cuerpos además de generar un flujo turbulento, mejorando la transferencia térmica.

Esto se reflejado en la siguiente ecuación, cuando la temperatura de fluido constante:

Q = hA _s (T - T _¥ ) = - _P V(cpX—)

En donde: h= coeficiente de convección de transferencia de calor [W/(m ² *K)] V= el volumen del cuerpo (m ³ )

A _s = el área de la superficie del cuerpo (m ² )

T = temperatura del cuerpo en K

T~ = Temperatura del fluido en K p = la densidad del cuerpo en (Kg/m ³ ) c _p = Capacidad de calorífica del cuerpo [J/(kg*K)] t = tiempo en segundos

La variación de la temperatura de un cuerpo en el tiempo es: T-T- = (TrT-) e -P b = pVCp en donde b = - t t= Constante de tiempo

El calor total transferido (Qtotai) en el tiempo es:

Q totai =pVc _p (TrT), en donde

T¡= temperatura inicial del cuerpo en (K)

El tanque espiral cumple la función proporcionar un tiempo de residencia con el fin de proporcionar un intercambio térmico a la biomasa. La operación es normalmente por sistema FIFO y el avance es por medio de empuje progresivo del helicoide generado por la rotación de dicho helicoide.

Normalmente en los procesos de faenamiento alimenticio, hay variabilidad de ingreso (promedio y desviación), lo que genera que la densidad (biomasa/volumen) sea variable entre los distintos compartimentos, generándose ineficiencias en transferencia térmica (ej: algunas secciones pueden estar con mucha densidad y otras vacías), es decir el sistema es vulnerable a ineficiencias antes y después del proceso (detenciones o bien variaciones de velocidad). Un problema habitual en estos equipos es que, si son cargados por un extremo fijo, y el helicoide avanza a una velocidad constante, si se detiene el proceso necesariamente se tiene que detener el avance, incluso teniendo espacio disponible en algunos compartimentos. La productividad de este tipo de equipos está dada por la multiplicación de los procesos anterior y posterior, por ejemplo, si la productividad del proceso anterior es de un 80% y la del proceso posterior es un 85%, entregaría un rendimiento total de un 68% (suponiendo que las ineficiencias no se superponen). Una solución a lo anterior es la carga lateral, es decir si el producto es contado (o pesado) es factible cargar el Tanque Espiral manteniendo una misma densidad por cada compartimento (unidades/volumen o masa/volumen). Lo anterior permite un mejor intercambio térmico ya que impide aumentos de densidad y espacios vacíos entre medio y además es factible generar un buffer o amortiguador, que amortigua las diferencias de velocidad (variabilidad del proceso) y soportando en este buffer, las ineficiencias por detención en el proceso siguiente o anterior y viceversa, por ejemplo, si el proceso siguiente se detiene, el proceso anterior puede seguir funcionando, llenando la cámara disponible.

La densidad de enfriamiento (energía potencial de temperatura)/volumen del medio es un factor muy relevante para dimensionar el tanque espiral, ya que, a altas densidades térmicas, la transferencia se torna ineficiente. Normalmente son usados sistemas de aireación o surgencia de aire, para agitar el medio, generando separación y mejorando la transferencia por flujo turbulento. También se recomienda generar una recirculación para homogeneizar la temperatura del medio (ya que esta temperatura es mayor en la zona con mayor densidad de producto, afectando también, el menor tiempo de residencia en el tanque de la biomasa.

A medida que el producto avanza en el tornillo la densidad volumétrica es la misma sin embargo su temperatura desciende, es decir la energía potencial térmica es cada vez menor, por lo que el tanque espiral se hace progresivamente más ineficiente en las secciones que tienen productos a menos temperatura.

Una forma de mejorar esta ineficiencia es incorporar 2 o más tanques espirales en serie, de esta forma el primero puede trabajar a una densidad menor ya que la energía potencia térmica es más alta y luego pasa a otro tanque espiral diseñado con una densidad más alta considerando que la energía potencial térmica es menor. Si bien esta solución disminuye el volumen requerido, cada tanque espiral es ineficiente en sí mismo, además de aumentar el costo de inversión.

