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1 DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA FACULTAD DE INGENIERÍA UNIVERSIDAD DE LOS ANDES PROYECTO DE GRADO DISEÑO ÓPTIMO DE LA COMPOSICIÓN Y FORMULACIÓN DE UN CHAMPÚ DE ALOE VERA TENIENDO EN CUENTA LAS PREFERENCIAS DEL MERCADO Presentada a la Universidad de los Andes para optar por el título de Ingeniero Químico Documento Final Elaborada por: MATEO MARTÍNEZ GALVIS NOVIEMBRE 2017

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DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA

FACULTAD DE INGENIERÍA

UNIVERSIDAD DE LOS ANDES

PROYECTO DE GRADO

DISEÑO ÓPTIMO DE LA COMPOSICIÓN Y FORMULACIÓN DE

UN CHAMPÚ DE ALOE VERA TENIENDO EN CUENTA LAS

PREFERENCIAS DEL MERCADO

Presentada a la Universidad de los Andes para optar por el título de Ingeniero Químico

Documento Final

Elaborada por: MATEO MARTÍNEZ GALVIS

NOVIEMBRE 2017

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TABLA DE CONTENIDO

1. Introducción ............................................................................................................ 3

2. Estado del arte ......................................................................................................... 4

3. Formulación ............................................................................................................ 5

3.1 Modelo de preferencia del consumidor ................................................................ 6

3.2 Formulación del producto................................................................................... 6

3.3 Propiedades del producto ................................................................................... 8

3.3.1 Capacidad de limpieza y prevención de cabello graso ..................................... 8

3.3.2 Textura y comodidad de uso ...................................................................... 10

3.3.3 Acondicionamiento del cabello .................................................................. 11

3.3.4 Aditivos .................................................................................................. 13

3.3.5 Irritabilidad ............................................................................................. 13

3.3.6 Altura y multiplicidad de la espuma ........................................................... 14

3.4 Modelo de precio y demanda ............................................................................ 17

3.5 Modelo de rentabilidad .................................................................................... 17

3.6 Conjuntos ....................................................................................................... 18

3.7 Lista de Parámetros ......................................................................................... 19

3.8 Lista de Variables ........................................................................................... 20

3.9 Restricciones .................................................................................................. 21

3.10 Función Objetivo ............................................................................................ 22

4. Estrategia de resolución .......................................................................................... 22

5. Análisis de resultados ............................................................................................. 25

6. Conclusiones y perspectivas .................................................................................... 28

7. Bibliografía........................................................................................................... 30

8. Anexos ................................................................................................................. 32

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3

_____________________________________________________________________________

RESUMEN: El presente trabajo está enfocado en encontrar una formulación y composición

óptima de un champú teniendo en cuenta como ingrediente principal el Aloe Vera. La

metodología propuesta pretende proporcionar una estrategia de resolución por medio de las

distintas propiedades que puede otorgar un champú. Además, dentro de la optimización se tiene

en cuenta un modelo económico de oferta y demanda, el cual relaciona la preferencia del

consumidor con las propiedades propuestas y el valor de producción del champú. Finalmente, se

estima las utilidades del producto en el mercado realizando una proyección a futuro de 10 años.

Al resolver el problema de optimización se obtuvo una formulación óptima del producto con una

preferencia del consumidor del 67.09% y un valor presente neto con una tasa de oportunidad del

5% de $COP 15’999’546’686’089,8.

______________________________________________________________________

1. INTRODUCCIÓN

El diseño de productos es el procedimiento mediante el cual las necesidades del cliente

se identifican y se traducen en productos comerciales. Así mismo, representa un foco

importante de la industria química actual, debido al cambio de estilo en la gestión y

estructura llegando a alcanzar un enfoque más integrado de los productos [1]. Se ha

llegado a avances en la eficiencia, la calidad de diseño y fabricación del producto

mediante la aplicación de métodos de optimización y tecnologías relacionadas [2]. El

objetivo del diseño óptimo de productos es encontrar un óptimo balance entre utilidad y

economía, proporcionando mercados de calidad que cumplan con las funciones,

propiedades y características que requiere el consumidor. Por tal motivo, el costo de

fabricar el producto debe ser bajo y el desarrollo debe ser rápido para satisfacer las

necesidades del mercado [3]. Las propiedades de un producto pueden dividirse en dos

tipos: En primer lugar están las propiedades de diseño que corresponden a los valores que

los clientes requieren para el producto. En segundo lugar están las propiedades de

fabricación que pertenecen a los procesos utilizados cuando se producen productos que

incorporan las propiedades de diseño deseadas [2].

En el presente artículo se propone un diseño óptimo de un producto cosmético y de

higiene personal, en este caso un champú con aloe vera. La principal función de este

producto es proporcionar un lavado, tanto del pelo como del cuero cabelludo. Por lo tanto,

se elimina el sebo acumulado, restos de cuero cabelludo y residuos de preparaciones para

el cuidado del cabello por medio de soluciones acuosas o emulsiones. La mayoría se

formulan como una mezcla de tensioactivos (sintéticos o naturales) como agentes

limpiadores, espumantes, otros excipientes (agentes de controles de la viscosidad,

conservantes, etc.) e ingredientes activos que ayudan al cuidado del cabello [4].

Los productos con alore vera se utilizan principalmente en la industria de cosméticos,

farmacéuticos y de comida. Hoy en día, es un ingrediente activo en cientos de lociones

para la piel, bloqueadores y cosméticos, como champús y acondicionadores [5]. Contiene

más de 75 nutrientes y 200 compuestos activos, incluyendo vitaminas, enzimas,

minerales, azucares, siliconas, ácido salicílico y aminoácidos. Numerosos estudios sobre

el aloe vera demuestran sus propiedades analgésicas, antivirales, antibacterianas y anti

fúngicas [5]

Page 4: DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA FACULTAD DE …

4

Para lograr el diseño óptimo del champú se utiliza la metodología propuesta por

Bagajewicz [6] que tiene en cuenta la microeconomía del producto. El aspecto más

importante de este modelo es la confirmación y cuantificación del hecho de que el mejor

producto, desde el punto de vista del consumidor, no siempre es el más rentable. Se llega

a lo anterior a partir de la relación de la calidad del producto, tal como es percibida por el

cliente, y el beneficio [6]. La principal ventaja de esta metodología radica en que tal

beneficio económico se maximiza, teniendo en cuenta la competencia y precios del

mercado ligadas a las preferencias del consumidor. Esta relación permite definir los

parámetros de diseño del producto para llegar a la satisfacción de un cliente en un punto

donde no se incurran en costos demasiado altos.

El artículo inicia con una revisión bibliográfica sobre diseño de productos. Posteriormente

se propone una formulación específica para el diseño óptimo del champú con aloe vera,

definiendo los conjuntos, parámetros, restricciones, variables y la función objetivo.

Continua por la estrategia de resolución del problema de optimización para finalmente

presentar un análisis de los resultados del diseño óptimo de productos para el caso

estudiado.

2. ESTADO DEL ARTE

En este capítulo se discute el diseño óptimo de un producto para posteriormente plantear

el diseño óptimo de un champú de aloe vera teniendo en cuenta las preferencias del

mercado. Es decir, se quiere determinar la formulación y composición de un champú con

aloe vera como ingrediente, a través de un modelo de optimización que busque maximizar

la rentabilidad del producto. Con base a lo anterior, se plantearon los siguientes objetivos

específicos.

Establecer la formulación y la composición de los componentes sobre los cuales

se desea trabajar en el champú, considerando las restricciones de salud y su

funcionalidad dentro del producto.

Plantear un modelo matemático que relacione la formulación del champú con las

preferencias del consumidor, las propiedades del producto con respecto a la

cantidad de cada componente dentro del producto y el costo de producción.

Resolver el modelo de optimización planteado teniendo en cuenta un modelo

microeconómico que relaciona la preferencia del consumidor con la composición

del champú. Así mismo, analizar este modelo y plantear si la solución es un

óptimo global o local.

En total fueron encontrados 31 documentos relacionados con el tema de investigación.

Los más relevantes se presentan el Anexo 1: Recopilación de los trabajos relacionados

con el diseño de producto. Estos textos pueden ser agrupados, con base a las

características de cada documento, según las siguientes tres temáticas:

Características acerca del diseño óptimo de productos.

Estimación y características de cada propiedad del champú, principales

ingredientes presentes y aporte de propiedades dentro del producto.

Metodología que permite relacionar las preferencias del consumidor con los

costos asociados a la fabricación.

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5

En primer lugar se encuentran las referencias asociados al diseño óptimo de productos.

Estas tratan sobre la integración de las propiedades sensoriales de los productos con las

preferencias del consumidor, utilizando diversas herramientas como la estadística y la

teoría de decisión. En segundo lugar se tienen los estudios relacionados a la estimación

de las propiedades del champú y sus ingredientes. Se caracterizan por mostrar los

principales ingredientes, dentro de un champú, y que propiedades aportan.

Adicionalmente, se cuantifican las propiedades del producto teniendo en cuenta la

formulación propuesta. Finalmente, se encuentran los documentos que describen la

metodología para el diseño óptimo de productos y que permiten tomar las preferencias de

los consumidores sobre un producto, relacionándolas directamente con la formulación del

producto dentro de un mismo modelo de mercado.

Entre todos los documentos encontrados, vale la pena resaltar el artículo “Computer-

Aided Methods and Tools for Chemical Product Design” de Rafiqul Gani donde se

establece las alternativas que involucran el diseño de un producto químico. Estas

requieren de distintas herramientas y métodos numéricos para que el diseño de productos

se pueda realizar de una manera más eficiente. La más conocida es llamada CAMD

(Computer-aided molecular design), técnica fundamental para estimar las propiedades

del producto por medio de su composición [7].

El artículo “Product Design: -a case study of slow-Release – Carpet

Deodorizers/Disinfectants” – de Carrie Street, Justin Woody, Jaime Ardila, Miguel

Bagajewicz- propone realizar una conexión entre las preferencias de los consumidores en

diferentes mercados, las limitaciones de la cadena de suministros a las características del

producto. A esta conexión se le añade un modelo de precio y demanda para maximizar el

beneficio cambiando simultáneamente las características del producto en cada mercado

[8]. El articulo previamente mencionado se relaciona con la metodología propuesta en el

artículo “On the role of microeconomics, Planning, and Finances in Product Design” –

de Miguel Bagajewicz- [6].

Con base en la literatura encontrada es posible establecer que para el estudio de este tema

es importante tener presente las propiedades y la cualidad que aporta cada ingrediente

dentro del producto junto con las preferencias del consumidor ligadas a las características

del mercado (precios, competencia). La metodología más idónea para su estudio es la

impuesta por Miguel Bagajewicz en su artículo “On the role of microeconomics,

Planning, and Finances in Product Design” [6].

3. FORMULACIÓN

En la presente sección se establece la formulación del problema de optimización, donde

se definen los conjuntos, parámetros, variables, restricciones y función objetivo. Para

esto, se introduce la función de cada ingrediente dentro del producto y así saber que

propiedad es afectada. Luego, se cuantifica cada propiedad donde se relaciona con la

preferencia del consumidor para obtener un puntaje total de preferencia. Por último, se

establece el modelo de preferencia del consumidor, el modelo de precio y demanda y el

modelo de rentabilidad.

