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NS – M – 71 Sistema de manufactura flexible en el proceso de extracción de aceite de semillas de Jatropha curcas L. para productores de la zona sur del Estado de México


NS – M – 71 Sistema de manufactura flexible en el proceso de extracción de aceite de semillas de Jatropha curcas L. para productores de la zona sur del Estado de México


Categoría: Superior (Licenciatura)
Área de participación: Mecatrónica

Equipo: UTSEM_MECA_1

Miembros del equipo:
Reyna Alin Ramírez Puntos
Takeshi Kano Martínez
Ignacio Jaimes Puebla

Asesor: Rosa María de Anda López

Escuela: Universidad Tecnológica del Sur del Estado de México

Resumen

El cambio de paradigma de cultivos tradicionales a cultivos alternativos presenta nuevos retos, este trabajo presenta una propuesta de una línea de producción flexible, que eficiente el proceso de descascarillado de la semilla y la obtención del aceite para la planta de Jatropha curcas L., en primer lugar, presentar el diseño de cada máquina, que potencie la transformación tecnológica en la zona sur del Estado de México, que permita ir mecanizando el campo. De forma paralela se crea un diseño  de sistema de manufactura flexible, que genere que las máquinas descascarilladora y extractora puedan trabajar unidas, de forma secuencial, o si el proceso lo define, poder modularlas, ya sea para que solo se obtenga semilla sin cáscara o se obtenga aceite, al mismo tiempo poder hacer que el proceso entre dentro de la categoría de agricultura de precisión, en donde las variables críticas se estén monitoreando de forma constante y que se tenga control sobre los estados del proceso. De esta forma se espera que el proceso sea más eficaz y eficiente, que permita a los productores de la zona contar con una línea de producción flexible y con la automatización para entrar en el rango de I4.0.

Pregunta de Investigación

¿Qué beneficios tendrá el diseño de un sistema de manufactura flexible del proceso de obtención de aceite de semillas de Jatropha curcas L. para productores de la zona sur del Estado de México, que apoye en los procesos de descascarillado,de extracción y mezclado, brindándoles la característica de secuenciales?

Planteamiento del Problema

En los municipios de Amatepec y Luvianos, ubicados en la zona sur del Estado de México, en los últimos años, se han fomentado el cultivo de Jatropha o Piñón Manso (Jatropha curcas L.) para fortalecer la diversificación productiva y generar una fuente alternativa de ingresos. Las semillas de esta planta tienen alto contenido de aceite que puede utilizarse directamente en medicina y en la elaboración de cosméticos, o puede transformarse en biodiesel, estas características la vuelven una planta valiosa.

Como todo nuevo cultivo, se han presentado problemas al momento de contar con la cosecha, es una necesidad procesar la semilla para obtener un producto que les genere mayores ingresos, como el aceite, resultado de la extracción, y la masilla obtenida del despulpado, para iniciar todo el proceso, actualmente el descascarillado se realiza de forma manual, lo que retrasa en mucho el proceso de extracción, el cual, de igual manera consta de un molino manual, en donde obtienen un aceite de baja calidad y la masilla obtenida sigue presentando una gran cantidad de aceite, por lo que en la mayoría de las veces deben de reprocesar la masilla, sometiéndola de nuevo a la extracción, una tarea más que retrasa el proceso. Ante esta situación se propone generar las máquinas descascarilladora y extractora, de tal forma que puedan ser una línea de producción flexible, que actúen de forma secuencial, pero si la necesidad del proceso lo requiere, modularlas, ya sea para solo obtener semilla sin cáscara o solamente utilizar el extractor, además de automatizar el proceso para generar un sistema de manufactura flexible, que cuente con las características de I4.0.

Antecedentes

En los últimos 30 años se han desarrollado estrategias de fabricación orientadas a cumplir objetivos específicos como son las mejoras al diseño, manufactura y calidad de los productos. Todo esto ha sido posible gracias a los avances tecnológicos que se han presentado, los cuáles han aprovechado muy eficientemente el uso de computadoras y programas de cómputo (Raj, et al., 2007).

De forma paralela se ha visto un desarrollo de los Sistemas Avanzados de Manufactura, que ha traído como consecuencia una reducción en los costos y tiempos de ciclo de fabricación y un incremento significativo en la calidad del producto. De la misma forma se ha sido testigo de la aparición de los Sistemas Avanzados de Manufactura, tanto Flexible, Esbelta, Seis Sigma e Integrada por Computadora que han sido un factor de permanencia para la industria, cuyo propósito es aumentar la competitividad, no sólo para ingresar a los mercados, sino para igualar o superar a sus competidores (Callahan, et al., 2005).

Se puede observar que la aplicación de estas tecnologías no es nuevo, pero aplicadas a la industria agronómica y agroindustrial es otra realidad, ya que se tiene que, a través de la historia de la agricultura y de la humanidad, el hombre ha fabricado diversidad de utensilios y herramientas manuales, algunas de ellas acopladas a animales, de las cuales se ha valido para facilitar las labores agrícolas, buscando economía energética, eficiencia y productividad (Ashbuarner & Sims,1994). Hoy en día, estas técnicas todavía existen, pero presentando dificultades y confrontación con la realidad y la competitividad empresarial mundial.

