Scholarly article on topic 'Situación actual y perspectivas futuras del control del proceso de elaboración del aceite de oliva virgen'

Situación actual y perspectivas futuras del control del proceso de elaboración del aceite de oliva virgen Academic research paper on "Political Science"

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{"Control de procesos" / "Modelado de sistemas" / "Automatización de procesos"}

Abstract of research paper on Political Science, author of scientific article — P. Cano Marchal, J. Gómez Ortega, D. Aguilera Puerto, J. Gámez García

Resumen En este trabajo se presenta la situación actual y perspectivas de futuro del control del proceso de elaboración del aceite de oliva virgen. Dentro del estado actual se muestra, por un lado, un análisis de los trabajos previos de investigación que tratan sobre esta problemática. Por otro lado se recogen los resultados de una encuesta realizada a nivel de toda España para conocer, de forma precisa y real, cuál es el grado de automatización actual de dicho proceso. Finalmente se indican cuáles serán, a juicio de los autores y dentro del campo de la automática, las futuras líneas de investigación de este campo.

Academic research paper on topic "Situación actual y perspectivas futuras del control del proceso de elaboración del aceite de oliva virgen"

Disponible en www.sciencedirect.com

ScienceDirect

Revista Iberoamericana de Automática e Informática industrial 8 (2011) 258-269

R I A I

www.elsevier.es/RIAI

Situación actual y perspectivas futuras del control del proceso de elaboración del aceite de oliva virgen

P. Cano Marchal*, J. Gomez Ortega, D. Aguilera Puerto, J. Gámez García

Grupo de Robotica, Automática y Vision por Computador de la Universidad de Jaén, 23071 Jaén, España.

Resumen

En este trabajo se presenta la situacion actual y perspectivas de futuro del control del proceso de elaboracion del aceite de oliva virgen. Dentro del estado actual se muestra, por un lado, un analisis de los trabajos previos de investigacion que tratan sobre esta problematica. Por otro lado se recogen los resultados de una encuesta realizada a nivel de toda Espana para conocer, de forma precisa y real, cual es el grado de automatizacion actual de dicho proceso. Finalmente se indican cuales seran, ajuicio de los autores y dentro del campo de la automatica, las futuras líneas de investigacion de este campo. Copyright © 2011 CEA.

Palabras Clave:

Control de procesos, Modelado de sistemas, Automatizacion de procesos.

1. Introducción

La elaboracion de aceite de oliva es una actividad economica en crecimiento de gran relevancia a nivel mundial. La produccion media mundial entre las campanas 2003/04-2008/09 se situo en 2.817.500 toneladas de aceite, lo que supone un incremento de un 11 % respecto al periodo 1997/98-2002/03. La principal region productora es la cuenca mediterránea con mas del 90 % de la produccion mundial, destacando la Union Europea (75.8 %), Tunez (6.5 %), Siria (4.5 %) y Turquía (4.2 %). Fuera de la cuenca mediterránea comienzan a adquirir relevancia países en los cuales no estaba tan arraigado el cultivo del olivo, como Argentina (0,7 %), Australia (0,3 %) y Chile (0,2 %). Dentro de la Union Europea, Espana es el principal país productor de aceite de oliva, con una produccioí n media para el periodo 2003/04-2008/09 de 1.100.700 toneladas, montante que representa el 39 % de la produccion media mundial (COI, 2009).

El proceso de elaboracioí n de aceite de oliva virgen ha evolucionado significativamente a lo largo de los anos en Espana. La tecnica tradicional utilizada en las almazaras, como se denomina a las fabricas en que se elabora el aceite de oliva virgen, consistía en molturar la aceituna en molinos de piedra llamados empiedros, batir la pasta en una batidora y extraer el aceite prensando la pasta obtenida de las etapas anteriores. Este proceso era discontinuo y requería gran cantidad de mano de obra

*Autor en correspondencia

Correos electrónicos: pcano@ujaen.es (P. Cano Marchal), juango@ujaen.es (J. Gomez Ortega ), aguilera@andaltec.org (D. Aguilera Puerto), jggarcia@ujaen.es (J. Gamez García)

para llevarlo a cabo (Ortega Nieto, 1943). En los anos 70 del siglo XX comienza la instalacion en las almazaras de los llamados sistemas continuos, que cambian las prensas por decanters que permiten extraer el aceite del resto de la pasta mediante centrifugacion y los empiedros son sustituidos por molinos metalicos que permiten operar en continuo (Fuentes and Nickel, 2003). Estos primeros decanters se conocen como decanters de tres fases debido a que en ellos había tres salidas de productos: aceite, alpechín (fase acuosa) y orujo (fase solida). Este tipo de sistemas requería la adicion de gran cantidad de agua y generaba, por tanto, gran cantidad de alpechín, lo que suponía un problema medioambiental serio, puesto que se trata de un residuo de elevada carga contaminante (Alba, 1997). A principios de los noventa se introduce un nuevo tipo de decanter: el decanter de dos fases. Este sistema se diferencia de las tres fases en que no es necesaria la adicion de grandes cantidades de agua al decanter y en que presenta unicamente dos salidas: aceite y alpeorujo u orujo de dos fases, que estaí formado por el alpechín y el orujo. La instalacion generalizada de estos sistemas continuos ha permitido incrementar la capacidad de proceso de las almazaras de forma simultanea a la reduccion del personal necesario para operar la instalacion. Paralelamente al cambio tecnico, comienza a hacerse patente la importancia de mejorar la calidad de los aceites (Civantos, 1998), lo que supone un incremento en los esfuerzos de investigacioí n en esta materia. La promocion de la investigacion sobre elaboracion de aceite de oliva virgen y la transferencia al sector de buenas practicas de elaboracion efectivamente han supuesto un incremento en el nivel medio de la calidad de los aceites obtenidos

© 2011 CEA. Publicado por Elsevier España, S.L. Todos los derechos reservados doi:10.1016/j.riai.2011.06.013

(Uceda et al., 2006). A pesar de estos cambios significativos, la investigación, el desarrollo y la transferencia al sector de metodologías y tecnicas de control automatico es un campo en que existe aUn un gran margen de desarrollo.