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6

3.1 MODELO DE PREFERENCIA DEL CONSUMIDOR Las propiedades más significativas para los consumidores a la hora de seleccionar un producto,

deben ser identificadas junto con su porcentaje en peso, de esta manera se logra construir una

función de preferencia del consumidor para el producto. El modelo de preferencia del consumidor

se resume como la combinación lineal de las preferencias individuales de cada propiedad,

ponderadas por el porcentaje en peso de cada ingrediente presente en la propiedad. Lo anterior se

observa en la ecuación 1 el modelo propuesto por Bagajewicz [6].

𝐻1(𝑥) = ∑ 𝑤𝑗 ∗ ℎ𝑗

𝑛

𝑗=1

(𝑥)

(1)

Donde 𝐻 corresponde al puntaje de preferencia total obtenido por medio de todas las propiedades.

𝑤𝑗 Es la suma de las composiciones másicas de los ingredientes por cada propiedad. ℎ𝑗 es la

preferencia del cliente obtenida de cada propiedad del producto. Esta última es estimada para cada

propiedad y deben ser relacionadas mínimo con un componente del producto.

3.2 FORMULACIÓN DEL PRODUCTO El champú está conformado por distintos tipos de ingredientes, los cuales proporcionan

distintas propiedades que tienen como objetivo satisfacer al consumidor. Los ingredientes

más comunes que se pueden encontrar en la formulación de un champú son los siguientes

[9]:

Surfactantes primarios para la limpieza y creación de espuma

Componentes que afectan la viscosidad

Solventes o hidrótopos capaces de clarificar el producto o disminuir el punto de

turbidez

Agentes acondicionadores

Colores y fragancias

Preservativos

Aditivos anticaspa

Además, el producto se debe formular bajo varias restricciones de salud debido al

contacto con el cuero cabelludo. Estas limitaciones incluyen baja toxicidad, bajo

potencial de sensibilización, y bajo potencial de irritación de la piel y los ojos [10].

A continuación, en la ¡Error! No se encuentra el origen de la referencia. se encuentra

la formulación seleccionada del champú resaltando el ingrediente Aloe Vera.

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7

Tabla 1: Formulación de un champú de Aloe Vera

Ingredientes (abreviación) Porcentaje

en peso

• Lauril éter sulfato de sodio (LSS) 0 a 11%

• Lauril éter sulfato de amonio

(LSA)

0 a 5%

• Cloruro de sodio (NaCl) 0 a 1.2%

• Cocamida DEA (DEA) 0 a 3.5%

• Aloe vera (AV) 0 a 5%

• Hidroxietilcelulosa (HDX) 0 a 3%

• Pantenol (PTL) 0 a 3%

• Tocoferol (TCL) 0 a 3%

• Propilenglicol (PPG) 0 a 3%

•Ácido etilendiaminotetraacético

(EDTA) 1 a 2%

• Sulfuro de Selenio (SS) 0 a 1%

Agua Hasta

100%

Los componentes aniónicos son los ingredientes principales de un champú, debido a su

capacidad de detergencia y formación espuma. Por lo general, los surfactantes que más

se utilizan son los aniónicos, que cuentan con una parte hidrofílica -la cual contiene una

carga negativa que ayuda a la producción de espuma y eficiencia en la limpieza-. En este

caso se utilizarán dos surfactantes aniónicos, los cuales son lauril éter sulfato de sodio y

lauril éter sulfato de amonio [11].

Conjuntamente, están los componentes que afectan a la textura del producto, o en otras

palabras su viscosidad. Estos componentes juegan un papel importante en la definición y

control de muchos atributos, tales como la estabilidad de la mezcla, la vida útil y la

estética del producto (como la facilidad de flujo y la consistencia dentro del empaque y

la capacidad de propagación del champú en el cabello) [4]. Los ingredientes que más

afectan la textura del producto y regulan la viscosidad del champú son: aloe vera, cloruro

de sodio, la hidroxietilcelulosa y la cocamida DEA [10]. La interacción entre estos

componentes y los surfactantes transforman las pequeñas micelas esféricas de los

tensoactivos en estructuras más complejas de tipo cristalino, las cuales son capaces de

aumentar la viscosidad del champú [9].

Un ingrediente importante dentro de la formulación es el aloe vera, que actúa como agente

acondicionador evitando el uso de más surfactantes, que pueden ser nocivos para la salud.

Además, es considerado multifuncional ya que posee un conjunto de propiedades como

el acondicionamiento del cabello, la capacidad de añadir brillo, protección del color y el

daño causado por el calor [12]. Este componente actúa como silicona lubricante en

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8

cualquier producto cosmético relacionado al cuidado del pelo, debido a que no son

irritantes ni tóxicos [12]. Sin embargo, el efecto acondicionador en el cabello suele ser

afectado por la presencia de un catión. Para este caso se escogió como catión el ácido

etilendiaminotetraacetico (a partir de ahora llamado EDTA), el cual actúa como una

sustancia quelante o un “secuestrador” de metales pesados a través de sus ligandos [13].

Por último se encuentran los aditivos del champú, que son componentes cuyo objetivo es

mejorar las propiedades sensoriales o adicionar distintas funciones al champú. Dentro de

los aditivos se encuentran la fragancia y el color los cuales son un aditivo sensorial [10].

El otro aditivo es el anti caspa que actúa como un agente reductor de lípidos en el cuero

cabelludo disminuyendo la producción de caspa [11].

3.3 PROPIEDADES DEL PRODUCTO A continuación se muestra la lista de propiedades del champú. En cada una de estas, se

utiliza la composición de los ingredientes y además, se muestra la preferencia del cliente

frente a la propiedad.

3.3.1 Capacidad de limpieza y prevención de cabello graso

Dentro de los ingredientes que se encuentran en esta propiedad se tienen los dos

principales surfactantes del champú propuesto:

Lauril éter sulfato de sodio

Lauril éter sulfato de amonio

Entre mayor concentración de surfactantes exista mayor capacidad de limpieza y

prevención de cabello graso. Sin embargo, para saber el poder de detergencia de los

surfactantes se requiere saber la tensión superficial de estos, para luego, encontrar la

tensión superficial de la mezcla. Se define tensión superficial a la energía necesaria para

aumentar su superficie por unidad de área [14].

Se utiliza la ecuación 2 para determinar Π𝑖 que corresponde a la tensión superficial de

cada surfactante [J/m2] [14]

Π𝑖 =𝑅𝑇

𝜔ln (1 + 𝑏 ∗ 𝑥𝑖)

(2)

Dónde 𝑅 es la constante de los gases J.mol/K; 𝑇 es la temperatura en Kelvin; 𝜔 es el área

molar de los surfactantes en unidades m2/mol, se utiliza 1e5 para todos los componentes

aniónicos [14]; 𝑏 es la constante de adsorción en el equilibrio [15]; 𝑥𝑖 es la concentración

másica del surfactante en la solución. Paso seguido se adimensionaliza la ecuación 2 para

llegar a la ecuación 3:

Π𝑖̅̅ ̅ = Π𝑖𝜔/(𝑅𝑇)

(3)

Luego se halla la tensión superficial de la mezcla utilizando la ecuación 4:

exp Π̅𝑚 = exp Π̅𝐿𝑆𝑆 + exp Π̅𝐿𝑆𝐴 − 1

(4)

Donde se utiliza el término adimensional de los dos surfactantes principales, Lauril éter

sulfato de sodio (LSS) y Lauril éter sulfato de amonio (LSA).

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9

Π𝑚 = 𝛾0 − 𝛾 (5)

La ecuación 5 define la tensión superficial [J/m2] o reducción de la tensión superficial

causada por los surfactantes en el agua, donde 𝛾0 es la tensión superficial del agua con un

valor de 0,0728 J/m2 y 𝛾 es la tensión superficial de los surfactantes.

Entre mayor sea la reducción de la tensión superficial, mayor porcentaje de detergencia

existe en el champú. Si la mezcla de surfactantes es capaz de reducir la tensión superficial

hasta 0,04 J/m2 de la tensión superficial del agua se puede considerar un poder de

detergencia máximo [4]. Este comportamiento se observa en la Ilustración 1 los cuales se

obtienen los datos de la ecuación 6 [4].

Ilustración 1: Porcentaje de detergencia vs Reducción superficial

%𝐷𝑒𝑡 = 7309,6 ∗ Π𝑚3 − 1082,5 ∗ Π𝑚

2 + 54,108 ∗ Π𝑚 + 0,0133

(6)

Por otro lado la Ilustración 2 muestra la relación entre la preferencia del consumidor y el

porcentaje de detergencia del producto. Debido a que la detergencia es uno de los factores

más importantes del producto, se establece una relación proporcional entre el porcentaje

de detergencia y la preferencia del consumidor [16]. Por tal motivo el modelo utilizado

en la ecuación 7 se estima a partir de un comportamiento lineal entre estas dos variables

mencionadas anteriormente.

Ilustración 2: Preferencia del consumidor vs Porcentaje de detergencia

ℎ(%𝐷𝑒𝑡) = 1,0267 ∗ (%𝐷𝑒𝑡) − 0,0137

(7)

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

0 0,02 0,04 0,06 0,08

Porc

enta

je d

e d

ete

rgencia

Reduccion superficial (J/m2)

0%

20%

40%

60%

80%

100%

0% 50% 100%

Pre

fere

ncia

Porcentaje de detergencia

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10

3.3.2 Textura y comodidad de uso

La opinión de los consumidores suele ser influenciada por la viscosidad del producto.

Debido a esto, el producto debe ser aplicado y distribuido fácilmente a través del pelo. En

términos reológicos, los champús y acondicionadores caen dentro de una categoría de

líquidos denominada "adelgazamiento por cizallamiento", donde la aplicación de fuerzas

de cizallamiento (por ejemplo, frotamiento) produce una disminución de la viscosidad.

Un buen champú debe tener una viscosidad adecuada, tal que, sea fácil retirar el producto

de la botella, y, además, que tenga la capacidad de no dejar deslizar el producto del cabello

[17] .

Se utilizan las ecuaciones 8, 9 y 10 para estima la viscosidad de una mezcla [18].

𝑉𝐵𝑁𝑖 = 14,534 ∗ 𝐿𝑛(ln(𝜇𝑖 + 0,8)) + 10,975

(8)

𝑉𝐵𝑁𝑚 = ∑(𝑥𝑖 ∗ 𝑉𝐵𝑁𝑖)

𝑛

𝑖=1

(9)

𝜇𝑚 = exp (exp (𝑉𝐵𝑁𝑚 − 10,975

14,534)) − 0,8

(10)

Donde 𝑉𝐵𝑁𝑖 y 𝑉𝐵𝑁𝑚 se refiere a viscosity blending number del componente 𝑖 y de la

mezcla respectivamente; 𝜇𝑖 y 𝜇𝑚 son las viscosidades de cada componente involucrado

y de la mezcla [cP]. Cabe resaltar que las ecuación 8 no presenta unidades debido a la uso

del logaritmo natural de la viscosidad.