El enfriamiento de la biomasa o los alimentos se comporta de manera exponencial dependiendo de varios factores siendo el más importante el diferencial de temperatura entre el cuerpo y el medio (ley de enfriamiento de newton).

Hay varios estudios respeto a la densidad térmica óptima de trabajo, por ejemplo, algunas investigaciones en salmón especie salmo-salar, dentro de ellas concluye que la carga óptima térmica no debe exceder 3.0 kWh/ m ³ , ya que sobre este limite la eficiencia de enfriamiento “chilling índex” se ve afectada. El problema actual es que los tanques espiral disponibles en el mercado son cargados con una densidad fija, es decir con una Energía potencial térmica / volumen, sin embargo, a medida que el proceso avanza y el cuerpo disminuye su temperatura, es decir la energía potencial térmica /volumen disminuye, por lo que se genera una ineficiencia progresiva debido a que se usa el mismo volumen por sección, es decir la Energía potencial térmica / volumen va disminuyendo.

La tecnología consiste en un tanque espiral con paso variable, es decir a medida que la Biomasa avanza y su temperatura disminuye, la densidad (Biomasa/volumen medio) va aumentado, de esta forma se busca mantener una Energía potencial térmica/volumen adecuada para optimizar el proceso, a lo largo del tanque espiral, manteniendo en cada cámara una carga térmica constante.

Actualmente en la industria está la solicitud de patente PCT/EP2018/052563 que divulga una disposición para el procesamiento de pescado, que comprende: un dispositivo de sacrificio de pescados, un dispositivo de conteo de pescados, un primer y un segundo dispositivo de transporte diseñado para transferir los pescados sacrificados a un dispositivo de tanque en espiral, en donde un transportador de tornillo forma una pluralidad de cámaras receptoras de pescado, para que el pescado pase desde una cámara a otra hasta su salida y dispositivos de control, pero presenta el inconveniente de tener cámara uniformes que no logran la optimización térmica-volumen requerida, es decir una vez cargado con peces, la densidad volumétrica (kgs/m3) se mantiene en cada exclusa a lo largo del avance siendo que a medida que los peces van bajando su temperatura requieren una menor densidad térmica potencial, es decir, la solicitud de patente PCT/EP2018/052563 no logra una optimización de la energía potencial térmica respecto del volumen de un fluido de enfriamiento y ni logra un menor tiempo de residencia de dicha biomasa para el volumen utilizado.

Dentro de lo conocido, también está la patente US3368363, que divulga un proceso para congelar alimentos usando refrigerante líquido, que comprende un tornillo espiral de paso fijo o variable diseñado para congelar de forma rápida alimentos. La finalidad de del aparato es congelar alimentos evitando aglomeración y permitiendo el glaseado en la capa exterior, es por eso por lo que en las primeras secciones los productos tienen un mayor volumen disponible, y una vez que ya están congelados se disminuye el volumen de las secciones. Si bien de alguna forma hay una optimización del espacio necesario, la tecnología no aborda el problema de optimización de la energía potencia térmica, más bien está abocada en evitar aglomeraciones en la congelación, O sea, la patente US3368363, no logra una optimización de la energía potencial térmica respecto del volumen de un fluido de enfriamiento y ni logra un menor tiempo de residencia de dicha biomasa. Tampoco logra soportar las discontinuidades del proceso de carga, dicho de otra manera, la patente US3368363 no resuelve la variabilidad (discontinuidad, dispersión o detenciones) en el ingreso o la salida de la biomasa es decir la densidad de carga de las cámaras es variable según la variabilidad del proceso anterior o posterior.