La elaboracion de aceite de oliva virgen es un proceso que consta de varias etapas, depende de un elevado numero de variables tecnologicas y presenta diversos objetivos de control. Se trata, por tanto, de un proceso físico complejo en el cual es necesario el concurso de operarios especializados y experimentados para explotar la instalacion de forma satisfactoria. En este contexto, cabe resaltar las diferencias en las mejoras potenciales derivadas de la aplicacion de tecnicas de automatizacion y control automatico al proceso de elaboracion de aceite de oliva virgen. La automatizacioí n de la maquinaria de la almazara permite simplificar la operacion de la planta y reducir el personal necesario para su funcionamiento. El arranque asistido de la instalacion y el pesado y la generacion automatica de albaranes en el patio son ejemplos que ilustran lo comentado. Por su parte, como paso previo al control propiamente dicho, la instalacion de sensores y su integracion en un sistema SCADA permite disponer de mayor informacioí n sobre variables representativas del proceso, lo que a su vez faculta a los responsables a mejorar la operacion de la planta. Así, disponer de toda la informacion de temperaturas, caudales, consumos electricos, etc. en un unico punto permite obtener de forma mas intuitiva una vision global del proceso y detectar con agilidad los problemas y desviaciones sufridos por el mismo. La implementacion de bucles de control de bajo nivel sobre variables claves del proceso supondría un paso adicional que permitiría asegurar el funcionamiento de la planta en los valores consignados por los responsables, lo que a su vez posibilitaría mejorar significativamente el resultado de la operacion de la almazara al tiempo que se rebajaría el nivel de supervision requerido por parte de los operadores. En este estadio, el usuario tínicamente debería cambiar las consignas de las variables en funcioí n del fruto y del objetivo de control buscado, sin ser necesaria la supervision continua por parte del mismo para asegurar que las variables efectivamente alcanzan los valores deseados y no se desvían de los mismos. Finalmente, la utilizacion de estrategias de control de alto nivel permitiría establecer automaticamente la referencia a los lazos de bajo nivel de forma consistente con los objetivos de control globales, favoreciendo una mejora integral del proceso. Sin embargo, el nivel de desarrollo de sistemas de control automatico para la elaboracion de aceite de oliva es aun escaso, y la implantacion en el sector de estas tecnicas no es generalizada. En cambio, sí se aprecia un incremento en la utilizacion de sistemas que permiten la teleoperacioí n de la planta.

El objetivo de este artículo es realizar una revision del estado del arte sobre automatizacion y control de almazaras desde un punto de vista tanto científico como industrial. Así, la sec-cioí n 2 muestra una breve descripcioí n del proceso de elaboracion de aceite de oliva virgen. La seccion 3 describe cuales son los objetivos de control de la planta para posteriormente identificar las variables tecnologicas relevantes del proceso y su influencia en dichos objetivos. La seccion 4 realiza una revision de la bibliografía existente sobre la automatizacion y el control de almazaras, así como de la tecnología de sensores disponi-

Figura 1: Pasta de aceituna.

bles. La seccion 5 se centra en la descripcion de la situacion actual del grado real de automatizacion de las almazaras existentes en Espana, para lo que se expone el diseno de la encuesta utilizada y se discuten los resultados obtenidos. Esta seccion supone una continuacion y extension de la encuesta realizada anteriormente en la provincia de Jaen, y cuyos resultados se recogieron en (Aguilera and Ortega, 2005). Finalmente, la seccion 6 muestra el punto de vista de los autores sobre las futuras líneas de trabajo relacionadas dentro de este campo del control. Finalmente, en la seccion 7 se presentan las conclusiones generales de este estudio.

2. Descripción del proceso de elaboración de aceite de oliva virgen

El proceso de elaboracioí n de aceite de oliva virgen comienza con la recepcion en la almazara del fruto. Este suele ser recibido con cantidades apreciables de tierra, piedras, ramas y hojas, por lo que es necesario separar el fruto del resto de elementos que lo acompanan. Una vez limpia, la aceituna se muele para formar la denominada pasta que se procesaraí para extraer el aceite. La finalidad de la molienda es romper las ceílulas en que estaí ocluido el aceite y permitir su liberacioín.

La pasta estaí formada por trozos de hueso, pulpa, agua y gotas de aceite. Esta pasta presenta una estructura que no favorece la extraccion del aceite de la misma debido a dos factores: el pe-queno tamano de las gotas de aceite y la existencia de microge-les formados por restos de tejidos y agua que retienen pequenas gotas de aceite (Civantos, 1998). Para corregir esta situacion, la pasta pasa a una batidora (elemento 4 en la figura 3) en la que se calienta para reducir la viscosidad de la misma mientras unas palas la remueven lentamente para permitir la agregacioí n de las gotas y la ruptura de los geles. En la figura 1 se puede observar la pasta en la batidora y las palas. En la batidora se pueden anadir coadyuvantes (actualmente, unicamente micro-talco natural y agua) para facilitar la adecuacion de la pasta a las condiciones requeridas para su procesado.

Una vez batida, la pasta se inyecta al decanter (elemento 5 en la figura 3), mostrado en la figura 2: una centrífuga hori-

ref. agotamiento +

CONTROLADOR variables tecnológicas K ALMAZARA

agotamiento

Figura 2: Decánter.

zontal en la que se produce la separación del aceite y del orujo debido a la diferencia de densidades entre ambos componentes. El orujo es el subproducto generado por el decanter, y esta formado por la fase acuosa y los solidos del fruto junto con la fraccion de aceite que no ha sido posible extraer.

El aceite que sale del decanter presenta un nivel elevado de humedad e impurezas solidas que afecta negativamente a su conservacion, por lo que es necesario separar estos elementos del aceite previamente a su almacenamiento. Para llevar a cabo esta separacion actualmente hay dos opciones con implantacion practica. La primera consiste en centrifugar el aceite en una centrífuga vertical (elemento 6 en la figura 3) con adicion de agua. La segunda opcion es decantar el aceite por accion de la gravedad en depositos de acero inoxidable disenados específicamente para esta operacion. Tras cualquiera de los dos metodos, el aceite presenta ya unas condiciones adecuadas para su almacenamiento en bodega.