El diseño de maquinaria agrícola para lograr una mecanización del campo, ha sido un proceso tecnológico que siempre ha ido en búsqueda de la mejora de la productividad y a un aumento del rendimiento. La maquinaria agrícola ha significado un gran cambio en la manera de trabajar en el campo. Cuando se aplican en los cultivos, suelen ser más eficaces en relación a los recursos necesarios y al tiempo utilizado para finalizar cada labor. Por otro lado, la profesión de agricultor, aunque sigue siendo exigente (es un trabajo físico al aire libre), ha dejado de ser tan dura como lo era antiguamente (TEYME, 2020).

Este proceso de diseño no es fácil ni simple, requiere, en muchos casos, de generar conocimiento empírico, es decir primero se construye un prototipo que cumpla con cálculos teóricos, para posteriormente modificar valores y parámetros. Esta situación ha generado que la tecnificación sea más lenta, aun cuando ya se tienen grandes avances, ya se cuenta con modelos muy avanzados de máquinas y maquinaria que apoya las labores agrícolas que han mejorado procesos y hecho eficientes los productos.

Las nuevas tecnologías han irrumpido en el sector agrícola para contribuir a una mejora de los procesos productivos. La maquinaria agrícola del siglo XXI se presenta como una herramienta inteligente, conectada a los datos necesarios que sirvan para ayudar al agricultor a tomar las decisiones correctas en cada caso. Conceptos como big data, IoT o Inteligencia Artificial están cada vez más relacionados con el trabajo en el campo (TEYME, 2020).

Aunado a esto se está modificando los paradigmas en cuanto cultivos, ya que existen zonas que están incursionando en nuevos modelos, este es el caso de las siembras de Jatropha curcas L., argumentando que, en la última década, la industria de los biocombustibles ha experimentado un crecimiento continuo debido al aporte que pueden representar en la independencia y seguridad energética, factores de preocupación mundial debido a la reducción gradual de las reservas de petróleo, la preocupación por el cambio climático y al aumento en el consumo de energía (Drapcho, et al., 2008). El biodiésel es una mezcla de mono-alquil ésteres derivados de aceites con características similares al diésel. Aunque ha sido considerado como un combustible limpio, su uso en motores diésel presenta inconvenientes técnicos que han limitado su uso directo (Benjumea, et al., 2009).

Para poder obtener aceite de la semilla de Jatropha, lo primero en lo que se tiene que trabajar es, en la separación de las semillas de las espigas, vainas o cápsulas, esta labor tiene gran importancia, ya que de ella depende el máximo aprovechamiento del producto cosechado. Para su realización en el mundo se han desarrollado múltiples y diversos dispositivos y máquinas de mayor o menor complejidad, pero por lo general son costosas (Cruz Meza, et al., 2019).

Para   las      pequeñas     superficies    de producción, la       inversión      en máquinas cosechadoras de las que oferta el mercado, por lo general no resultan rentables y la tendencia actual es  la  fabricación de  pequeñas  máquinas  o descascaradores para productores con bajo poder adquisitivo (Cabral de Franca, et al., 2013).

Un segundo proceso para la obtención del aceite es la parte de extracción, lo que genera, de igual manera, el diseño de maquinaria que pueda realizar este trabajo, se han desarrollado procesos de extracción físicos, que presentan modelos diferentes de prensas para realizar esta labor, siendo uno de los más sobresalientes el molino tipo expeller.

Una búsqueda de patentes ha llevado a encontrar que las máquinas descascarilladoras se han centrado principalmente en granos valiosos, considerados por muchas culturas, tal es el ejemplo de la patente número ES1068167U (Borrell, 2008), que diseño una máquina descascaradora y peladora de almendras y otros frutos secos, registrada en el 2008; para el 2011, China patenta una máquina peladora de cacahuates, con número CN202218590U (Xiangyan, 2011), de esta forma se han presentado diversas máquinas descascaradoras, para algoón, para higuerilla, pero muy pocas patentes para una descascarilladora de Jatropha, específicamente de forma mecánica.

En cuanto a la extractora de aceite, principalmente se han tratado métodos biológicos, químicos, microbiológicos, pero han dejado un poco la investigación en métodos mecánicos, lo que genera una gran área de oportunidad, en donde se podrá presentar una alternativa de solución a pequeños productores de la zona.

Objetivo

Objetivo general

Diseñar un Sistema de Manufactura Flexible en el proceso de extracción de aceite de semillas de Jatropha curcas L. para productores de la zona sur del Estado de México, para mejorar la eficiencia en la calidad y cantidad del aceite obtenido.

Objetivos específicos

  • Diseñar la máquina descascarilladora de semillas.
  • Diseñar la máquina extractora de aceite.
  • Diseñar el sistema de control para que trabajen de forma secuencial o de forma aislada.
  • Integrar el sistema de control con las máquinas, para asegurar que sea flexible.
  • Diseño de interfaz del usuario para envío de datos vía smartphne, tablet o computadora personal

Justificación

La planta Jatropha curcas L. puede implementarse como una planta productivamente rápida en situaciones adversas, tierras degradadas, clima seco, tierras marginales, una vez obtenida la cosecha, se debe de procesar casi de forma inmediata, ya que la planta  no suele ser delicada,  pero el fruto sí,  se pudre rápidamente, y más en climas cálidos y húmedos, por lo que al obtener la semilla deberá de iniciar el proceso de manufactura, para evitar que se “arrancie” y pierda sus propiedades bioquímicas.

La zona sur del Estado de México ha virado sus cultivos tradicionales (maíz, frijol) a cultivos alternativos, decidiendo hacer plantaciones de Jatropha curcas L., ya que los productos que se obtienen de ella son muy codiciados en el mercado hoy en día, principalmente el tema de los biocombustibles, ante esta situación y el deterioro de sus tierras migraron; esta nueva situación genera, de igual forma, nuevos desafíos y necesidades, uno de los cuales es el proceso de descascarillado y extracción de aceite de las semillas, ya que debe de ser un proceso ágil y dinámico, además de querer contar con el control del proceso, que asegure que el aceite obtenido es de mayor calidad y en mayores cantidades, además de iniciar un proceso de desarrollo tecnológico que permita iniciar la tecnificación y mecanización de la industria agrícola en la región.

Ante esta situación se propone el desarrollo de un sistema de manufactura flexible, en donde en primer lugar se propone el diseño de las máquinas, descascaradora y extractora, mismas que se conectarán como una línea de producción secuencial, para brindar continuidad al proceso, pero de igual manera podrán ser modulares para si en su momento se requiere, únicamente se maneje el descascarillado o la extracción de forma separada. Un sistema de control que automatice y controle todo el proceso, permitirá asegurar que se conozca el estado del proceso, además de brindar seguridad al productor de cómo se está realizando la transformación de la materia prima hasta obtener aceite de mejor calidad, además de brindar un sistema de monitoreo vía wi fi, para brindarle al sistema la clasificación 4.0.

Hipótesis

El diseño de un sistema de manufactura flexible del proceso de obtención de aceite de semillas de Jatropha curcas L. para productores de la zona sur del Estado de México, apoyará en los procesos de descascarillado y el de extracción, brindándoles la característica de secuenciales; permitiendo que los procesos se mejoren en un 85% de como actualmente se realiza; además de brindarle la capacidad de ser modular, permitirá que los procesos se puedan realizar de forma separada, pero que de igual manera mejore el tiempo de proceso, la calidad y la cantidad del aceite obtenido. Aunado a la evaluación del sistema de monitoreo para conocer el estado del proceso en los puntos críticos como son el pelado de la semilla y la obtención de aceite, considerando como variables el tiempo, el número de semillas peladas y la calidad y cantidad de aceite obtenido.

Método (materiales y procedimiento)

El estudio se lleva a cabo dentro de las instalaciones de la Universidad Tecnológica del Sur del Estado de México, situado en la parte sur del Estado de México, en el Municipio de Tejupilco San Miguel Ixtapan, Km. 12 Carretera Tejupilco – Amatepec). Tejupilco (en náhuatl “Texopilco”) es uno de los 125 municipios pertenecientes al Estado de México. Cuenta con una población de 71,077 habitantes según el censo de población y vivienda 2010. Su clima varía de cálido a húmedo y a semi-cálido húmedo con lluvias en verano y con un porcentaje menor de lluvias en invierno. Varían al igual que el máximo es de 40° en verano.

El tipo de diseño de estudio que se desarrollará es del tipo experimental, ya que se deberá montar un prototipo funcional que cuente con las máquinas descascarilladora y extractora de aceite, en donde las variables que se deberán de controlar son el tiempo que tarda el proceso desde que entra la semilla hasta quese obtiene el aceite, la cantidad de la semilla pelada y la cantidad y calidad del aceite obtenido. Asegurando que el proceso cumpla con la característica de ser flexible y modular.

El diseño más adecuado para las máquinas, tanto de descascarillado como de extracción, serán presentadas, mediante una simulación en solidworks, que acerque al comportamiento del proceso, ya sea que se de forma secuencial o aislado. Se evaluarán y se seleccionará al que cumpla las condiciones de los productores.

A continuación, se describen los pasos del proyecto y las actividades que involucran.

