Patricia Torres¹ Andrea Pérez², Luis F. Marmolejo³, José A. Ordóñez⁴, Reniel E. García⁵

¹ Ingeniera Sanitaria, Universidad del Valle; Magíster y Doctora en Ingeniería Hidráulica y Saneamiento, Universidade de São Paulo. Profesora Asociada, Universidad del Valle. Cali, Colombia. patoloz@univalle.edu.co

² Ingeniera Sanitaria y Magíster en Ingeniería, énfasis en Ingeniería Sanitaria y Ambiental; Doctora en Ingeniería (c), Universidad del Valle. Cali, Colombia. perezvid@univalle.edu.co

³ Ingeniero Sanitario y Magister en Administración de Salud, Universidad del Valle. Profesor Asistente, Universidad del Valle. Cali, Colombia. lufermar@univalle.edu.co

⁵ Ingeniero Industrial, Universidad del Valle. Cali, Colombia. evlep@hotmail.com

Artículo recibido 18-III-2010. Aprobado 26-VIII-2010

Discusión abierta hasta junio de 2011

La agroindustria de extracción de almidón de yuca hace parte importante de la economía de Colombia, concentrándose su producción en el departamento del Cauca; el proceso emplea raíces frescas de yuca, agua y energía eléctrica como principales recursos, generando residuos sólidos y líquidos cuyo inadecuado aprovechamiento o vertimiento trae impactos ambientales y económicos. En este estudio se formularon medidas para la optimización de los procesos apoyándose en herramientas como el balance de masa y el estudio de métodos, tiempos y movimientos, considerando el contexto tecnológico y socioeconómico del sector. Los resultados mostraron una eficiencia del proceso entre 51 % y 59 %; se identificó que la etapa de colado presenta el mayor consumo de agua y generación de residuos sólidos (afrecho), la etapa de sedimentación genera la mayor cantidad de residuos líquidos con elevada carga contaminante. Se evidenció la necesidad de estandarizar y optimizar las etapas de lavado-pelado y colado por requerir los mayores tiempos, incrementar la capacidad del rallado (etapa crítica que influye en la eficiencia del proceso y calidad del almidón) y registrar la información del proceso como estrategia de control.

In Colombia, the agroindustry of cassava-starch extraction is an important sector of the country's economy; production is focused in Cauca Department; this process uses fresh cassava-roots, water, and electricity as main resources, generating solid and liquid wastes whose inadequate use or disposal brings environmental and economic impacts. In this study were made measures for process optimization supported by tools such as mass balance and study methods, time and motion, considering the technological and socio-economic context of the sector. The results showed process-efficiency between 51 and 59 %; it was identified that the straining stage has the highest water consumption and solid waste generation (fiber cassava pulp); the starch slurry’s sedimentation stage generates the most amount of liquid wastes with high-pollution load. It evidenced the need to standardize and optimize the washing-peeling and strain stages because they require the largest process times; to increase the grating-rasping machine capacity (this critical stage influences the process efficiency and the final starch quality) besides recording the process information as control strategy.

Los diferentes ecosistemas naturales han sido perturbados como consecuencia de la aplicación de modelos productivos insostenibles en diferentes actividades industriales "clásicas" que han hecho parte del desarrollo industrial mundial, en los cuales la generación de residuos era vista como una consecuencia inevitable del proceso productivo (Fernández y Varsavsky, 2005).

Actualmente en el sector productivo la planificación se orienta hacia la implementación de estrategias productivas que aumenten la eficiencia de sus procesos, optimizando el desempeño del talento y de sus materias primas, aumentando los rendimientos y, por ende, reduciendo la cantidad de residuos generados.

Las estrategias productivas orientadas a prevenir la contaminación se centran en la revisión y modificación de los procesos industriales, con la finalidad de eliminar todas las salidas que no sean producto terminado o material reciclable. En Colombia se ha evolucionado en torno a la Política Nacional Ambiental (Ley 99 de 1993 que creó el Ministerio del Medio Ambiente) que busca la aplicación de modelos productivos de desarrollo empresarial orientados hacia la sostenibilidad, es decir, que busquen el crecimiento económico como fruto del desarrollo de actividades productivas socialmente aceptables, que adopte métodos de producción más limpios, ambientalmente sanos y seguros, y que permita elevar la calidad de vida y el bienestar de la sociedad mediante un aprovechamiento sostenible de los recursos en que se sustenta, de tal manera que logre satisfacer las necesidades humanas actuales y futuras (Ministerio del Medio Ambiente, 1996).

En el marco de los modelos productivos sostenibles, la producción más limpia (PML) se convierte en una estrategia integral preventiva con énfasis en cómo los bienes y servicios pueden ser producidos con el menor impacto ambiental, teniendo en cuenta limitantes económicas y tecnológicas. La PML no corresponde a directrices legales o científicas, sino que obedece a una serie de herramientas como ecoeficiencia, minimización de residuos y prevención de la contaminación (CNPML, 2006; PNUMA, 2006).

Existen herramientas como los estudios de métodos, tiempos y movimientos que favorecen la optimización de los procesos productivos y hacen parte del desarrollo de un modelo sostenible. Este tipo de estudios son técnicas que sirven para calcular el tiempo que necesita un operario calificado para realizar una tarea determinada siguiendo un método preestablecido. El conocimiento de los tiempos permite controlar el funcionamiento de las máquinas (número de paradas y sus causas, programación de cargas, selección de nueva maquinaria, estudiar la distribución en planta, etc.) y determinar el número de operarios necesarios estableciendo planes de trabajo y control de costos de mano de obra. En relación con el producto, el conocimiento de los tiempos sirve para comparar diseños, establecer presupuestos, programar procesos productivos, comparar métodos de trabajo y evitar paradas por falta de material (Argote, Velasco y Paz, 2007).

Respecto al sector agroindustrial del almidón, anualmente en el mundo se extraen unos 60 millones de toneladas de una gran variedad de cultivos (cereales, raíces y tubérculos) para uso en una amplia gama de productos. Un 10 % de ese almidón se produce con las raíces de la yuca, la cual es muy competitiva por contener más almidón por peso seco que cualquier otro cultivo alimentario y porque su almidón es fácil de obtener con tecnologías simples. En América Latina y el Caribe la producción de almidón de yuca se concentra en Brasil y Colombia, casi la totalidad elaborado en fábricas pequeñas y medianas, con mano de obra intensiva y técnicas tradicionales (FAO, 2006).

En Colombia, el almidón de yuca debe competir con el procedente de países como Venezuela, Brasil y Tailandia, cuyos costos de producción hacen que sus precios de venta sean menores (Ospina y Cevallos, 2002). La principal región de Colombia dedicada al beneficio de la yuca para producción de almidón es el norte del departamento del Cauca, que concentra el 80 % de la producción nacional; su extracción se realiza en pequeñas agroindustrias llamadas "rallanderías" (CRC, 2005), la tecnología empleada en ellas no varía mucho entre un sitio y otro y conserva un estilo tradicional. Según su nivel tecnológico, pueden subdividirse como se muestra en la tabla 1.

Los tres recursos básicos (raíces frescas de yuca, agua y energía eléctrica) en la producción del almidón agrio de yuca son escasos en la región y su suministro y calidad no son constantes, lo que influye en el desempeño del proceso productivo; adicionalmente, se generan residuos sólidos y líquidos cuyo inadecuado aprovechamiento o vertimiento trae impactos tanto ambientales como económicos. Aunque no hay reportadas experiencias de implementación de políticas de PML en este sector agroindustrial, es importante resaltar que existen estudios orientados a la evaluación y optimización de algunas etapas del proceso y del tratamiento de los residuos líquidos a escala de laboratorio y piloto (Ayala, 2005; Colin et al., 2007; Pérez, 2007; Cajigas, 2008).