3. Caracterización del proceso desde el punto de vista del control

3.1. Objetivos de control

En la elaboracion de aceite de oliva virgen se pueden diferenciar dos objetivos globales de operacion:

1. La obtencion de la maxima cantidad posible de aceite, mediante la maximizacion del agotamiento del alpeorujo

OBJ1 : Max(Xo)

2. La obtencion de la maxima calidad posible de aceite (Co).

OBJ2 : Max(Co)

Como cabe esperar, ambos objetivos presentan una dicotomía: la configuracion de parámetros de la planta que permite mejorar la calidad del aceite lastra la cantidad obtenida del mismo, mientras que operar la planta para incrementar la cantidad de aceite (mejorar el agotamiento) supone, en general, un decremento en la calidad del mismo (Giovacchino et al., 2002).

Figura 4: Esquema de control del proceso de elaboracion de aceite de oliva

virgen.

Ahora bien, la calidad del aceite de oliva virgen extraído depende fuertemente de las condiciones del fruto de entrada (Herrera, 2007). No se puede obtener un aceite de calidad si el fruto que se va a procesar no reiine las condiciones adecuadas. Por tanto, el primer paso para seleccionar los parámetros de control del proceso es determinar el objetivo de elaboracion que se busca teniendo en cuenta las condiciones del fruto del que disponemos: rendimiento de extraccion o calidad del aceite obtenido. La figura 4 muestra un esquema de control del proceso.

La calidad del aceite de oliva virgen esta determinada por los valores de una serie de índices químicos (acidez, peróxidos y demas determinaciones establecidas por el reglamento CE 2568/91) y por las características organolepticas del aceite. En los ultimos anos se esta prestando incipiente atencion al contenido en polifenoles del aceite, debido a la publicacion de estudios que relacionan la concentracion de estas sustancias en el aceite de oliva virgen con gran parte de sus propiedades beneficiosas para la salud (Covas et al., 2006; Tripoli et al., 2005). Todos estos parámetros de calidad vienen determinados tanto por las condiciones propias del fruto (variedad, estado de madurez y condiciones agronomicas, principalmente)(Uceda and Hermoso, 1997), como por las condiciones de conservacion del fruto y de elaboracion del aceite. Sin embargo, las características organolepticas del aceite y el contenido en polifenoles son mas sensibles a las condiciones de elaboracion que el resto de parámetros químicos, por lo que en este artículo, cuando nos refiramos a la influencia en la calidad del aceite obtenido, nos estamos refiriendo a la influencia en las cualidades organolepticas del aceite.

3.2. Variables tecnológicas e influencia cualitativa en los objetivos

Las principales variables tecnologicas que influyen en el proceso de elaboracion son:

1. Grado de molienda (GM). El grado de molienda indica el tamano medio en que quedan las partes mas duras de la pasta. Una molienda demasiado gruesa supone una rotura debil de los tejidos que desemboca que un decremento del agotamiento. Por otra parte, una molienda demasiado fina provoca un mayor incremento de la temperatura de la pasta que repercute negativamente en la calidad del aceite, y puede generar mayor cantidad de emulsiones en la pasta que merman el agotamiento. Adicionalmente, una molienda demasiado fina genera problemas de atranques en el molino e incrementa el consumo energetico (Civan-tos, 1998).

calidad

Figura 3: Esquema clasico de una almazara para la elaboracion de aceite de oliva virgen.

2. Temperatura (Tb) y tiempo de batido (tb). Estos parametros son, quizas, los mas determinantes en la calidad del aceite que se va a obtener. El incremento de la temperatura de la pasta en la batidora reduce la viscosidad de la misma, lo que favorece la agregacion de las gotas de aceite y, por tanto, mejora el rendimiento de extraccioín. Por otro lado, el aumento del tiempo de batido tambieín favorece el cambio en la estructura de la pasta que permite incrementar el agotamiento del orujo. Ahora bien, ambos parámetros repercuten negativamente en la calidad del aceite obtenido, puesto que el aumento de la temperatura acelera la velocidad de las reacciones que tienen lugar en la batidora y favorece la perdida de componentes volatiles.

3. Composicion y estructura de la pasta a la salida de la batidora (Cbm). En el batido de las denominadas pastas difíciles, que son aquellas pastas que presentan dificultades para la extraccioí n del aceite, se hace necesario el uso de coadyuvantes (microtalco natural y, en su caso, agua) para mejorar el comportamiento de las mismas. Una preparacion de la pasta deficiente conlleva incrementos sustanciales del aceite contenido en el orujo, mientras que la adicioí n de coadyuvantes no presenta influencia en la calidad de los aceites obtenidos (Cert et al., 1996).

4. Grado de humedad de la pasta en decanter (Hd). Este parámetro tiene una gran relevancia en el agotamiento, puesto que va a determinar los espesores de los anillos dentro del decanter y, por tanto, las condiciones de funcionamiento de la maquina.

5. Tiempo de residencia en decánterfe). El tiempo de residencia en el decánter viene determinado por el ritmo de producción establecido, que generalmente se ve impuesto por la entrada de aceituna a la almazara y la capacidad de la instalacion. Operar el decanter a ritmos superiores a los recomendados supone una perdida importante de grasa en el orujo.

6. Parámetros propios de la operacion dentro del decanter. La velocidad diferencial tornillo-bol (Aw) y la altura de descarga de la fase oleosa (ri) determinan la anchura de los distintos anillos dentro del decanter (Leung, 1998). Una eleccion correcta de estos parámetros permite mejorar el agotamiento sin influir en la calidad del aceite obtenido.

7. Parámetros propios de la operacion de la centrífuga vertical. La temperatura del agua de adicion se debe ajustar a la temperatura del aceite para no afectar a sus propiedades organolepticas y evitar la formacion de emulsiones que induzcan la perdida de aceite con las aguas de lavado. Igualmente, el caudal de agua se debe ajustar al de aceite para el buen funcionamiento de la maquina en terminos de perdidas. Finalmente, la frecuencia de descarga de las borras acumuladas es un parámetro importante puesto que influye en la calidad del aceite obtenido y en las perdidas de aceite en la operacion.

8. Parámetros propios de la decantacion en depositos de acero inoxidable. El parámetro principal es el tiempo de residencia del aceite en los depositos y la frecuencia de las purgas de las borras. Un tiempo de residencia escaso su-

Figura 5: Diagrama de bloques del proceso de elaboracioí n de aceite de oliva virgen, donde cada bloque G representa un regulador.

pone que el aceite permanezca con un nivel elevado de humedad e impurezas, mientras que un tiempo de residencia demasiado alto y una frecuencia de purgado deficiente puede suponer perjudicar las características organolepticas del mismo.