Con base a lo anterior, se establece la preferencia del cliente con una ecuación polinómica

de segundo orden (ecuación 11). Si la viscosidad del producto no supera los 1000cP, la

preferencia del consumidor será baja, por otra parte, si esta supera los 1250cP la

preferencia del cliente aumentará. El producto presenta fácil deslizamiento hacia los ojos

en valores por debajo de 1250 cP, por tal motivo, no se consideran valores apropiados

para la viscosidad de un champú [11].

Ilustración 3: Preferencia del consumidor vs viscosidad de la mezcla

ℎ(𝜇𝑚) = 1𝑒−8 ∗ 𝜇𝑚2 + 2𝑒−4 ∗ 𝜇𝑚 + 0,0557

(11)

0%

20%

40%

60%

80%

100%

0 2000 4000 6000 8000 10000

Pre

fere

ncia

Viscosidad mezcla (cP)

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11

3.3.3 Acondicionamiento del cabello

Las funciones de acondicionamiento se han vuelto aún más importantes debido a que

aumentan la capacidad de peinado del champú con el uso de siliconas, polímeros

catiónicos e ingredientes con base natural. La facilidad de peinado depende

principalmente de la lubricación de la superficie de la fibra debido a la unión de

ingredientes lubricantes o acondicionadores sobre la superficie del cabello. Por lo tanto,

las interacciones más importantes son las que se producen cerca de la superficie de la

fibra o cerca de las primeras capas de cutícula. [9]

Para saber que tanta capacidad de peinado posee un champú es necesario cuánta aloe vera

es depositada en el cabello y si está en presencia de un catión. El uso de cationes favorece

la adsorción presente en el cabello debido a la atracción electroestática entre el carácter

aniónico de la fibra capilar y la molécula cargada positivamente (catión). Se utiliza el

compuesto EDTA debido a que posee la estructura de un catión de amonio cuaternario,

NR4+ donde R representa un grupo alquilo o un grupo arilo.

Por otra parte, se utilizará el componente aloe vera como principal componente

acondicionador debido a que aporta distintas funciones estéticas, es decir, no cambia la

estructura del cabello sino que dotan características sensoriales y visuales como la

peinabilidad, el acondicionamiento y la hidrofobicidad [19].

En la Ilustración 4 se observa la relación entre la cantidad de aloe vera depositada y el

porcentaje en peso del agente acondicionador. Debido a la presencia del componente

EDTA, la cantidad del agente acondicionador en el pelo se duplica [20].

Ilustración 4: Cantidad silicona depositada en presencia de un catión

La ecuación 12 presenta la función para determinar la cantidad de aloe vera depositada

en el cabello (𝐶. 𝐴. 𝐷) teniendo en cuenta la composición másica del aloe vera en el

champú 𝑥𝐴𝑉.

𝐶. 𝐴. 𝐷 = 3,333 ∗ 𝑥𝐴𝑉 + 33,3333

(12)

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

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

Cantidad a

loe v

era

depositada (

mg/ g

pelo

)

% peso aloe vera

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12

Además, esta cantidad depositada en el cabello se relaciona directamente con el

coeficiente de fricción cinético (Ilustración 5). Si el valor de este coeficiente disminuye

significa que no va a haber deslizamiento [12] . La ecuación 13 relaciona el coeficiente

de fricción cinético con la cantidad de silicona depositada.

Ilustración 5: Coeficiente de fricción cinético vs Cantidad de silicona depositada

𝐶𝐹𝐶 = 0,182 ∗ 𝐶. 𝐴. 𝐷−0,093

(13)

Finalmente, los consumidores esperan productos con beneficios percibibles de

acondicionamiento, efectos sensoriales superiores, adaptación de los componentes en el

cabello, lo cual se relaciona con la cantidad de silicona depositada. Además de seguir

tendencia de la moda, los consumidores están interesados en la seguridad del producto.

Por eso, las siliconas han sido utilizados en una gama de productos para el cuidado del

cabello desde la década de 1970, y son estables e inertes bajo condiciones para las

aplicaciones previstas [21]. Por tal motivo, entre menor sea el valor del coeficiente, mayor

será la preferencia del cliente ( Ilustración 6). La ecuación 14 se obtiene de la tendencia

de los datos mostrados en la Ilustración 6.

Ilustración 6: Preferencia consumidor vs Coeficiente de fricción cinético

ℎ(𝐶𝐹𝐶) = −5.6633 ∗ 𝐶𝐹𝐶 + 1.3079

(14)

0,08

0,10

0,12

0,14

0,00 200,00 400,00 600,00 800,00

Coeficie

nte

de f

ricció

n

cin

ético

Cantidad aloe vera depositada (mg/g pelo)

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3

Pre

fere

ncia

clie

nte

Coef fricc cinet

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13

3.3.4 Aditivos

Teniendo en cuenta que el uso de aditivos no es obligatorio, se definen tres variables

binarias que determinan la presencia de los aditivos en el champú. Los aditivos serán:

Aditivo anticaspa

Aditivo fragancia

Aditivo color

El componente que se utilizará en el aditivo anticaspa será sulfuro de selenio. Este

funciona como agente anti fúngico o antimicótico para el tratamiento de la caspa [17].

Como las variables que se manejarán serán binarias, la preferencia del consumidor será

de 100% si el champú contiene color, fragancia y anti caspa. Se presenta la ecuación 15

con la preferencia del cliente en función de las tres variables de decisión:

ℎ(𝑦𝑎𝑐, 𝑦𝑐𝑜𝑙, 𝑦𝑓𝑟𝑎𝑔) = (𝑦𝑎𝑐 + 𝑦𝑐𝑜𝑙 + 𝑦𝑓𝑟𝑎𝑔) ∗ 0,3333

(15)

3.3.5 Irritabilidad

Los champús son productos que entran en contacto con el cuero cabelludo debido a su

mecanismo de limpieza, por tal motivo deben tener restricciones sanitarias que no afecten

la salud del consumidor. Estas limitaciones incluyen lo siguiente: Los ingredientes deben

ser seguros, requiriendo baja toxicidad, bajo potencial de sensibilización y bajo potencial

de irritación de la piel y los ojos. Para este estudio se tiene en cuenta la irritación de los

ojos y la irritación de la piel [9]. Para la irritación de los ojos los componentes que pueden

ser perjudiciales son:

Lauril éter sulfato de sodio

Lauril éter sulfato de amonio

Por otro lado, los ingredientes que pueden causar irritación en la piel pueden ser:

DEA cocamide

Pantenol

Tocoferol

Cloruro de sodio

Hidroxietilcelulosa

Propilenglicol

EDTA

Para calcular la irritación total del champú 𝐼𝑚 basta con tomar la constante de irritación

del compuesto 𝐼𝑖 y multiplicarlo por su concentración másica 𝑥𝑖 [22] (Ecuación 16).

𝐼𝑚 = ∑ 𝑥𝑖 ∗ 𝐼𝑖

𝑛

𝑖=1

(16)

Los límites de irritabilidad de un champú se encuentran entre 0 y 2,22 mientras que en el

ojo se encuentra un valor máximo permitido de 295, debido a su sensibilidad [12]. De lo

anterior se deduce que entre menos sea el índice de irritabilidad del producto mayor será

Page 14: DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA FACULTAD DE …

14

la preferencia del consumidor [9] . En la Ilustración 7 e Ilustración 8 se encuentra el

comportamiento de la preferencia del consumidor con respecto a los índices de

irritabilidad de los ojos y la piel. Las ecuaciones 17 y 18 se estiman a partir de la tendencia

de los datos en las ilustraciones.

Ilustración 7: Preferencia consumidor vs Índice irritabilidad piel

ℎ(𝐼𝑚,𝑝𝑖𝑒𝑙) = 0.4256 ∗ 𝐼𝑚,𝑝𝑖𝑒𝑙 + 1.0631

(17)

Ilustración 8: Preferencia vs Índice irritabilidad ojos

ℎ(𝐼𝑚,𝑜𝑗𝑜𝑠) = −0.0029 ∗ 𝐼(𝑚,𝑜𝑗𝑜𝑠) + 1.0038

(18)

3.3.6 Altura y multiplicidad de la espuma

El potencial de espumaje del producto no influye directamente en el comportamiento

físico de las fibras capilares. Sin embargo, La cantidad de espuma producida es uno de

los criterios que los consumidores usan para evaluar que tan bueno es el producto [23].

La espuma se produce cuando se introduce aire por debajo de una superficie líquida y se

expande para encerrar el aire con una pequeña película de líquido. Esta película debe ser

elástica para producir una espuma que retarde la pérdida de aire que producen los choques

mecánicos de distintos componentes presentes [9].

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

0 0,5 1 1,5 2 2,5

Pre

fere

ncia

clie

nte

Índice irritabilidad (piel)

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

0 50 100 150 200 250 300

Pre

fere

ncia

clie

nte

Índice irritabilidad (ojo)

Page 15: DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA FACULTAD DE …

15

Ingredientes que forman parte de esta propiedad:

Lauril éter sulfato de sodio

Lauril éter sulfato de sodio

Se consideran dos distintas cualidades de la espuma para este caso.

Altura de la espuma: las ecuaciones 19, 20 y 21 muestran el procedimiento para

encontrar la altura de la espuma

𝐻𝑜 =0.78 × 10−2 × (

𝜎𝜌𝑙

)2

𝑟3

(19)

𝑟 = 0.367 × 10−3Γ0.125 (20)

Γ =Π𝑖

𝐶𝑀𝐶

(21)

Donde 𝐻𝑜 representa la altura de la espuma [m]; 𝑟 corresponde al radio de la curvatura

de los canales capilares del pelo [m]; 𝜎 corresponde a la tensión superficial de los

componentes [N.m-1]; Γ representa la concentración de los surfactantes en la capa de

adsorción [kg.m-2], CMC es la concentración crítica de micela [kmol.m-3] y por último

𝜌𝑙 corresponde a la densidad del surfactante en fase líquida [kg.m-3] [24].

Se define CMC como la mínima concentración del surfactante a partir de la cual se forman

micelas espontáneamente en una disolución. Las micelas, son el conjunto de moléculas

que constituye una de las fases de los coloides. Se refiere al mecanismo por el cual el

jabón solubiliza las moléculas insolubles en agua, como las grasas [25].

Para calcular la concentración crítica de micela es necesario hacer uso de la ecuación 22

la cual relaciona distintas propiedades de componentes surfactantes [25].

𝐿𝑜𝑔10𝐶𝑀𝐶 = 1.89 − 0.0697 𝑁𝑡 − 0.0323 𝜐 + 0.381 𝑄𝑐𝑚𝑎𝑥

(22)

Dónde 𝑁𝑡 es el número total de átomos presentes en el surfactante, 𝜐 es el momento

dipolo y 𝑄𝑐𝑚𝑎𝑥 representa las cargas atómicas máximas netas sobre el átomo de carbono

Multiplicidad de la espuma

𝑀𝐹 = 1 + 0.0764𝜎

𝜌𝑙 𝑟2

(23)

La ecuación 23 muestra la multiplicidad [m.s-2] como la relación entre el volumen inicial

de la espuma y el volumen de la disolución gastada para la creación de la espuma [24].

Por último, se obtiene la gráfica de preferencia vs multiplicidad de la espuma y altura de

la espuma. Para la ilustración 9 se tuvo en cuenta el siguiente rango:

Multiplicidad baja (𝑀𝐹 <30)

Multiplicidad media (30< 𝑀𝐹 <200)

Multiplicidad alta (𝑀𝐹 >200)

Page 16: DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA FACULTAD DE …

16

Sin embargo, las soluciones acuosas de champú con composición de ácidos grasos con

surfactantes C12 a C18 generalmente están en el rango de multiplicidad baja [24]. Por tal

motivo se obtiene que a mayor multiplicidad de la espuma mayor preferencia del

consumidor teniendo un valor máximo de 30. Posteriormente, la ecuación 24 muestra la

función según el comportamiento de los datos obtenidos.

Ilustración 9: Preferencia consumidor vs Multiplicidad de la espuma

ℎ(𝑀𝐹) = 0.0314 ∗ 𝑀𝐹 + 0.0286

(24)

La Ilustración 10 muestra la relación entre la preferencia del consumidor y la altura de la

espuma. Se realizó el comportamiento de esta preferencia con base a un estudio en el cual

se tienen 5 muestras distintas de champú, cada muestra con una altura de espuma

diferente. Al final, la muestra con mayor altura de espuma fue seleccionada como la

preferida entre los consumidores. Por tal razón, se espera obtener una preferencia alta por

parte del consumidor siempre y cuando la altura de la espuma aumente [26]. La ecuación

25 muestra el comportamiento de la preferencia del cliente en función de la altura de la

espuma.

Ilustración 10: Preferencia del consumidor vs altura de la espuma

ℎ(𝐻𝑜) = −0,0053 ∗ 𝐻𝑜3 + 0,1348 ∗ 𝐻𝑜

2 − 0,7871 ∗ 𝐻𝑜 + 0,00002

(25)

0%

20%

40%

60%

80%

100%

0 5 10 15 20 25 30 35

Pre

fere

ncia

del clie

nte

Multiplicidad [m.s-2]

0%

20%

40%

60%

80%

100%

9 10 11 12 13 14

Pre

fere

ncia

del clie

nte

Altura espuma (mm)

Page 17: DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA FACULTAD DE …

17

3.4 MODELO DE PRECIO Y DEMANDA En las ecuación 26 y 27 se observa el modelo de mercado a utilizar según la bibliografía

[6].

𝑝1𝑑1 = (𝛼

𝛽)

𝜌

𝑝2 (𝑌 − 𝑝1𝑑1

𝑝2)

1−𝜌

𝑑1𝜌

(26)

𝛽 =𝐻2

𝐻1

(27)

Donde 𝑝1 y 𝑝2 son los precios del producto nuevo y del competidor. 𝛽 es la razón entre

el puntaje de preferencia de la competencia 𝐻2 y el nuevo producto 𝐻1. 𝛼 es la constante

de reconocimiento del producto con un valor fijo de 0.5; 𝜌 es la constante de elasticidad

con un valor fijo de 1. Estos dos últimos valores dependen de la estrategia del marketing

de la empresa y las interacciones del mercado las cuales no se tocan en el presente estudio.

𝑑1 Corresponde a la demanda del nuevo producto; 𝑌 es el presupuesto del consumidor en

el mercado. Se eligió como producto competidor un champú acondicionador,

comúnmente conocido como champú 2 en 1 teniendo una preferencia por parte del

consumidor de 39.16%, una demanda de 3,047,757.99 unidades a un precio COP

4,776.99 [27].

3.5 MODELO DE RENTABILIDAD En el modelo de rentabilidad se asocian los costos de producción del producto con los

ingresos generados teniendo en cuenta una inversión inicial y estableciendo un panorama

de 10 años. La ecuación 28 muestra los costos asociados a la compra de los ingredientes

𝐶𝑐:

𝐶𝑐 = 𝑑1 ∑ 𝑚𝑖𝐶𝑖

𝑛

𝑖=1

(28)

Donde 𝑑1es la demanda del producto, 𝑚𝑖 es la cantidad de cada ingrediente en [Kg] y 𝐶𝑖

es el costo asociado a cada ingrediente [COP]. La utilidad del producto se muestra en la

ecuación 32:

𝑈 = 𝑑1𝑝1 − 𝐶𝑐

(29)

La inversión inicial del proceso corresponde a la compra de un agitador de turbina. Este

es preferible para aplicaciones que involucran mezcla de líquidos miscibles e inmiscibles

y mejoran la transferencia de calor hacia o desde un líquido en un tanque con chaqueta

de calentamiento. Para este trabajo se realizara la inversión inicial en un agitador con

tanque cerrado, se estima el costo utilizando la ecuación 30 [28].

𝐶𝑖𝑛𝑣 = 3,290 ∗ 𝑃0,54

(30)

Page 18: DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA FACULTAD DE …

18

Para estimar la potencia requerida del mezclador se utiliza la correlación mostrada en la

ecuación 31 donde corresponde a valores típicos de requerimiento de potencia para

turbinas basadas en el volumen del fluido contenido en tanques o recipientes [28].

𝑃 = (1,5

1000 𝑔𝑎𝑙) 𝑉𝑓 ∗ 0,75

(31)

Donde 𝑉𝑓 corresponde al flujo volumétrico de producción del champú [gal/día] y la

constante 0,75 corresponde a la conversión de unidades, hP a kWh. Se establece un flujo

másico de 1000 galones/día. Por último, se realiza una proyección a 10 años con un interés

anual del 5% utilizando la ecuación del VPN (Valor presente neto).

𝑉𝑃𝑁 = ∑𝑈

(1 + 𝑖𝑛𝑡)𝑎

10

𝑎=1

− 𝐶𝑖𝑛𝑣

(32)

El valor presente neto es uno de los métodos más conocidos a la hora de evaluar un

proyecto a largo plazo. Permite determinar si una inversión cumple con el objetivo

básico financiero, maximizar la inversión.

3.6 CONJUNTOS Los conjuntos dentro del problema de optimización son los siguientes:

Conjunto que contiene los componentes del producto junto con los aditivos:

color (CL), fragancia (FR) y anticaspa (AC).

𝐼𝑛𝑔𝑟𝑒𝑑𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒𝑠 (𝑖): {𝐿𝑆𝑆, 𝐿𝑆𝐴, 𝑁𝑎𝐶𝑙, 𝐷𝐸𝐴, 𝐴𝑉, 𝐻𝐷𝑋, 𝑃𝑇𝐿, 𝑇𝐶𝐿, 𝑃𝑃𝐺, 𝐸𝐷𝑇𝐴, 𝑆𝑆, 𝐶𝐿, 𝐹𝑅}

Conjunto que contiene las propiedades del champú nombradas en la sección

3.2:Propiedades del producto

𝑃𝑟𝑜𝑝𝑖𝑒𝑑𝑎𝑑𝑒𝑠 (𝑗): {𝐿𝐼𝑀𝑃, 𝑇𝐸𝑋𝑇, 𝐴𝐶𝑂𝑁𝐷. 𝐴𝐷𝑇, 𝐼𝑅𝑅𝑇𝑜𝑗𝑜, 𝐼𝑅𝑅𝑇𝑝𝑖𝑒𝑙, 𝐴𝐿𝑇𝐸𝑆𝑃 , 𝑀𝑈𝐿𝑇𝐸𝑆𝑃}

Subconjuntos que contienen los componentes asociados a cada una de las

propiedades, debido a que no todos los componentes afectan todas las

propiedades del champú.

𝐼𝑛𝑔𝑟𝐿𝐼𝑀𝑃 (𝑘): {𝐿𝑆𝑆, 𝐿𝑆𝐴}

𝐼𝑛𝑔𝑟𝑇𝐸𝑋𝑇(𝑙): {𝑁𝑎𝐶𝑙, 𝐷𝐸𝐴, 𝐴𝑉, 𝐻𝐷𝑋, 𝐿𝑆𝑆, 𝐿𝑆𝐴, 𝑃𝑇𝐿, 𝑇𝐶𝐿, 𝑃𝑃𝐺}

𝐼𝑛𝑔𝑟𝐴𝐶𝑂𝑁𝐷(𝑚): {𝐴𝑉, 𝐸𝐷𝑇𝐴}

𝐼𝑛𝑔𝑟𝐴𝐷𝑇(𝑛): {𝐹𝑅, 𝐶𝐿, 𝐴𝐶}

𝐼𝑛𝑔𝑟𝐼𝑅𝑅𝑇𝑜𝑗𝑜(𝑜): {𝐿𝑆𝑆, 𝐿𝑆𝐴}

𝐼𝑛𝑔𝑟𝐼𝑅𝑅𝑇𝑝𝑖𝑒𝑙(𝑝): {𝐷𝐸𝐴, 𝐿𝑆𝑆, 𝐿𝑆𝐴, 𝑃𝑇𝐿, 𝑇𝐶𝐿, 𝑁𝑎𝐶𝑙, 𝐻𝐷𝑋, 𝑃𝑃𝐺, 𝐸𝐷𝑇𝐴}

𝐼𝑛𝑔𝑟𝐴𝐿𝑇𝐸𝑆𝑃(𝑞): {𝐿𝑆𝑆, 𝐿𝑆𝐴}

𝐼𝑛𝑔𝑟𝑀𝑈𝐿𝑇𝐸𝑆𝑃(𝑟): {𝐿𝑆𝑆, 𝐿𝑆𝐴}

Page 19: DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA FACULTAD DE …

19

3.7 LISTA DE PARÁMETROS A continuación, en la tabla 2 se presenta la lista de parámetros del problema,

nomenclatura, descripción y unidades.