En este artículo se muestra el estudio realizado en el proceso productivo de una rallandería de nivel tecnológico alto ubicada en la vereda La Agustina del municipio de Mondomo, en el norte del departamento del Cauca, orientado a la formulación de medidas para la optimización en el uso de los recursos y la reducción en la generación o el aprovechamiento de los residuos, apoyándose en herramientas como el balance de masa y el estudio de métodos, tiempos y movimientos.

Se realizó la evaluación del análisis del proceso productivo construyendo el diagrama de flujo y el balance de masa, se hizo un estudio de métodos, tiempos y movimientos considerando las operaciones del proceso que tenían una constante relación hombre-máquina y finalmente se formularon propuestas de mejoramiento para optimizar el proceso.

2.1 Evaluación del proceso productivo

Las unidades operativas del proceso productivo fueron subdivididas en fases y etapas, identificando las actividades asociadas y los residuos sólidos y líquidos generados. Para describir las transformaciones de la materia prima e insumos (entradas y salidas) se construyó el diagrama de flujo y se realizó el balance de masa, herramientas que facilitaron la caracterización del flujo de materiales, identificando los puntos de origen y el volumen de los residuos. El balance de masa se realizó con yuca procedente del Eje Cafetero por ser la condición de operación más crítica en términos de generación de residuos (Cajigas, 2008). No se cuantificaron los residuos de las actividades de mantenimiento de equipos por generarse esporádicamente y en cantidades bajas.

La unidad de medida en las entradas (materias primas yuca MP1 y agua MP2) y en los productos y residuos sólidos y líquidos fue el kilogramo por tonelada de yuca procesada (kg /1.000 kg MP1). La composición de MP1, el producto final (almidón) y los residuos sólidos fue expresada en términos de materia seca, y su respectivo contenido de humedad fue medido según APHA, AWWA y WPCF (2005). El agua afluente (MP2) y las aguas residuales fueron aforadas en forma volumétrica. Para la medición de las sustancias de cada muestreo se definieron tres condiciones de cuantificación: directa, indirecta por volumen e indirecta por caudal.

La cuantificación directa correspondió a la masa cuyo peso se determinó directamente por pesaje en una balanza; la cuantificación indirecta por volumen fue la masa determinada mediante la cuantificación del volumen y la densidad, usando la ecuación 1.

m: masa (kg)

ρ: densidad (kg/m³)

V: volumen (m³)

En la cuantificación indirecta por caudal se determinó el peso de agua a partir de la medición volumétrica de caudales y la determinación del tiempo de operación de la unidad, aplicando la ecuación 2.

Donde:

m: masa (kg)

Q: caudal (m³/h)

t: tiempo de operación de la unidad (h)

2.2 Estudio de métodos, tiempos y movimientos

Para establecer los tiempos estándares de cada etapa del proceso se realizó un estudio de métodos, tiempos y movimientos que se concentró en las etapas u operaciones que tenían una constante relación hombre-máquina y un tiempo de ciclo relativamente corto comparado con todas las operaciones que conforman el proceso productivo. Las etapas de selección-despunte y rallado fueron estudiadas en conjunto por los cortos espacios de tiempo en que se realizan y su interdependencia. El procedimiento sistemático usado para el estudio incluyó las siguientes actividades:

• Selección del trabajo. Se consideraron las etapas que forman la línea de extracción de almidón desde el alistamiento de la materia prima (preparación de bultos de yuca para el lavado) hasta el comienzo de la separación física del almidón en los canales de sedimentación.

• Selección del operario. En las visitas realizadas se observaron dos operarios, con similar capacidad y experiencia, encargados de las operaciones.

• Registro de información. Incluyó máquinas, herramientas, manuales, materiales, condiciones de trabajo, operaciones, etc. Se entrevistó al propietario de la rallandería para obtener la información acerca del funcionamiento y los métodos utilizados en cada operación; esta información fue confrontada con la revisión de otros estudios (Ospina y Cevallos, 2002; Torres et al., 2006).

