Operaciones_Unitarias

OPERACIONES UNITARIASGUÍA DEL ALUMNO SECRETARÍA DE EDUCACIÓN PÚBLICA SUBSECRETARÍA DE EDUCACIÓN SUPERIOR E INVESTIGACIÓN CIENTÍFICA SUBSISTEMA DE UNIVERSIDADES TECNOLÓGICAS COORDINACIÓN GENERAL DE UNIVERSIDADES TECNOLÓGICAS Página 1 de 80 GRUPO DE DIRECTORES DE ELABORÓ LA CARRERA DE : TECNOLOGÍA DE ALIMENTOS APROBÓ: REVISÓ: COMISIÓN ACADÉMICA NACIONAL DEL ÁREA AGROINDUSTRIAL ALIMENTARIA SEPTIEMBRE 2001 COORDINACIÓN GENERAL DE FECHA DE UNIVERSIDADES ENTRADA EN TECNOLÓGICAS VIGOR: Revisión no. 0. Fecha de revisión: septiembre, 2001. Página 2 de 1 F-CADI-SA-MA-14-GA-A I. DIRECTORIO (Anotar el nombre del funcionario actual) SECRETARÍO DE EDUCACIÓN PÚBLICA (Anotar el nombre del funcionario actual) SUBSECRETARIO DE EDUCACIÓN SUPERIOR E INVESTIGACIÓN CIENTÍFICA DR. ARTURO NAVA JAIMES COORDINADOR GENERAL DE UNIVERSIDADES TECNOLÓGICAS RECONOCIMIENTOS Ing. Carlos Roberto Camarillo Rojas M. C. Ofelia Araceli López Mejía Universidad Tecnológica de Tecamachalco OPERACIONES UNITARIAS D.R. © 20001 ESTA OBRA, SUS CARACTERÍSTICAS Y DERECHOS SON PROPIEDAD DE LA: COORDINACIÓN GENERAL DE UNIVERSIDADES TECNOLÓGICAS (CGUT) FRANCISCO PETRARCA No. 321, COL. CHAPULTEPEC MORALES, MÉXICO D.F. LOS DERECHOS DE PUBLICACIÓN PERTENECEN A LA CGUT. QUEDA PROHIBIDA SU REPRODUCCIÓN PARCIAL O TOTAL POR CUALQUIER MEDIO, SIN AUTORIZACIÓN PREVIA Y POR ESCRITO DEL TITULAR DE LOS DERECHOS. ISBN (EN TRÁMITE) IMPRESO EN MÉXICO. Página 2 de 80 ÍNDICE # CONTENIDO PAGINA 2 3 4 6 I. II. III. IV V. DIRECTORIO Y RECONOCIMIENTOS ÍNDICE INTRODUCCIÓN DE LA ASIGNATURA DIAGNOSTICO DE CONOCIMIENTOS UNIDADES TEMÁTICAS UNIDAD I. VARIABLES Y MAGNITUDES UNIDAD II. TECNOLOGÍA DE LA FABRICACIÓN ALIMENTARIA UNIDAD III. INSTALACIONES DE MÁQUINAS Y EQUIPOS AUXILIARES EN LA INDUSTRIA ALIMENTARIA UNIDAD IV. FLUJO DE FLUÍDOS UNIDAD V. TRANSFERENCIA DE CALOR UNIDAD VI. PROCESOS DE SEPARACIÓN UNIDAD VII. REDUCCIÓN DE TAMAÑO UNIDAD VIII. MEZCLADO 5 12 18 VI. VII. VIII. REFERENCIAS GLOSARIO ANEXOS (FIGURAS, TABLAS, ETC.) 1. Evaluación del curso, taller, materiales. 2. Resultados Finales de evaluación del aprendizaje 3. Respuestas de las prácticas Página 3 de 80 III. INTRODUCCIÓN DE LA ASIGNATURA Sería prácticamente imposible estudiar el número casi infinito de procesos químicos que se llevan a cabo en la industria diariamente, si no hubiera un punto en común a todos ellos. Afortunadamente, esta conexión existe. Cualquier proceso que se pueda diseñar consta de una serie de operaciones físicas y químicas que,en algunos casos son específicas del proceso considerado, pero en otros, son operaciones comunes e iguales para varios procesos. Generalmente un proceso puede descomponerse en la siguiente secuencia: 1.- Materias Primas 2.- Operaciones físicas de acondicionamiento 3.- Reacciones químicas 4.- Operaciones físicas de separación 5.- Productos Cada una de estas operaciones es una operación unitaria. Este concepto fue introducido en 1915 por el profesor Little, del Massachussets Institute of Technology (M.I.T.). La definición dada entonces, fue la siguiente: "... todo proceso químico conducido en cualquier escala puede descomponerse en una serie ordenada de lo que pudieran llamarse operaciones unitarias, como pulverización, secado, cristalización, filtración1 evaporación, destilación, etc. El número de estas operaciones básicas no es muy grande, y generalmente sólo unas cuantas de entre ellas intervienen en un proceso determinado." Con esta simplificación se ha reducido la complejidad del estudio de los procesos industriales, pues del conjunto de todos los procesos químicos que pueden imaginarse bastará con estudiar el grupo de las 25 ó 30 operaciones unitarias existentes. Un proceso determinado será, por tanto, la combinación de operaciones unitarias. Clasificación de las operaciones unitarias: Cada operación unitaria tiene como objetivo el modificar las condiciones de una determinada cantidad de materia en forma más útil a nuestros fines. Este cambio puede hacerse principalmente por tres caminos: 1.- Modificando su masa o composición (separación de fases, mezcla,...) 2.-Modificando el nivel o calidad de la energía que posee (enfriamiento,evaporizacíón, aumento de presión, ..) 3.- Modificando sus condiciones de movimiento (aumentando o disminuyendo su velocidad o su dirección). La industria de los alimentos requiere basar sus procesos en métodos que permitan preservar cualidades uniformes en los alimentos transformados. Para ejemplificar los métodos basados en estudios científicos, valdría la pena hacer mención del método bien conocido como pasteurización, mismo que actualmente se aplica en leche, jugos, refrescos y que fue resultado de estudios científicos realizados por Luis Pasteur a finales del siglo XIX. Actualmente, el conocimiento amplio y profundo de la naturaleza y composición de los alimentos y de conocimientos relacionados con los fenómenos físicos han apoyado el desarrollo de estrategias aisladas y combinadas que favorecen la conservación y transformación requerida en la presentación de una gran variedad de opciones para el consumidor. La enseñanza ordenada y sistemática de la Tecnología de alimentos es necesaria sobre todo en el ámbito de las operaciones unitarias involucradas en la transferencia de calor, mismas que requieren equipos que van de simples a sofisticados y de cálculos de balance de materia y energía que den la oportunidad de optimización de los procesos. Operaciones, tales como secado, destilación, extracción sólido-líquido, mezclado, reducción de tamaño, son entre otras, operaciones que al aplicarlas a los alimentos permiten, facilitan y/o mejoran un manejo óptimo posterior de los materiales en otros procesos o para su distribución. Página 4 de 80 La teoría combinada con la práctica hace de éste un curso fácilmente asimilable para el estudiante de tecnología de alimentos. Por lo tanto el alumno logrará identificar las Operaciones Unitarias aplicadas en el proceso de transformación de los recursos alimentarios con fines de tratamiento preliminar, conservación, conversión y acciones auxiliares para las materias primas. Página 5 de 80 IV. DIAGNÓSTICO DE CONOCIMIENTOS. a) INSTRUCCIONES: Contesta lo que se te pide. 1. ¿Cuántas y cuáles son las unidades básicas del Sistema Intenacional de Unidades? La ecuación que define el volumen de los gases en función de la presión y la temperatura se expresa se describe con la siguiente fórmula: V = nRT P Donde V = volumen n = número de moles T = temperatura P = presión Definir las unidades de la constante R en el sistema internacional y en el sistema inglés. 2. 3. De las siguientes expresiones matemáticas, despeja la variable que se indica: a/b=z/5 despejar b 3y + 5c = 23 despejar c m(a+z)=y despejar z 4. Resolver el siguiente sistema de ecuaciones: 32 = y + z 5y = z + 23 Página 6 de 80 b) INSTRUCCIONES: Escribe dentro del paréntesis una F si la frase es falsa o una V si es verdadera. 1. Presión es la relación de una fuerza aplicada sobre un área determinada. 2. La convección es una forma de transferencia de materia 3. El centrifugado es un métdo mediante el cual se separan dos sólidos determinada masa del mismo 5. En la fórmula: v = d/t, d es una variable dependiente ( ) ( ( ( ( ) ) ) ) 4. Conociendo la densidad de un material podemos saber el volumen que ocupa una c) INSTRUCCIONES: 1. Son tres unidades derivadas del sistema internacional de unidades: _____________________, _______________________ y ___________________. 2. Son tres unidades del sistema inglés: _____________________, ______________________ y ______________________. 3. ______________________ se denomina al método de separación de dos líquidos miscibles. 4. Método mediante el cual se separa un sólido soluble de un líquido: ________________________. 5. ____________________, _____________________ y _____________________ son tres formas de transferencia de calor. Página 7 de 80 Unidad Temática I. VARIABLES Y MAGNITUDES INTRODUCCIÓN Cuando desarrollamos un proceso de elaboración de alimentos intervienen una serie de factores que impactan directamente en él. Cada uno de esos factores representa una variable que necesita ser cuantificada para determinar el grado de afectación real que tiene en el producto final. OBJETIVOS DE APRENDIZAJE 1. Variables de proceso 2. Temperatura y presión 3. Composición 4. Densidad y concentración Página Página 8 de 80 TEMA 1 VARIABLES DE PROCESO. EJEMPLOS DE PROCESOS Y SUS VARIABLES Ultrafiltración. Flujo Temperatura. Presiones. Temperatura. Flujo. Pasteurización. OBJETIVOS DE APRENDIZAJE 1 Variables de proceso 2 Temperatura y presión 3 Composición 4 Densidad y concentración Tema 1 Variables de proceso 1.1.1 Aplicar las mediciones en los equipos de taller y laboratorios Ejercicio 1 Realizar un plano a escala del taller de alimentos, señalando en el mismo la distribución de los equipos, red eléctrica, red sanitaria, extinguidores, cámaras frías y línea de vapor. Tarea 1: Redactar el concepto de variable previa lluvia de ideas Medición de longitud. 1.- Calcular el volumen del tanque de balanceo del sistema de pasteurización. Expresar el resultado en litros, ft³. 2.- Calcular el volumen de las marmitas expresar el resultado en litros y , ft³. Evaluación Parcial Lista de cotejo Realizó adecuadamente el cálculo de volúmenes Realizó adecuadamente la conversión de unidades 1.1.2 Definir e identificar las variables de control en un proceso Identificación de instrumentación. Recorrer los cada uno de los talleres para identificar en todos los equipos los sistemas de control y medición de variables, reportando por escrito el equipo, su uso, las variables que en él intervienen y su control. Evaluación Parcial Lista de cotejo Página 9 de 80 Asoció los sistemas de control y los equipos Identificó las escalas de cada instrumento de medición. Práctica 1 “ACCESORIOS DE MEDICIÓN Y/O CONTROL DE VARIABLES” OBJETIVO Conocer los accesorios utilizados para medir y controlar variables en procesos de fabricación de alimentos FUNDAMENTO Todos los procesos de fabricación están regidos por el control de variables y la medición de las mismas, de estas acciones puede depender el éxito o fracaso del mismo. METODOLOGÍA 1. El instructor mostrará diferentes accesorios de medición y/o control de variables y explicará su uso. 2. Los estudiantes tomarán nota al respecto y dibujarán los accesorios. 3. Se reportarán esquemas y aplicaciones de los accesorios. CUESTIONARIO Define los siguientes conceptos: Medición Variable Parámetro Control Verificación 1.2.1 Medir e interpretar temperatura y presión en equipos y líneas de procesos Medición de presión. Medir con el Vacuómetro la presión de vacío de la lata de conservas expresar el resultado en kg/cm² y psias. Medición de temperatura Medir con el termómetro los puntos de ebullición de diferentes sustancias Operar el rotovapor (destilación) con diferentes relaciones temperatura tiempo Evaluación Parcial Lista de cotejo Relacionó adecuadamente temperatura y presión en el proceso de destilación 1.2.2 Reafirmar la importancia de la temperatura y presión Temperatura. Calor es la suma de la energía cinética de una partícula. Temperatura es la medida del calor. Página 10 de 80 La temperatura en los procesos de elaboration de alimentos es un factor crítico ya que además de tener efecto sobre la actividad microbiana, actúa sobre la química del alimento impactandolo favorable o desfavorablemente. Existen diferentes escalas para medir la temperatura según el sistema que se está utilizando. Centígrados = Kelvin - 273. Rankin = Fahrenheit + 460 Fahrenheit = centígrados (1.8) + 32. Conversiones. Convertir 290 Kelvin a Fahrenheit. Convertir 500 Rankin a centígrados. Presión Definimos la presión como la fuerza ejercida sobre un ara determinada. P = f / a. Sólido será su `peso entre la base donde se asienta. La presión de la atmósfera sobre la tierra se llama presión atmosférica y es igual a 760 mm de Hg. L a presión atmosférica se puede medir con barómetros. La presión de trabajo se mide con manómetros. Cuando la presión atmosférica es menor a la presión barométrica se dice que trabajamos con vacío entonces el instrumento de medición se llama Vacuómetro. Presión absoluta = presión manométrica + presión atmosférica. Presión absoluta = presión atmosférica - presión de vacío. Problemas. Un manómetro indica presión de 35 psia y una presión barométrica de 500 mm de Hg ¿cuál es la presión absoluta en kg /cm? Para secar carne por enfriamiento se mantiene una presión absoluta de 2.4 mm de Hg en la cámara de secado. Cual es la presión es atm y en kg/cm² Cual es la presión de vacío empleada, si la presión atm es de 586 mm de Hg Evaluación Parcial Lista de cotejo Manejo adecuadamente las variables Calculo correctamente las variables de los ejercicios propuestos 1.3.1Medir e interpretar la composición de mezclas Composición de Mezclas. Página 11 de 80 La mayoría de los procesos químicos requieren sistemas de mezclado. Un término muy empleado para definir una mezcla es concentración. La concentración es la cantidad de una sustancia contenida en un volumen de unidad. En el caso de peso por unidad de peso se define como % en peso. Ejemplo. Un chocolate contiene 20% grasa (p/p) es decir por cada 100 g de chocolate existen 20 de grasa. Un litro de una solución alcohólica al 70% v/v quiere decir que por cada litro de la mezcla 700 ml son de alcohol y 300 son de agua. La molaridad es otro término utilizado para definir concentración y se expresa como la cantidad de gramos de un soluto por litro de solución dividida entre el peso molecular del soluto. Grado Brix = 1 g de sacarosa en 100 ml Evaluación Parcial Lista de cotejo Determino la importancia de la composición de mezclas Diferencio las diferentes formas de expresar concentración. 