Tabla 2: Lista de parámetros

Nomenclatura Descripción Unidades

𝑥𝑖𝑀𝑖𝑛 Composición másica

mínima de los

componentes

[%]

𝑥𝑖𝑀𝑎𝑥 Composición másica

máxima de los

componentes

[%]

𝑏 Constante de adsorción de

equilibrio

[-]

𝜔 Área molar de los

surfactantes

[m2/mol]

𝑅 Constante de los gases [J.mol/K]

𝑇 Temperatura ambiente [K]

𝛾0 Tensión superficial del

agua

[J/m2 ]

𝜇𝑙 Viscosidad del

componente 𝑙 [cP]

𝑉𝐵𝑁𝑙 viscosity blending number

del componente (𝑙)

[-]

𝜇𝑚𝑎𝑥 Viscosidad de la mezcla

máxima

[cP]

𝜇𝑚𝑖𝑛 Viscosidad de la mezcla

mínimo

[cP]

𝐶. 𝐴. 𝐷𝑚𝑖𝑛 Cantidad aloe vera mínima

depositada en el cabello

[mg/ g

pelo]

𝐶. 𝐴. 𝐷𝑚𝑎𝑥 Cantidad aloe vera

máxima depositada en el

cabello

[mg/ g

pelo]

𝐼𝑜,𝑜𝑗𝑜𝑠 Índice de irritabilidad de

los componentes en los

ojos (𝑜)

[-]

𝐼𝑝,𝑝𝑖𝑒𝑙 Índice de irritabilidad de

los componentes en la piel

(𝑝)

[-]

𝑁𝑡 Número total de átomos

presente en el surfactante

[-]

𝜐 Momento dipolo [-]

𝑄𝑐𝑚𝑎𝑥 Cargas atómicas máximas

netas sobre el átomo de

carbono

[-]

𝜌𝑞,𝑟 Densidad del surfactante

(𝑞, 𝑟) en fase líquida

[kg.m-3]

Page 20: DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA FACULTAD DE …

20

𝑀𝐹𝑚𝑎𝑥 Máxima multiplicidad

definida

[m.s-2]

𝐶𝑀𝐶𝑞 Concentración crítica

micela de los surfactantes

[kmol.m-3]

𝜎𝑞,𝑟 Tensión superficial de los

componentes 𝑞, 𝑟

[N.m-1]

𝑝2 Precio del competidor [COP]

𝑑2 Demanda del competidor [# champ]

𝐻2 Puntaje de preferencia

total del competidor

[%]

𝛼 Constante de

reconocimiento

[-]

𝜌 Constante de elasticidad [-]

𝑌 Tamaño del mercado [-]

𝑃 Potencia del mezclador [Kwh]

𝑇𝑒 Tarifa energética [COP/Kwh]

𝐶𝑡𝑜𝑡 Costos totales de

producción

[COP]

𝑖𝑛𝑡 Interés anual [%]

3.8 LISTA DE VARIABLES A continuación en la tabla 3 se presenta la lista de variables del problema, nomenclatura,

descripción y unidades

Tabla 3: Lista de variables del problema

Nomenclatura Descripción Unidades

𝑥𝑖 Composición másica de cada

componente dentro del champú

[%]

Π𝑘 Tensión superficial de los

surfactantes

[J/m2]

Π𝑘̅̅̅̅ Tensión superficial adimensional [-]

Π𝑚 Reducción tensión superficial de la

mezcla

[J/m2]

ℎ𝑗 Preferencia del cliente de cada

propiedad 𝑗

[%]

%𝐷𝑒𝑡 Porcentaje de detergencia del

producto

[%]

𝑉𝐵𝑁𝑚 Viscosity blending number de la

mezcla

[-]

𝜇𝑚 Viscosidad de la mezcla [cP]

𝐶. 𝐴. 𝐷 Cantidad de Aloe Vera depositada [mg/ g

pelo]

𝐶𝐹𝐶 Coeficiente de fricción cinético [-]

𝑦𝑛 Variable binaria con valor de 0 o 1 [-]

𝐼𝑚,𝑜𝑗𝑜𝑠 Irritabilidad de la mezcla ojos [-]

𝐼𝑚,𝑃𝑖𝑒𝑙 Irritabilidad de la mezcla piel [-]

Page 21: DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA FACULTAD DE …

21

Γ𝑞,𝑟 concentración de los surfactantes en

la capa de adsorción

[kg.m-2]

𝑟𝑞,𝑟 Radio de la curvatura de los canales

capilares del pelo [m]

[m]

𝐻𝑜 Altura de la espuma [m]

𝑀𝐹 Multiplicidad de la espuma [m.s-2]

𝑤𝑗 Suma de las composiciones de los

ingredientes asociados a cada

propiedad 𝑗

[%]

𝐻1 Puntaje total obtenido del producto [-]

𝑑1 Demanda del producto nuevo [#

champ]

𝑝1 Precio del producto nuevo [COP]

𝛽 Relación entre la preferencia del

competidor y la preferencia del

producto nuevo

[-]

𝑚𝑖 Cantidad de cada ingrediente 𝑖 [Kg]

𝐶𝑖 Costo de cada ingrediente 𝑖 [COP]

𝑈 Utilidad total del producto [COP]

𝑉𝑃𝑁 Valor presente neto con una

proyección a 10 años

[COP]

3.9 RESTRICCIONES Se muestra la lista de restricciones a continuación

𝑥𝑖𝑀𝑖𝑛 < 𝑥𝑖 < 𝑥𝑖𝑀𝑎𝑥

(33)

𝜇𝑚𝑖𝑛 < 𝜇𝑚 < 𝜇𝑚𝑎𝑥

(34)

𝐶. 𝐴. 𝐷𝑚𝑖𝑛 < 𝐶. 𝐴. 𝐷 < 𝐶. 𝐴. 𝐷𝑚𝑎𝑥 (35)

𝑌 ≥ 𝑝1𝑑1 + 𝑝2𝑑2 (36)

∑ 𝑥𝑖 = 1 (37)

0 < ℎ𝑗 < 1 (38)

𝑦𝑛 = 0,1 (39)

𝑤𝐿𝑖𝑚 = ∑ 𝑥𝑘 (40)

𝑤𝑇𝑒𝑥𝑡 = ∑ 𝑥𝑙 (41)

𝑤𝐴𝑐𝑜𝑛𝑑 = ∑ 𝑥𝑚 (42)

𝑤𝐼𝑟𝑟𝑖𝑡𝑜𝑗𝑜 = ∑ 𝑥𝑜 (43)

Page 22: DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA FACULTAD DE …

22

𝑤𝐼𝑟𝑟𝑖𝑡𝑝𝑖𝑒𝑙 = ∑ 𝑥𝑝 (44)

𝑤𝑎𝑙𝑡𝑒𝑠𝑝 = ∑ 𝑥𝑞 (45)

𝑤𝑚𝑢𝑙𝑡𝑒𝑠𝑝 = ∑ 𝑥𝑟 (46)

0 < 𝑤𝑗 < 1 (47)

0 < 𝐻1 < 1 (48)

3.10 FUNCIÓN OBJETIVO La función objetivo del problema será la ecuación 34, maximiza el valor presente neto

que tiene en cuenta la utilidad bruta del producto, junto con los costos asociados a

producción y fabricación.

max (𝑉𝑃𝑁 = ∑𝑈

(1 + 𝑖𝑛𝑡)𝑎

10

𝑎=1

− 𝐶𝑖𝑛𝑣)

(34)

4. ESTRATEGIA DE RESOLUCIÓN

Se establece el modelo propuesto por Bagajewicz [6], donde se establecen distintas

propiedades del champú. Las propiedades están relacionadas con la formulación

escogida, teniendo en cuenta la composición de cada ingrediente. Por medio de varios

modelos matemáticos, se estiman distintos resultados de las propiedades del champú. Los

datos se ingresan en funciones de preferencia del consumidor en donde el producto

propuesto recibe un puntaje. De lo anterior dependerá de que tan favorables sean las

propiedades para el consumidor. Este puntaje obtenido se ingresa a un modelo de precio

y demanda que permite estudiar la rentabilidad del producto realizando proyecciones a

futuro y teniendo en cuenta el mercado actual. A continuación se observa en la figura 1

el esquema de la metodología del trabajo.

Page 23: DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA FACULTAD DE …

23

Figura 1: Esquema metodología de trabajo

El problema de optimización fue formulado y ejecutado en dos programas diferentes. En

primer lugar, se utilizó el complemento SOLVER del programa EXCEL para realizar una

primera iteración del problema y revisar la factibilidad y consistencia de las restricciones

formuladas. Adicionalmente, el programa permitió establecer los límites de todas las

variables y definir una inicialización. Posteriormente, se utilizó la inicialización para

lograr alcanzar un óptimo local del modelo en el programa GAMS. El algoritmo realizado

se encuentra en la sección de anexos. La inicialización de las variables se encuentra en la

tabla 2:

Page 24: DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA FACULTAD DE …

24

Tabla 4: Inicialización y límites superiores e inferiores de las variables

Variables Límite inf. Inicialización Límite sup.

𝑥𝐿𝑆𝑆 0.00% 1.00% 11.00%

𝑥𝐿𝑆𝐴 0.00% 1.00% 5.00%

𝑥𝑁𝑎𝐶𝑙 0.00% 1.00% 1.20%

𝑥𝐷𝐸𝐴 0.00% 1.00% 3.50%

𝑥𝐴𝑉 0.00% 1.00% 5.00%

𝑥𝐻𝐷𝑋 0.00% 1.00% 3.00%

𝑥𝑃𝑇𝐿 0.00% 1.00% 3.00%

𝑥𝑇𝐶𝐿 0.00% 1.00% 3.00%

𝑥𝑃𝑃𝐺 0.00% 1.00% 3.00%

𝑥𝐸𝐷𝑇𝐴 1.00% 1.00% 3.00%

𝑥𝑆𝑆 0.00% 1.00% 1.00%

𝑦𝑐𝑜𝑙 0 1 1

𝑦𝐹𝑟 0 1 1

𝑝1 0 0 10,000

𝑑1 0 1,000 -

Este problema es tipo MINLP (Mixed Integer Nonlinear Programing) debido a la

naturaleza del problema, considerando que las variables de decisión fueron definidas para

ser números enteros. Adicionalmente, las ecuaciones utilizadas en el modelo eran

restricciones tanto lineales como no lineales. En total fueron definidas 60 ecuaciones.

También fueron definidas 71 variables las cuales 15 de estas son variables de decisión,

tales como la composición másica de los ingredientes dentro del champú, el precio y la

demanda del producto. Para la solución del problema de optimización se especificaron

todas las variables como positivas, para el caso de la demanda no se establecieron límites

superiores, caso contrario para el caso de los componentes y el del precio.

Una vez definidos los límites y los parámetros del modelo se procedió a realizar la

optimización en el escenario base establecido en Excel. Los porcentajes en peso de los

componentes que maximizan el valor presente neto del presente trabajo se encuentran

ubicados en la tabla 5.

Page 25: DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA FACULTAD DE …

25

Tabla 5: Composición óptima de un champú con aloe vera

Ingredientes (abreviación) Porcentaje

en peso

• Lauril éter sulfato de sodio (LSS) 7.19%

• Lauril éter sulfato de amonio

(LSA) 2.45%

• Cloruro de sodio (NaCl) 1.04%

• Cocamida DEA (DEA) 1.97%

• Aloe vera (AV) 3.06%

• Hidroxietilcelulosa (HDX) 0.50%

• Pantenol (PTL) 2.11%

• Tocoferol (TCL) 2.16%

• Propilenglicol (PPG) 1.53%

•Ácido etilendiaminotetraacético

(EDTA) 1.30%

• Sulfuro de Selenio (SS) 0.00%

Color -

Fragancia Necesario

Agua 76.69%

Mientras que el precio individual y la demanda del producto son:

𝑝1 = 𝐶𝑂𝑃$ 4091.48 ; 𝑑1 = 3,836,673.7

La satisfacción total del producto para el consumidor es del 67.09%. Finalmente, el

valor de la función objetivo es de COP$ 115,741,428,438.606.

5. ANÁLISIS DE RESULTADOS

Los resultados obtenidos en el modelo de optimización se encuentran entre los límites

establecidos para cada una de las variables. Además, los valores del precio y la demanda

obtenidos entran en un marco lógico teniendo en cuenta los principales aspectos del

mercado, como son el precio y la demanda del competidor, el tamaño del mercado y la

flexibilidad del modelo. Para realizar un análisis adicional sobre el diseño del producto,

se presenta un análisis de sensibilidad frente a las principales fuentes de incertidumbre

que se dieron a lo largo de la formulación. Paso seguido se comparan los resultados de

las principales variables modificando el valor de estas fuentes de incertidumbre.

Finalmente, se discuten los resultados obtenidos en la simulación y la importancia del

efecto generado en la función objetivo por las incertidumbres en el modelo.

La primera fuente de incertidumbre fueron las distintas inicializaciones de la variable 𝑑1

pues se notaron cambios tanto en la función objetivo, el precio y la demanda del producto

y la preferencia del consumidor. También se resalta la variable de la composición de aloe

vera en el champú y como esta se ve afectada por la inicialización anteriormente

Page 26: DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA FACULTAD DE …

26

mencionada. A continuación la tabla 6 presenta tres de las distintas inicializaciones

utilizadas para el modelo. Cabe resaltar que al ejecutar el programa con estas tres

inicializaciones no se presentaron problemas de convergencia y las variables respetaron

los límites impuestos. Este análisis permitió encontrar distintos valores óptimos locales

y realizar una comparación entre estos.

Tabla 6: Diferentes valores para cada una de las inicializaciones utilizadas

Inicialización

𝒅𝟏 𝒅𝟏(𝒖𝒏𝒅)

𝑷𝟏 (COP) 𝑽𝑷𝑵 (COP) 𝑯𝟏(%) 𝒙𝑨𝑽(%)

1000 3’836’673.77

4’091 115’741’428’439 67.09% 3.06%

500 2’009’145.668

4’094 60’675’872’304 67.13% 3.06%

0 1’645.349167

4’060 50’326.215 66.58% 2.42%

Como se observa en la tabla 6 la inicialización utilizada afecta en gran medida el valor de

la función objetivo y a la demanda del producto. Es claro que el valor de estas variables

se incrementa a medida que se aumenta el valor de la inicialización, y como el objetivo

principal es maximizar las ganancias se escoge dicha inicialización. Sin embrago, en el

precio del producto, la satisfacción global del consumidor frente al producto y la

composición másica de aloe vera en el champú no se ven afectados en gran medida por

el valor inicial que tome la demanda del producto. Es decir, si se decide escoger diferentes

inicializaciones para una misma variable, esta y la función objetivo se ven directamente

afectadas.

Caso contrario ocurre en los valores de las demás variables puestos que se mantienen

cercanas a pesar de las diferentes inicializaciones. Es importante resaltar que se utilizaron

valores iniciales superiores, pero no se encontraron soluciones que respetaran los límites

de las variables. Resulta importante aclarar que las inicializaciones escogidas deben estar

dentro de los límites de las variables para que el programa llegue a resultados coherentes

con las restricciones formuladas. Finalmente se decide trabajar con la primera

inicialización mostrada en la tabla 5 pues se encuentran resultados óptimos en las

variables seleccionadas.

Al establecer un horizonte de 10 años, la constante de elasticidad 𝛼 fue tomada en cuenta

como la segunda fuente de incertidumbre debido a que el valor de este parámetro depende

del tiempo [6]. Al elegir una elasticidad constante para todos los años se debe realizar un

análisis del comportamiento de la satisfacción del consumidor. En primer lugar, es el

enlace entre la formulación química del producto y el modelo del mercado desde el punto

de vista del consumidor. En segundo lugar, es la variable que más se ve afectada por el

cambio de esta constante. Finalmente, a pesar de que la formulación química tenga un

impacto en la función objetivo debido a los costos de producción, la función de

preferencia es la que impacta la parte de la función objetivo asociada a las ventas del

producto. Por las razones descritas anteriormente se decide realizar un análisis de

sensibilidad en la ilustración 11 donde se describe el comportamiento de la preferencia

global con respecto a la constante de elasticidad.

Page 27: DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA FACULTAD DE …

27

Ilustración 11: Comportamiento de la preferencia global variando la constante de elasticidad

Se observa inicialmente que fue posible obtener valores para cada una de las constantes

escogidas. Fue necesario eliminar el límite superior del precio del producto para que la

solución pudiera converger y arrojara resultados de preferencia global. Tal y como se

muestra en la ilustración 11 se aprecia un pico máximo utilizando una constante de

elasticidad con un valor de 0.75. Sin embargo, a pesar de que se obtiene una mayor

preferencia por parte del consumidor, no resulta ser la opción más rentable ya que el

precio del producto aumenta desmedidamente, y en consecuencia pierde de vista el uno

de los objetivos del modelo que es obtener un producto que maximice las utilidades

teniendo en cuenta la competencia del producto en el mercado.

Tabla 7: Comparación de resultados para dos constantes de elasticidad

Elasticidad (𝜶=1) Elasticidad (𝜶=0,75)

𝑯𝟏 (%) 67.09% 68.68%

𝒅𝟏 3’836’673.77 1’265’845.63

𝒑𝟏(COP $) 4’091.4 10’236.3

La tabla 7 expresa dos puntos importantes, en primer lugar se llega a concluir que no

necesariamente el producto con más preferencia del consumidor resulta ser el más

rentable. En segundo lugar, se ve reflejado la sensibilidad del sistema frente al parámetro

de la elasticidad. Valores entre 0.6 y 0.8 a pesar de tener una mayor preferencia dejan a

un lado el precio del producto dejándolo fuera de competencia frente a precios más bajos.

Mientras que a un nivel más alto (𝛼 = 1) a pesar de tener una menor reacción por parte

de los consumidores se llega a un producto coherente capaz de competir en el mercado

con un precio razonable y que de igual manera genere valor al aumentar las utilidades.

Se debe tener en cuenta que el modelo descrito en la formulación del problema tiene en

cuenta un competidor estático, que no se ve afectado por mercados cambiantes. Sin

embargo, para profundizar en el estudio de mercado del producto se debe elegir una

condición dinámica y debe existir un modelo que determine el precio y la demanda de la

52%

54%

56%

58%

60%

62%

64%

66%

68%

70%

0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0

Pre

fere

ncia

glo

bal (%

)

Constante de elasticidad

Page 28: DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA FACULTAD DE …

28

competencia. Dentro de la revisión de estos modelos se encuentran la competencia

perfecta, monopolio y oligopolio [6].

Debido a lo anterior, el resultado de la función objetivo va ligado a dos condiciones

importantes. La primera es la reducción de costos que se ve limitada por la preferencia

del consumidor. La segunda es obtener un valor máximo de ventas teniendo en cuenta el

precio y la demanda del producto. Ambas condiciones pueden verse afectadas por el

comportamiento dinámico del mercado.

Es importante destacar la diferencia entre los resultados obtenidos y los parámetros del

producto competencia, los cuales se ven reflejados en la tabla 8.

Tabla 8: Valores para cada uno de los productos

Champú 1 (Aloe Vera) Champú 2

Preferencia del cliente global 67.09% 39.16%

Demanda 383,6673.77 3,047,757.99

Precio (COP) 4,091.48 4,776.99

Valor presente neto (COP) 15,999,546,686,090 730,786,530,189

Al comparar los distintos valores se refleja una mayor preferencia del cliente hacia el

producto obteniendo así una mayor demanda con precios relativamente menores , y en

consecuencia obteniendo una mayor generación de dinero, pues el valor presente neto es

considerablemente mayor en comparación al de la competencia. Es en este contraste

donde se ve la importancia del componente de aloe vera dentro de la formulación del

champú, pues este logra aumentar significativamente la preferencia del consumidor hacia

el producto por lo que se considera un componente que puede agregar valor a un producto.

Finalmente, este producto puede estar asociado a estructuras industriales más complejas

(donde se tiene en cuenta costos de producción asociados al proceso del champú), lo que

haría que los modelos sean demasiado complejos de resolver. Por tal motivo, la

herramienta GAMS puede ser de gran ayuda al incorporar varios algoritmos de resolución

tanto de programación de ecuaciones lineales y no lineales con variables entera. Sin

embargo, en las optimizaciones complejas para el diseño de productos existen muchas

soluciones óptimas locales en el espacio de diseño factible, como fue el caso de este

problema.

6. CONCLUSIONES Y PERSPECTIVAS

La metodología propuesta para el diseño óptimo de un producto se considera adecuada

para facilitar el procedimiento del modelo propuesto en el presente trabajo, esto, mediante

una aproximación a la formulación del producto. Esto se logra por la integración de

aspectos técnicos del producto y aspectos del mercado al que pertenece. El primer término

abarca datos relacionados al proceso de transformación de las materias primas en

productos o servicios que serán requeridos por los consumidores. El segundo término

relaciona características y variables del mercado, a partir de un modelo de precio y

demanda, donde se maximiza la utilidad bruta del producto teniendo en cuenta el tamaño

del mercado y los costos asociados al proceso de producción.

Page 29: DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA FACULTAD DE …

29

Sin embargo, cuando se trabaja en el diseño óptimo, el mejor producto desde el punto de

vista del consumidor no siempre resulta ser el más rentable, ni el producto más rentable

resulta ser el mejor desde el punto de vista del consumidor. Como consumidor se espera

que el porcentaje presente de aloe vera sea mayor en el champú, pues este ingrediente se

relaciona con el cuidado del cabello. Se establece una relación directamente proporcional,

a una mayor composición mayor será el efecto del cuidado del cabello. No obstante, desde

el punto de vista del productor añadir más Aloe Vera no necesariamente conduce a la

mejor opción desde el punto de vista rentable. Esto debido a que puede llevar consigo

mayores costos y en consecuencia disminuir la utilidad bruta. Se demuestra entonces que

el producto deseado por los consumidores no siempre resulta ser el más rentable. Por tal

razón, debe haber consistencia en la aplicación de la metodología y considerar que existe

un rango de variación de la formulación del producto. Esto debido a la existencia de

incertidumbres en algunos parámetros de los modelos, y a su vez un efecto de estos en

los resultados de la optimización.

Para el caso de estudio los parámetros considerados por su incertidumbre fue escoger un

valor de la elasticidad del mercado adecuado y la inicialización correcta de las variables

en el modelo, los cuales tuvieron efectos en el desempeño de la función objetivo. Las

diferencias de resultados permiten evidenciar la importancia del modelo de mercado en

la función objetivo y cómo existe un balance del precio, la demanda, la utilidad y los

costos del producto.

Adicionalmente, la metodología propuesta tiene una gran variedad de aplicaciones en la

industria cosmética, alimenticia, de aseo personal o de limpieza debido a que son

industrias las cuales desean generar un mayor ingreso por medio de la preferencia del

cliente y requieren de una satisfacción del consumidor. El modelo puede ser desarrollado

con mayor profundidad, si se integra toda la cadena de abastecimiento y los procesos

productivos que se encuentran presentes en la producción del champú. Con esto presente

y junto a un diseño óptimo de procesos se tendría una perspectiva más amplia de todo el

proceso en conjunto. Dado lo anterior, fue necesario realizar una formulación a

profundidad del modelo y una investigación de los aspectos anteriormente mencionados.

Se tuvieron en cuenta de las propiedades fisicoquímicas de los componentes, como del

nivel de satisfacción del cliente frente a diferentes propiedades comunes en el champú, y

los costos asociados a materia prima y de inversión inicial.

La optimización dentro del campo de la ingeniería no implica que la compañía opere o

produzca utilizando su capacidad máxima, sino en el punto que genere la mayor utilidad

posible. El uso de esta herramienta provoca que mejoras en la eficiencia de los procesos

se traduzcan en ganancias económicas significativas. Junto al diseño de productos se

genera mayor utilidad debido al equilibrio que existe entre la satisfacción del consumidor

y el costo de los componentes utilizados para su elaboración.

Page 30: DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA FACULTAD DE …

30

7. BIBLIOGRAFÍA

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lamiachemist-inorganica-complejos-coordinacion-agente-quelante-kimikito/. [Último

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[28] Seider, Seader, Lewin y Widagdo, Product and Process Design Principles, John Wiley &

Sons Inc, pp. 580-590.

[29] R. Gani, «Chemical product design: challenges and opportunities,» 2004.

Page 32: DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA FACULTAD DE …

32

8. ANEXOS

Anexo 1: Recopilación de los trabajos relacionados con el diseño de producto

Autor

Título

Año

Descripción

Jha, Prabhakar, Srivastav, &

Rao

Influence of temperature on vacuum drying characteristics,

functional properties and

micro-structure of Aloe Vera.

2015

El aloe vera posee propiedades terapéuticas y

antioxidantes las cuales se pueden ver afectadas

en una operación de proceso. Se estudia el efecto de temperatura dentro de la estructura y las

propiedades funcionales del gel de Aloe Vera.

William M. Winkler Patente nº 4,470,982. 1982

Dentro de esta patente se encuentra la

composición detallada de los diferentes productos

que utilizan un champú. Dentro de estas

composiciones se encuentran una cantidad critica

de surfactante aniónico, un agente suspendido y

alcanolamida, un surfactante no iónico

Mainkar, A., & Jolly, C. Formulation of natural

Shampoos 2001

Presentación de la formulación de Champús

naturales, su evaluación y comparación con el

champús a base de hierbas. Se basa en el uso de componentes realmente naturales para

posteriormente realizar una formulación adecuada

Gani , R

Computer-Aided Methods and

Tools for Chemical Product

Design

2004

El diseño de un producto químico involucra numerosas alternativas las cuales requieren

herramientas numéricas y diferentes fuentes de

información que necesita un producto químico. Se proveen diferentes métodos y herramientas para

que se puedan llevar acabo en productos químicos

para que puedan ser realizados de una manera

más rápida.

Matyei, M., Kontogeorgis, G.

M., & Gani, R.

A comprehensive framework for surfactant selection and

design for emulsion based

chemical product design

2014

Se desarrollan una metodología y herramientas

relevantes para ahorrar tanto tiempo como recursos en el desarrollo de diseños de productos

químicos basados en emulsión teniendo como

objetivo principal llegar a ser productos de bajo costo dentro del mercado.

Wadood Khan, A., Kotta, S.,

Hussain Ansari, S., Kumar

Sharma, R., Kumar, A., &

Ali, J.

Formulation development,

optimization and evaluation of

aloe Vera gel for wound healing

2013

Formular y optimizar un gel herbario de extracto

de Aloe vera que contenga Carbopol 934 como agente gelificaste e investigar los efectos de la

aplicación tópica del gel Carbopol 934 que

contiene el extracto de Aloe vera

HELBERTH ARTURO COY

ESTRUCTURA DE LA

COMERCIALIZACION DE LA

SÁBILA EN COLOMBIA

2013

Tiene como objetico la identificación descripción y análisis de la agro cadena de la Aloe Vera,

enfocándose tanto en sus generalidades como el

estudio de comercio y competitividad en el ámbito nacional e internacional

Craig Whitnack, Ashley

Heller, Miguel J. Bagajewicz

A Microeconomics-based

approach to product design

under uncertainty

2008

Se definió un conjunto de necesidades del

consumidor y se relacionaron con un conjunto de

propiedades físicas y químicas, que fueron posteriormente analizadas con base a un modelo

de preferencia macroeconómico, con el fin de

determinar el precio y la formulación óptima

Page 33: DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA FACULTAD DE …

33

Gani , R

Chemical product design:

challenges and oppotunities. Computers ande Chemical

Engineering

2004

El documento se destaca para una clase de

productos químicos, el proceso de diseño que se

lleva a cabo, la necesidad de herramientas adecuadas y enumera algunos retos importantes

para la ingeniería en sistemas de proceso e

ingeniería de proceso

Kang, Byung Ha, Woo ri,

Min-sun, & Sang hoon

. Optimization of Conditioning

Performance by Controlling

Properties of Polymer-Surfactant Complex in

Shampoo System

2010

Se crea un polímero catiónico el cual optimiza los

efectos condicionantes del champú a partir de un

nuevo contenido de nitrógeno. También se hace uso de una nueva viscosidad (190 a 200 Cp.) a

través de diversas mediciones de rendimiento.

Bagajewicz, M., Hill, S.,

Robben, A., Lopez, H.,

Sanders, M., Sposato, E

Product Design in Price-Competitive Markets: A Case

Study of a Skin Moistrizing

Lotion

2001

En este artículo se aplica un método desarrollado

para el diseño de producto de una loción en un

mercado con precios competitivos. Este método

se basa en el uso de las funciones preferidas del

consumidor las cuales se transforman en parámetros para la relación del precio y la

demanda. Estas relaciones se basan en un modelo

de negocios que determina la óptima formulación teniendo en cuenta las ganancias.

Cussler, E., & Moggridge, G. Chemical Product Design 2001

Se incluyen tres categorías dentro de los productos químicos. En la primera categoría los

químicos especializados en proveer un beneficio

especifico. En la segunda categoría se encuentran los productos cuya microestructura es capaz de

crear valor. También se define el diseño de

producto químico dentro del cual se tiene en cuenta el ámbito económico y no solo el ámbito

de ingeniería

Shi , L., Ólafsson, S., &

Chen, Q.

An Optimization Framework

for Product Design 2000

En el proceso de diseño y desarrollo del producto

es necesario utilizar las preferencias de parte de los clientes potenciales para maximizar la cuota

del mercado. El articulo presenta un nuevo marco

de optimización el cual es el método de particiones anidadas

Phadeke, M. Design Optimization Case

Studies.

Una manera sistemática y eficiente para diseñar productos de alta calidad a bajo costo es a través

de un método de optimización el cual tiene en

cuenta el rendimiento, la calidad y el coste.

Anexo 2: Algoritmo realizado en la simulación GAMS

sets

*Conjuntos

Ingredientes "ingredientes presentes en el champú" /LSS, LSA, NaCl,

DEA, AV, HDX, PTL, TCL, PPG, EDTA, SS/

Propiedades "Propiedades presentes en el champú"

/LIMP,TEXT,ACOND,ADT,IRRT_ojo,IRRT_piel,ESP/

Page 34: DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA FACULTAD DE …

34

ingr_limp "ingredientes presentes en la prop LIMP" /LSS, LSA/

ingr_text "ingredientes presentes en la prop TEXT"

/NaCl,DEA,AV,HDX,LSS,LSA,PTL,TCL,PPG/

ingr_acond "ingredientes presentes en la prop ACOND" /AV,EDTA/

ingr_adi "ingredientes presentes en la prop ADT" /FR,CL/

ingr_irri_ojo "ingredientes presentes en la prop IRRT_ojo" /LSS, LSA/

ingr_irri_piel "ingredientes presentes en la prop IRRT_piel"

/DEA,LSS,LSA,PTL,TCL,NaCl,HDX,PPG,EDTA/

ingr_esp "ingredientes presentes en la prop ESP" /LSS,LSA/

;

parameters

*Capacidad de limpieza y prevencion cabello graso

R "Constante de los gases" /8.314/

T "Temperatura" /298.5/

w_LIMP "area molar de los surfactantes2" /1e5/

*Textura y comodidad de uso

VBN(ingr_text) "viscosidad de los ingredientes presentes en esta propiedad"

/

NaCl 1.602397827

DEA -4.856008922

AV 1.764897289

HDX -66.06700413

LSS 28.43731769

LSA 11.39923636

PTL -40.2046454

TCL -32.92097254

PPG -23.18889154

/

VBN(ingr_text)"viscosity blend number para cada ingrediente"

*Irritabilidad ojos

Concentracion_max(ingr_irri_ojo)

/

LSS 0.21

LSA 0.21

/

Puntaje_irri_ojo(ingr_irri_ojo)

/

LSS 295

LSA 224

/

*Irritabilidad piel

Ind_irri(ingr_irri_piel)

/

DEA 2

LSS 10

LSA 10

PTL 1

TCL 1

NaCl 0.33

HDX 1.11

PPG 0.33

EDTA 2.42

/

*Multiplicidad y espuma

Densidad(ingr_esp)

/

LSS 1050

LSA 1020

/

CMC(ingr_esp)

/

Page 35: DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA FACULTAD DE …

35

LSS 0.0019131

LSA 0.0004741

/

*Modelo de preferencia

Peso_atrib(propiedades)

/

LIMP 0.1420

TEXT 0.1420

ACOND 0.1420

ADT 0.05

IRRT_ojo 0.1420

IRRT_piel 0.1420

ESP 0.24

/

*Modelo precio y demanda

p2 "precio del competidor" /4776/

d2 "demanda del competidor" /3047757/

H2 "preferencia del competidor" /0.3916/

alfa "constante de reconocimiento" /0.5/

ro "constamte de elasticidad" /1/

*modelo de rentabilidad

Costos(ingredientes) "costo de cada ingrediente por kg"

/

LSS 56

LSA 29.4

NaCl 9.8

DEA 23.8

AV 12

HDX 1.26

PTL 84

TCL 28

PPG 252

EDTA 504

SS 28

/

Cinv "costo de inversion inicial" /3.5060512/

int "interes anual" /0.05/

a "años" /10/

Tot_m "masa total requerida" /10/

;

binary variables

y(ingr_adi)"aditivos presentes"

;

variables

x(ingredientes) "porcentaje en peso de cada ingrediente"

*Capacidad limpieza y prev

pi_LSS

pi_LSA

piAdim_LSS

piAdim_LSA

piAdim_mezcla

pi_mezcla

Dt

*Textura y comodidad de uso

VBN_M_NaCl

VBN_M_DEA

VBN_M_AV

VBN_M_HDX

VBN_M_LSS

VBN_M_LSA

VBN_M_PTL

Page 36: DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA FACULTAD DE …

36

VBN_M_TCL

VBN_M_PPG

u_mix

*acondicionamiento

CAD

CFC

*Irritabilidad ojos

Irriojo_LSS

Irriojo_LSA

*espuma

gamma_LSS

gamma_LSA

r_LSS

r_LSA

Ho_LSS

Ho_LSA

MF_LSS

MF_LSA

Ho_mezcla

MF_mezcla

h_altura

h_multiplicidad

*modelo de preferencia

h_I

h_II

h_III

h_IV

h_V

h_VI

h_VII

H1

*Modelo precio y demanda

d1

p1

beta

Y

*modelo rentabilidad

Cc

U

masa(ingredientes)

VPN

;

pi_LSS.lo=0.00000001;

pi_LSA.lo=0.00000001;

masa.lo(ingredientes)=0;

x.l("LSS")=0.01;

x.l("LSA")=0.01;

x.l("NaCl")=0.01;

x.l("DEA")=0.01;

x.l("AV")=0.01;

x.l("HDX")=0.01;

x.l("PTL")=0.01;

x.l("TCL")=0.01;

x.l("PPG")=0.01;

x.l("EDTA")=0.01;

x.l("SS")=0.01;

x.up("LSS")=0.11;

x.up("LSA")=0.05;

x.up("NaCl")=0.0120;

x.up("DEA")=0.035;

x.up("AV")=0.05;

Page 37: DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA FACULTAD DE …

37

x.up("HDX")=0.04;

x.up("PTL")=0.04;

x.up("TCL")=0.04;

x.up("PPG")=0.03;

x.up("EDTA")=0.03;

x.up("SS")=0.01;

x.lo("LSS")=0.01;

x.lo("LSA")=0.01;

x.lo("NaCl")=0.01;

x.lo("DEA")=0.01;

x.lo("AV")=0.01;

x.lo("HDX")=0.005;

x.lo("PTL")=0.005;

x.lo("TCL")=0.005;

x.lo("PPG")=0.005;

x.lo("EDTA")=0.005;

x.lo("SS")=0;

d1.L=1000;

d1.lo=0;

p1.lo=0;

equations

*Capacidad de limpieza y prevencion de cabello graso

pi_LSS_eq

pi_LSA_eq

x_SS_eq

piAdim_LSS_eq

piAdim_LSA_eq

piAdim_mezcla_eq

pi_mezcla_eq

Dt_eq

*Textura y comodidad de uso

VBN_M_NaCl_eq

VBN_M_DEA_eq

VBN_M_AV_eq

VBN_M_HDX_eq

VBN_M_LSS_eq

VBN_M_LSA_eq

VBN_M_PTL_eq

VBN_M_TCL_eq

VBN_M_PPG_eq

u_mix_eq

*Acondicionamiento del cabello

CAD_eq

CFC_eq

*irritabilidad ojos

Irriojo_LSS_eq

Irriojo_LSA_eq

*multiplicidad altura y espuma

gamma_LSS_eq

gamma_LSA_eq

r_LSS_eq

r_LSA_eq

Ho_LSS_eq

Ho_LSA_eq

MF_LSS_eq

MF_LSA_eq

Ho_mezcla_eq

MF_mezcla_eq

h_altura_eq

h_multiplicidad_eq

*modelo de preferencia

Page 38: DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA FACULTAD DE …

38

h_I_eq

h_II_eq

h_III_eq

h_IV_eq

h_V_eq

h_VI_eq

h_VII_eq

H1_eq

*modelo precio y demanda

eq_preciodemanda

beta_eq

*Modelo rentabilidad

Cc_eq

U_eq

masa_eq(ingredientes)

F_obj

*restric

H1_restricc1

H1_restricc2

;

*AHORA SI ECUACIONES

*Capacidad de limpieza y prevencion de cabello graso

pi_LSS_eq.. pi_LSS =e= ((R*T)/w_LIMP)*log(1+2*x("LSS"));

pi_LSA_eq.. pi_LSS =e= ((R*T)/w_LIMP)*log(1+2*x("LSA"));

piAdim_LSS_eq.. piAdim_LSS =e= (10e6/(R*T))*pi_LSS;

piAdim_LSA_eq.. piAdim_LSA =e= (10e6/(R*T))*pi_LSA;

piAdim_mezcla_eq.. exp(piAdim_mezcla) =e= exp(piAdim_LSS)+exp(piAdim_LSA)-1;

pi_mezcla_eq.. (piAdim_mezcla*R*T)/w_LIMP =e= pi_mezcla;

Dt_eq.. Dt =e= 7309.6*((pi_mezcla)**3) - 1082.5*(pi_mezcla)**2 +

54.108*(pi_mezcla) + 0.0133 ;

*Textura y comodidad de uso

VBN_M_NaCl_eq.. VBN_M_NaCl =e= VBN("NaCl")*x("NaCl");

VBN_M_DEA_eq.. VBN_M_DEA =e= VBN("DEA")*x("DEA");

VBN_M_AV_eq.. VBN_M_AV =e= VBN("AV")*x("AV");

VBN_M_HDX_eq.. VBN_M_HDX =e= VBN("HDX")*x("HDX");

VBN_M_LSS_eq.. VBN_M_LSS =e= VBN("LSS")*x("LSS");

VBN_M_LSA_eq.. VBN_M_LSA =e= VBN("LSA")*x("LSA");

VBN_M_PTL_eq.. VBN_M_PTL =e= VBN("PTL")*x("PTL");

VBN_M_TCL_eq.. VBN_M_TCL =e= VBN("TCL")*x("TCL");

VBN_M_PPG_eq.. VBN_M_PPG =e= VBN("PPG")*x("PPG");

u_mix_eq.. u_mix =e=

((EXP(EXP(((VBN_M_NaCl+VBN_M_DEA+VBN_M_AV+VBN_M_HDX+VBN_M_LSS+VBN_M_LSA+VBN_M_PTL+VBN

_M_TCL+VBN_M_PPG)-10.975)/14.534))-

0.8)*1000)+((EXP(EXP(((VBN_M_NaCl+VBN_M_DEA+VBN_M_AV+VBN_M_HDX+VBN_M_LSS+VBN_M_LSA+VB

N_M_PTL+VBN_M_TCL+VBN_M_PPG)-10.975)/14.534))-0.8)*1000)/0.5;

*Acondicionamiento del cabello

CAD_eq.. CAD =e= 3333.3*(x("AV")/(x("AV")+x("EDTA")))+33.333;

CFC_eq.. CFC =e= 0.1862*(1/(CAD**(0.093)));

*irritabilidad ojos

Irriojo_LSS_eq.. Irriojo_LSS =e= x("LSS")*Puntaje_irri_ojo("LSS")/

Concentracion_max("LSS");

Irriojo_LSA_eq.. Irriojo_LSA =e= x("LSA")*Puntaje_irri_ojo("LSA")/

Concentracion_max("LSA");

*aditivos

x_SS_eq.. x("SS") =e= 0 ;

*multiplicidad altura y espuma

gamma_LSS_eq.. gamma_LSS =e= pi_LSS/CMC("LSS");

gamma_LSA_eq.. gamma_LSA =e= pi_LSA/CMC("LSA");

r_LSS_eq.. r_LSS =e= 0.367*(10**(-3))*(gamma_LSS**(0.125));

r_LSA_eq.. r_LSA =e= 0.367*(10**(-3))*(gamma_LSA**(0.125));

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Ho_LSS_eq.. Ho_LSS =e= ((0.78*10**(-

2)*((33.5/10**3)/Densidad("LSS"))**2)/r_LSS**3);

Ho_LSA_eq.. Ho_LSA =e= ((0.78*10**(-

2)*((33.5/10**3)/Densidad("LSA"))**2)/r_LSA**3);

MF_LSS_eq.. MF_LSS =e=

1+0.0764*((33.5/10**3)/(Densidad("LSS")*r_LSS**2)) ;

MF_LSA_eq.. MF_LSA =e=

1+0.0764*((33.5/10**3)/(Densidad("LSA")*r_LSA**2));

Ho_mezcla_eq.. Ho_mezcla =e= 1000*(Ho_LSS*x("LSS")+Ho_LSA*x("LSA"));

MF_mezcla_eq.. MF_mezcla =e=

MF_LSS*(x("LSS")/x("LSS")+x("LSA"))+MF_LSA*(x("LSA")/x("LSS")+x("LSS"));

h_altura_eq.. h_altura =e= -0.0053*Ho_mezcla**3+0.1348*Ho_mezcla**2-

0.7871*Ho_mezcla+0.00002;

h_multiplicidad_eq.. h_multiplicidad =e= 0.0314*MF_mezcla+0.0286;

*modelo de preferencia

h_I_eq.. h_I =e= 1.0267*(Dt) - 0.0137;

h_II_eq.. h_II =e= 0.00000001*u_mix**2+0.0002*u_mix+0.0557;

h_III_eq.. h_III =e= 5.6633*CFC+1.3079 ;

h_IV_eq.. h_IV =e= (y("CL")+y("FR"))*0.5 ;

h_V_eq.. h_V =e= -0.0029*(Irriojo_LSS+Irriojo_LSA)+1.0038;

h_VI_eq.. h_VI =e= -

0.4256*(x("DEA")*Ind_irri("DEA")+x("LSS")*Ind_irri("LSS")+x("LSA")*Ind_irri("LSA")+x(

"PTL")*Ind_irri("PTL")+x("TCL")*Ind_irri("TCL")+x("NaCl")*Ind_irri("NaCl")+x("HDX")*I

nd_irri("HDX")+x("PPG")*Ind_irri("PPG")+x("EDTA")*Ind_irri("EDTA"))+1.0631;

h_VII_eq.. h_VII =e= (h_altura+h_multiplicidad)/2;

H1_eq.. H1 =e=

h_I*peso_atrib("LIMP")+h_II*peso_atrib("TEXT")+h_III*peso_atrib("ACOND")+h_IV*peso_at

rib("ADT")+h_V*peso_atrib("IRRT_ojo")+h_VI*peso_atrib("IRRT_piel")+h_VII*peso_atrib("

ESP");

*modelo precio y demanda

beta_eq.. beta =e= H2/H1;

eq_preciodemanda.. p1*d1 =e= ((alfa/beta)**ro)*p2*1*d1**ro;

*Modelo rentabilidad

masa_eq(ingredientes).. masa(ingredientes) =e= x(ingredientes)*Tot_m;

Cc_eq.. Cc =e= d1*

sum(ingredientes,masa(ingredientes)*Costos(ingredientes));

U_eq.. U =e= d1*p1 - Cc;

F_obj.. VPN =e=

((U/(1+int)**1)+(U/(1+int)**2)+(U/(1+int)**3)+(U/(1+int)**4)+(U/(1+int)**5)+(U/(1+int

)**6)+(U/(1+int)**7)+(U/(1+int)**8)+(U/(1+int)**9)+(U/(1+int)**10) )- Cinv;

*restricc

H1_restricc1.. H1 =l= 1;

H1_restricc2.. 0=g=H1;

model Tesis_2017II /all/ ;

options minlp=DICOPT ;

solve Tesis_2017II using minlp max VPN ;