  1. Diseño mecánico de máquinas descascarilladora y extractora, además de considerar las características de control para posicionar mecanismos y sensore
  2. Se presenta el diagrama de flujo, figura 1, para el diseño del sistema de control del sistema de manufactura flexible, cumpliendo la selección de proceso secuencial o aislado.
  3. Diseñar el sistema de monitoreo de las variables, que aseguren que la semilla está siendo pelada de manera adecuada, preservando sus características.
  4. Diseño de la interfaz con el usuario, que permita al productor contar con el estado que guarda el proceso, asimismo la pantalla que permita monitorear las variables críticas. Se utilizará tecnología rapsberry y arduino para generar una pantalla que sea amigable para los usuario
  5. Implementación del sistema en conjunto para generar pruebas y observar posibles ajustes al mismo, esta parte se considera indispensable, ya que permitirá evaluar la eficiencia del diseño, y medir el porcentaje de eficiencia del sistema.
  6. Diseño de la interfaz con el usuario, que permita al productor contar con el estado que guarda el proceso, asimismo la pantalla que permita monitorear las variable Se utilizará tecnología rapsberry y arduino para generar una pantalla que sea amigable para los usuarios.
  7. Generar pruebas y observar posibles ajustes al mismo, esta parte se considera indispensable, ya que permitirá evaluar la eficiencia del diseño, y medir el porcentaje de eficiencia en el proceso integrado en su totalidad.
  8. Análisis de Datos. En este apartado, se espera medir el porcentaje de eficiencia del sistema, así como determinar las cantidades y calidad del aceite. Se realizará una toma de datos para presentar un estadístico que muestre la eficiencia obtenida con el desarrollo del sistema

 

Galería Método

Resultados

Como primer paso se propone el diseño mecánico de la descascaradora, bajo los siguientes parámetros experimentales, medidos.

Este prototipo utiliza un motor trifásico que entrega el movimiento inicial a la máquina por medio de una conexión de acoplamientos de los ejes de impulsión. El movimiento inicial es para el descascarado de la semilla de Jatropha, y está integrado por 2 ejes y los rodillos que facilitan que la semilla se desplace, y como resultado se obtiene la rotura del y el despegue de la cascara, gracias a la fuerza del motor, como se muestra en la figura 2.

La siguiente etapa es el retiro de la cáscara, esto se logrará gracias al flujo de aire que proporcionará el ventilador, instalado por debajo de los ejes y rodillos, al tener la semilla rota (Jatropha y cáscara), son enviados a un recipiente, antes de que esto ocurra el flujo de aire emitida por el ventilador separará la cáscara de la semilla, por diferencia de sus densidades entre ellas, se muestra en la figura 3.

Para el giro de los ejes rodillos se utilizará un motor trifásico de una potencia de 1 HP el cual proporcionará la potencia y velocidad de accionamiento a los ejes.

En cuanto a la seguridad, al diseñar la máquina descascarilladora, se implementará unas guardas de seguridad, esto va evitar cualquier problema y/o accidente con la máquina.

El motor eléctrico contará con interruptor diferencial para mayor protección de las personas, lo cual tendrá la función de cortar inmediatamente la energía cuando este detecte una fuga de corriente; en tal sentido contará con interruptores termomagnéticos para el circuito de ventilación debido a que estos brindan protección contra sobre corrientes y cortocircuitos.

Para este realizar el prototipo de diseño de la máquina se realizaron cálculos de resistencia de materiales, a partir del estudio de campo en el cual se realizan ensayos aplicando una fuerza de compresión se establece que la fuerza promedio que se debe aplicar para quebrar el grano y poder retirar la cáscara es de 255.5 N, sin embargo, entre los datos obtenidos se puede observar que algunos granos requieren apenas 155 N y otros 392 N para quebrarse y retirar su cáscara, es por esto que para tener la certeza de que cualquier grano que pase por los rodillos se quebrará se establece que la fuerza que se debe ejercer sea de 500N.

En la figura 4 se muestra el  esquema del sistema de transmisión de la descascarilladora de piñón, mientras que en la figura 5 se muestra la máquina ensamblada.

En cuanto a la máquina extractora de aceite se muestra en la figura 6 un esquema del diseño conceptual desarrollado.

En este tema es importante considerar Para poder determinar el flujo de la semilla se debe tener en cuenta las características geométricas del husillo de extracción.

L =250 mm                Longitud del husillo

T = 18,5°                  Ángulo de la hélice

N = 80 rpm          Número de revoluciones

D = 38 mm               Diámetro del barril

Pp= 1.03MPa           Presión del husillo

Para poder determinar la presión necesaria de extracción de la semilla de piñón se realizó un ensayo,  mediante un tubo y un eje, en el extremo del tubo se le colocó un dado que semeje al dado de extracción y en una prensa hidráulica como se puede observar en la figura 7.

Después se accionó la prensa hidráulica y empezó a extraer, el manómetro marco la presión de trabajo. Esta práctica se la hizo varias veces para sacar un promedio y determinar el valor  150 PSI.

En la figura 8 se muestra el diseño ensamblado del diseño propuesto para la máquina extractora, mientras que en la figura 9 se muestra la máquina mezcladora de aceite, que sería el paso final.

En cuanto a la fabricación de las máquinas se ha visto retrasada por el tema del COVID, situación que cerró la entrada a talleres.