1.3.2 Conocer, identificar y describir las variables de masa, fracción mol y volumen La molaridad es otro término utilizado para definir concentración y se expresa como la cantidad de gramos de un soluto por litro de solución dividida entre el peso molecular del soluto. La fracción molar es la relación entre el número de moles de un componente y el número de moles totales. Tarea 2: Predicción de los efectos de las variables en el producto terminado y su comprobación en la práctica. Problema. Una solución se prepara disolviendo 20 kg de sacarosa en 100 kg de agua si la densidad de la solución es 1060 kg/m³ calcular a) Concentración peso por unidad de peso. b) Concentración peso por unidad de volumen c) Molaridad d) Fracción molar Datos Cantidad de sacarosa Cantidad de agua Densidad de la solución Volumen de la solución Concentración (peso/peso) Concentración (peso/volumen) Brix Molaridad Fracción molar 20 kg 100 kg 1060 kg/m3 (20 + 100)/1060 20/20+100 20/113 20/120 *100. 17.6/342 20/342/100/18+10/342 113 l 16.6% 0.176 kg soluto * litro 16.6 0.05 mol 0.010 Página 12 de 80 Evaluación Parcial Lista de cotejo Calculó adecuadamente los términos de concentración para los problemas propuestos. 1.4.1 Utilizar los densímetros y el picnómetro La densidad está relacionada con el concepto de concentración y se define como la cantidad de masa por unidad de volumen. D = m/v La densidad es función de la temperatura inversamente proporcional a ella, es decir a mayor temperatura menor densidad. Para medir la densidad se utilizan flotadoras llamados densímetros o areómetros, muchos de los cuales miden la densidad relativa que es la relación de una sustancia con respecto a la del agua. PRÁCTICA No. 2 METROLOGÍA OBJETIVO: El alumno utilizará correctamente los equipos de medición de tiempo, temperatura, longitud, volumen y peso, expresará las magnitudes en unidades del sistema internacional y del sistema inglés. FUNDAMENTO: En materiales y equipos de fabricación nacional y extranjera es común la utilización de unidades del sistema inglés por lo que es importante dominar la técnica de conversión de unidades del sistema internacional a unidades del sistema inglés. METODOLOGÍA Materiales Picnómetro Balanza analítica. Probeta Piseta Procedimiento: Densidades en líquidos 1.- Llevar el Picnómetro a peso constante 2.- Pesar el Picnómetro 3.- Llenar el Picnómetro con la solución problema aforando perfectamente 4.-.Llevar el Picnómetro a 20ºC 5.- - Determina su densidad en relación peso volumen de acuerdo a la sig. tabla. Peso del líquido M1 M2 M3 Volumen del líquido V1 V2 V3 Alimento fresco sólido. Alimento líquido . 3.- Calcula el promedio de los tres valores y determina el valor en kg/m³ y lb/ft³ Densidad de sólidos 1.- Corta un pedazo de algún material sólido y pésalo lo más exacto posible. Página 13 de 80 2.- Colócalo en una probeta y determina el volumen de agua desplazado. 3.- Realiza esta operación tres veces y determina la media . 3.- Expresa tus resultados en kg./m³ CUESTIONARIO 1. Menciona tres unidades derivadas de peso, volumen y longitud en sistema internacional. 2. Menciona tres unidades derivadas de peso, volumen y longitud en sistema inglés. Evaluación Parcial Lista de cotejo Comprendió el término densidad Realizo un buen desempeño en la práctica 1.4.2 Conocer, identificar y describir: densidad relativa, peso específico, escalas hidrométricas y concentración La densidad está relacionada con el concepto de concentración y se define como la cantidad de masa por unidad de volumen. D = m/v La densidad es función de la temperatura inversamente proporcional a ella, es decir a mayor temperatura menor densidad. Para medir la densidad se utilizan flotadoras llamados densímetros o areómetros, muchos de los cuales miden la densidad relativa que es la relación de una sustancia con respecto a la del agua. Dr = D sustancia / D agua Peso específico. Es la relación entre el peso de una sustancia por unidad de volumen con respecto a otra que se toma como comparación. Pe = f/v Las unidades del peso específico son los kg/m³. En la tierra el peso específico tiene el mismo valor numérico que la densidad, aún cuando las unidades son diferentes. Evaluación Parcial Lista de cotejo Diferenció los términos densidad, peso específico y densidad relativa. Página 14 de 80 Unidad Temática II. TECNOLOGÍA DE LA FABRICACIÓN ALIMENATRIA INTRODUCCIÓN Esta unidad es una herramienta indispensable para el estudiante de tecnología de alimentos, ya que en ésta, el alumno logrará elaborar e interpretar planos (diagramas) de los proceso de fabricación de alimentos. Estos diagramas dan una visión simplificada y a la vez técnica del proceso de transformación en cuestión. La planeación de los procesos, tanto en forma (secuencia de operaciones) como en fondo (cálculos), es otra ventaja que da al tecnólogo en alimentos el uso de estos diagramas. OBJETIVOS DE APRENDIZAJE 1. Diseñar los proceso de producción mediante diagramas que indiquen puntualmente las operaciones a realizar, así como las entradas y salidas en un proceso. 2. Aprender a representar, en los procesos de fabricación, los instrumentos utilizados en la medición de variables en dichos procesos. Página Tema 1 Objetivo de Aprendizaje 1. Diseñar los proceso de producción mediante diagramas que indiquen puntualmente las operaciones a realizar, así como las entradas y salidas en un proceso. En todo tipo de ingeniería se requiere de planos que especifiquen tamaños, formas, conexiones y corrientes. Estos planos sirven para calcular, construir, cotizar equipos o procesos. Los planos reciben el nombre de diagramas de flujo cuando representan la secuencia y operaciones que se llevan a cabo para fabricar cierto producto. En los diagramas de flujo se dibujan los equipos mayores de un proceso, y las corrientes que entran y salen de estos equipos. A veces los equipos se representan por rectángulos sobre los que se indica el nombre del equipo que simbolizan, estos son denominados diagramas de bloques. En otros casos se emplean dibujos que simbolizan al equipo, en estos casos se denominan diagramas de flujo. Los símbolos del equipo no son universales, pero tienen cierta similitud de un libro a otro y de una compañía a otra. Un ejemplo de diagrama de flujo se presenta a continuación: El diagrama muestra la operación de extracción de aceite de soya por medio de hexano. Página 15 de 80 1 2 3 4 1. Frijol de soya, 2. Hexano, 3. Extracto, 4. Frijoles agotados En el primer paso, el frijol soya se muele en un triturador vertical y después se trata con hexano en un extractor con agitación. En ese aparato el líquido sobrenadante, o extracto, sale por un derrame superior y lleva la mayor parte del aceite. Por el fondo salen los frijoles extraídos. Página 16 de 80 Criterios de Aprendizaje 1.1 Conocer y describir la simbología para la elaborar diagramas mecánicos. En la elaboración de diagramas de proceso industriales de alimentos una diversidad de símbolos son utilizados para representar dichos procesos. A continuación se presenta la simbología más relevante: Página 17 de 80 1.2 Elaborar diagramas de bloques y mecánicos Ejercicio Los frijoles de soya se procesan en tres etapas. En la primera entran 10,000 kg de frijoles, con 35% en peso de proteína, 27.1% de carbohidratos, 9.4% de fibra y cenizas, 10.5% de agua y 18% de aceite. Se muelen y prensan para eliminar parte del aceite, saliendo la torta con 6% de peso en aceite. En la segunda etapa, los frijoles prensados se extraen con hexano para producir un frijol con 0.5% en peso de aceite. En la última etapa, los frijoles se secan para dar un producto con 8% de agua en peso. a) Elaborar los diagramas de bloques y de flujo que representan este proceso. 1.3 Resolver procesos mediante el planteamiento de balances de materia. Del ejercicio anterior Calcular: b) Los kg de frijoles prensados obtenidos en la primera etapa. c) Los kg de frijoles salientes de la segunda etapa. d) Los kg de frijoles secos salientes de la tercera etapa y el porcentaje de proteínas que contienen. Resultado de Aprendizaje 1.1.1. Diferenciar los símbolos utilizados para la elaboración de diagramas mecánicos. Mediante exámenes escritos se verifica el dominio de la identificación y diferenciación de símbolos. 1.2.1. Utilizar la simbología para la elaboración de diagramas. Mediante ejerccicios de balance de matería se verifica el dominio en la aplicación de símbolos. Ejercicios: a) Se busca producir refresco a partir de 480 kg de un jarabe saborizado de 45°Bx y agua. El refresco debe tener una concentración final de azúcar de 11°Bx. Elaborar el diagrama de flujo del proceso y determinar la cantidad de agua que deberá adicionarse a este refresco para lograr la concentración deseada de azúcar. b) Las rebanadas de mango se secan utilizando un secador de charolas y entrando al proceso cuando contienen 13% de sólidos totales hasta llegar a 88% de sólidos totales Elaborar el diagrama de flujo y hallar la cantidad de producto se obtiene por cada 225 kg de mango que entran al proceso, sabiendo que se pierde el 7% de peso en el pelado y eliminación de semilla (hueso). 1.3.1. Hallar la coincidencia entre los cálculos del balance de materia y los resultados prácticos. Página 18 de 80 Práctica 3 “Balance de Materia” OBJETIVO: Aplicar el principio de conservación de materia en los procesos de la industria alimentaria. FUNDAMENTO La ley de la conservación de la materia establece que la materia total que interviene en una transformación es constante. INTRODUCCIÓN La conservación de la masa es el principio fundamental de cálculos en la industria alimentaria, donde se desean conocer rendimientos durante la transformación de un producto que pasa por diferentes operaciones en un proceso. METODOLOGÍA Materiales y Utensilios: Agitador de vidrio Vidrio de reloj (o papel aluminio) Espátula Vasos de precipitados de 500 ml Probeta de 100 ml Azúcar Agua Sal Procedimiento: 1. Preparar soluciones de azúcar del 5 y 20% p/v y soluciones de sal al 5 y 20% p/v. 2. Realizando cálculos de balance de materia y a partir de mezclas entre las soluciones previamente preparadas (o agua, sal, azúcar), generar soluciones con las siguientes concentraciones: a) 17ºBx, partiendo de soluciones de azúcar al 5 y al 20%, mezclar perfectamente. b) 27ºBx, partiendo de solución de azúcar al 5% y azúcar, mezclar perfectamente. c) 12% de sal, partiendo de solución de sal al 5 y 20%, mezclar perfectamente. d) 32% de sal, partiendo de solución de sal al 20% y de sal pura, mezclar perfectamente. e) Preparar, mediante cálculos, una solución más de azúcar y una de sal al 14% mediante la mezcla de agua y solución al 20% de la solución respectiva. 3. Confirmar la coincidencia de concentración final de las soluciones utilizando el refractómetro. Reportar los cálculos realizados para cada solución y las lecturas obtenidas con el refractómetro en una tabla de resultados así como el porcentaje de desviación con respecto al estimado. Equipo: Balanza Granataria Refractómetro Página 19 de 80 CUESTIONARIO 1. ¿Cuáles son los factores que influyen en la exactitud de una medición? ¿Cuáles consideras que son los motivos por los cuales puede alterarse la coincidencia entre los datos calculados y los obtenidos, específicamente en esta práctica? Práctica 4 "Escalamiento de una Bebida No Carbonatada Pasteurizada" OBJETIVO: Comprender el funcionamiento del módulo de pasteurización y los parámetros de control durante un proceso de escalamiento. FUNDAMENTO: El escalamiento de un producto desarrollado a nivel laboratorio puede implicar cambios en los atributos sensoriales del producto debido, principalmente, a las variaciones en proceso. La verificación de los atributos sensoriales y los parámetros de calidad del producto escalado, nos permitirá estandarizar él proceso. De este modo, las características son especificadas para ser respetadas en producciones futuras. METODOLOGÍA Materiales y Equipo Recipiente de acero inoxidable Cucharas de acero inoxidable Balanza Analítica Pipetas Recipientes con tapa hermética Benzoato de sodio Ácido Cítrico Sabor artificial Colorante Agua purificada Sacarosa NaOH 0.1 N Fenolftaleína Potenciómetro Pasteurizador de placas Procedimiento 1. Preparar un jarabe inicial concentrado a 50º Bx , conteniendo ácido cítrico y benzoato de sodio. La preparación se realizará de manera que la bebida final tenga una concentración de 10oBx , la misma solución estará a una concentración del 0.2 % (p/v) de ácido cítrico y 0.015% (p/v) de benzoato de sodio. 2. Adicionar sabor y color (rojo fresa en polvo) de acuerdo a las especificaciones del proveedor. 3. Disolver perfectamente con agua purificada. 4. Pasteurizar la bebida obtenida a 72oC en intercambiador de calor de placas. 5. Medir acidez, pH y o Brix a intervalos de tiempo regulares. 6. Enfriar a 4oC. 7. Envasar en recipientes con tapa hermética o en bolsas termosellables. Cuestionario 1. ¿Qué parámetros consideras que se deben controlar durante la preparación de este producto? 2. ¿Por qué? Explica cada uno 3. ¿Porqué verificas los parámetros de acidez, pH y o Brix? 4. Dibuja él diagrama de bloques y flujo de este proceso 5. Describe con detalle qué conocimientos fueron nuevos para ti en esta práctica. Página 20 de 80 Tema 2 Objetivo de Aprendizaje 2. Aprender a representar, en los procesos de fabricación, los instrumentos utilizados en la medición de variables en dichos procesos. Criterios de Aprendizaje 2.1. Conocer y describir la simbología utilizada para representar instrumentos de medición de variables. A continuación se presenta la simbología para representar, en diagramas de flujo, los instrumentos de medición aplicados en equipo de la industria alimentaria: 2.2 Elaborar diagramas mecánicos incluyendo simbología instrumental. Ejercicio: A una columna de destilación de platos se introduce una corriente de alimentación, el caudal de esta corriente se controla con un medidor de flujo. Posterior al proceso de destilado se tiene una corriente de destilados y otra de productos de cola, ambos caudales se controlan mediante medidores de nivel conectados a válvulas controladoras de flujo. En la parte superior de la columna hay un condensador total operado con agua. El líquido condensado pasa a un acumulador de reflujos, donde un controlador de presión Página 21 de 80 fija la presión interna a través de una válvula de venteo. El nivel del líquido en el acumulador se fija por medio de un controlador de nivel, que se conecta a una válvula que permite la salida de destilados. Parte del líquido destilado se envía a la columna de destilación como reflujo. La columna cuenta además con un rehervidor, en donde se vaporiza parte del líquido que llega a él, y el resto sale como productos de cola. Elaborar el diagrama de flujo de este proceso. Resultado de Aprendizaje 2.1.1. Identificar la simbología utilizada en la representación de instrumentos de medición de variables. Con examenes escritos el alumno demostrará que identifica la simbología que representa los instrumentos de medición de variables. 2.1.2. Elaborar diagramas de producción, con la simbología instrumental, que representen fielmente un procedimiento escrito. Mediante ejercicios que involucren la medición de variables, se construirán diagramas aplicando la simbología. Página 22 de 80 Unidad Temática III. INSTALACIÓN DE MÁQUINAS Y EQUIPOS AUXILIARES DE LA INDUSTRIA ALIMENTARIA INTRODUCCIÓN La industria de la transformación de alimentos no funcionaría de no ser por la existencia de servicios que auxilian las operaciones que propician el manejo y transformación de materiales alimenticios, sean como materia prima, material de proceso o producto terminado. Así, por ejemplo el agua, material fundamental en la industria alimentaria, requerirá de diferentes tratamientos dependiendo del destino que tenga. Al utilizarla como material generador de vapor, se requerirá suavizarla, si se utiliza como material de proceso, deberá purificarse y si se utiliza como material enfriador, quizá tenga que someterse a congelación, además de la purificación. Esos tratamientos a su vez requieren de energías tales como la calorífica y la eléctrica. Es necesario que el alumno conozca los fundamentos de todos estos servicios, que se deben considerar para el funcionamiento eficaz y efectivo de una industria alimentaria. OBJETIVOS DE APRENDIZAJE 1. Conocer los principios básicos de los servicios auxiliares en una industria alimentaria mediante ejercicios Página Tema 1 Objetivo de Aprendizaje 1. Conocer los principios básicos de los servicios auxiliares en una industria alimentaria. Dentro de los servicios auxiliares aplicados en la industria alimentaria están el suministro de vapor y combustible, de energía eléctrica, agua, refrigeración y aire comprimido. Página 23 de 80 VAPOR Y COMBUSTIBLE Los métodos de calefacción de la industria alimentaria suelen clasificarse en directos e indirectos. a) Calefacción Directa La energía térmica es añadida directamente al alimento sin la intervención de cambiadores de calor, estando los productos de la combustión en contacto directo con el alimento. Se logra utilizando los siguientes medios: Gas, aceite o combustible sólidos. Energía infrarroja. Electricidad por métodos dieléctricos o microondas. b) Calefacción Indirecta Se aplica calor al alimento por medio de cambiadores de calor y los productos de la combustión se aislan del alimento. Se logra utilizando los siguientes medios: Vapores o gases como el vapor de agua o aire. Líquidos como el agua o cambiadores de calor de líquidos orgánicos. Electricidad en sistema con resistencia o calor radiante. - - Los sistemas de calefacción indirecta están compuestos básicamente por cuatro componentes i) Cámara de combustión, en que se quema el combustible. ii) Cambiador de Calor, en el que el calor de la combustión es dado al líquido transmisor del calor. iii) Sistema de Transmisión, en el que el fluído transmisor de calor se desplaza hasta el elemento utilizador del calor. iv) Cambiador de Calor en ciontacrto con el elemento utilizador del calor (alimento), en el que el fluído de transmisión cambia su calor con el alimento. Generación de Vapor El sistemas de generación de vapor o caldera consiste en un recipiente diseñado para poner en contacto el agua líquida con una superficie caliente y así transformarla en vapor. La superficie se mantiene caliente mediante la utilización de gases calientes, generalmente procedentes de la generación de la cmbustión de gas natural o productos derivados del petróleo. La caldera debe estar diseñada para contener el vapor generado y resistir las presiones originadas por el cambio de estado del líquido a vapor. Dos tipos de generadores de vapor son: - Generadores de vapor de tubos de fuego. Utilizan los gases calientes contenidos en unos tubos y rodeados por agua. Página 24 de 80 - Generadores de Vapor de tubos de agua. Utiliza la transmisión de calor desde unos gases calientes hacia el agua que circula por el interior de los tubos, produciendo vapor. Página 25 de 80 Uso de Combustibles Generalmente son: Gas natural, derivados de petróleo y carbón. Los componentes principales de un sistema de esta naturaleza, son los quemadores, los cuales se utilizan para producir gases calientes necesarios para la generación de vapor o para la obtención de calor en el sistema directo. Los quemadores se diseñan para introducir el combustible y el aire en la cámara de combustión de manera que se obtenga energía de manera eficiente. AGUA La industria alimentaria requiere cantidades muy grandes de esta sustancia debido a sus múltiples usos tales como escaldado, limpieza, esterilización, enfriamiento, producción de vapor como fuente de energía, calefacción e ingrediente en el proceso. Por lo anterior el agua se clasifica, en general, en: i) ii) Agua de servicio, el agua destinada a limpieza, generación de vapor, enfriamiento. Agua de Proceso, agua que se involucra en el proceso e incluso como ingrediente del producto fabricado. El tratamiento que se aplique depende de la calidad requerida en los usos a los que se destine, así, habrá agua que requiera uno o varios de los siguientes tratamientos: - Eliminación de materia suspendida Las técnicas aplicadas para este tratamiento son Sedimentación, Coagulación y Filtración. Se aplican a los dos tipos de agua. - Eliminación de microorganismos En gran escala (como es el caso de lagos, etc) se controlan las algas y flora, añadiendo sulfato de cobre, separando a continuación las bacterias y otros microorganismos por una combinación de cloración, coagulación, sedimentación y filtración. En el tratamiento de agua in situ por coagulación, sedimentación y filtración seguida de esterilización, se obtiene, en general, un agua de calidad bacteriológica aceptable. El cloro (disuelto) se usa para el tratamiento a gran escala, para capacidades menores se usan dióxido de cloro e hipocloritos. La materia orgánica absorbe cloro, por lo que deberán filtrarse las aguas turbias antes de su cloración. La eficiencia de limpieza depende del tiempo de contacto, temperatura, pH y cantidad de materia orgánica. - Eliminación de Materia Orgánica, Colores, Olores y Sabores En general se utiliza una combinación de coagulación, sedimentación y filtración. Cuando las aguas tienen mucho color se recomienda usar coadyuvantes de la coagulación como el gel de sílice. El método más eficiente para eliminar sustancias que producen color y olor es el carbón activado. Para lo anterior, se mezclan agua y un lodo de carbón activado en polvo, separando, posteriormente el carbón activado contaminado, por filtración en arena. - Eliminación de sustancias minerales disueltas Estas sustancias pueden ser: Alcalinidad, Dureza, Hierro y Magnesio. La alcalinidad puede ocasionar la "fragilidad cáustica" que es una forma de corrosión agrietadora causada por sosa cáustica. Página 26 de 80 El tratamiento con zeolitas hidrogenadas permite eliminar la alcalinidad. La dureza es provocada por las sales solubles de calcio y magnesio. El agua puede tener dureza temporal (de carbonato) o permanente (no carbonatada) debida a sulfatos, cloruros y nitratos. En el ablandamiento de agua se utilizan normalmente los procesos de precipitación, Intercambio de Iones y desmineralización, los dos primeros pueden combinarse y o aplicarse independientes. Precipitación Se añaden al agua dura cantidades conocidas y medidas de cal hidratada, Ca(OH)2, y de carbonato sódico, Na2CO3. La cal elimina la dureza temporal al precipitar las sales de dureza e forma de carbonatos insolubles: Ca(HCO3)2 + Ca(OH)2 = 2CaCO3 + 2H2O El carbonato sódico elimina de manera similar la dureza permanente: CaSO4 + Na2CO3 = CaCO3 + Na2SO4 Intercambio de Iones Las zeolitas son silicatos complejos, éstas permiten intercambiar los iones sodio por los de calcio, magnesio, hierro y manganeso en disolución Ca(HCO3)2 Desmineralización El tratamiento correcto cuando el hierro está presente en forma de bicarbonatos solubles consiste en airear y luego sedimentar y filtrar. El bicarbonato se oxida a óxidos superiores insolubles. Se puede añadir hexametafosfato de sodio como agente secuestrante. Eliminación de gases disueltos + Na2Z = 2NaHCO3 + CaZ La presencia de gases disueltos en las aguas de proceso puede dar lugar a una serie de dificultades, dentro de ellos a la dificultad de transferencia de calor, oxidación en el caso de oxígeno. El dióxido de carbono y el aire se pueden eliminar por ebullición del agua y ventilación de estos gases no condensables. Las aguas de alimentación de calderas se deairean, normalmente , de esta manera. ENERGÍA ELÉCTRICA Indudablemente la energía eléctrica es la más versátil y flexible de todas las fuentes de energía. Algunos coneptos básicos necesarios de comprender son: Página 27 de 80 Electricidad, puede definirse como el flujo de electrones de un átomo a otro a través de un conductor eléctrico. Amperio, es la unidad utilizada para describir la cantidad de corriente eléctrica o intensidad que atraviesa un conductor (1 amperio= 6.06x1018 electrones circulando a través de un punto por segundo). Voltaje, se define como la fuerza que origina el flujo de corriente en un circuito eléctrico, unidad el voltio. Resistencia, término usado para describir las características de un conductor que impiden el flujo de corriente, la unidad es el ohmio. Corriente Contínua, (CC) tipo de flujo de corriente eléctrica en un circuito eléctrico simple. La coerriente fluye desde el polo positivo al negativo del generador de voltaje. Corriente Alterna, (CA)describe el tipo de voltaje generado por un generador de corriente alterna. La medida real del voltaje generado indicaría que la cantidad generada varía en el tiempo con una frecuencia uniforme. Fase Simple, Tipo de corriente eléctrica generada por una única serie de hilos en un generador diseñado para convertir la energía mecánica en voltaje eléctrico. Trifásico, tipo de corriente eléctrica generada por un estátor con tres bobinas. Vatio, unidad en que se expresa la potencia eléctrica o la velocidad de realización del trabajo. Factores de Potencia, cocientes entre la potencia real y la aparente en un sistema de corriente alterna. Estos factores deben ser tan grandes como sea posible para evitar que un exceso de intensidad recorra los motores y conductores provocando subidas de tensión. Conductores, son los materiales utilizados para transmitirla energía eléctrica desde la fuente al lugar de utilización. En la siguiente figura de presenta una línea de procesado de tomate con las necesidades de energía requeridas en cada operación: Página 28 de 80 Ley de Ohm La relación más básica utilizada en electricidad, es la Ley de Ohm, que se expresa como: EV = IRE Donde el Voltaje EV es igual al producto de la intensidad I por la resistencia RE La potencia generada es el producto del voltaje por la Intensidad: o o Potencia = EV I Potencia = I2RE E V2 Potencia = ------RE Estas relaciones pueden aplicarse directamente a los sistemas de corriente continua (CC) o con ligeras modificaciones a los de corriente alterna (CA). Página 29 de 80 REFRIGERACIÓN Análisis de refrigeración La Carga de enfriamiento es la velocidad de retirada de calor desde un recinto (o un objeto) para baja su temperatura, hasta un valor deseado. Para calcular la carga de enfriamiento de un recinto deben tenerse en consideración varios factores. Por ejemplo si en ese recinto están almacenados frutos, verduras, debe considerarse el calor de respiración generado. Verificar la tabla.del anexo 2 en que se citan los calores de respiración. Otros factores a considerar son los posibles flujos de calor a través de suelo, paredes, techo y puertas, calor desprendido por lámparas, personas o maquinaria. AIRE COMPRIMIDO El aire comprimido en la industria alimentaria sirve para el funcionamiento de diversos equipos neumáticos. Los equipos fundamentales para la generación de aire comprimido son los compresores. El compresor compacto de aire centrífugo, con engranaje integral se utiliza cada vez más. Criterios de Aprendizaje 1.1 Antes y durante la práctica, calcular los suministros de cada equipo y calcular el pocentaje de discrepancia entre cálculo teórico y real. VAPOR Y COMBUSTIBLES Se quema gas natural para producir la energía térmica necesaria para vaporizar agua en un generador de vapor. La composición del gas natural es 85.3% metano, 12.6% etano, 0.1% dióxido de carbono. 1.7% nitrógeno y 0.3% oxígeno. Un análisis de gas de chímenea indica que la composición es 86.8% nitrógeno, 10.5% dióxido de carbono y 2.7% oxígeno. Determinar el exceso de aire que se ha utilizado y el porcentaje de energía perdido en el gasde salida si este sale a 315ºC (Utilizar tabla del anexo 1). ENERGÍA ELÉCTRICA Ejercicio: Se utiliza una batería de 12 voltios para accionar un pequeño motor CC con una resistencia interna de 2 ohmios. Calcular la intensidad que recorre el sistema y la potencia del motor necesaria para funcionar. REFRIGERACIÓN Calcular la carga de enfriamiento provocada en una cámara por la evolución de 200 kg de coles almacenadas a 5ºC (utilizar tabla del anexo 2). Resultado de Aprendizaje 1.1.1- Medición de los suministros y realización de cálculos. Página 30 de 80 El alumno realizará mediciones de suministro de servicios auxiliares, como flujos, voltaje, gasto de combustible, dureza del agua, presiones y temperaturas, antes durante y al final de una práctica, según sea el caso. PRÁCTICA 5. "Análisis de Instalaciones y Maquinaria de una Empresa" OBJETIVO El alumno desarrollará habilidades de análisis para emitir opiniones y realizar propuestas referebntes a la instalación y maquinaria de una planta procesadora de alimentos. FUNDAMENTO El conocimiento de las carácterísticas y requisitos de una planta de transformación de alimentos requiere, además de la revisión bibliográfica, del contacto directo con la empresa transformadora de alimentos. METODOLOGÍA Esta práctica se desarrollará en tres etapas repartidas en todo el cuatrimestre: A) Búsqueda de la visita por parte de grupos de trabajo de tres personas. La visitas no se reptirán. B) Realización de la visita, en la cual se observará todo el proceso de fabricación, incluyendo equipos, suministros e instalaciones. C) Elaboración de diagrama de bloques, flujo y maqueta del proceso, haciendo incapié en proceso de fabricación, incluyendo equipos, suministros e instalaciones. D) Elaboración de propuesta de mejora para el proceso actual y fundamentación del mismo. Esta propuesta se presentará por escrito y en una presentación, teniendo como auditorio a todo el grupo de la materia. Página 31 de 80 Unidad Temática IV. FLUJO DE FLUÍDOS INTRODUCCIÓN Las características de los físicas de los fluidos determinan su comportamiento en los sistemas de transporte, seleccionar el equipo adecuado según las necesidades del proceso, es un factor critico de diseño para el obtener los mejores resultados. OBJETIVOS DE APRENDIZAJE (LOS DE LA UNIDAD UNICAMENTE) 1. Tipos de fluidos y de flujos 2. Balance de energía 3. Tuberías, válvulas y conexiones 4. Bombas y compresores Página Página 32 de 80 Tema IV: flujo de fluidos Introducción Cuando trabajamos en un proceso medimos la cantidad de materia procesada como una unidad de masa sobre una unidad de tiempo, ya sea Kg./h o Ton/Día. También se puede expresar cuando trabajamos con líquidos o gases como una unidad de volumen sobre una unidad de tiempo. l/s = caudal. Para estudiar el comportamiento de los fluidos especialmente el de los líquidos debemos estudiar sus características físicas para predecir las condiciones en que operaran. Principales Características Físicas. Viscosidad. Densidad. Reactividad. Temperatura. PH. (corrosivos) OBJETIVOS DEL APRENDIZAJE 1. 2. 3. 4. Tipos de fluidos y flujos Balances de energía Tuberías, válvulas y conexiones Bombas y compresores TIPOS DE FLUIDOS Y FLUJOS 2.1.1 Medir la viscosidad con diferentes viscosímetros y medir numero de Reynolds VISCOSIDAD. Resistencia que tienen los líquidos a fluir cuando se les aplica una fuerza externa, siendo el resultado de la interacción y cohesión de sus moléculas. La melaza es un fluido muy viscosos con respecto al agua. La unidad de la viscosidad absoluta en el sistema internacional es el Pascal segundo (Pa S) o Newton Seg. / M² 1 Pas S = 1 N S/ M² = Kg / M S El poise es la unidad correspondiente al sistema cgs y tiene por dimensiones a la dina segundo por centímetro cuadrado o gramos por centímetro segundo. El submultiplo centipoise .001 poises es la unidad utilizada para expresar viscosidad absoluta. 1 Pas S = 10³ cP La medida de la viscosidad absoluta requiere de instrumental adecuado y una considerable habilidad experimental. Por otro lado podemos utilizar un instrumento muy simple como lo es el viscosímetro de tubo para medir la viscosidad cinemática de aceites y líquidos viscosos. Con este tipo de instrumentos se determina el tiempo que necesita un volumen pequeño de liquido para fluir por un orificio pequeño y la medida de la viscosidad cinemática se expresa en términos de segundos. Página 33 de 80 Se usan varios tipos de viscosímetros de tubo, con escalas empíricas tales como Saybolt Redwood Engler NUMERO DE REYNOLDS Él numera de Reynolds es el coeficiente que existe entre la densidad, la velocidad, el diámetro de la tubería y la viscosidad del fluido. Demostrar que él numero de Reynolds es un numero adimensional. Reynolds menor de 2000 flujo laminar. Reynolds mayor de 4000 flujo turbulento. Reynolds entre 2000 y 4000 Reynolds critico Reynolds es la relación entre las fuerzas dinámicas de un fluido respecto a los esfuerzos de deformación debidos a la viscosidad. Ejercicio Por una tubería de acero de 4 pulgadas cédula 40 fluye agua a 90 C a razón de 1590 litros por minuto. Calcular el número de Reynolds Evaluación Parcial Lista de cotejo Calculo adecuadamente el valor de la viscosidad Aplico los cálculos de viscosidad para calcular el numero de Reynolds 2.1.2 Definir los conceptos de flujo de masa, momentum y flujo volumétrico Flujo de masa: Relación de la masa de un fluido en movimiento con el tiempo que tarda en realizarlo. Flujo Volumétrico: Relación del volumen de un fluido en movimiento con el tiempo que tarda en realizarlo. Momemtum: Es el producto de la masa de un cuerpo por la velocidad que este desarrolla en su movimiento. 2.1.3 Definir los conceptos de viscosidad, diferentes tipos de fluidos y viscosidad cinemática. La viscosidad cinemática Es el cociente entre la viscosidad dinámica y la densidad. En el sistema internacional la unidad de viscosidad cinemática es el metro cuadrado sobre segundo. La unidad en el sistema CGS es el STOKE con dimensiones de centímetro cuadrado sobre segundo. Por sus características físicas los fluidos se clasifican en. Newtonianos. Aquellos cuyo comportamiento se caracteriza por que la relación entre el esfuerzo cortante y la tasa de corte es constante. El agua, los aceites vegetales, las emulsiones muy diluidas como la leche presentan flujos newtonianos. Página 34 de 80 No Newtonianos. No cumple con la ley de Newton para la viscosidad es decir la relación entre él esfuerza cortante y la tasa de corte no es lineal 2.2.4 Definir los parámetros de fluidos no newtonianos. Flujo. Movimiento de fluido. Plástico Flujo no newtoniano que se comporta como un sólido por debajo del punto de fluencia y una vez alcanzado este se comporta como un pseudoplastico (mantequilla, mayonesa, helados y concentrados de frutas). Plástico de Bingham flujo en el que, para los valores de la tasa de corte superiores al punto de fluencia, se comporta como un flujo newtoniano. Algunos chocolates y sus derivados, presentan est conducta. Pseudoplástico. Flujo no newtoniano cuya viscosidad aparente o consistencia disminuye al aumentar la tasa de corte. Las soluciones hidrocoloides (proteínas y gomas) lo presentan. Reopéctico. Flujo cuyo comportamiento se caracteriza por el aumento de la viscosidad aparente, no solo en función del esfuerzo cortante como flujo espesante sino también como función al tiempo. En esta categoría se encuentran las soluciones concentradas de almidones y de otros sólidos como el caso de algunas sopas y atoles. Tixotrópico Flujo cuyo comportamiento se caracteriza por la disminución de la viscosidad aparente no solo como función del esfuerzo cortante como en el flujo Pseudoplastico sino también en función del tiempo. Ejemplo Cremas. Viscoelástico. Flujo no newtoniano que presenta, además las propiedades características de los sólidos como la elasticidad. En esta categoría se encuentran quesos, masas de panificación. BALANCES DE ENERGIA 2.2.1 Calcular las perdidas de presión en las tuberías. Ejercicio: Un aceite con una densidad de 875 Kg/M³ y viscosidad de 95 centipoises, fluye por una tubería de acero de 79 mm de diámetro interior de 2 m/s Calcular a) El caudal en litros por minuto b) La perdida de presión en 40 metros de tubería. 2.2.2 Definir e identificar los diferentes términos del balance de energía Los balances de energía son una contabilidad de entradas y salidas de materiales y energía de un proceso o de una parte de este. Estos balances son importantes para el diseño del tamaño de aparatos que se emplean y para calcular el costo. Si la planta trabaja, los balances proporcionan información sobre la eficiencia de los procesos. Los balances de energía se basan en las leyes de conservación de energía. Estas leyes indican que la energía es constante por lo tanto la energía entrante a un proceso, debe ser igual a la energía saliente. 2.2.3 Definir y relacionar el numero de Reynolds y el tipo de tubería con el factor de fricción Página 35 de 80 Perdida de presión en tuberosas y factor de fricción. Las fuerzas que debe vencer una bomba para impulsar un liquido a través de una tubería tiene diversos orígenes. La viscosidad es uno de esos factores pero además existe una fuerza de fricción contra las paredes del tubo. Las fuerzas de fricción varían con las condiciones existentes en la línea tal como él numero de Reynolds o la rugosidad en la pared. La influencia de las fuerzas de fricción se expresan en forma del factor de fricción. El factor de fricción para flujo laminar es función del numero de Reynolds, mientras que para flujo turbulento es función del numero de Reynolds y de la rugosidad de las paredes. Ejercicio aceite de densidad 897 Kg/M³ y viscosidad de 9.4 centipoises fluye a través de una tubería de acero de 51 mm de diámetro interior a razón de 0.006 M³/S Calcular a) Numero de Reynolds b) Factor de fricción TUBERIAS, VALVULAS Y CONEXIONES. 2.3.1 Calcular las caídas de presión en diferentes arreglos de tubería (serie, paralelo y con bomba) El flujo de fluidos en una tubería esta siempre acompañada de rozamiento. Existe una perdida de presión con respecto al flujo. La ecuación general de perdida de presión conocida como la formula de darcy expresada en metros de fluido es Hl = fl V²/ D 2gn Ejercicio: A través de una tubería de acero de 2 pulgadas cédula 40 de 100 pies de longitud circula un aceite de peso especifico 0.815 y viscosidad cinemática de 2.7 centistokes, a razón de 2 galones por segundo. Calcular a) Perdidas de presión en bar 2.3.2 Practicar con diferentes tipos de válvulas y conexiones. Cuando un fluido se desplaza uniformemente por una tubería recta, larga y de diámetro uniforme, la configuración del flujo indicado por la distribución de la velocidad sobre el diámetro de la tubería adopta una forma característica. Cualquier obstáculo e la tubería cambia la dirección de la corriente en forma total o parcial, altera la configuración característica del flujo y ocasiona turbulencia, causando una perdida de energía mayor que la que comúnmente se provocaría en un flujo por una tubería recta. La perdida de presión total producida por una válvula consiste en: 1. - la perdida de presión dentro de la válvula 2. - la perdida de presión en la tubería de entrada es mayor de la que se produce normalmente si no existe válvula en línea. 3. - La perdida de presión en la tubería de salida es superior a la que se produce normalmente si no hay válvula en línea. 2.3.3 Calcular balances de energía en sistemas sencillos. Página 36 de 80 Ejercicio: En una pasteurizadora se eleva leche de densidad relativa 1.02 hasta un tanque de almacenamiento situado a 10 m de altura, a través de una tubería de 3 pulgadas de diámetro interno. La cantidad de leche que se maneja es de 400 l/m calcule los HP requeridos por la bomba suponiendo que se tiene una eficiencia del 80% y no hay perdida de fricción en la línea. BOMBAS Y COMPRESORES 2.4.1 Operar los tipos de bombas más utilizados en la industria de los alimentos TIPOS DE BOMBAS. Objetivo. Conocer los diferentes tipos de bombas que se utilizan en la industria de los alimentos, sus usos y aplicaciones más comunes. Fundamento. Los procesos de fabricación de alimentos requieren el uso de diferentes sistemas de bombeo, sentar las bases técnicas para conocer, el modo en que operan, las condiciones físicas de los fluidos, los criterios de selección, las fallas más comunes, ayudarían a prevenir fallas en los procesos o proponer soluciones para la mejora de los mismos Materiales y equipo. Bombas de desplazamiento positivo y centrifugas. Caja de herramientas. Procedimiento: 1. - Recorrer los laboratorios para determinar que equipos ocupan bombas y describir cada una de ellas. 2. - Con ayuda de tu instructor desarma una bomba de desplazamiento positivo y describe sus componentes. 3. - Con ayuda de tu instructor desarma una bomba de centrifuga y describe sus componentes. 4. -Vuelve a armar ambas bombas. Reporte de resultados. Realiza la descripción de los equipos analizados y menciona él porque del tipo de bomba utilizada. Realiza el diagrama de las partes de las bombas desarmadas. Cuestionario. ¿Qué tipos de bombas de desplazamiento positivo existen en el laboratorio? Página 37 de 80 ¿Cuál es el material de las carcasas e impulsores? ¿Cuál es el mantenimiento que le daría a las bombas?. ¿Qué pasaría si una bomba trabajara en seco? ¿Cómo controlarías el flujo en un sistema de bombeo? 2.4.2 Operar el equipo para movimiento de gases en un proceso. Actividad. Con ayuda del profesor realizar una inspección del compresor identificar sus partes y los demás componentes de la línea, operarlo a intervalos regulares. 2.4.3 Definir las bases para el calculo de la potencia de bombas y compresores usando los conceptos del balance de energía. La potencia teórica para el bombeo esta dada por Potencia = QHp/6166000 (kilowatts) Q = Caudal en litros por minuto H = Altura de presión de bombeo en metros P = Densidad Kg/m³ PRÁCTICA 6. "Mediciones de Caudal Másico y Volumétrico" Objetivo: Medir los caudales o flujos másicos y volumétricos de diversos alimentos y relacionar el efecto que tiene la viscosidad. Fundamento: El caudal másico y/o volumétrico de un líquido depende de diversos factores dentro de ellos, los reológicos. Es importante considerar que esta dependencia genera una mayor necesidad de potencia en equipo de bombeo. Esta necesidad debe preveerse ya que cambia el panorama del proceso de producción en el que se encuentra involucrada. Metodología: 1. Hacer fluir mediante una bomba alimentos de diferentes viscosidades (yoghurt, refresco, aceite), hacerlos pasar a través de un flujómetro de vidrio y medir los tiempos de obtención de un volumen determinado de producto. 2. Calcular los caudales másico y volumétrico de cada alimento. 3. Comparar, en una tabla de resultados, los diferentes datos obtenidos y concluir con base en los mismos. Página 38 de 80 Unidad Temática V. TRANSFERENCIA DE CALOR INTRODUCCIÓN CALOR Es la medida termodinámica de la actividad molecular de las sustancias. El calor no es estático es dinámico esto quiere decir que se transfiere, dicha transferencia se realiza del lugar mas caliente al mas frío. FUENTES DE CALOR. Solar Eléctrica Química Combustible sólido Reacción nuclear Reacción mecánica (fricción) OBJETIVOS DE APRENDIZAJE (LOS DE LA UNIDAD UNICAMENTE) 1. Mecanismos de la transferencia de calor 2. Coeficientes individuales de transferencia de calor 3. Coeficientes globales de transferencia de calor 4. Equipo de transferencia de calor Página Página 39 de 80 Mecanismos de transferencia de calor 3.1.1. Aplicar el mecanismo más importante de transferencia de calor en el procesamiento de alimentos. Fuentes del calor industrial. En la industria de los alimentos se emplea grandes cantidades de calor para operaciones tales como el cocimiento (escaldado, esterilización, pasteurización) donde requerimos controlar la cantidad de calor y que este no contamine nuestro producto además de que resulte lo más económico posible. DEFINICION Entalpia Calor latente Calor especifico Loa alimentos se calientan por métodos indirectos y directos Directos Secador por aspersión Ahumador Secadores de charolas Microondas Intercambiadores de calor pasteurizadores Marmita gas aceite microondas infrarrojos. vapor líquidos electricidad Indirectos 3.1.2 Definir los conceptos de coeficientes individuales de conducción, convección y radiación. METODOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR. Conducción (sólidos) a través de cuerpos sólidos Convección (gases y líquidos) Radiación (espacios libres) Metales CONDUCCION No metales. CONVECCION Libre Forzada RADIACION Propagación de la energía atrevas de espacios por medio de ondas Mezcla de fluidos fríos con calientes COEFICIENTES INDIVIDUALES DE TRANSFERENCIA DE CALOR Página 40 de 80 3.2.1 Aplicar el Análisis Dimensional De Transferencia De Calor Por Convección en los Alimentos En la transmisión de calor por convección se crea una diferencia de densidades provocada por el gradiente de temperaturas que crea un flujo laminar o turbulento. En convección la transmisión de calor esta dada por la ecuación. Q= hA(t1-t2) Q = flujo de calor W/m² H = coeficiente de transmisión de calor (w/mC) A = arrea de transmisión de calor (M²) T = temperatura C Este coeficiente depende de las propiedades físicas del fluido y de las características del movimiento de este con respecto a la superficie. Su cálculo se efectúa con ayuda del análisis dimensional, siendo los numeros adimensionales mas empleados en la transmisión de calor los siguientes. Nusselt Stanton Prandalt Grashof Un = hD/k St = h/c G = Un /(Re*Pr) Pr = cp Vis / k Gr = (gD/ V²)(ßdt) (no) El flujo de calor de una lámina metálica hacia el ambiente es de 1000 w/m² la temperatura de superficie es de 120 C y la temperatura ambiente es de 20 c hallar el coeficiente de transmisión térmica de convección. 3.2.2 Definir los conceptos de coeficientes individuales de transferencia de calor Los coeficientes de convección se calculan mediante correlaciones empíricas. El coeficiente depende de varios parámetros como son el tipo y la velocidad del fluido, sus propiedades físicas diferencia de temperaturas entre el fluido y el sólido y la geometría del sistema. Mediante un análisis dimensional se desarrollan correlaciones empíricas que permiten predecir el coeficiente. 3.2.3 Definir e identificar los rangos de aplicación de las diferentes correlaciones de transferencia de calor. En la practica se presentan combinadas la transmisión de calor por los tres mecanismos. Considerando una pared sólida, la resistencia total al paso de calor a través del se escribe. R = 1/hiAi + x/k A + 1/heAe Página 41 de 80 Englobando en h el valor del coeficiente de convección y el de radiación En el caso de l transmisión conjunta del calor por convección y radiación el método más sencillo para resolver el problema es calcular por separado el, calor transmitido por cada mecanismo. 3.3.1 Medir las variables de proceso con los cuales se calcula el coeficiente global de transferencia de calor transferencia de calor Objetivo. Aprender el manejo de equipos que requieren sistema s de calentamiento, de manera practica para comprender los mecanismos de transferencia de calor. Fundamento. La transferencia indirecta de calor por medio de vapor en marmitas transfiere el calor latente de vaporización al condensarse el agua, lo que genera una mayor transferencia de energía que impacta directamente en los costos de producción. Materiales y equipo. Marmita . Agitadores . Pala de madera Cuchillos Tabla para picar Cucharas Termómetro Procedimiento: 1. - Sumergir las manzanas en la solución de hidróxido de sodio, enjugar, descorazonar, pelar y picarlas manzanas en trozos de 1 cm³. 2. - Por cada kilo de manzana se necesitan 93% de azúcar, 0.13 % de ácido cítrico, 0.5% de pectina, 0.1% de Benzoato de Sodio, 0.02% de colorante vegetal. 3. - Colocar la manzana con la mitad del azúcar y el colorante a fuego lento en agitación continua durante 45 min. a partir del punto de ebullición. 4. - Transcurrido ese tiempo colocar el resto del azúcar con la pectina y agregarla a la mezcla junto con el benzoato agitando constantemente por cinco minutos. 5. - Realizar la prueba de la gota blanda (este punto se detecta cuando al caer una gota de mermelada en un vaso de agua no se desintegra) verificar el estado de nuestro producto. 6. -Una vez en el punto suspender el calentamiento y verter en recipientes. 7. - Determina los grados Brix del producto final y calcula los rendimientos. Manzana en trozos Agua potable. azúcar pectina ácido cítrico colorante vegetal benzoato de sodio Hidróxido de Sodio al 10 % Página 42 de 80 Reporte de resultados. Reporta los grados Brix del néctar sin azúcar. Reporta los grados Brix del producto final. ¿Qué cantidad de materia se perdió por evaporación? Reporta la presión y la temperatura a la que trabajo la marmita. ¿A que temperatura hizo ebullición la mezcla. 3.3.3 Identificar las relaciones entre coeficientes globales e individuales de transferencia de calor Ejercicio Un alimento liquido es transportado a 80 C por el interior de una tubería de 2.5 cm de diámetro. El coeficiente de convección del lado interior vale 10 w/m² C, la tubería es de acero (conductividad térmica = 43 w/m C) y de 0.5 cm de espesor, el ambiente exterior esta a 20 C y el coeficiente global de transmisión de calor y las perdidas en un tramo de 1m de tubería. 3.3.4 Definir el concepto de factor de fricción FACTOR DE SUCIEDAD.- Con frecuencia resulta imposible predecir el coeficiente de transferencia de calor global de un intercambiador de calor al cabo de un cierto tiempo de funcionamiento, teniendo sólo en cuenta el análisis térmico; durante el funcionamiento con la mayoría de los líquidos y con algunos gases, se van produciendo gradualmente unas películas de suciedad sobre la superficie en la que se realiza la transferencia térmica, que pueden ser de óxidos, incrustaciones calizas procedentes de la caldera, lodos, carbonilla u otros precipitados, el efecto que ésta suciedad origina se conoce con el nombre de incrustaciones, y provoca un aumento de la resistencia térmica del sistema; normalmente el fabricante no puede predecir la naturaleza del depósito de suciedad o la velocidad de crecimiento de las incrustaciones, limitándose únicamente a garantizar la eficiencia de los intercambiadores limpios. La resistencia térmica del depósito se puede determinar, generalmente, a partir de ensayos reales o de la experiencia. Si se realizan ensayos de rendimiento en un intercambiador limpio y se repiten después de que el aparato haya estado en servicio durante algún tiempo, se puede determinar la resistencia térmica del depósito. EQUIPO DE TRANSFERENCIA DE CALOR 3.1.1 Utilizar diferentes tipos de equipo para la transferencia de calor. TIPOS DE INTERCAMBIADORES DE CALOR. PLACAS Constan de una serie de placas de acero inoxidable apretadas una contra otra y montadas en un bastidor, mediante juntas se sellan las entradas y las salidas de las placas para evitar la mezcla de dos fluidos. VENTAJAS. Mantenimiento simple. Diseño higiénico Página 43 de 80 Se puede aumentar la capacidad aumentando él numero de placas Ahorro de energía mediante la regeneración. CAMBIADORES TUBULARES. El diseño más simple de los Intercambiadores de tubo consiste en 2 tubos concéntricos donde generalmente el producto pasa por el de menor diámetro y el fluido (caliente o frío) por el espacio entre el tubo de mayor diámetro y el de menor. VENTAJAS. Permiten un proceso más rápido. DESVENTAJAS. Puede haber daño del producto en las paredes del tubo, si no se tiene control de temperatura adecuado. No muy adecuado para líquidos viscosos CAMBIADORES DE CALOR DE SUPERFICIE RASCADA. L a transmisión de calor esta influenciada por la perdida de carga y la resistencia a la transmisión de calor provocada por el ensuciamiento de las paredes. Consiste en un rotor con paletas cubiertas y materiales plásticos que gira a una velocidad de entre 150 y 500 RPM DESVENTAJAS. Genera mas consumo de potencia. VENTAJAS Muy recomendado en productos que requieran mezclado Puede utilizarse con fluidos de muy variadas viscosidades. CAMBIADOR POR INYECCION DE VAPOR. Se alimenta el producto en forma de una película fina y se le inyecta vapor que al condensarse sede gran cantidad de calor. Esterilización. Deodorización de la leche. 3.4.2 Arrancar equipo de calentamiento o enfriamiento y mantener las condiciones de operación continuas. Introducción Función de un intercambiador de calor Los intercambiadores de calor se utilizan para transmitir calor entre dos medios que fluyen y que se encuentran a distinta temperatura. Durante la transmisión, los medios no entran en contacto directo ni Página 44 de 80 se mezclan. El calor se transporta del medio caliente al frío a través de una pared divisoria termoconductora. Un ejemplo de intercambiador de calor son los radiadores de coche (medios: agua/aire), los radiadores de aceite (medios: aceite/aire o agua) o los serpentines refrigerantes en armarios de hielo(medios: aire/refrigerante). En el banco de ensayos WL110 se utiliza agua para los dos medios en los intercambiadores de calor aplicados. Funcionamiento de un intercambiador de calor El medio caliente fluye a lo largo de una pared divisoria a la que transmite calor, lo que hace que el medio se vaya enfriando. La pared divisoria calentada transmite el calor al medio frío que fluye al otro lado de ésta. El medio frío se calienta. Así pues, la transmisión de calor a la pared divisoria se puede subdividir en tres procesos separados. 1. El medio caliente aporta calor a la pared divisoria. 2. La pared divisoria conduce el calor de la superficie caliente a la fría. 3. La pared divisoria aporta calor al medio frío. Utilización de un intercambiador de calor de doble revestimiento El intercambiador de calor WL 110.04 representa un recipiente de proceso en el que se debe conseguir una temperatura definida con exactitud. En primer lugar, en el recipiente de proceso se vierte un medio que debe alcanzar una temperatura determinada. Para alcanzar la temperatura deseada, se inunda con un medio caliente o frío el revestimiento del recipiente o un serpentín de Calefacción colocado dentro. Un mezclador montado en la caldera se encarga de que la temperatura se distribuya de forma óptima por el recipiente. Cuando el medio dentro del recipiente alcanza la temperatura que se desea, el recipiente se vacía y se vuelve a llenar. Esta clase de llenado/vaciado irregular también se denomina funcionamiento discontinuo. El intercambiador de calor WL 110.04 utilizado en este caso también puede funcionar en los modos siguientes: Calentamiento a través del revestimiento Calentamiento a través del serpentín de calefacción Enfriamiento a través del revestimiento Enfriamiento a través del serpentín de calefacción Funcionamiento Durante el funcionamiento del intercambiador de calor de doble revestimiento lo importante, sobre todo, es el comportamiento de la temperatura del llenado de agua en el recipiente de proceso. En los ensayos se tiene en cuenta el modo de calefacción, Página 45 de 80 porque en el mundo de la técnica se utiliza más que el enfriamiento. El intercambiador de calor funciona en modo de calefacción básicamente del modo siguiente: Calentamiento a través del revestimiento con agitador de burbujas. Calentamiento a través del revestimiento sinagitador de burbujas Calentamiento a través del serpentín de calefacción con agitador de burbuja Calentamiento a través del serpentín de calefacción sin agitador de burbujas El intercambio de calor entre 2 líquidos a distinta temperatura y la pared divisoria que los separa se denomina transición térmica. En el caso del flujo calorífico generado: Q. =k m *A .(THeiz -T (1.0) Donde: Km coeficiente medio de transmisión térmica A superficie caliente o fría THeiz temperatura en caliente T temperatura del medio en el recipiente El coeficiente medio de transmisión térmica Km recoge las numerosas influencias que resultan decisivas para la cantidad de calor intercambiada durante la transferencia de calor en cada caso especial. En los ensayos se debe calcular de forma experimental. La superficie caliente o fría A es de: - revestimiento del recipiente: 0,057 m 2 - Serpentín de calefacción: 0,052 m 2 3.4.3 Operar un equipo con programa de temperaturas. ACTIVIDAD Operar equipo chiller 3.4.5 Definir el área de transferencia de calor de diferentes equipos que serán diseñados. ACTIVIDAD Operar equipo didáctico de intercambiadores de calor de tubo. 3.4.6 Definir el coeficiente global y las temperaturas para los equipos en operación ACTIVIDAD Operar equipo didáctico de intercambiadores de calor de tubo. Página 46 de 80 Práctica # 7 “Esterilización Comercial: Frijoles Refritos” OBJETIVO: El alumno conocerá el fundamento y manejo de equipo utilizado en la esterilización comercial aplicado en la elaboración de frijoles. FUNDAMENTO: En los procesos de conservación por tratamiento térmico, el calentamiento reduce la concentración microbiana del alimento así también inactiva los enzimas presentes. Los alimentos enlatados, aunque no presenten defectos y sean estables, y especialmente los constituidos por carnes curadas contienen frecuentemente microorganismos viables. Lo que se necesita es que el producto resultante sea aceptable para el consumidor e inocuo tras un determinado período de almacenamiento en condiciones definidas. MATERIALES Y UTENSILIOS Agua purificada Sal Frijoles Recipientes de acero inoxidable Cuchillos Botes con esmalte Marmita Equipo exhauster Autoclave Engargoladora Cebolla Aceite PROCEDIMIENTO: Preparación 1. Seleccionar las semilas sanas y separarlas de las no aptas para procesamiento. 2. Lavar primero con agua corriente, dos veces y posteriormente con agua purificada 3. Cocer los frijoles, junto con sal y ajo, a presióin y a 121oC, por una hora. 4. Una vez cocidos los frijoles, se tratan en el despulpador para lograr la destrucción de la estructura inicial. 5. Sazonar con aceite y cebolla (previamente frita- hasta adquirir un color casi transparente). 6. Incorporar los frijoles a latas previamente enjuagadas con agua purificada, permitiendo un espacio de cabeza de aproximadamente 1cm. Cuidar que no quede aire en el producto envasado 7. Engargolar con tapas limpias. 8. Someter a un proceso de inyección de vapor en ehxauster. 9. Realizar una prueba de sellado golpeando la lata contra una superficie firme. 10. Someter a esterilización a 121oC por 20 minutos. 11. Una vez lograda la esterilización las latas se someten a enfriamiento con agua purificada por unos minutos. 12. Etiquetar. - Página 47 de 80 CUESTIONARIO 1. Investigar que es la Appertización y a quién debe su nombre este proceso. 2. Explica en que consisten los diferentes métodos de esterilización aplicados en la industria alimentaria. 3. Investiga y dibuja el diagrama de un sistema de cierre de latas para la industria de los alimentos. 4. Dibuja el diagrama y explica el funcionamiento de un autoclave discontinuo 5. Dibuja el diagrama de un autoclave continuo. Práctica # 8 “Secado de Rodajas de Frutas” OBJETIVO: Elaboración de productos deshidratados con apoyo de un secador de charolas, análisis del efecto de este intercambiador de calor en el secado de frutas de temporada. MATERIALES Y UTENSILIOS Agua purificada Ácido cítrico Fruta de temporada Recipientes de acero inoxidable Cuchillos Secador de charolas PROCEDIMIENTO: 1. Recepción de materia prima. Al inicio de cada producción siempre es necesario verificar la calidad de la materia prima con la finalidad de eliminar el fruto en malas condiciones. 2. Lavado de la materia prima: consiste en remover la suciedad que normalmente acompaña a la fruta en su superficie, asegurando un manejo higiénico del producto en las operaciones posteriores. 3. Escurrido y selección de la materia prima: la materia prima proveniente del proceso de lavado, es colocada en una mesa de acero inoxidable para ser inspeccionada y retirar los frutos que no son aptos para su procesamiento. 4. Cortado y mondado manual: para esto se corta la fruta de acuerdo a la geometría requerida, pudiendo ser en rebanadas, tiras longitudinales o transversales, cubos, etc. 5. Escaldado: Consiste en someter las rebanadas a un tratamiento térmico con agua conteniendo el 1% de ácido cítrico a 75 ° por 3 minutos. Con la finalidad de evitar C obscurecimiento enzimático. 6. Tendido: el producto es tendido en charolas caladas en un deshidratador de charolas, hasta obtener una humedad residual del 10-15%. La deshidratación se lleva a cabo en un secador de charolas a una temperatura de 70-800C por un periodo de 6-8h o más. 7. Envasado: el producto deshidratado se retira de las charolas para ser envasado. Las rebanadas de frutas serán retiradas manualmente de forma unitaria y acomodadas en su envase (bolsa de papel celofán). La operación de envasado se complementa con el etiquetado CUESTIONARIO 1. Realiza el cálculo de rendimientos de este proceso. 2.Investigar el fundamento del funcionamiento de un secador de Charolas y dibujar un esquema del mismo. 3.Realizar un balance de materia de este proceso, incluir el cálculo de % de merma y los motivos. Página 48 de 80 4. Además del secador de charolas, investiga al menos dos equipos más de secado utilizados en industria alimentaria. Y dibuja sus esquemas. Práctica # 9 “Secado por Aspersión” OBJETIVO: El alumno conocerá el fundamento y manejo del equipo secador por aspersión, realizando el secado de alimentos líquidos. FUNDAMENTO: El producto se introduce a una cámara de desecación en forma de lluvia fina , entrando así en contacto íntimo con una corriente de aire caliente, permitiendo así una rápida desecación y una conversión del fluido original en polvo. MATERIALES Y UTENSILIOS Recipientes de acero inoxidable y plástico Filtros o coladeras Maltodextrinas Secador Atomizador (NIRO) PROCEDIMIENTO: 1. Elaborar un extracto de jamaica adicionando 250 g de jamaica a 2 litros de agua en su punto de ebullición. 2. Determinar masa del extracto y la jamaica extraída para calcular mermas. 3. Medir grados brix al extracto. 4. Realizar un balance de materia para llevar los grados brix iniciales a 20oBx. 5. Someter a secado por aspersión el concentrado mediante el procedimiento anexo de manejo de equipo. 6. Registrar los parámetros que indica la bitácora, cada cinco minutos. CUESTIONARIO: 1.Realiza los balances de materia de cada una de las operaciones unitarias aplicadas a este proceso. 2.¿Cuántos tipos de secadores por aspersión o secadores atomizadores se aplican para la industria de los alimentos? 3. Dibuja y explica el fundamento de al menos dos tipos más de secadores diferentes al usado en esta práctica, aplicados en la industria de los alimentos. 4. explica en qué consiste la operación de liofilización. 5. ¿En qué consiste la operación de rehumidificación de alimentos deshidratados? Explicar. INTRUCCIONES DE USO DEL SECADOR POR ATOMIZACIÓN NIRO PUESTA EN MARCHA - Verificar que el equipo se encuentre limpio (incluyendo mangueras, conexiones, bomba, recipientes de recepción de producto, etc.) y perfectamente armado, al lavarlo, evitar introducir objetos que puedan rallar sus paredes internas. Página 49 de 80 Cuidar que la manguera de alimentación esté dentro de un recipiente con agua purificada. - Encender el interruptor general (Switch Main-amarillo/rojo) - Encender Exhaust Fan - Encender el atomizador (atomizer) - Encender el ventilador presionador (tablero de la izquierda-start). - Encender las resistencias, iniciando con las de 12 KW, después de unos 15 segundos, encender las de 6 KW. - Esperar que la temperatura suba hasta lograr una temperatura de entrada de 205 a 220oC. - Cuando la Temperatura de salida logra los 60oC, aproximadamente, se enciende la bomba de alimentación (la cual, en principio, bombea agua). La temperatura de salida no debe rebasar los 82-85oC porque se apaga el equipo. - El control de la temperatura se realiza controlando el flujo de la bomba. Para bajar temperatura de salida se incrementa el flujo, para aumentar la temperatura de salida se disminuye el flujo. - Una vez lograda una temperatura entre 77-83oC, manteniéndose por 10 minutos consecutivos, se cambia rápidamente la manguera de la bomba de alimentación del agua purificada al producto líquido que se desea secar. Mantener fija la atención en la temperatura de salida, la cual puede dispararse al cambio de agua-alimento. En caso de cambios, realizar cambios leves de flujo para evitar que el equipo se apague. - Mantener, para productos no viscosos entre 19-20 RPMx1000 y las 4 resistencias encendidas. - Para productos viscosos, trabajar con 18 RPMx1000 - Terminado el producto, bombear agua purificada para eliminar sólidos de los conductos. APAGADO DE EQUIPO - Apagar las dos resistencias de 6 KW - Espera que la temperatura de entrada baje a 105oC, mientras esto sucede, controlar temperatura de salida. - Apagar una resistencia de 12KW. - Una vez teniendo la temperatura de entrada de 105oC, apagar bomba de alimentación. Apagar última resistencia. - Puede aumentar ligeramente la temperatura de salida y la de entrada baja, posteriormente las dos bajan. - Cuando las dos temperaturas están en equilibrio, a 50oC aproximadamente (no exactamente iguales, puede haber una variación entre ellas de 4 a 8oC), apagar el ventilador presionador (stop). - Apagar el atomizador. - Apagar el exhaust fan. - Apagar el interruptor general. - Descargar el material pulverizado. Lavar perfectamente el equipo. Secar y armar. - Página 50 de 80 Página 51 de 80 Unidad Temática SEPARACIÓN INTRODUCCIÓN VI. PROCESOS DE Proceso de separacion es una operación que convierte una mezcla de sustancias en dos o mas productos que difieren uno del otro en composición. PRODUCTO 1 MEZCLA PROCESO DE SEPARACION PRODUCTO2 PRODUCTO3 Para poder separar la mezcla se debe crear un dispositivo, sisitema o proceso que proporcione la energia necesaria para causar la separacion. OBJETIVOS DE APRENDIZAJE (LOS DE LA UNIDAD UNICAMENTE) 1. Características y funciones de los procesos de separación Página Página 52 de 80 Tema 1. Característica y función de los procesos de separación. 4.1.1 Practicar con los diferentes tipos de separación: Extracción Sólido Líquido, Evaporación, Secado, Filtro prensa, Centrifuga, Cromatografía, Absorción, Liofilización. Extraccion Sólido Líquido. En esta operación por medio de un disolvente se extrae un soluto que forma parte de un sólido. La extracción tammbien se conoce como percolación cuando se hace con un disolvente caliente o a punto de ebullición. Esta operación se realiza con aparatos llamados extractores, que pueden trabajar a regimen permanente o por lote; se pretende tener el contacto más intimo posible entre las fases para favorecer la extracción. Problema Para extraer el azucar contenida en una remolacha se emplea un sistema de extracción de tres etapas en corriente directa. Si se tratan dos toneladas diarias de remolacha de composición 14 % azucar, 40 % agua y 46 % inertes¿ Cúal sera la cantidad de azucar recuperada si se trata cada etapa con 2000kg de agua? Teoricamente cada kg de sólido inerte retiene 2.5 kg de disolución. Evaporación. Es una operación para concentrar un sólido disuelto en un líquido , la disolución se pone a temperatura de ebullición de manera que el líquido se volatilice y se deja al sólido más concentradoen la solución remanente. Para logralo se suministra calor a las soluciones y se separan los vapores formados. Estos se obtiene mediante el empleo de equipos llamados evaporadores. Problema En la manofactura der mermelada se emplea fruta molida con el azucar necesaria para producir una mezcla de 45 partes de fruta y 55 partes de azucar. A esta mezcla se le agregan 230 g de pectina porcada 100 kg de azucar. La mezcla se evapora hasta que los sólidos solubles llegan al 67% ¿Qué cantidad de mermelada se espera a partir de una fruta que contiene 14 5 de sólidos solubles?¿ Cuantos kg de mermelada se obtienen por kg de fruta que entra a proceso? Secado Operación unitaria que tiene como finalidad eliminar la humedad residual que contiene un sólido , para hacerlo más atractivo, desde el punto dvista comercial, mejorar sus condiciones de almacenamiento y emplearlo en operaciones posteriores. Problema. Para secar cacao se utilia un secador de charolas. En el sedcador entra aire con una humedad de 0.0105 kg de agua/ kg de aiore seco y a 35 c. Elo secador consta de 3 secciones. El aire deja la primera seccion con una humedad realtiva del 80 %, despues de lo cual se recalienta hasta 35 C, antes de entrara a la segunda seccion donde tambien sale con una humedad relativa del 80 %, la misma secuencia se sigue en la tercera sección . El aire humedo sale a razon de 5700 m³ / h. La presión de trabajo es de 760 mmm Hg y el proceso es adiabatico calcule: a) La cantidad de agua que se leimina en el secador b) La temperatura y la humedad del aire saliente de cada sección. Filtración: Práctica de Filtro Prensa La practica consiste en la medición del tiempo que lleva el filtrar una masa determinada de fluido a lo largo de la practica manteniendo la presión constante. Para esto se deben llevar a cabo los siguientes pasos. Página 53 de 80 Objetivos de la práctica Determinar que existe una relación de potencias entre la presión y la resistencia de la torta y el medio filtrante. Familiarizar al alumno con el uso de unidades de filtrado que puede encontrar en la industria nacional Determinar el valor (s-1), exponente al cual se eleva la presión para obtener la resistencia de la torta filtrante. Determinar el valor de (m-1), exponente al cual se eleva la presión para obtener la resistencia del medio filtrante. Determinar las expresiones para la resistencia de la torta y el medio filtrante, determinando el valor de A y B, encontrar la ecuacion de flujo del filtro. Equipo a utilizar Marmita con agitador y capacidad de 350 litros Bomba centrifuga de 1 Hp de potencia Filtro prensa de Placas y marcos Material a utilizar Carbonato de calcio 96% de pureza, mesh entre 80-100 Lonas para filtro prensa, fabricada de poliester Agua RECOMENDACIONES DE LA PRÁCTICA PREPARACION DEL FILTRO PRENSA: Para la realización de la practica se recomienda lo siguiente: 1. Correcta colocación de las placas dentro del filtro. Si las Placas no están colocadas en la forma correcta, no será posible realizar el cierre de la unidad para realizar la practica. 2. Colocar correctamente los empaques entre las placas, de esta forma se evitara fugas, y daño a los empaques. 3. Al colocar el medio filtrante entre las placas, es necesario que estén colocadas de la forma mas uniforme posible. Debe cubrir todas las orillas de la placa, para que pueda funcionar como un sello entre las mismas, así se evitaran fugas durante la practica. 4. El cierre del filtro prensa es manual. Debe darse un especial cuidado a enroscar los pernos de la mejor forma posible, y ajustarlos lo mas que se pueda para evitar fugas por entre las placas del filtro. 5. Al finalizar la practica es IMPORTANTE, deberá limpiarse la tubería de alimentación al filtro prensa para evitar que se depositen sólidos que interfieran en la realización de practicas posteriores. Página 54 de 80 6. Aún cuando una recta esté definida por dos puntos, es recomendable realizar varias corridas a diferentes presiones, de forma tal, que los datos finales obtenidos sean los mas exactos posibles. 7 Se recomienda llevar a cabo el experimento con diferentes medios filtrantes con el fin de analizar el comportamiento de las constantes que determinan la resistencia del medio filtrante. 8. Se puede observar que, el volumen de filtrado que debe recogerse no debe ser mayor a 2 l, y así poder tomar la mayor cantidad de puntos. Esto se debe a que, la capacidad máxima del filtro, es de aproximadamente 4 kg, por lo que el tiempo de filtración, utilizando las concentraciones recomendadas en esta practica, es sumamente corto, aproximadamente 5-6 minutos. 9. Se debe revisar que los empaques y el medio filtrante se encuentre bien colocados antes de comenzar la practica así, se evitara fugas durante la misma. Procedimiento recomendado 1. Colocar el medio filtrante entre las placas del filtro, así como también los empaques, verificando que estén colocados correctamente. El filtro prensa debe ser cerrado utilizando los pernos roscados y asegurándose de la mejor manera posible, para evitar fugas por entre las placas. 2. Realizar una suspensión de carbonato de calcio al 15 % en peso en 300 l. De agua en la marmita. La suspensión se debe mantener agitada durante toda la practica, este volumen de suspensión puede ser utilizada para varias pruebas. 3. Preparar, al menos, dos recipientes para recibir el filtrado. Estos recipientes deben estar colocados sobre balanzas con el fin de conocer el momento en el cual la masa predeterminada de filtrado ha sido acumulada. Ambos recipientes se utilizan en forma simultanea. 4. Al momento de comenzar la filtración, se debe cerrar la válvula de drenaje de la marmita y abrirse las válvulas de entrada y salida de la bomba, así como la válvula de salida de la marmita. Después, se procede a conectar la bomba y comenzar el proceso de filtración 5. Tomar el tiempo transcurrido para obtener un máximo de 2 kg. De filtrado, y anotar este tiempo, con la finalidad de realizar una hoja de calculo similar a la mostrada en los resultados. 6. Aun cuando una recta se define solamente con dos puntos, es recomendable realizar varias pruebas a diferentes presiones con el fin de obtener datos mas exactos y reales posibles. Durante las practicas se realizaran pruebas a 20,25,30,35,40,45, y 50 psi de salida de la bomba centrifuga. RESULTADOS A REPORTAR equipo. Centrifugación Página 55 de 80 Ecuaciones que describan el funcionamiento del La centrifugación es una técnica de separación de partículas que se basa en la distinta velocidad de desplazamiento de las partículas en un medio líquido al ser sometidas a un campo centrífugo. La centrifugación es una técnica de separación de partículas que se basa en la distinta velocidad de desplazamiento de las partículas en un medio líquido al ser sometidas a un campo centrífugo. Cuando se centrifuga una solución, se rompe la homogeneidad y se produce la separación del soluto y del disolvente. Las primeras partículas en sedimentar son las de mayor masa. Fuerzas que actúan sobre la partícula: Peso (P) Fuerza centrífuga (Fc) debido al giro que experimenta. La suma de estas dos fuerzas da como resultante otra fuerza denominada Peso Efectivo (PE); es la fuerza que realmente produce la sedimentación, la que lleva la partícula al fondo del tubo: PE = P + Fc = m (g + ac) à PE = m gE (gE à gravedad efectiva) Módulo de la gE à | gE | = √ g2 + ac2 ac = w2 r w = velocidad angular = dα / dt α = ángulo respecto al eje de giro En la centrifugación: gE = √ g2 + (w2 r) 2 Si g <<<< w2 r à se puede despreciar el término más pequeño à gE =w2 r Empuje efectivo (Ee): Ee = ρo gE V = (ρo / ρ ) m gE Fuerza de resistencia al avance (Fd)= Peso efectivo (PE) – Empuje efectivo (Ee)= M gE – (ρo / ρ ) m gE = f Vs Vs = m gE (1 - ρo / ρ) / f Vs = velocidad de sedimentación: - Proporcional a la masa de la partícula. Esta propiedad es la que permite separar partículas con diferente masa. Cuanto mayor sea la masa de la partícula mayor es la velocidad de sedimentación. - gE es el término que provoca la sedimentación forzada. Para sedimentar antes se puede aumentar la velocidad angular (w). En esto se basan las ULTRACENTRÍFUGAS que permiten separar partículas de muy similar masa debido a las altas velocidades a las que trabajan. - El resto de términos no se pueden modificar. La velocidad de sedimentación es útil para caracterizar partículas Volumen específico à V = 1 / ρ Sustituimos en la ecuación de Vs y queda: Vs / r w2 = m (1 – V ρo ) / f Coeficiente de sedimentación à s = Vs / r w2 à Unidades de tiempo (segundos), pero siempre tiene un valor muy bajo, por lo para medir el coeficiente de sedimentación se usa otra unidad: el Svedber (1 Svedber (S) = 10 -13 segundos ). El conocer s nos facilita: - Caracterizar la partícula y obtener información sobre su tamaño, densidad y forma. - Conocer su comportamiento en la centrifugación (facilita el diseño de métodos para su aislamiento. A partir de la ecuación del coeficiente de sedimentación se puede calcular la masa molecular (M) de las sustancias que se centrifugan: Página 56 de 80 Si multiplicamos y dividimos la ecuación por el número de Avogadro (NA) y teniendo en cuenta que NA multiplicado por la masa de las partículas es igual a la masa molecular (M) de la sustancia: M = ( f s NA ) / ( 1- V ρo ) Como D = ( RT ) / ( f NA ) à M = (RTs) / D (1 - V ρo ) El cálculo de la masa molecular de sustancias por centrifugación se explica con más detalle en el apartado de aplicaciones de la centrifugación analítica. . Cromatrografía La palabra cromatografía significa gráfica de colores y fue diseñada por Michael Tswett en el 1903. Tswett llevó a cabo una extracción de una mezcla de pigmentos de hojas verdes y luego pasó este extracto a través de un tubo de vidrio empacado con carbonato de calcio (tiza), diluyendo con un disolvente orgánico; de esta forma logró separar los pigmentos presentes en las hojas. Actualmente cromatografía es el nombre que se le da a un grupo de técnicas utilizadas en la determinación de la identidad de sustancias, en la separación de componentes de las mezclas y en la purificación de compuestos. Esta técnica es muy efectiva y por lo tanto se utiliza tanto a nivel de investigación como a nivel industrial. Este método puede variar de técnica en técnica, pero siempre se basa en el mismo principio: Todos los sistemas de cromatografía contienen una fase estacionaria y una fase móvil. La fase estacionaria puede ser un sólido o un líquido que se queda fijo en la misma posición. La fase móvil puede ser un líquido o un gas que corre a través de una superficie y de la fase estacionaria. Las sustancias que están en un sistema de cromatografía interaccionan tanto con la fase estacionaria como con la fase móvil. La naturaleza de estas interacciones depende de las propiedades de las sustancias así como también de la composición de la fase estacionaria. La rapidez con que viaja una sustancia a través del sistema de cromatografía depende directamente de la interacción relativa entre las sustancias y las fases móvil y estacionaria. En el caso de una mezcla, si cada componente interacciona diferente con la fase móvil y la fase estacionaria, cada uno de ellos se moverá diferente. En este experimento consideramos dos tipos de cromatografía: cromatografía de capa fina y cromatografía de columna. Cada una de ellas posee una fase estacionaria y una móvil. El concepto primordial es que los componentes de una mezcla se debatirán entre la afinidad que tienen por la fase estacionaria y la afinidad por la fase móvil. Por lo tanto, cada uno de ellos interaccionará de manera diferente y viajarán a través de estas fases con diferente rapidez, entonces los componentes de la mezcla se separarán. Liofilización, proceso que consiste en la deshidratación de una sustancia por sublimación al vacío. Consta de tres fases: sobrecongelación, desecación primaria y desecación secundaria. La conservación de bacterias, virus u otros microorganismos fue su primera aplicación, pero en la actualidad se utiliza en medicina para la conservación de sueros, plasma y otros productos biológicos; en la industria química para preparar catalizadores, y en la industria alimentaria se aplica a productos tan variados como la leche, el café, legumbres, champiñones o fruta. En esta industria es donde tiene mayor aplicación, pues ofrece ventajas tan importantes como la conservación y transporte fácil de los productos, la ausencia de temperaturas altas, la inhibición del crecimiento de microorganismos, o la recuperación de las propiedades del alimento Página 57 de 80 Unidad Temática VII. REDUCCIÓN DE TAMAÑO INTRODUCCIÓN En esta quinta unidad se introducirá al alumno en el conocimiento y manejo de los equipos de molienda, así como en la comprensión y realización de operaciones aplicadas en el manejo de sólidos pulverizados. Conocerá los equipos utilizados en la operación de reducción de tamaño y el fundamento de los mismos. Los temas aquí tratados encontrarán aplicación en el desempeño laboral en el procesamiento de granos, semillas y sólidos que requieran ser sometidos a reducción de tamaño para su posterior procesamiento o para lograr su total procesamiento. Los objetivos que permiten el desarrollo del alumno en el saber y en el saber hacer son los que a continuación se plantean. OBJETIVOS DE APRENDIZAJE 1.- Conocer y manejar los equipos de molienda para materiales con bajo y alto contenido de humedad. 2.- Conocer los conceptos y operaciones utilizados en la obtención y manejo de sólidos. Página TEMA 1 Objetivo de Aprendizaje 1. Conocer y Manejar los equipos de Molienda para materiales con bajo y alto contenido de humedad. Criterio de Aprendizaje 1.1 Comprender el funcionamiento y fundamento de los equipos de molienda. La reducción de tamaño en la industria de los alimentos es aplicada por diversas razones tales como: a) Facilitar la extracción de un constituyente deseado, contenido en una estructura compuesta como obtener harina a partir de trigo o azúcar a partir de jugo de caña. b) Aumentar superficie de contacto para disminuir velocidad de secado, velocidad la extracción de un sólido por medio de un líquido. c) Lograr un mezclado íntimo, por ejemplo en formulación de sopas instantáneas, de sazonadores, etc. Se distinguen, en general, tres clases de fuerzas utilizadas en la reducción de tamaño: Página 58 de 80 Fuerza Compresión Impacto Cizalla Principio Compresión Impacto Frotamiento Aparato Rodillos trituradores Molino de martillos Molino de discos Las fuerzas de compresión, generalmente se utilizan para la molienda grosera de productos duros. La molienda de impacto, se utilizan para la molienda fina, media y gruesa. Las fuerzas de frotamiento cizalla se utilizan para la trituración de materiales blandos, en tamaños pequeños. El término trituración, se aplica para el demenuzamiento de materiales groseros hasta de 3mm, en cambio, el término molienda se aplica cuando el producto resultante es un polvo. Para la selección de equipos de reducción de tamaño, deben considerarse los costos de adquisición operación y mantenimiento. Es necesario además conocer las características de la materia prima, accesorios posibles y productos finales. Dentro de las principales características de la alimentación a considerar son la dureza,. Abrasividad, untuosidad, temperaturas de ablandamiento o fusión, estructura, peso específico, contenido en agua libre, estabilidad química, homogeneidad y pureza. Dentro de los equipos utilizados para la Reducción de Tamaño están: Trituradoras de Rodillos En esta máquina dos o más rodillos pesados, de acero, giran uno hacia otro. Las partículas de la carga son atrapadas y arrastradas por los rodillos (acanalados o grabados), sufriendo una fuerza de compresión que las tritura. En algunos equipos los rodillos giran a diferente velocidad. - Molino de Martillos Este es un molino común en la industria de los alimentos. En éste, un eje rotatorio de gran velocidad lleva un collar con varios martillos en su periferia. Al girar el eje las Página 59 de 80 cabezas de los matillos se mueven siguiendo una trayectoria circular dentro de una armadura, que contiene un plato de ruptura endurecido, de casi las mismas dimensiones que la trayectoria de los martillos. Loas productos de alimentación pasan a la zona de acción dónde los martillos los empujan contra el plato de ruptura. La reducción de tamaño es producida principalmente por las fuerzas de impacto, aunque si las condiciones de alimentación son obturantes las fuerzas de frotamiento pueden tomar parte también en la reducción de tamaño. - Molino de Disco de Frotamiento Utilizan las fuerzas de frotamiento o cizalla para reducir el tamaño, primordialmente en molienda fina. Diversos tipos de éstos son: a) Molino de Disco Único Dispositivo en que el material de alimentación pasa a través de la separación estrecha entre un disco giratorio estriado y la armadura estacionaria del molino. b) Molino de Doble Disco Dispositivo en que la armadura consta de dos disco estriados que giran en dirección opuesta. c) Molino de Piedras Clase muy antigua de molino de frotamiento de discos, utilizado principalmente para la molienda de harina. Página 60 de 80 (c) - Molino Gravitatorio Utilizados para molienda fina, dos tipos básicos son: a) Molino de bolas El aparato está formado por un cilindro giratorio horizontal que se mueve a baja velocidad con cierto número de bolas de acero o piedras duras. Las bolas resbalan entre sí provocando cizallamiento en la materia prima. b) Molino de barras Página 61 de 80 En éstos se reemplazan las bolas por barras de acero, el impacto y la fricción son los principales principios de la reducción de tamaño. 1.2 Manejar los equipos de molienda. La complejidad de los procesos de reducción de tamaño dependerán del tamaño del material de alimentación y el intervalo de tamaños del producto deseado. Se iniciará con una molienda grosera (trituración con trituradora de mandíbulas) seguida de un tamizado. Se continuará con una molienda intermedia (con molino de rodillos) con su respectivo tamizado; y terminar con una molienda fina (con molino de bolas), seguida también de un tamizado, que permita lograr el tamaño de partícula en los rangos especificados. Manejo de las intalaciones de reducción de Tamaño 1) Molienda en Circuito Abierto Método sencillo en que la alimentación entra en el molino, pasa por la zona de acción y se descarga como producto. El tiempo de permanencia en la zona de acción suele ser largo. No hay reciclo. Puede ser necesario un sistema de transporte de la alimentación. 2) Trituración Libre El material de alimentación se obtiene por un tiempo de residencia corto. El producto se obtiene por gravedad. 3) Alimentación en Exceso Se consigue restringiendo la carga de producto final por medio de una rejilla a la salida del aparato. 4) Molienda en Circuito Cerrado En este proceso se logra reciclar el producto que no pasa a través del tamiz que determina el tamaño de partícula requerido. Página 62 de 80 5) Molienda Húmeda La alimentación se reduce de tamaño con ayuda de una corriente líquida. Resultado de Aprendizaje 1.1.1. Explicar el funcionamiento y fundmento de los equipos de molienda. Mediante un examen escrito y explicaciones en práctica de taller y laboratorio, el alumno manifestará la comprensión del fundamento en que se basan los diferentes equipos utilizados para la reducción de tamaño. 1.1.2. Obtener un producto molido, mediante el uso del equipo Realizar molienda de granos diversos en molino de cizalla y de piedras en talleres y laboratorios, considerando la eliminación de rebabas metálicas. Obtener el rendimiento del producto, calculando las mermas del proceso. Visita de una empresa harinera en la que se lleva a cabo la moelienda de trigo. Tema 2 Objetivo de Aprendizaje 2. Conocer los conceptos básicos utilizados en la obtención y manejo de sólidos. Tamizado: El tamizado es una operación básica en la que una mezcla de partículas sólidas de diferentes tamaños se separan en dos o más fracciones, pasándolas por un tamiz. Cada fracción es más uniforme en tamaño que la mezcla original. Tamiz: Es una superficie conteniendo cierto número de aperturas de igual tamaño, la superficie puede ser plana (horizontal o inclinada) o cilíndrica. Los tamices planos de pequeña capacidad se denominas cedazos o cribas. Productos finos: Son los que pasan a través de un tamiz determinado. Productos de cola o grusos: son los que no pasan a través de un tamiz determinado. Apertura de Tamiz: Espacio entre los hilos individuales de un tamiz de malla de hilo. Intervalo de Tamiz:,Relación entre las aperturas sucesivamente decrecientes de una serie de tamices normalizados. - Tyler Standard. Serie utilizada que se basa en un tamiz de 200 mayas, teniendo hilos de 0.0021 pulgadas de diámetro y una aperturta de tamiz de 0.0029 pulgadas. - British Standard. Serie de tamices en que un tamiz de 170 mallas tendrá una apertura de tamiz de 90m y el intervalo de tamiz, entre tamices vecinos es de aproximadamente 2 1/4. - America Society for TestingMaterials. Serie basada en un tamiz de 18 mallas con una apertura de 1.0 mm y un intervalo de tamiz de 2 1/4. MANEJO DE SÓLIDOS Los sólidos obtenidos después de aplicar una operación de molienda pueden ser sometidos a operaciones tales como: Mezclado (Unidad VI), Emulsificación (que prácticamente incluye un mezclado) y en determinadas ocasiones una Extrusión. Página 63 de 80 Mezclado: Se puede definir como una operación en la cual se efectúa una combinación uniforme de dos o más componentes, su objeto es alcanzar una distribución uniforme de los componentes mediante el flujo. Este flujo es generado comúnmente por medios mecánicos. Emulsificación: Se puede definir como aquella operación en la que dos fases normalmente inmiscibles se mezclan íntimamente. Extrusión Es una operación en la que una pasta viscosa es sometida a una presión forzada para ser moldeada de acuerdo al destino del producto final. A continuación se presenta un esquema de un equipo extrusor aplicado en pastas fabricadas a base de harina de trigo: Criterio de Aprendizaje 2.1 Comprender los conceptos básicos utilizados en la obtención y manejo de sólidos Para llevar a cabo el proceso de mezclado deben considerarse los factores que influyen en esta operación: Página 64 de 80 - El aseguramiento de un input de energía adecuado. Un buen sistema mecánico de transferencia de esta energía. Naturaleza de los componentes de la mezcla, pastas, polvos, etc. La información detallada al tema de mezclado se aborda en la unidad siguiente (Mezclado). 2.2 Realizar las operaciones aplicadas en la obtención y manejo de sólidos. Los mezcladores adecuados para pastas son: Mezcladoras de Bandeja, