Determinación de las características de las cuchillas de corte para mecanizar la cosecha de agave*

Characteristic determination of the cutting blades for the mechanization harvesting of agave

César Gutiérrez Vaca^1§, Ryszard Jerzy Serwatowski Hlawinska¹, Oscar Alejandro Martínez Jaime¹, José Manuel Cabrera Sixto¹, Noé Saldaña Robles¹ y Adrián Flores Ortega¹

¹ Departamento de Ingeniería Agrícola. Universidad de Guanajuato. Ex Hacienda "El Copal". Carretera Irapuato-Silao, km 9. Irapuato, Guanajuato, México. C. P. 36820. Tel. 52 462 6245215. (cesarg@ugto.mx), (ryszard@ugto.mx), (oscarja@ugto.mx), (jmcabrera@ugto.mx), (saldanar@ugto.mx), (floresoa@ugto.mx). ^§Autor para correspondencia: cesarg@ugto.mx.

*Recibido: julio de 2012
Aceptado: enero de 2013

Resumen

En México la cosecha de agave se realiza manualmente y se necesita una cuadrilla de jimadores, y para los productores representa 75% de los costos del cultivo. Saldaña (2012) plantea el diseñar una máquina que optimice tiempos y costos de cosecha, y que proporcione material vegetal troceado y desmenuzado con destino a la producción de; bioetanol, material comprimido (pellets) y otros subproductos. Dos actividades principales se realizan en la cosecha manual: corte de hojas y corte de piña; para esta última se ha estudiado el corte con cuchillas de características distintas, para seleccionar la que requiera menor fuerza de corte. Se diseñó un experimento con las variables independientes; espesor de cuchilla (3), ángulo de filo (2), perfil del borde cortante (2) y ángulo de ataque (3), utilizando una máquina universal de tensión para los ensayos. Se colocó un mecanismo donde se sujetan las cuchillas; y al desplazarse el conjunto la muestra de agave es cortada, registrándose la variable dependiente fuerza. Los ensayos se realizaron a secciones de piña de agave con dimensiones uniformes, y fueron realizados en 2010 en las instalaciones de la Universidad de Guanajuato. Utilizando el paquete estadístico SAS (SAS, 2001), se determinó la mejor combinación de los factores evaluados en el modelo. Los resultados muestran que la cuchilla de grosor 6.35 mm (1/4 plg), con ángulo de filo de 30°, borde cortante liso y ángulo de ataque de 30º, requieren la menor fuerza para efectuar el corte de piña de agave.

Palabras clave: Agave Tequilana Weber., cosechadora, corte, cuchilla.

Abstract

In Mexico agave harvesting is done manually and it takes a crew of jimadores, and for the producers, this representing 75% of the costs of cultivation. Saldaña (2012) propose to design a machine to optimize harvest times and costs, and to provide cutting and shredding plant material destined for the production of: bioethanol, compressed material (pellets) and other byproducts. Two main activities are performed during manual harvesting: leaves and heart cuttings; for the latter, cutting blades of different characteristics have been studied to select the lowest required cutting force. An experiment was designed with independent variables; thickness of the blade (3), angle of cutting edge (2), the cutting edge side (2) and angle of attack (3), using a universal tension machine for testing. We fixed a mechanism where the blades are fastened; and when moving the set, the sample of gave is cut, recording the dependent variable force. Assays were performed on sections of agave´s heart with uniform dimensions, conducted in 2010 at the premises of the University of Guanajuato. Using the SAS statistical package (SAS, 2001) we determined the best combination of factors evaluated in the model. The results showed that, the blade thickness 6.35 mm (1/4 inch), with a cutting edge angle of 30°, smooth cutting edge, and an angle of attack of 30° require less force to effect the cutting of the heart.

El agave tequilana Weber, variedad azul, es utilizado principalmente para la elaboración de la bebida alcohólica llamada "tequila". En México existe una zona de denominación de origen que incluye los 125 municipios del estado de Jalisco, 30 del estado de Michoacán, once del estado de Tamaulipas, ocho del estado de Nayarit y siete del estado de Guanajuato (Macías y Valenzuela, 2009). Desde la década pasada, se han realizado estudios de desarrollo tecnológico para la fabricación de subproductos tales como: jarabe de fructosa (miel de agave), inulina (Bautista et al., 2001), bioetanol (Madrigal, 2009), pellets, o como cultivo para zonas de sequia (Valenzuela, 2011). Los costos de producción de bioetanol no son por el momento competitivos; 60 $ USD/m³ en caña de azúcar contra 300 $ USD/m³ en agave (Saldaña et al., 2012). Sarah (2011) menciona que a nivel internacional existen 600 mil hectáreas disponibles para producir agave, con las características necesarias para ser desarrollado, por lo que sería un cultivo con alto potencial para la obtención de biocombustible, no solo en México también en Australia y algunas regiones de África. Holtum et al. (2011) determina que la viabilidad de adoptar el agave como materia prima para la producción de biocombustible en Australia depende en gran medida de la mecanización del cultivo, de la que ya ha habido algunos intentos (Ortiz y Rössel, 2004; Castillo et al., 2001).

La labor de cosecha de agave representa 75% del costo total del cultivo, por lo que cualquier esfuerzo en reducirlo se traduciría en menor precio por cada litro de bioetanol, siendo factible incorporar la hoja, ya que ésta tiene un porcentaje cercano al 13% de azúcares susceptibles de ser transformados en alcohol (Gordon et al., 2002). Considerando la hipótesis de incluir toda la planta para ser procesada y transformada en energético se ha conceptualizado el diseño de una cosechadora troceadora de agave- Proyecto financiado por el Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología en México (CONACYT)- que permita, en un sólo paso en campo, trocear las hojas y piña de agave, a la vez que son desfibradas y depositadas de forma inmediata en un vehículo de trasporte (Saldaña et al., 2012).

En la mayoría de las cosechadoras, para diferentes cultivos, se distingue el principio de corte como proceso básico de operación. Dos formas comunes de realizarlo son: cizallamiento puro y corte por impacto (Ortiz et al., 2003). El primero requiere dos elementos; cuchilla y contra-cuchilla, el segundo se realiza por impacto del elemento cortante sobre el producto. Ghahraei et al. (2011) mencionan, en un estudio de corte de tallos de Kanopia (Hibiscus cannabis L.), que el ángulo de filo y el ángulo de ataque son los parámetros más importantes, en la confección de cuchillas de corte para materiales biológicos. Por su parte Esehaghbeygi et al. (2010), en un estudio de corte en tallos de canola (Brassica napus), ensayan cuchillas con borde liso y dentado, y diferentes ángulos de filo. Esehaghbeygi et al. (2009) realizan un estudio similar en tallos de trigo (Triticum ssp.) para evaluar el corte con cuchillas de borde liso y dentado así como diferentes ángulos de filo. El objetivo de este trabajo fue determinar; el espesor de cuchilla, ángulo de filo, perfil de borde cortante, y ángulo de ataque adecuados para efectuar el corte de la piña de agave, con la menor fuerza requerida. En el segundo trimestre de 2010 se llevó a cabo el estudio de corte, construyéndose las cuchillas en placa de acero comercial y espesores distintos: 4.7625 mm (3/16 plg), 6.35 mm (1/4 plg) y 7.9635 mm (5/16 plg).

Grosores menores a los mencionados son considerados como láminas, que se estima sufrirían deformaciones a causa de las fuerzas que se esperan en los ensayos. Se consideró además el ángulo de filo de la cuchilla con dos niveles: 30° y 60°, tomando como base los estudios realizados por los autores citados con anterioridad. Se evaluó la variable de clasificación perfil de borde cortante en dos formas: lisa y dentada (Figura 1).

El borde liso corresponde a las cuchillas donde se aplicó ángulo de filo. El borde dentado corresponde al maquinado de muescas sobre la sección donde se aplicó ángulo de filo. Se eligieron estos tipos de bordes debido a que muchas maquinas agrícolas utilizan cuchillas de borde liso como elemento de corte, por facilidad de manufactura, alta efectividad y limpieza en el corte. El borde dentado se eligió con la hipótesis de que se requiere menor fuerza de corte comparado contra el borde liso. Majaja y Chancellor (1997) analizaron el corte de agave sisal con diferentes ángulos de ataque, por lo que se consideró un cuarto factor bajo la hipótesis de que un ángulo no perpendicular a la dirección de avance generaría un efecto de deslizamiento que favorecería el corte, utilizándose tres ángulos: 0° (perpendicular), 15° y 30° (Figura 2). En resumen, se consideraron cuatro factores: espesor de cuchilla con tres niveles; 4.7625 mm, 6.35 mm y 7.9635 mm: ángulo de filo con dos niveles; 30° y 60°: borde cortante con dos niveles; liso y dentado: y ángulo de ataque con tres niveles; 0°, 15° y 30°. Se utilizó un arreglo factorial 3 x 2 x 2 x 3 bajo un diseño completamente aleatorio (DCA) con cuatro repeticiones.

Para la realización de los ensayos se fabricó un mecanismo que sujeta las cuchillas (Figura 3), y se acopló sobre la base de una máquina universal de tensión (Figura 4), donde un par de dinamómetros de carátula (precisión ± 44.5 N), registran la fuerza máxima alcanzada en cada corte.

Tomando como base las dimensiones resultantes del mecanismo, las cuchillas se confeccionaron con una longitud de 25 cm de largo y 5 cm de ancho. Cada piña de agave se dividió en ocho partes (Figura 5), debido al espacio limitado en la zona de corte, pero a pesar de ello la consistencia del material vegetal se mantiene. Se instaló la cuchilla sobre el mecanismo de sujeción y éste sobre la base fija de la máquina, la muestra de agave se colocó sobre la base móvil. Al encender máquina la pieza de agave se mueve contra la cuchilla efectuándose el corte. Al final de cada ensayo, se registró el valor máximo de fuerza (Figura 6).

Con la finalidad de determinar la influencia de los factores principales y sus interacciones dobles sobre el corte de la piña de agave, se realizó la prueba de F para el modelo estadístico planteado, utilizando el paquete estadístico SAS (SAS, 2001), la tabla de análisis de varianza se presenta en el Cuadro 1.

El espesor de cuchilla presentó diferencias significativas, y los ángulos de filo y de ataque mostraron diferencias altamente significativas, mientras que el perfil de borde cortante no tuvo ningún efecto en la variable respuesta. Sin embargo, en los resultados reportados por Esehaghbeygi et al. (2009) y Esehaghbeygi et al. (2010) se concluye que utilizar cuchillas con borde cortante liso muestran menor requerimiento de fuerza de corte. Al aplicar la prueba de la diferencia mínima significativa (DMS, p= 0.05) vemos que el borde liso muestra menor requerimiento de energía (Cuadro 2). Se entiende que la diferencia obedece principalmente a que las fibras del material vegetal son fracturadas, y no cortadas, en el fondo de cada uno de los dientes, cuando se utiliza cuchilla dentada.

Al aplicar la prueba DMS para el espesor de cuchilla, se observó que los promedios de fuerza para cuchillas de espesor 4.7625 mm, y 6.35 mm, grupo estadístico b (Cuadro 3), requieren menor fuerza comparada con la media de la cuchilla de 7.9635 mm (letra a). Se deduce que a mayor espesor de cuchilla se precisa de mayor fuerza para penetrar en el material vegetal y efectuar el corte. En el caso del ángulo de filo, la prueba DMS demuestra que a 30° existe menor requerimiento de fuerza para el corte de la piña que a 60° (Cuadro 4); es decir, mientras la cuchilla sea más filosa requerirá menor fuerza de corte. Lo anterior coincide con los resultados reportados por Ghahraei et al. (2011), Esehaghbeygi et al. (2010) y Esehaghbeygi et al. (2009).

Las interacciones; espesor de cuchilla * ángulo de filo, espesor de cuchilla * perfil de borde cortante y ángulo de filo * perfil de borde cortante, resultaron ser significativas para la fuerza de corte (Cuadro 1). La Figura 7 muestra la interacción espesor de cuchilla * ángulo de filo, se aprecia que para cualquier espesor de cuchilla el filo a 30° muestran requerimientos de fuerza menores, comparados con el filo a 60°, sobre todo cuando se utiliza la cuchilla de 7.9375 mm. Se entiende que cuando el ángulo de filo es 30° la cuchilla actúa más como elemento cortante, pues a 60° el material vegetal más bien se fractura o desgarra.

La interacción espesor de cuchilla * perfil de borde cortante, presentada en la Figura 8, muestra que las cuchillas de 4.7625 mm y 6.35 mm, con borde liso registran valores más bajos de fuerza, no así para la cuchilla 7.9375 mm, se deduce que ese comportamiento se relaciona con el efecto de fractura o desgarre ocurrido también en la interacción espesor de cuchilla * ángulo de filo, pero en este caso el borde dentado favorece la penetración en el material vegetal. La Figura 9 muestra la interacción; ángulo de filo * perfil de borde cortante, se observa que ángulo de filo de 30° con borde liso muestra menor requerimiento de fuerza que el de 60°. Cuando se utiliza el perfil dentado se exhibe un requerimiento de fuerza similar con ambos filos. Se infiere que cuando la cuchilla tiende a la fractura o desagarre, el borde cortante dentado reduce los requerimientos de fuerza que si se utiliza borde cortante liso.

En términos generales, la cuchilla de grosor 7.9375 mm requiere valores más altos de fuerza pues la muestra opone mayor resistencia al corte, llegando incluso a la fractura (Figura 10). La cuchillas de grosores de 4.7625 mm y 6.35 mm requieren de menor fuerza, sin embargo las fuerzas de reacción del material vegetal provocaron la deformación de la cuchilla de menor espesor en una ocasión (Figura 11). La cuchilla 6.35 mm (1/4 plg) es la que tuvo mejor desempeño al involucrar todos los factores de estudio.

Literatura citada

Bautista, J. M.; García, O. L.; Barboza, C. J. E. y Parra, N. L. A. 2001. El agave Tequilana Weber y la producción de tequila. Acta Universitaria. 11(2):26-34.         [ Links ]

Castillo, O. R.; De Anda, S. J.; Rodríguez, G. E.; Fernández, F. O.; Pérez, M. F. y Georg, H. E. 2001. Patente: JL/a/2001/000029 Cosechadora y jimadora de Agave. CIATEJ. Guadalajara. Noviembre.         [ Links ]

Durán, H. M. y Pulido, J. L. 2007. Análisis de la molienda en el proceso de elaboración de mezcal. Información Tecnológica. 18:1.         [ Links ]

Esehaghbeygi, A.; Hoseinzadeh, B. and Besharati, S. 2010. Nitrogen use on yield components and stem shearing strength of canola. Electronic J. Polish Agric. Universities. 13(4).         [ Links ]

Esehaghbeygi, A.; Hoseinzadeh, B.; Khazaei, M.; and Masoumi A. 2010. World Appl. Sci. J. 6(8):1028-1032.         [ Links ]

Ghahraei, O.; Ahmad, D.; Khalina, A.; Suryanto, H.; and Othman J. 2011. Cutting tests of kneaf stems. Am. Soc. Agric. Biol. Eng. 54(1):51-56.         [ Links ]

Gordon, K. W.; Theodore S. L.; Lincoln W. H. y Combs L. 2002. Production for tequila. US Patent Application Publication. 2002/0119217. 1-4 p.         [ Links ]

Holtum, J. A. M.; Chambers D.; Morgan, T. and Tan, D. K. Y. 2011. Agave as a biofuel feedstock in Australia. GCB Bioenergy. 3:58-67.         [ Links ]

Macías, M. A. y Valenzuela, Z. A. G. 2009. El tequila en tiempos de la mundialización. Comercio Exterior. 59:6.         [ Links ]

Majaja, B. A. and Chancellor, W. J. 1997. The potential for mechanical harvest of sisal. Appl. Eng. Agric. 13(6):703-708.         [ Links ]

Madrigal, L. R. 2009. Agaves para producir bioetanol. Seminario: México después del petróleo. ¿Serán los biocombustibles y geotermia una alternativa? México D. F.         [ Links ]

Ortiz, C. J.; García R. J.; Gil, S. J.; Hernández, M. J. L.; Ruiz A. M. y Valero, U. C. 2003. Las máquinas agrícolas y su aplicación. Ediciones Mundi-Prensa. Madrid, España. 526 p.         [ Links ]

Ortiz, L. H. y Rössel, K. E. D. 2004. Patente: PA/u/2004/000007, cosechadora mecánica de maguey. Colegio de Postgraduados. Texcoco, Estado de México. 1-14 p.         [ Links ]

Saldaña, R. A.; Serwatowski, H. R.; Saldaña, R. N.; Gutiérrez, V. C.; Cabrera, S. J. M. y García, B. S. 2012. Determinación de algunas propiedades físicas de Agave tequilana Weber para mecanizar la cosecha. Rev. Mex. Cienc. Agríc. 3(3):45- 465.         [ Links ]

Saldaña, R. N.; Gutiérrez, V. C.; Serwatowski, H. R.; Saldaña, R. A.; Flores, O. A; Quiroz, R. C.; Cabrera, S. J. M.; García, B. S. y Juárez, G. A. 2012. Propuesta de una cosechadora-desmenuzadora de agave tequilana Weber para la producción de bioetanol y revisión de los procedimientos existentes. Acta Universitaria. 22(2).         [ Links ]

Sarah, C.; Davis, L.; Dohleman, G. F. and Stephen, P. L. 2011.The global potential for Agave as a biofuel feedstock. GCB Bioenergy. 3:68-78.         [ Links ]

Statistical Analysis System (SAS). 2001. SAS User's Guide, Version 8, SAS Institute Inc. Cary, N.C. U. S. A. 100-120 pp.         [ Links ]

Valenzuela, A. A. 2011. New agenda for blue agave landraces: food, energy and .tequila. GCB Bioenergy. 3:15-24.         [ Links ]