Galería Resultados

Discusión

La generación de equipo y maquinaria para la industria agroalimentaria siempre ha estado sujeta a normas y estándares de calidad altos, para el caso de desarrollar tecnología de principio a fin de un proceso agrícola, existen retos muy grandes.

El primero es realmente aplicar las bases, conceptos, teorías sobre diseño mecánico, posterior es conocer el funcionamiento de las máquinas en el mercado, determinar los parámetros físico-químicos de la semilla, escuchar los requerimientos y especificaciones del cliente, presentar para validación los diseños y fabricar y pruebas y errores.

Ante esta pandemia se ha visto retrasado el proceso de fabricación, estando en la etapa conceptual del diseño, ya se tienen validados los modelos presentados, pero falta su prototipado para observar y corregir errores, generar una línea flexible de manufactura e iniciar con el análisis del aceite que se obtendrá, ara modificar variables y parámetros como temperaturas, presiones, velocidades, que genere que el aceite cubra con las especificaciones solicitadas.

La selección de componentes electromecánicos se ha realizado, solamente las compras se vieron afectadas de igual forma, se espera que el sistema esté funcionando a más tardar a medio año del 2021, ya que se permite la entrada a los talleres y se pueda iniciar su proceso de manufactura.

Conclusiones

La agricultura es una actividad de gran importancia en México, desgraciadamente, los cambios climatológicos que se viven en la actualidad reducen en gran cantidad la producción, esto ha llevado a replantear nuevas técnicas de cultivo, así como reevaluar y virar hacia cultivos alternativos, se les llama así, debido a que normalmente no se cultivan y por lo regular no son de consumo humano.

Pero se observó que como todo, siempre que se trabaja con algo nuevo, surgen nuevos retos a los que se le debe dar solución para poder continuar; algunos de estos retos para cultivos alternativos son, semillas no tan eficientes, falta de maquinaria para dicho cultivo, suficiente demanda a la compra, miedo de los productores sobre un cultivo nuevo, por mencionar algunos.

Esta situación dio lugar a presentar una propuesta de una línea de producción flexible, que eficiente el proceso de obtención del aceite para la planta de Jatropha curcas L., en primer lugar, presentar el diseño de cada máquina, descascarilladora y extractora y mezcladora, que potencie la transformación tecnológica en la zona sur del Estado de México, que permita ir mecanizando el campo.

De forma paralela se crea un diseño  de sistema de manufactura flexible, que genere que las máquinas  puedan trabajar de forma secuencial, o si el proceso lo define, poder modularlas, ya sea para que solo se obtenga semilla sin cáscara o se obtenga aceite, al mismo tiempo poder hacer que el proceso entre dentro de la categoría de agricultura de precisión, en donde las variables críticas se estén monitoreando de forma constante y que se tenga control sobre los estados del proceso., situación que se ha visto altamente afectada por el tema de la pandemia.

Se  espera que el proceso sea más eficaz y eficiente, que permita a los productores de la zona contar con una línea de producción flexible y con la automatización para entrar en el rango de I4.0, que les permita aprovechar al máximo su cosecha.

El tema de la pandemia ha frenado el proceso de fabricación de las máquinas, situación que no ha permitido un avance mayor, a pesar de que los diseños ya fueron enviados a los productores y hasta el momento aprobado, se está en espera de su fabricación para poder realizar pruebas e iniciar la selección de los componentes electrónicos de control.

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Summary

The change of paradigm from traditional crops to alternative crops presents new challenges, this work presents a proposal of a flexible production line, which efficiently performs the process of seed hulling and obtaining oil for the Jatropha curcas L. plant. First of all, it presents the design of each machine, which enhances the technological transformation in the southern area of the State of Mexico, allowing the field to be mechanized. At the same time, a flexible manufacturing system design is created, which generates that the shelling and extraction machines can work together, in a sequential way, or if the process defines it, to be able to modulate them, so that only seed without shell is obtained or oil is obtained, at the same time, to be able to make the process fall into the category of precision agriculture, where the critical variables are being constantly monitored and to have control over the states of the process. In this way it is expected that the process will be more effective and efficient, allowing producers in the area to have a flexible production line and automation to enter the range of I4.0.

 

Research Question

What are the benefits of designing a flexible manufacturing system for the process of obtaining oil from Jatropha curcas L. seeds for producers in the southern zone of the State of Mexico, which supports the processes of hulling, extraction and mixing, giving them the characteristic of sequential?

Problem approach

In the municipalities of Amatepec and Luvianos, located in the southern zone of the State of Mexico, in recent years, the cultivation of Jatropha or Piñón Manso (Jatropha curcas L.) has been promoted to strengthen productive diversification and generate an alternative source of income. The seeds of this plant have a high oil content that can be used directly in medicine and in the elaboration of cosmetics, or it can be transformed into biodiesel, these characteristics make it a valuable plant.

As with all new crops, problems have arisen at the time of harvesting, it is a necessity to process the seed to obtain a product that generates greater income, such as oil, the result of extraction, and the putty obtained from the pulping, to start the whole process, currently the shelling is done manually, This delays the extraction process, which also consists of a manual mill, where they obtain a low quality oil and the putty obtained still has a large amount of oil, so in most cases they must reprocess the putty, subjecting it again to extraction, another task that delays the process. In view of this situation, we propose to generate the shelling and extraction machines, in such a way that they can be a flexible production line, acting in a sequential way, but if the need of the process requires it, modulate them, either to obtain only shelled seed or only to use the extractor, besides automating the process to generate a flexible manufacturing system, which has the characteristics of I4.0.

 

Background

Over the past 30 years, manufacturing strategies have been developed to meet specific objectives such as improvements in product design, manufacturing and quality. All this has been possible thanks to the technological advances that have been presented, which have taken advantage of the use of computers and computer programs very efficiently (Raj, et al., 2007).

At the same time, there has been a development of Advanced Manufacturing Systems, which has resulted in a reduction in costs and manufacturing cycle times and a significant increase in product quality. In the same way, we have witnessed the appearance of Advanced Manufacturing Systems, both Flexible, Lean, Six Sigma and Computer Integrated, which have been a permanence factor for the industry, whose purpose is to increase competitiveness, not only to enter the markets, but to equal or surpass its competitors (Callahan, et al., 2005).

The application of these technologies is not new, but when applied to the agronomy and agroindustry it is another reality, since throughout the history of agriculture and humankind, man has manufactured a variety of manual tools and utensils, some of them coupled to animals, which he has used to facilitate agricultural work, seeking energy savings, efficiency and productivity (Ashbuarner & Sims, 1994). Today, these techniques still exist, but present difficulties and confrontation with the reality and global business competitiveness.

The design of agricultural machinery to achieve a mechanization of the field, has been a technological process that has always been in search of improved productivity and increased performance. Agricultural machinery has meant a great change in the way of working in the field. When applied to crops, they are usually more efficient in relation to the resources needed and the time used to complete each task. On the other hand, the farming profession, although still demanding (it is physical work in the open air), is no longer as hard as it once was (TEYME, 2020).

This design process is neither easy nor simple; it requires, in many cases, the generation of empirical knowledge, i.e. first a prototype is built that complies with theoretical calculations, and then values and parameters are modified. This situation has led to a slower pace of technification, even though there have been great advances, there are already very advanced models of machines and machinery that support agricultural work that have improved processes and made products efficient.

New technologies have burst into the agricultural sector to help improve production processes. The agricultural machinery of the 21st century is presented as an intelligent tool, connected to the necessary data to help the farmer make the right decisions in each case. Concepts such as big data, IoT or Artificial Intelligence are increasingly related to work in the field (TEYME, 2020).

In addition, paradigms are being changed in terms of crops, since some areas are moving towards new models, such as the planting of Jatropha curcas L., arguing that, in the last decade, the biofuel industry has experienced continuous growth because of the contribution it can make to energy independence and security, which are factors of global concern due to the gradual reduction of oil reserves, concern about climate change and increased energy consumption (Drapcho, et al., 2008). Biodiesel is a blend of mono-alkyl esters derived from oils with characteristics similar to diesel. Although it has been considered a clean fuel, its use in diesel engines has technical drawbacks that have limited its direct use (Benjumea, et al., 2009).

In order to obtain oil from the Jatropha seed, the first thing that has to be done is to separate the seeds from the spikes, pods or capsules. This work is of great importance, since the maximum use of the harvested product depends on it. Many and diverse devices and machines of greater or lesser complexity have been developed for its realization in the world, but they are usually expensive (Cruz Meza, et al., 2019).

For small production areas, the investment in harvesting machines offered by the market is usually not profitable and the current trend is the manufacture of small machines or huskers for producers with low purchasing power (Cabral de Franca, et al., 2013).

A second process for obtaining the oil is the extraction part, which generates, in the same way, the design of machinery that can carry out this work, physical extraction processes have been developed, which present different models of presses to carry out this work, being one of the most outstanding the expeller type mill.

A search for patents has led to finding that the shelling machines have focused mainly on valuable grains, considered by many cultures, such is the example of the patent number ES1068167U (Borrell, 2008), which designed a shelling and peeling machine for almonds and other nuts, registered in 2008; for 2011, China patents a peanut peeling machine, with number CN202218590U (Xiangyan, 2011), so several peeling machines have been presented, for some, for fig, but very few patents for a Jatropha peeling machine, specifically in a mechanical way.

As for the oil extractor, mainly biological, chemical and microbiological methods have been treated, but they have left a little research on mechanical methods, which generates a great area of opportunity, where an alternative solution can be presented to small producers in the area.

Objective

General objective

Design a Flexible Manufacturing System in the process of extracting oil from Jatropha curcas L. seeds for producers in the southern zone of the State of Mexico, to improve efficiency in the quality and quantity of the oil obtained.

Specific Objectives

Design the seed peeling machine.
Designing the oil extraction machine.
Design the control system to work sequentially or in isolation.
Integrate the control system with the machines, to ensure that it is flexible.
Designing the user interface for sending data via smartphne, tablet or personal computer

Justification

The Jatropha curcas L. plant can be implemented as a fast productive plant in adverse situations, degraded lands, dry climate, marginal lands, once the harvest is obtained, it must be processed almost immediately, since the plant is not usually delicate, but the fruit rots quickly, and more in hot and humid climates, so when the seed is obtained, the manufacturing process must be initiated, to avoid that it “starts” and loses its biochemical properties.

The southern zone of the State of Mexico has turned its traditional crops (corn, beans) to alternative crops, deciding to make plantations of Jatropha curcas L., since the products obtained from it are very coveted in the market today, mainly the issue of biofuels, in view of this situation and the deterioration of their lands they migrated; This new situation generates, in the same way, new challenges and needs, one of which is the process of hulling and oil extraction from the seeds, since it must be an agile and dynamic process, besides wanting to have the control of the process, that assures that the obtained oil is of greater quality and in greater amounts, besides initiating a process of technological development that allows to initiate the technification and mechanization of the agricultural industry in the region.

In view of this situation, the development of a flexible manufacturing system is proposed, where firstly the design of the machines, hulling and extraction, which will be connected as a sequential production line, to provide continuity to the process, but in the same way they can be modular so that in their moment it is required, only the hulling or the extraction is handled separately. A control system that automates and controls the entire process will ensure that the status of the process is known, as well as providing security to the producer on how the transformation of the raw material is being carried out until better quality oil is obtained, in addition to providing a monitoring system via Wi-Fi, to give the system the 4.0 classification.

Hypothesis

The design of a flexible manufacturing system for the process of obtaining oil from Jatropha curcas L. seeds for producers in the southern zone of the State of Mexico, will support the processes of hulling and extraction, providing them with the characteristic of sequential; allowing the processes to be improved by 85% of how they are currently done; in addition to providing the capacity to be modular, it will allow the processes to be carried out separately, but at the same time improve the processing time, quality and quantity of the oil obtained. In addition to the evaluation of the monitoring system to know the state of the process in the critical points such as the peeling of the seed and the obtaining of oil, considering as variables the time, the number of peeled seeds and the quality and quantity of oil obtained.

Method (materials and procedure)

The study is carried out within the facilities of the Universidad Tecnológica del Sur del Estado de México, located in the southern part of the State of Mexico, in the Municipality of Tejupilco San Miguel Ixtapan, Km. 12 Carretera Tejupilco – Amatepec). Tejupilco (in Nahuatl “Texopilco”) is one of the 125 municipalities belonging to the State of Mexico. It has a population of 71,077 inhabitants according to the 2010 population and housing census. Its climate varies from warm to humid and to semi-warm humid with rain in summer and a lower percentage of rain in winter. They vary as much as the maximum is 40° in summer.

The type of study design that will be developed is of the experimental type, since a functional prototype must be assembled that has the machines for peeling and extracting oil, where the variables that must be controlled are the time that the process takes from when the seed enters until the oil is obtained, the quantity of the peeled seed and the quantity and quality of the oil obtained. Ensuring that the process complies with the characteristic of being flexible and modular.

The most suitable design for the machines, both for shelling and extraction, will be presented, through a simulation in solidworks, which approaches the behavior of the process, whether it is sequential or isolated. The one that meets the producers’ conditions will be evaluated and selected.

The steps of the project and the activities involved are described below.

  1. Mechanical design of hulling and extraction machines, in addition to considering the control characteristics for positioning mechanisms and sensors.
  2. The flow diagram, figure 1, is presented for the design of the control system of the flexible manufacturing system, fulfilling the selection of sequential or isolated process.
  3. To design the monitoring system of the variables, that assure that the seed is being peeled of suitable way, preserving its characteristics.
  4. Designing the interface with the user, that allows the producer to have the state that saves the process, also the screen that allows to monitor the critical variables. Rapsberry and arduino technology will be used to generate a user-friendly screen.
  5. Implementation of the system as a whole to generate tests and observe possible adjustments to it, this part is considered indispensable, since it will allow evaluating the efficiency of the design, and measuring the percentage of efficiency of the system.
  6. Design of the interface with the user, that allows the producer to have the state that saves the process, also the screen that allows to monitor the variables. Rapsberry and arduino technology will be used to generate a screen that is friendly for the users.
  7. To generate tests and observe possible adjustments to it, this part is considered indispensable, since it will allow evaluating the efficiency of the design, and measuring the percentage of efficiency in the integrated process as a whole.
  8. Data Analysis. In this section, it is expected to measure the percentage of efficiency of the system, as well as to determine the quantities and quality of the oil. A data collection will be carried out to present a statistic that shows the efficiency obtained with the development of the system

Results

As a first step, the mechanical design of the hulling machine is proposed, under the following measured experimental parameters.

This prototype uses a three-phase motor that delivers the initial movement to the machine by means of a coupling connection of the drive shafts. The initial movement is for the hulling of the Jatropha seed, and it is integrated by 2 axes and the rollers that facilitate the displacement of the seed, and as a result the breakage of the and the take off of the hull is obtained, thanks to the force of the motor, as shown in figure 2.

The next stage is the removal of the shell, this will be achieved thanks to the air flow that will provide the fan, installed under the axes and rollers, having the seed broken (Jatropha and shell), are sent to a container, before this occurs the air flow emitted by the fan will separate the shell from the seed, by difference of their densities between them, is shown in Figure 3.

For the rotation of the roller shafts, a three-phase motor of 1 HP will be used, which will provide the power and speed of drive to the shafts.

As far as safety is concerned, when designing the shelling machine, safety guards will be implemented. This will prevent any problem and/or accident with the machine.

The electric motor will have a differential switch for greater protection of people, which will have the function of immediately cutting the power when it detects a current leakage; in this sense, it will have thermomagnetic switches for the ventilation circuit because they provide protection against overcurrents and short circuits.

To make the prototype design of the machine, material resistance calculations were made, based on the field study in which tests are performed by applying a compression force, it is established that the average force that must be applied to break the grain and remove the shell is 255. 5 N, however, among the data obtained, it can be observed that some grains require only 155 N and others 392 N to break and remove their husks. For this reason, in order to be certain that any grain that passes through the rollers will break, it is established that the force that should be applied is 500 N.

Figure 4 shows the transmission system diagram of the pinion shelling machine, while figure 5 shows the assembled machine.

As for the oil extraction machine, a diagram of the conceptual design developed is shown in figure 6.

In this subject it is important to consider the geometric characteristics of the extraction screw in order to determine the flow of the seed.

L =250 mm Screw length
T = 18.5° Helix angle
N = 80 rpm Number of revolutions
D = 38 mm Barrel diameter
Pp= 1.03MPa Spindle pressure

In order to determine the necessary pressure for extraction of the pinion seed, a test was carried out using a tube and a shaft. A die was placed at the end of the tube, similar to the extraction die, in a hydraulic press as shown in Figure 7.

Then, the hydraulic press was activated and started to extract, the pressure gauge set the working pressure. This practice was done several times to take an average and determine the value 150 PSI.

Figure 8 shows the assembled design of the proposed extraction machine, while Figure 9 shows the oil mixing machine, which would be the final step.

As for the manufacturing of the machines, it has been delayed by the COVID issue, situation that closed the entrance to workshops.

Discussion

The generation of equipment and machinery for the agro-food industry has always been subject to high quality standards and norms. In the case of developing technology from the beginning to the end of an agricultural process, there are very big challenges.

The first one is to really apply the bases, concepts, theories about mechanical design, then it is to know the operation of the machines in the market, determine the physical-chemical parameters of the seed, listen to the requirements and specifications of the client, present for validation the designs and manufacture and tests and errors.

Faced with this pandemic, the manufacturing process has been delayed, being in the conceptual stage of the design, the models presented have already been validated, but their prototyping is missing to observe and correct errors, generate a flexible manufacturing line and start with the analysis of the oil that will be obtained, to modify variables and parameters such as temperatures, pressures, speeds, which generates that the oil covers with the requested specifications.

The selection of electromechanical components has been made, only the purchases were affected in the same way, it is expected that the system will be working by mid year 2021 at the latest, since the workshops are allowed to enter and the manufacturing process can start.

Conclusions

Agriculture is an activity of great importance in Mexico, unfortunately, the climate changes that are experienced at present reduce production in large numbers, this has led to rethink new cultivation techniques, as well as reevaluate and turn to alternative crops, they are called so, because they are not normally cultivated and usually are not for human consumption.

But it was noted that, like everything else, whenever you work with something new, new challenges arise that need to be addressed in order to continue. Some of these challenges for alternative crops are not as efficient seeds, lack of machinery for the crop, sufficient demand for purchases, and producers’ fear of a new crop, to name a few.

This situation led to the presentation of a proposal for a flexible production line, which would make the process of obtaining oil for the Jatropha curcas L. plant more efficient. First, the design of each machine, hulling machine and extractor and mixer, was presented, which would promote the technological transformation in the southern zone of the State of Mexico, allowing the field to be mechanized.

At the same time, a flexible manufacturing system design is created, which generates that the machines can work sequentially, or if the process defines it, to be able to modulate them, so that only shelled seed is obtained or oil is obtained, at the same time to be able to make the process fall into the category of precision agriculture, where the critical variables are being monitored constantly and to have control over the states of the process, a situation that has been highly affected by the issue of the pandemic.

It is expected that the process will be more effective and efficient, allowing producers in the area to have a flexible production line and automation to enter the I4.0 range, allowing them to make the most of their harvest.

The issue of the pandemic has slowed down the manufacturing process of the machines, a situation that has not allowed for further progress, even though the designs have already been sent to the producers and so far approved, they are awaiting their manufacture in order to be able to carry out tests and start the selection of the electronic control components.

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