La figura 5 muestra un diagrama de bloques del proceso y la tabla 1 recoge todas las variables implicadas. Por su parte, lo anteriormente expuesto sobre las variables tecnologicas se resume en la tabla 2.

Finalmente, hay que destacar que no todas las variables que influyen en las salidas de la planta son susceptibles de ser manipuladas en continuo, ni todas son susceptibles de ser manipuladas directamente. Variar el grado de molienda (GM) y la altura de salida de la fase oleosa (r1) supone tener que parar la operacion y realizar cambios en componentes mecanicos del molino y el decanter, respectivamente. La velocidad diferencial tornillo-bol (Aw) sí es susceptible de ser utilizada como variable manipulada, pero no todos los decanters admiten esta posibilidad. Por su parte, la temperatura de salida de la pasta de la batidora (Tb) y el tiempo de batido (tb) no son variables directamente manipulabas, si bien sí son susceptibles de ser controladas automaticamente. Finalmente, los caudales de entrada al decanter (Qd, Qad¡) sí son variables susceptibles de ser manipuladas.

Así, una formulacion general del problema del control global de una almazara sería:

Max c1 Xo + c2Co

Co - f(CF, GM, Tb, tb)

Xo - g(CF, Gm, Tb, tb, Ac, Hd, ri, Aw, Qd)

Si definimos la variable condiciones de la pasta (Cm) como un resumen de las propiedades reoloí gicas y de calidad de la

misma llegamos a:

C¡m = f1(CF, GM)

Cbm = f2(Cm, Tb, tb, Ac)

Xo = MCi, Hd, Qd, Aw, n)

Co = f4(Cm)

Teniendo en cuenta que la temperatura de la pasta en la batidora (Tb), el tiempo de batido (tb) y la humedad de la pasta en el decanter (Hd) no son variables directamente manipulables:

Tb = h^, qv^ uvc, Tac, Taf)

tb = f6(Ql Qd)

Hd = fl(Qi, Qa,d, xi)

donde Qbm es el caudal de inyeccion de pasta a la batidora, uvc es la apertura de la valvula de calefacción de la batidora, qvc es el caudal de agua de calefaccion, Tac y Taf son las temperaturas del agua caliente y fría respectivamente y xm es el contenido en agua de la pasta a la salida de la batidora.

4. Estado actual

A nivel científico, el control automatico de una almazara es un problema que, si bien se ha tratado, esta aiin abierto a multiples aportaciones. De hecho, de los objetivos de operacion planteados anteriormente, el unico que ha sido tratado explícitamente es la mejora del agotamiento del alpeorujo Xo.

Dentro del control a bajo nivel de las distintas etapas de elaboracion, cabe destacar el controlador propuesto por Bordons y Cueli para la temperatura de salida de la masa de la batidora (Tb) (Bordons and Cueli, 2004). En este artículo se construye un modelo no lineal de la batidora a partir de las ecuaciones termodinamicas que rigen su comportamiento, se ajustan los parámetros del mismo mediante un procedimiento de validation RMS (Ljung, 1999) y se valida el modelo con datos

s.a. Xo < X

Co < Cmax

Tabla 1: Variables tecnológicas del proceso de elaboración de aceite de oliva virgen.

Variable Denominacion

CF Características del fruto

Gm Grado de molienda

T 1 m Temperatura de la pasta a la salida del molino

r^m m Características de la pasta a la salida del molino

Cb ^m Características de la pasta a la salida de la batidora

Ac Adicion de coadyuvantes

Tb Temperatura de la pasta a la salida de la batidora

T 1 ac Temperatura del agua caliente

Taf Temperatura del agua fría

Tab Temperatura del agua de calefaccion

Apertura de la valvula de calefaccion

Qb m Caudal de inyeccion de pasta a la batidora

h Tiempo de batido

Vb Volumen de la batidora

Hd Humedad de la pasta a la entrada al decanter

ri Altura salida de la fase oleosa del decanter

Aw Velocidad diferencial tornillo-bol

Qd Caudal de inyeccion de pasta al decanter

Qa,d Caudal de inyeccion de agua al decanter

X0 Agotamiento del alpeorujo

Co Calidad del aceite

Tabla 2: Variables e influencia en agotamiento y calidad.

Variable Influencia Influencia

agotamiento calidad

Grado de molienda (GM) Sí Sí

Temperatura (Tb) y tiempo de batido (tb) Sí Sí

Adicion de Sí No

coadyuvantes(Ac)

Caudal de entrada pasta al Sí No

decanter (Qd)

Humedad de la pasta en el Sí No

decanter (Hd)

Velocidad diferencial (Aw) y Sí No

altura de descarga (r1)

Temperatura agua adicion en la centrífuga vertical Sí Sí

Frecuencia de descargas en Sí Sí

la centrífuga vertical

Tiempo residencia en Sí Sí

depositos decantadores

obtenidos en una planta real. A continuación se acomete la obtención de un modelo lineal mediante la realization de ensayos en escalon sobre el modelo no lineal e identification del sistema. Una característica importante del proceso es la existencia de retrasos importantes en la dinamica de la temperatura y la rapidez en la dinamica de las perturbaciones que afectan a esta variable. En este escenario, se propone un controlador MPC (Model Predictive Control (Camacho and Bordons, 2004)) que se mejora con la introduction de un modelo de prediction auto-regresiva de las perturbaciones, dado el carácter predecible de las mismas. Finalmente, se compara los resultados obtenidos de la aplicacioí n del controlador propuesto en una planta real con los ofrecidos por un controlador PID con feedforward y se evidencian las mejoras obtenidas.

En un artículo posterior, para el control global de la almazara, y con el objetivo de maximizar el rendimiento de extraccioí n mediante la mejora del agotamiento del alpeorujo (Xo), Bordons y Nunez-Reyes proponen un controlador MPC (Bordons and Nunez-Reyes, 2008). Toman como variables manipuladas la temperatura de agua de calefaccion de batidora (Tab), el caudal de entrada de masa al decanter (Qd) y el caudal de agua de entrada al decanter (Qa,d). Como salida del sistema toman el caudal de aceite de salida y utiliza un modelo multivariable basado en sistemas de primer grado con retardos que identifica directamente sobre la planta. Esta aproximacion al problema

tiene las ventajas de poder realizar un control multiobjetivo y la sencillez al tratar el sistema como multivariable. La consideracion de la influencia en la calidad de las variables tecnologicas se traduce en la introduccion de restricciones en el rango de temperaturas aceptables para la batidora.

Uno de los problemas que se plantean en el control automatico de almazaras es la dificultad de disponer de la informacion necesaria sobre el proceso. En efecto, para poder adaptar las condiciones de operacion de la planta desde un punto de vista global sería necesario conocer las características del fruto de entrada, las características de la pasta en la batidora, la composicion y caudal de los flujos de entrada y salida del decanter, etc. Para controlar la almazara con el objetivo de maximizar la calidad sería necesario poder medir esta variable, que en general sería una combinacion de los valores de distintos parámetros químicos y organolepticos. Muchas de estas variables son cualitativas y difíciles de medir en línea, por lo que la utilizacioí n de medidas indirectas o el empleo de tecnicas de fusion sensorial se intuyen como alternativas necesarias para poder estimar los valores de los parámetros. Una tecnología de sensores importante para el control automatico de almazaras son los sensores NIR (Near Infrared Spectrocopy), puesto que esta tecnica permite construir sensores para estimar la humedad y contenido graso de la pasta y del orujo. Ademas, permite caracterizar el aceite obtenido del proceso en terminos de calidad estimando una serie de parámetros químicos, como son la acidez, el índice de peróxidos, K270 y el contenido en polifenoles totales (Hermoso et al., 1999). La utilizacion de este tipo de sensores conjuntamente con redes neuronales permite mejorar los datos obtenidos de este tipo de sensores (Jimenez et al., 2008, 2005), lo que unido a la posibilidad de emplear estos sensores para mediciones en línea los convierte en herramientas fundamentales para el control automatico de la almazara.

Otra tecnología de sensores de relevancia son las matrices de sensores voltimetricos, que permiten evaluar el contenido en polifenoles de un aceite (Rodríguez-Mendez et al., 2008). La construccion de sensores en línea con esta tecnología puede facilitar informacioí n muy valiosa para el control de las almazaras con el objetivo de maximizar la calidad de los aceites obtenidos, puesto que permiten obtener informacioí n sobre paraímetros sensibles al proceso de elaboracioín y muy relacionados con la calidad del aceite. En este sentido, Esposto et al. han aplicado este mismo tipo de sensores para monitorizar en línea la acumu-lacioín de componentes volaítiles en la batidora (Esposto et al., 2008), lo que abre las puertas a su utilizacion para el control automaí tico de la almazara.

La primera referencia de utilizacioí n de redes neuronales para construir un sensor virtual se encuentra en (Bordons and Zafra, 2003), donde se diseña e implementa una red neuronal para inferir el agotamiento (Xo) y la humedad del alpeorujo. La utilizacion de redes neuronales para inferir características del aceite producido a partir de características del fruto de entrada y los paraímetros del proceso se puede consultar en (Furferi et al., 2007), así como el uso de vision artificial para captar informacion de las aceitunas de entrada, en este caso el índice de madurez. En la misma línea de prediccion del comportamiento de la instalacion a partir de redes neuronales, Jimenez et al. construyen una red neuronal para predecir el agotamiento del orujo (Xo) a partir de variables propias del fruto (contenido de grasa y humedad) y variables tecnoloí gicas como la temperatura de batido (Tb), la adicioín de microtalco (Ac), el caudal de entrada de pasta en el decaínter (Qd), la humedad de la pasta (Hd) y la altura de salida de aceite del decaínter (r1) (Jimeínez et al., 2009). Estos artículos presentan las bases para la cons-truccioí n de sensores virtuales que permitan incluir variables en los bucles de control que de otra forma no sería posible medir en línea.

5. Nivel actual de control del proceso en España

Con el objetivo de evaluar el nivel actual de automatizacioí n de las almazaras españolas, se realizo una encuesta en toda Espana sobre la implantacion de las diferentes tecnologías de au-tomatizacioí n y control disponibles actualmente en el mercado. A continuacion se detallan el diseño de la encuesta y los resultados mas destacables obtenidos de la misma.

5.1. Diseño de la encuesta y muestra de trabajo

La encuesta se estructura en tres secciones principales. La primera seccioí n recaba informacioín sobre la estructura de la entidad: forma jurídica y tamaño, de manera que se pudiera estudiar las diferencias y tendencias encontradas en el grado de automatizacioí n de las entidades de acuerdo a estos paraímetros. La segunda parte, que conforma el nuícleo de la encuesta, inquiere sobre la disponibilidad de las diferentes tecnologías de automatizacioí n en cada estadio del proceso de elaboracioín, para lo que se realizoí una revisioín exhaustiva sobre las teícnicas disponibles de cada fase del mismo. Este listado se transformo en preguntas cerradas de respuesta sí o no sobre la implantacion

Tabla 3: Distribucion de almazaras por comunidades autónomas en España.

Comunidad Autónoma Núm. de Almazaras

Andalucía 819

Aragon 103

Baleares 11

Castilla-La Mancha 241

Castilla y Leon 15

Cataluña 203

Extremadura 117

Madrid 19

Murcia 38

Navarra 16

País Vasco 4

La Rioja 22

C. Valenciana 129

en la entidad de cada teícnica en concreto, agrupadas por estadio de elaboracioí n. Finalmente, el uíltimo apartado se interesa por el período en que se acometieron las inversiones y por las ventajas, inconvenientes y necesidades futuras que el encuesta-do encuentra en la automatizacioí n de la almazara. Para recoger estos datos, de forma anaíloga al apartado anterior, se plantean preguntas cerradas sobre cada uno de estos temas. En todos los apartados de la encuesta se incluyen tambieín preguntas abiertas que permiten al encuestado incluir sistemas de automatiza-cioí n y control, ventajas o problemas diferentes a los recogidos explícitamente durante el diseño de la encuesta.

A partir de estos datos recogidos en las encuestas, los distiñ-tos grados de automatizacioí n se han calculado como el nuí mero de teícnicas efectivamente implementadas sobre el total de teícni-cas disponibles para cada caso, como se recoge en la foí rmula:

Hí-1 si ñ ■ t

donde si es el numero de tecnicas implemeñtadas en la encuesta i, t es el nuí mero total de teícnicas y n es el nuí mero total de encuestas. Así, para el calculo del grado de automatizacion global de la almazara, t es el nuí mero total de teícnicas existentes, mientras que, por ejemplo, para el caílculo del grado de auto-matizacioí n del patio, t representa todas las teícnicas aplicables a esta parte del proceso.

En España, seg!n datos de la Agencia para el Aceite de Oliva del año 2009, hay 1.737 almazaras (Agencia para el Aceite de Oliva, 2009); distribuidas por regiones como se recoge en la tabla 3. La encuesta fue enviada a cada una de estas almazaras, segun el listado obtenido de la pagina web de la Agencia del Aceite de Oliva. Del total de encuestas remitidas se recibieron 292, lo que supone un porcentaje de respuesta del 17,68 %.

La distribucioí n de las encuestas recibidas, agrupadas por zona y tipo de entidad, se puede consultar en la figura 6. Como cabía esperar dado su gran cantidad de entidades, Andalucía es la regioín con mayor nuímero de encuestas recibidas con algo mas del 55 %, seguida por Cataluña y Castilla-La Mancha. Respecto al tipo de almazara, el 57 % de las encuestas corresponde a empresas cooperativas, frente al 43 % de empresas privadas.

70,00% 60,00% 50,00% 40,00% 30,00% 20,00% 10,00% 0,00%

П'51% 9,7!% 7

MOLIENDA B0DEGA

CENTRIFUGADO 11%

CENTIFRUGADO 13%

Figura 6: Distribución de encuestas recibidas en función de la comunidad autónoma.

Figura 8: Distribución de tecnicas de automatización disponibles.

.Entre 0 y 250 % Entre 250 y % Entre 500 y % Entre 1000 y % Entre 2000 y % Más de 5000 Tn. 500 Tm. 1000 Tm. 2000 Tm. 5000 Tm. Tm.

Figura 7: Distribución de encuestas recibidas en función del tamaño.

MOLIENDA B0DEGA

CENTRIFUGADO 11%

Figura 9: Distribución de tecnicas de automatización implementadas.

Por comunidades autónomas, se observa tambien para cada caso un mayor numero de empresas cooperativas, salvo para la Comunidad de Madrid, Navarra y Castilla y Leon.

Por otra parte, atendiendo al tamano de las entidades participantes, destacan las empresas con pequena capacidad de molturaron anual (0-250 Tm.) con un tercio de las encuestas recibidas, mientras que almazaras de gran capacidad ( maís de 5000 Tm.) únicamente representan el 5 % del total.

5.2. Sistemas automáticos de mayor implantación

En este apartado se presentan los resultados más significativos sobre el nivel de implementacion de las distintas tecnicas disponibles en el mercado. La figura 8 muestra la distribu-cioí n de teícnicas disponibles por estadio del proceso, y el graífi-co 9 refleja el porcentaje de implementacion real. Se observa que el mayor nuímero de teícnicas disponibles se corresponde al decanter, pero que el mayor numero de tecnicas efectivamente implementadas corresponde al patio.

El graífico 10 recoge el grado de automatizacioí n de cada etapa del proceso de elaboracioín y resalta la tendencia reflejada en las dos graíficas anteriores: el patio destaca claramente como la zona con un mayor grado de automatizacion. A continuacion, en torno al 40 % de implementacion se encuentran la batidora,

la envasadora y el decanter. Finalmente, en el entorno del 30 % se encuentran el centrifugado, la molienda y la bodega.

La figura 11 muestra el grado de implantacion de cada una de las tecnicas de automatizacion y control incluidas en la encuesta. Como se observa en la gráfica existen cuatro tecnicas cuya implantacion supera el 80 %, tras las que existe un salto de 20 puntos porcentuales sobre la siguiente tecnica mas imple-mentada. A partir de aquí, la implantacion va cayendo de forma prácticamente constante de una tecnica a otra. Cabe comentar los rasgos comunes que presentan las cuatro tecnicas mas empleadas: todas son procesos analogos a otras industrias y su automatizacion y control no supone la introduccion de elementos muy costosos frente a la operacion manual. Así, el pesado y la emision de albaranes en la recepcion de materia prima son acciones comunes a prácticamente cualquier industria. En este caso concreto, es tambieín destacable que la automatizacioín descansa principalmente sobre la utilizacion de un sistema de informacion, sin requerir hardware muy diferente del necesario para realizar estas operaciones de forma manual. Por su parte, el control de temperatura de la batidora se traduce en un bucle de control de bajo nivel de la temperatura de un caudal de agua, operacion extensamente extendida en la industria. Por ultimo, el llenado y dosificacion automatica para el envasado es una funcionalidad que incluyen la practica totalidad de dosificadoras

BODEGA CENTIFRUGADO MOLIENDA DECÁNTER ENVASADORA BATIDO PATIO

Figura 10: Grado de automatizacion por etapas del proceso de elaboracion de aceite de oliva virgen.

modernas.

Es destacable el grado de implementacioí n de las teícnicas relativas a los caudales de entrada al decaínter frente al grado de implementacioí n de las teícnicas de medicioín de las variables de la salida del mismo. La elevada implementacioín de las primeras y la muy baja de la segundas pone de relieve que la variable de salida de estos lazos es el propio caudal de entrada, en lugar del caudal de salida del decanter o el contenido graso del orujo. Es decir, se controlan automaíticamente los caudales, no la opera-cioí n global del decaínter, que sigue recayendo sobre el operador al establecer eíste las referencias de los caudales en funcioí n de las salidas del decaínter.

5.3. Grado de automatización de las almazaras

En este apartado se resumen los resultados maís interesantes relacionados con el grado de automatizacioí n de las almazaras. En la figura 12 se representa el porcentaje de automatizacioí n de las almazaras distribuido por regioí n y tipo de entidad. Destaca Castilla-La Mancha como la regioí n con un mayor grado de automatizacioí n, seguida por las cooperativas de la Comunidad Valenciana y Extremadura. Respecto a las diferencias por tipo de entidad, en general se observa un ligero mayor grado de automatizacioí n en empresas cooperativas que en empresas particulares. La graífica 13 recoge el grado de automatizacioí n en funcion del tamaño de la empresa, mostrando un mayor nivel de automatizacion cuanto mayor es el tamaño de la empresa. Esta tendencia puede explicar el mayor grado de automatizacioí n de cooperativas frente a almazaras particulares, puesto que, en general, las cooperativas suelen tener un mayor tamaño que las almazaras particulares: según datos de la Agencia para el Aceite de Oliva, las almazaras cooperativas y S.A.T. (sociedades agrarias de transformacioí n), que suponen el 56 % de las entidades, molturan el 67 % de la produccion española.

Finalmente, la figura 14 ilustra la distribucioí n de almazaras en funcion del grado de automatizacion existente. Se observa que un 35 % de las entidades presentan un nivel de automa-tizacioí n superior al 50 %, pero que apenas un 6 % supera el 70 % de automatizacion. Por otro lado, el 30 % de las empresas muestran un nivel de automatizacioín inferior al 30 %. Estos datos reflejan que el grueso de las entidades disponen de un nivel de automatizacion bajo. Las tecnicas basicas de automa-

Pesado automático. Medición y controldela temperatura dela pasta. Emisión automática de albaranes a los aceituneros.

Llenado y dosificación. Control centralizado delpatio.

Medición y controldelcaudalde inyección de pasta en eldecánter.

Medición y control de la temperatura y caudal delagua de adición al decánter.

Medición delvolumen de aceite almacenado en cada depósito.

Medición y control dela velocidad de girodelrotor.

Medición y control de la temperatura y caudaldelagua de adición a las centrífugas.

Medición del caudalde pasta a la salida delbatido Medición y controlde la velocidad de giro delrotor del molino.

Etiquetado.

Medición y controlmediante adición de agua de la humedad de la pasta.

Medición y control de la temperatura y caudal delaceite entrante en las centrífugas.

Cierre o taponado del envase. Medición y controlde la velocidad degiro del rotor en las centrífugas.

Medición y control dela cantidad de aceitunas entrantes en el molino.

Medición y controldeltiempo de batido.

Marcha y paro de las cintastransportadores automática, en función de la presencia de aceituna. Marcha y paro de limpiadora y lavadora automática, en función de la

presencia de aceituna. Selección automática delcircuito de limpieza y almacenamiento en función de la calidad y elnivel de suciedad de la partida de aceitunas.

Medición delcaudalde aceite producido a la salida de las centrífugas. Medición y controlde la velocidad de giro de las paletas móviles.

Posicionamiento delenvase. Medición del caudalde aceite producido a la salida deldecánter.

Embalado.

Análisis en continuo de la grasa y humedad presente en elorujo a la salida deldecánter.

Medición y controldela temperatura delaceite en cada depósito. I I 6%

Figura 11: Implementacion de técnicas de automatizacion en el proceso de elaboracioí n de aceite de oliva virgen.

tizacioín estaín muy extendidas, pero las entidades no acaban de incorporar el resto de tecnologías disponibles en el mercado.

5.4. Ventajas e inconvenientes de la automatizacion según los encuestados

La figura 15 muestra las ventajas que encuentran los encues-tados, hayan o no automatizado de alguna forma el proceso, en la automatizacioí n. Casi el 70 % de los encuestados consideran que la automatizacioí n y el control de la almazara permiten mejorar el rendimiento industrial de la almazara y un 64 % apuntan que ayuda a mejorar la calidad del producto obtenido.

Respecto a los inconvenientes de la automatizacioí n, recogidos en la figura 16, el 61 % resalta los elevados costes de im-

60% 50% 40% 30% 20% 10%

3 g 3 3

i% 41% 43% „ 42%

Extremadura Andalucía Navarra Ai

3 g 3 3

C. Madrid Ce

Figura 12: Grado de automatización global.

70% 60% 50% 40% 30% 20% 10%

42% 42%

Entre 0 y 250 Entre 250 y Entre 500 y Entre 1000 y Entre 2000 y Más de 5000 Tm. 500 Tm. 1000 Tm. 2000 Tm. 5000 Tm. Tm.

Reducción del consumo de energía eléctrica.

Reducción del numero de averías.

Reducción del consumo de agua y combustible.

Mejora de la seguridad de los trabajadores.

Reducción del número de trabajadores necesarios para operar la almazara.

Reducción del tiempo de espera de los aceituneros en el patio.

Simplificación de la operación de la almazara.

Mejora en la calidad final del producto.

Mejora del rendimiento industrial de la almazara.

0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80%

Figura 15: Ventajas de la automatización del proceso de elaboración de aceite de oliva virgen.

Figura 13: Grado de automatizacion en funcion del tamaño de empresa.

plantacion. Por contra, tánicamente un 5 % considera que los resultados no cumplen lo esperado. Estos resultados nos permiten aventurar que a medida que vaya madurando el sector proveedor de bienes y servicios de automatizacion para la almazara y, por consiguiente, se vayan reduciendo los niveles de inversioí n necesarios para acceder a las soluciones, se debe producir un aumento importante del grado de automatizacion de las almazaras españolas puesto que las ventajas que este tipo de sistemas aporta es claramente percibida por parte de los responsables de las entidades, y la principal barrera para acceder a ellos es el elevado volumen de inversioí n necesario. En cuanto a las futuras líneas de automatizacion, el 46 % estima que invertirá en

<20% 20-30% 30-40% 40-50% 50-60% % de automatización

la bodega y un 43 % en el proceso de elaboracion en sí, como ilustra la figura 17. Por contra, tínicamente un 30% considera que acometeraí nuevos proyectos para el patio de recepcioín. Estos datos reflejan las tendencias que cabría esperar a la vista de los niveles de automatizacioín actuales, con el patio con un nivel elevado de automatizacion y la bodega con el nivel mas bajo. Resalta la intencion de incrementar el nivel de automatizacion en el proceso de elaboracion, lo que esta en sintonía con las principales ventajas que los productores de aceite de oliva virgen perciben en las tecnicas de automatizacion y control.

Resultados que no cumplen con lo esperado.

Necesidad de personal especializado.

Mantenimiento más complejo.

Costes elevados de implantación de los sistemas automáticos.

0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70%

Figura 16: Inconvenientes de la automatizacion del proceso de elaboracion de aceite de oliva virgen.

Figura 14: Distribución del grado de automatización.

Patío de recepción. Sistema de envase. Proceso de extracción del aceite. Bodega o depósitos de aceite.

0% 10% 20% 30% 40% 50%

Figura 17: Líneas futuras de automatización para el proceso de elaboración de aceite de oliva virgen.

5.5. Discusión de los resultados de la encuesta

La primera conclusion que cabe extraerse de los resultados de la encuesta es el elevado nivel de automatizacion que presenta el patio en relacion con el resto de zonas de la almazara. Este hecho puede explicarse por la alta necesidad de mano de obra que presenta este area de la almazara y la reduccion en la misma que aporta la automatizacion, así como que la reduccion del tiempo de espera de los cosecheros redunda de manera directa en la calidad del servicio que ofrece la entidad a los mismos.

Otro aspecto notable es el elevado nivel de automatizacion de la envasadora, por encima incluso del decaínter, teniendo en cuenta que el peso del envasado en los costos laborales de una almazara es, en general, pequeno. Esta circunstancia puede explicarse porque el proceso de embotellado automaí tico es un proceso maduro en otras industrias, lo que se deriva en niveles de inversioín reducidos frente a la ganancia obtenida.

Es muy significativo el dato de que las dos principales ventajas que los encuestados encuentran en la automatizacion y control de la almazara son la mejora del rendimiento industrial de la misma y de la calidad del producto obtenido. En este sentido, es interesante remarcar que la segunda teícnica maís imple-mentada es la medicioí n y control de la temperatura de la pasta en la batidora. Este parámetro, como se ha comentado, influye decisivamente en el agotamiento y la calidad del aceite obtenido y su elevado nivel de automatizacioí n es reflejo de su importancia. Sin embargo, otros parámetros de importancia para la consecucioín de buenos agotamientos presentan niveles de im-plantacioí n bastante maís reducidos, destacando especialmente el nivel muy bajo de medicioí n en continuo de la grasa contenida en el orujo, hecho que se puede relacionar con el elevado coste de los sensores NIR. Así, sin la medicion en continuo de estas variables, el control automaítico de la almazara se articula sobre lazos de control de bajo nivel aislados unos de otros, requiriendo la experiencia del operador de la planta para establecer las consignas de los variables de forma consistente y adecuada.

6. Líneas futuras de trabajo

En opinion de los autores, sería interesante avanzar en el control automaítico de la almazara incluyendo objetivos de control adicionales a la optimizacion del agotamiento. Así, la inclusion de la calidad del aceite obtenido como salida específica

del sistema permitiría abrir nuevas líneas de investigacion. La definicioí n de la calidad como una variable vectorial compuesta por distintos parámetros del aceite elaborado permitiría buscar la optimizacioí n de alguín paraímetro en concreto del vector, o de una combinacion de los mismos. Como ejemplo, se podría proponer la buísqueda de la maximizacioín de la concentracioí n de polifenoles con el fin de obtener un aceite con las maíximas propiedades beneficiosas para la salud. La principal dificultad para alcanzar estos objetivos es, como se comentoí anteriormente, la necesidad de disponer de sensores que sean capaces de medir estas variables en línea. Por otro lado, sería necesario conocer que niveles de las variables controladas sería posible alcanzar en funcion del fruto de que se dispone, por lo que aparecería la necesidad de caracterizar el fruto con el fin de determinar los límites maximos factibles para cada variable. De nuevo, gran parte de la problematica residiría en disponer de los sensores adecuados para poder realizar estas estimaciones en línea.

Una vez resuelta la disponibilidad de sensores, sería necesario identificar modelos suficientemente detallados de los procesos a controlar, tarea complicada dada la complejidad de los mismos, la dependencia del fruto de entrada y las condiciones de operacioí n de la planta, que no facilitan la realizacioí n de ensayos de identificacioí n.

Finalmente, otro aspecto que debería ser estudiado es la capacidad de llevar el proceso a condiciones de operacioí n suficientemente diferenciadas y la sensibilidad de las salidas frente a estas condiciones, que justifiquen la utilizacion de sistemas sofisticados para la determinacioí n de las referencias de las variables de operacioí n, dado que el rango de variacioí n de las variables tecnoloí gicas del proceso es relativamente estrecho. De cualquier manera, independientemente del establecimiento de referencias automaíticamente en funcioí n de las condiciones del fruto, el control automaítico de la instalacioí n es un problema no trivial y, a nuestro juicio, muy interesante por las potenciales mejoras que conllevaría para el proceso .

7. Conclusiones

En este artículo se ha expuesto la situacion actual de la au-tomatizacioí n y el control automaítico de las almazaras, tanto desde el punto de vista acadeímico como de implantacioí n industrial. Desde la oíptica de la investigacioí n, se ha podido comprobar que el problema del control automaí tico de las almazaras presenta auí n un gran margen para el desarrollo de teí cnicas y metodologías que permitan mejorar el proceso de elaboracion de aceite de oliva virgen. En particular, el avance en el control global del proceso considerando objetivos de control adicionales a la optimizacion del agotamiento se preve como una línea de trabajo interesante, y que, gracias al avance realizado en los ultimos anos por diversos autores, se presenta como tecnicamente factible.

Desde el punto de vista de la implementacioín industrial, cabe extraer la conclusioí n de que existe un nivel de implanta-cioí n medio de los sistemas disponibles, haciendo eínfasis en el carácter local o de bajo nivel de los sistemas implementados. Finalmente, es asimismo destacable que las ventajas que aportan la automatizacioí n y el control son percibidas claramente por los

almazareros, y que la principal barrera a la hora de incrementar el grado de automatizacion es el elevado nivel de inversion requerido.

English Summary

Current situation and future perspectives on virgin olive oil elaboration process control.

Abstract

This paper presents the current situation and future perspectives on virgin olive oil elaboration process control. Regarding the current situation, a review of previous research works on the matter is made. Subsequently, the results of a Spain-wide survey are shown in order to show a precise and realistic degree of the process automation in this area. Finally, the authors present, according to their opinion, the future research lines on the olive oil elaboration process control field.

Keywords:

Process control, System modelling, Process automation.

Agradecimientos

Los autores quieren agradecer la subvention parcial de esta investigation a traves de los proyectos DPI2008-05798/DPI,

TEP2009-5363 y UJA_08_16_31.

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