Barrica de fermentación para Verdeser

Cliente y problema

Verdeser es un emprendimiento sostenible que produce licor de yuca y aprovecha sus subproductos: el almidón sedimentado y el bagazo se reutilizan en productos como sal de yuca y almidón fermentado. Fermentaba en barricas poliméricas con varios problemas: el bagazo flotaba e interrumpía la fermentación, no había forma de monitorear las condiciones internas, la limpieza era difícil y había riesgo de contaminación cruzada entre lotes. Su meta de producción es de 1 000 L al mes.

Fue el Proyecto 3 de Ingeniería Mecánica (IMEC 3709), en un equipo de seis estudiantes que lideré.

Requerimientos

Traducimos las necesidades del cliente en métricas de diseño con una macro-heurística construida por AHP, que ponderó necesidades del cliente (38,5 %), calidad ingenieril (30,8 %) y análisis financiero (30,8 %), y una Casa de la Calidad (HOQ) que asignó a cada necesidad variables medibles: presión de cierre hermético, porcentaje de sólidos en el licor, tiempo de limpieza y visualización del contenido.

Arquitectura

Una barrica cilíndrica con fondo cónico de 42 L, en lámina de acero inoxidable 304 calibre 14 (1,9 mm), con patas de acero 1020 soldadas. A partir del esquema funcional agrupamos las funciones en seis módulos físicos (chunks) sobre una arquitectura bus-slot: el tanque actúa como bus al que se acoplan, mediante férulas sanitarias y abrazaderas, los demás subsistemas.

• Tapa hermética con O-ring de EPDM grado alimenticio, cierre rápido por hebillas y válvula de escape para los gases de fermentación.
• Caja de yuca removible en lámina perforada, suspendida de la tapa, que mantiene el bagazo sumergido.
• Puertos de sensores para temperatura, pH y concentración de alcohol, y mirillas de visualización.
• Válvula de desagüe del licor y recolección diferenciada del almidón en el fondo cónico.

Esquema funcional: flujos de material, energía y señales del sistema de fermentación.

Plano general de ensamble con lista de partes.

Plano de la caja de yuca.

Validación estructural

• Factor de seguridad por el método de Ullman: 1,1 × 1,25 × 1 × 1 × 1,25 = 1,71. Con datos de Granta, el esfuerzo admisible es de 292 MPa para el acero 304 y 152 MPa para el 1020.
• Patas y soldaduras: con una carga de 692 N (tanque, agua y yuca), cada pata soporta 231 N, con un esfuerzo de compresión de 1,9 MPa. La soldadura de filete de 2 mm (electrodo E6010) trabaja a 0,48 MPa: factor de seguridad de 128.
• Simulación del tanque en Ansys Mechanical con gravedad, presión hidrostática y cargas de accesorios, y convergencia de malla al 5 %: deformación máxima de 0,04 mm y esfuerzo máximo de 3,3 MPa en la unión de los tubos con la barrica, con un factor de seguridad superior a 15 en todo el tanque.
• Fatiga: los esfuerzos están muy por debajo de los límites de vida infinita de ambos aceros (160 y 150 MPa).

Simulación del tanque: distribución de esfuerzos bajo presión hidrostática y peso de los accesorios.

Validación experimental

Siguiendo los capítulos de prototipado y diseño robusto de Ulrich y Eppinger:

• Caja de yuca: cajas perforadas en acrílico y acero con agujeros de 2, 3,5 y 5 mm. El óptimo fue 3,5 mm, el mejor equilibrio entre retención del bagazo, flujo, limpieza y costo de fabricación.
• Sedimentación: fermentaciones controladas por lotes mostraron una altura promedio de sedimento de 159 mm, que definió la posición de la válvula de desagüe para extraer el licor sin arrastrar el almidón.
• Prototipo funcional a escala, en acero galvanizado: pruebas de hermeticidad con agua y aire hasta 20 psi y solución jabonosa, que identificaron cinco puntos de fuga, y validación exitosa de los sensores de temperatura, pH y alcohol, con pasos de cable sellados con epóxico y termoencogible.
• Diseño de experimentos tipo Taguchi para el filtro de salida: matriz ortogonal L4 con dos factores de control (tipo de filtro y diámetro) y un factor de ruido (presencia de almidón sedimentado), evaluando sólidos no filtrados, caudal y la relación señal/ruido. La malla metálica de 1 pulgada fue la configuración más robusta.

Diámetro de agujero contra sólidos en el licor.

Relación señal/ruido del diseño de experimentos del filtro.

Prototipo funcional a escala.

Unión con férula sanitaria y abrazadera.

Manufactura, costo y confiabilidad

• DFM y DFA: el puntaje de ensamblabilidad, evaluado con 13 guías, mejoró en cada iteración hasta estabilizarse en la versión final, gracias a férulas sanitarias, abrazaderas estándar y componentes comerciales.
• Diseño para costo (DFC): desglose por subsistema en costos de manufactura, componentes y mano de obra, siguiendo a Ullman, y análisis del costo unitario frente al volumen de producción.
• Confiabilidad: a partir de las tasas de falla por componente, la confiabilidad estimada es del 76 % sin mantenimiento y supera el 90 % con un plan de inspección y reemplazo de empaques, válvulas y abrazaderas.

Costo unitario frente al volumen de producción.

Tiempo de uso contra tasa de falla para una confiabilidad del 90 %.

Entregamos el manual de fabricación con planos de taller y una propuesta económica para el cliente.

Proyecto 3 de Ingeniería Mecánica, Uniandes (2025). Es parte del capítulo Universidad.