• Número de observaciones o ciclos de estudio (n). Para definir el número de observaciones por realizar se registraron los tiempos observados (TO), con los cuales se obtuvo una media y una desviación estándar muestral. Luego se definió un error de muestreo "k" para cada elemento y un grado de libertad según el número de registros. Esta información fue utilizada en la ecuación 3 (distribución t para n < 30) como base para calcular un "n" muestral, es decir, un tamaño de muestra de tiempos observados que fuera representativa estadísticamente.

Donde:

n: número de observaciones

t: distribución t (n < 30)

k: error de muestreo

x: media aritmética muestral

• Valoración del desempeño. Se ajustó el tiempo normal del operario, teniendo en cuenta aspectos como el nivel de experiencia, formación y velocidad promedio de trabajo; la calificación del desempeño se expresó como un porcentaje del tiempo promedio observado y el tiempo normal y se calculó según la ecuación 4 (CPTS, 2003).

Donde:

TN: tiempo normal calculado a partir del observado

TO: tiempo promedio observado por cada actividad

C: valoración ritmo de trabajo del empleado observado. Escala 75 %-100 %

• Aseguramiento de la medición. Se verificó la información recolectada mediante la comparación con visitas posteriores a la rallandería en estudio, procurando validarla mediante la comparación con diferentes horas del día y con el otro operario, haciendo énfasis en cualquier posible variación de los métodos de trabajo.

• Asignación de suplementos. Corresponde a los periodos de inactividad o interrupciones necesarias del trabajador, para que descanse de la fatiga producida por el propio trabajo, pueda atender sus necesidades personales, etc. (Argote, Velasco y Paz, 2007). Por lo general, se maneja como un porcentaje del tiempo normal y se utiliza para calcular el tiempo estándar (TS) de la operación según la ecuación 5.

Donde:

TS: tiempo estándar calculado a partir del normal

S: suplementos determinados para el tipo y condicionesde trabajo

La tabla 2 muestra los suplementos constantes y variables asignados en cada una de las operaciones del proceso productivo de la rallandería, teniendo en cuenta el tiempo para las necesidades personales, fatiga generada por la operación, las condiciones del puesto de trabajo y lo expuesto por Niebel y Freivalds (2001).

2.3 Formulación de propuestas de mejoramiento

Teniendo como base la evaluación del proceso productivo y el estudio de métodos, tiempos y movimientos, se identificaron las principales causas de ineficiencias productivas y de generación de residuos que permitieran formular estrategias de mejoramiento.

3.1 Evaluación del proceso productivo

Teniendo en cuenta que el principio del proceso de extracción del almidón de yuca se fundamenta en el aislamiento de sus componentes, se clasificó el proceso productivo en las fases mostradas en la figura 1; la tabla 3 detalla las etapas asociadas a cada fase del proceso y las actividades y residuos generados en ellas.

Desde el punto de vista industrial y de acuerdo con el tipo de flujo del producto, el proceso de extracción de almidón de yuca puede considerarse como una producción "en línea" o "por producto", debido a que las operaciones y su distribución están especializadas en la elaboración de un producto definido. Por el tipo de servicio al cliente es una producción "para el mercado", ya que está dirigida al mantenimiento de niveles de inventario determinados por el mercado.

La producción local de yuca no es suficiente para satisfacer la demanda actual de las rallanderías; cuando escasea esta materia prima en el departamento del Cauca, hay que traerla de otras regiones del país como Quindío, Urabá Antioqueño, Llanos Orientales e incluso desde el Ecuador. Es importante resaltar que el tiempo que transcurre entre la cosecha de las raíces y su procesamiento influye considerablemente en su calidad, por lo que se recomienda que ese tiempo no exceda los tres días, ya que puede presentarse el fenómeno DFP (deterioro fisiológico poscosecha), siendo necesario controlar el tiempo de almacenamiento de las raíces además de su calidad y procedencia.

La figura 2 muestra el diagrama de flujo del proceso y los resultados obtenidos en el balance de masa.

El balance de masa muestra que de cada 1.000 kg de yuca procesada (400-350 kg en base seca) se obtienen 231 a 234 kg de almidón agrio (203 a 206 kg en base seca) que representan una eficiencia de producción entre 51 y 59 %, valor cercano a los de procesos productivos más tecnificados como los de Brasil, 56,5 a 62,7 % (Marder et al., 1996) y Tailandia, 60 % (Rakshit, 2002).

El agua (MP2) ingresa al proceso de dos formas, la utilizada en las operaciones de lavado, rallado, colado, tamizado y sedimentación (11.524- 12.368 kg) y el agua contenida en MP1 en forma de humedad (600-650 kg); en la etapa de colado (fase 1) se consume el 65 % del total de agua utilizada en el proceso (8.165-8.981 kg) y en la sedimentación (fase 4) otro 15 % (1.600 kg) ocurriendo en estas etapas la separación del almidón del tejido fibroso y del almidón y el agua.

Aunque los rendimientos en términos de producción de almidón fueron similares a los reportados para industrias más tecnificadas (Fernandes, 2007), en la tecnología utilizada en la rallandería en estudio se utilizan cerca de 9,5-10,3 m³ de agua en total, valores mayores que los reportados por Rakshit (2002), que usan equipos mecánicos más tecnificados como decantadores o hidrociclones en que ambas fases de separación ocurren en la misma unidad, reduciendo el consumo de agua entre 3,6 y 4,2 m³. Otro factor que también favorece un menor consumo de agua por tonelada de yuca procesada es la recirculación de agua de la etapa de lavado y pelado.

Del total de agua que ingresa al proceso, el mayor porcentaje se transforma en residuos líquidos (9.791-10.678 kg) generados en las etapas de lavado -pelado (fase 1), colado (fase 3) y sedimentación (fase 4), siendo esta última la principal etapa generadora (>80 %) cuyo efluente se caracteriza por el elevado grado de contaminación orgánica (DQO = 3.400- 5.400 mg/L) y carbohidratos fácilmente hidrolizables que favorecen su rápida fermentación (acidez = 400-1.500 mg CaCO₃/L) (Pérez, Torres y Silva, 2009).

En cuanto a los residuos sólidos (RS), el material sedimentable generado en la etapa de lavado de las raíces (fase 1) puede ser separado del agua utilizando unidades convencionales de sedimentación. Los RS de selección y despunte, comúnmente mezclados con la cascarilla, pueden aprovecharse en alimentación animal (Marmolejo et al., 2008).

El afrecho obtenido de la etapa de colado y tamizado (fase 3) es el residuo semilíquido que se genera en mayor cantidad (1.520-1.575 kg) con un porcentaje de humedad elevado (94 %) que indica la necesidad de una deshidratación previa para su aprovechamiento. La sedimentación (fase 4) es la segunda etapa generadora de la mayor cantidad de RS (66,3-95,7 kg de mancha), considerados un almidón de mala calidad por sus pobres características de sedimentación, haciendo ineficiente la separación física. Las pérdidas en el secado se deben al efecto del viento, ya que esta etapa se realiza en espacios abiertos.

Marmolejo et al. (2008) mostraron el potencial de aprovechamiento de la cascarilla, el afrecho y la mancha en alimentación animal, por su contenido energético, y en procesos de compostaje, ajustando previamente algunas variables fisicoquímicas (humedad, pH y relación C/N), lo cual podría lograrse mezclándolos con otros residuos.

3.2 Estudio de métodos, tiempos y movimientos

La tabla 4 muestra los tiempos normales y estándares obtenidos en cada una de las actividades asociadas a las etapas evaluadas en el proceso productivo.

Las actividades del proceso que requieren mayor atención del operario son el alistamiento de la materia prima, la alimentación y descargue de máquinas, la inspección y despunte de la yuca, también el tamizado y las actividades complementarias; la más crítica es la inspección y despunte, que en algunas oportunidades es interrumpida u omitida para atender las máquinas de lavado-pelado y colado debido ante todo a la ausencia de un trabajo estandarizado.

La etapa de rallado se consideró como la más crítica del proceso, ya que el porcentaje de extracción de almidón depende de ella; si la masa rallada es muy gruesa, el rendimiento del proceso es bajo y se pierde mucho almidón en el afrecho desechado; si es demasiado fina, los gránulos de almidón perderán densidad, sufrirán deterioro enzimático y la sedimentación será más lenta y producirá mayor mancha. Se observó que por la falta de capacidad del rallo, a veces se acumulan hasta dos cargas de yuca mientras se da respuesta a otras máquinas del proceso, descuidando la inspección de las raíces de yuca a la entrada del rallo.

Con relación a la operación de las máquinas, en la etapa que se requiere mayor tiempo es en el colado, el cual puede llegar hasta 30 minutos dependiendo del tiempo que el operario estime adecuado y de su nivel de ocupación en la atención global del proceso. Se sugiere reducir los tiempos empleados en las etapas de lavado-pelado y colado para aumentar la capacidad productiva de la línea atendida por un solo operario y reducir el desperdicio de recursos. Para ello se recomienda instalar un sistema de control visual con temporizadores y señales luminosas (bombillos) en cada máquina (lavadora y coladora) que le indiquen al operario, con la activación del bombillo, el instante en que debe ser alimentada o descargada la máquina.

Las variaciones en las etapas y los elevados tiempos ratifican la necesidad de estandarización y optimización del proceso productivo en aspectos como la reorganización y sincronización de las actividades. Adicionalmente, el desempeño de cada etapa está asociado a variables como variedad de yuca, tiempo de cosecha, condiciones de corte y limpieza, estado de desgaste del rallo, tiempo de uso de la seda de las coladoras, etc., lo que hace necesaria la construcción de una historia del proceso mediante registros escritos que permitan asociar dichas variables al desempeño de la línea productiva. Por otro lado, se recomienda el uso de controles en los sistemas de distribución del agua (válvulas, registros, grifos) para reducir su consumo y la producción de residuos líquidos, principalmente en la etapa de colado en la cual, de acuerdo con el balance de masa, se consume la mayor parte.

La tabla 5 muestra las propuestas de mejoramiento recogidas a partir de la evaluación del proceso productivo y el estudio de métodos, tiempos y movimientos.

Además de las propuestas de mejoramiento planteadas en cada una de las etapas del proceso, se proponen las siguientes estrategias: (i) formulación de un plan de mantenimiento preventivo en máquinas e instalaciones; (ii) definición de un programa de capacitación y sensibilización al personal de la planta relacionado con el uso racional del agua y energía y con aspectos de salud ocupacional; (iii) reutilización del agua residual de algunas áreas del proceso; (iv) aprovechamiento del agua lluvia; (v) instalación de equipos y dispositivos ahorradores de agua.

El balance de masa del proceso productivo mostró una eficiencia entre el 51 y 59 %, siendo la etapa de colado la de mayor consumo de agua y generación de residuos sólidos, representados en el afrecho. La etapa de sedimentación es la que genera la mayor cantidad de residuos líquidos con elevada carga orgánica, que requieren un tratamiento previo para su disposición final en un cuerpo hídrico.

Se evidenció la necesidad de optimizar los tiempos y estandarizar las etapas de lavado-pelado y colado, además de incrementar la capacidad del rallado y llevar el registro de la información como una herramienta económica que puede permitir en el futuro un mejor control de las variables en cada etapa del proceso. Las estrategias de aprovechamiento de la cascarilla, el afrecho y la mancha en la alimentación animal y el compostaje se constituyen en una alternativa viable para dar valor agregado a estos residuos.

Se recomienda implementar estrategias de PML que mejoren el proceso productivo y favorezcan el incremento de la productividad, logrando la disminución de la contaminación ambiental por contar con opciones de reutilización, minimización y tratamiento de los residuos. En el proceso de extracción de almidón de yuca se pueden lograr beneficios económicos con la optimización de los procesos y el aprovechamiento de materias primas y residuos, además de lograrse impactos positivos sobre la comunidad y el ambiente por el adecuado manejo, el tratamiento y disposición de los residuos sólidos y líquidos.

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