Por lo anteriormente descrito, ninguno de los documentos del estado del arte logra una optimización de la energía potencial térmica respecto del volumen de un fluido de enfriamiento y con menor tiempo de residencia de dicha biomasa, bajo las restricciones de producción que son: a) existencia de un tiempo mínimo de permanencia de la biomasa o producto alimenticio o peces a procesar dentro del fluido de enfriamiento y/o desangramiento regulado por la velocidad de giro del tornillo helicoidal, el cual fluctúa entre los 15 minutos hasta los 120 minutos, que es necesario minimizar para un proceso eficiente de disminución de temperatura de dicha biomasa, b) discontinuidades en el proceso de carga de dicha biomasa, c) que el tornillo permite una misma dirección de flujo, lo que impide que la carga de la biomasa o producto alimenticio o peces a procesar se realice en el extremo próximo a la salida del tanque espiral, d) que la temperatura mínima del fluido no puede ser inferior al punto de congelación (-2°C), y e) la inercia térmica que trae la biomasa o producto alimenticio o peces a procesar antes de ingresar al tanque espiral que genera una diferencia de temperatura de entre 20°C y 2°C, es por ello la necesidad de contar con un tornillo helicoidal, sin fin o tornillo de Arquímedes de paso variable, que compensa la variabilidad del ingreso o la salida de la biomasa o producto alimenticio o peces a procesar, a través una cinta transportadora que optimiza la carga el sistema de acuerdo a la capacidad de cada esclusa, sin necesidad de contar con un mayor volumen de fluido en cada esclusa ni un mayor tiempo de residencia, en donde cada esclusa está formada entre el lado interior del tanque y los álabes del tornillo helicoidal, en la zona de ingreso de la biomasa o producto alimenticio o peces a procesar y menor volumen de fluido en la zona de salida de la biomasa o producto alimenticio o peces a procesar. Con el presente sistema se logra un tiempo adecuado dentro del tanque espiral, logrando obtener la temperatura deseada, que es entre - 2°C a 10°C, logrando una optimización de la energía potencial térmica respecto del volumen de fluido, reflejado en un menor tiempo de residencia de la biomasa y con un menor volumen de fluido de enfriamiento.

SOLUCIÓN AL PROBLEMA TÉCNICO.

Para subsanar el problema planteado, se presenta un tornillo helicoidal, sin fin o tornillo de Arquímedes de paso variable, que compensa la variabilidad del ingreso o la salida de la biomasa o producto alimenticio o peces a procesar, a través un mayor volumen de fluido, formado entre el lado interior del tanque y los álabes del tornillo helicoidal, en la zona de ingreso de la biomasa o producto alimenticio o peces a procesar y menor volumen de fluido en la zona de salida de dicha biomasa, logrando una optimización de la energía potencial térmica respecto del volumen de fluido, reflejado en un menor tiempo de residencia de la biomasa y con un menor volumen de fluido de enfriamiento.

DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS

La figura 1 muestra una vista isométrica frontal de una configuración referente de la tecnología.

La figura 2 muestra una vista isométrica posterior de una configuración referente de la tecnología.

La figura 3 a muestra una vista superior de una configuración referente de la tecnología, en la cual los tres primeros volúmenes son iguales después decrecen y los tres últimos volúmenes son iguales y más pequeños que los primeros.

La figura 3 b muestra una vista superior de una configuración referente de la tecnología, en la cual los tres primeros volúmenes son iguales y pequeños, después aumentan de tamaño los cuatro volúmenes centrales, los que a su vez van decreciendo en dirección a la salida y posteriormente los últimos volúmenes son iguales y más pequeños que los primeros.

La figura 4 muestra una vista lateral de una configuración referente de la tecnología.

La figura 5 a muestra una vista lateral en corte de una configuración referente de la tecnología. La figura 5 b muestra una vista lateral en corte de otra configuración referente de la tecnología.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN.

Como se observa en las figuras la presente tecnología es un sistema (100) para el procesamiento de biomasa o producto alimenticio o peces (500) a procesar, que logra una optimización de la energía potencial térmica respecto del volumen de un fluido de enfriamiento y un tiempo de residencia de dicha biomasa, incluso bajo discontinuidades del proceso de carga y descarga, que comprende: unos medios de transporte (400) para transferir la biomasa (500) a procesar a un tanque espiral (200), en donde los medios de transporte (400) para transferir la (500) a procesar comprenden unos medios de desviación (405), para distribuir dicha biomasa (500) a lo largo del tanque espiral (200); un tornillo espiral (300) giratorio que se ubica al interior del tanque espiral (200), para formar una pluralidad de cámaras con la pared interior del tanque espiral (200), al girar el tornillo espiral (300) giratorio la biomasa (500) a procesar ubicado en las cámaras receptoras de dicha biomasa, a través del fluido de enfriamiento, se desplaza desde una sección de entrada al tanque espiral (200) a una sección de salida del tanque espiral (200), en donde al menos dos volúmenes de la pluralidad de cámaras son distintos entre ellas a través de un paso variable del tornillo espiral (300), y con ello lograr la optimización de la energía potencial térmica respecto del volumen de fluido de enfriamiento.

En una configuración preferente, el paso variable del tornillo espiral (300) comprende al menos dos pasos iguales para formar al menos dos volúmenes iguales de la pluralidad de cámaras y al menos dos pasos distintos para formar al menos dos volúmenes distintos de la pluralidad de cámaras.

En otra configuración preferente, el paso variable del tornillo espiral (300) comprende pasos variables entre cada helicoide para formar distintos volúmenes de la pluralidad de cámaras.

En otra configuración preferente, el paso variable del tornillo espiral (300) comprende pasos variables decrecientes entre cada helicoide para formar distintos volúmenes de la pluralidad de cámaras. En otra configuración preferente, el paso variable del tornillo espiral (300) comprende pasos variables decrecientes entre cada helicoide para formar distintos volúmenes de la pluralidad de cámaras, hasta una porción del largo de tornillo espiral (300) y luego el paso variable del tornillo espiral (300) comprende pasos variables crecientes entre cada helicoide para formar distintos volúmenes de la pluralidad de cámaras.

En otra configuración preferente, el paso variable del tornillo espiral (300) comprende pasos variables crecientes entre cada helicoide para formar distintos volúmenes de la pluralidad de cámaras, hasta una porción del largo de tornillo espiral (300) y luego el paso variable del tornillo espiral (300) comprende pasos variables decrecientes entre cada helicoide para formar distintos volúmenes de la pluralidad de cámaras.

El tanque espiral (200) es una porción de cilindro horizontal o el tanque espiral (200) es una porción de cono horizontal.

El último helicoide es separado del tornillo espiral (300), y se acopla operativamente para girar a una velocidad distinta del tornillo espiral (300) a través de uno medios de variación de velocidad o a través de unos medios de transmisión de fuerza secundarios, no mostrados en las figuras.

Los helicoides (301) del tornillo espiral (300), son sólidas, con perforaciones (304) o formadas con mallas, o mezcla de ellas, para mejorar la estabilidad térmica del fluido. En las figuras solo se muestran los helicoides perforados como una de las configuraciones preferentes.

En otra configuración preferente, unas cañerías de recirculación (223) que conectan una cámara con otra, para mejorar la recirculación del fluido y con ello, mejorar aún más la estabilidad térmica del fluido con la biomasa (500). En donde también se puede mejorar la estabilidad térmica del fluido al unir el uso de los helicoides (301) del tornillo espiral (300) con perforaciones (304) o formadas con mallas con los sistemas de recirculación del fluido.

Para evitar que la biomasa se junte en el fondo se instalan unas cañerías de transmisión de un segundo fluido para la surgencia del fluido, en donde las cañerías de transmisión de un segundo fluido son perforadas y el segundo fluido es aire o agua a menor temperatura que la del fluido.

En otra configuración preferente, los medios de transporte para transferir porciones de alimento a un tanque espiral (200), comprenden unos sensores de temperatura, sensores de masa y medios de conteo de las porciones de alimento o peces, además unos controladores distribuyen la carga al tanque espiral (200) de las porciones de alimento para mejorar la estabilidad térmica del fluido, el cual varia la carga al tanque espiral (200) de acuerdo al procesamiento de los datos entregados por dichos sensores. Unos controladores controlan la velocidad del tornillo espiral (300) giratorio para mejorar la estabilidad térmica del fluido, los que además comprende controladores de temperatura del fluido, de presión de agua, del nivel de fluido, control y conteo del ingreso de la biomasa al tanque espiral (200).

En otra configuración preferente, se además se incluyen controladores de temperatura, de presión de agua, del nivel de fluido, control y conteo del ingreso de la biomasa al tanque espiral (200).

En otra configuración preferente, un sistema de control automático manejado a través de un interfaz humano máquina o a través de un controlador de datos en nube o un servidor, que adquiere los datos de los sensores y ajusta las variables a través de los controladores.

EJEMPLO DE APLICACIÓN

En una configuración preferente, como se muestra en la figura 3 b, en la cual los tres primeros volúmenes son iguales y pequeños, después aumentan de tamaño los cuatro volúmenes centrales, los que a su vez van decreciendo en dirección a la salida y posteriormente los últimos volúmenes son iguales y más pequeños que los primeros, de acuerdo con ecuación que optimice la energía potencial térmica / volumen, hasta llegara una densidad objetivo, como se muestra en la siguiente tabla. Con los siguientes parámetros de diseño:

Biomasa Proceso ton/h 12 kgs/min 200

T° Inicio Biomasa °C 12 Cp kcal/kg°C 0,8

J/kg°C 3,347

Energía Potencial Diseño kwh 2,5

Densidad Maxima kgs/m ³ 500 Densidad Buffer kgs/m ³ 400 T° Objetivo °C 1 ,8 Buffer Productivo min 30 Densidad Buffer Tiempo Giro 0,1 rpm

La biomasa ingresa a la cinta (4)

La biomasa ingresó al tanque espiral de manera controlada, a través del registro del peso de los peces en una balanza de flujo.

El sistema de control gobernó el ingreso y lo sincronizó con la salida de la biomasa con la finalidad de que la biomasa tenga un tiempo de residencia mínimo.

El sistema de control también manejó el ingreso de agua, ya que se mantuvo una tasa de renovación, optimizando el flujo de agua. Los elementos usados para controlar el proceso fueron: control de nivel (sensor) control de ingreso agua (sensor de flujo) control de temperatura (en ingreso y salida) control de presión agua (ingreso y salida) También es incluyeron pulsos de aire a distintos compartimentos para que la biomasa se mantenga en movimiento, evitando que esta decante en el fondo.

La apertura de las válvulas fue temporizada por el sistema de control.

Al final del proceso se conectó a un sistema de limpieza tipo CIP (Clean in place) el cual se conectó a través de la red de agua y aire.

Con la finalidad de facilitar al lector la compresión de las figuras, de presenta un listado de partes del sistema.

100 Sistema

200 Tanque espiral 201 Soporte Estructural

202 Alma Estructural

203 Soporte transversal

204 Tapa frontal

205 Soporte transversal frontal 206 Caja de agua

207 Caja de agua superior

208 Tablero de Control

209 Elementos de control

210 Ingreso Agua Fría 211 Salida Agua Fría

212 Elementos de conexión

213 Tapas de registro

214 Soportes regulables 215 Sistema de control Ingreso de agua

216 Medios de giro del tornillo espiral

217 Eje del tornillo espiral

218 Desaguador 219 Sistema soporte Eje 217 del Conjunto helicoide 300

220 Cañería de distribución de fluido (Aire, agua)

221 Elemento Estructural

222 Cañería de Conexión

223 Cañería de recirculación 224 Válvulas de control

225 Desagüe

226 desagüe

300 Tornillo espiral 301 Helicoide

302 Tubo central

303 Paletas de descarga

304 Perforaciones 400 Carga Lateral

401 Medios de transporte

402 Medio motriz de cinta transportadora 403 Medio motriz con control de desplazamiento

404 Posicionador lineal accionamiento con correa dentada

405 Medios de desviación

406 Extremo Correa 407 Riel de soporte posicionador

500 Biomasa o producto alimenticio o peces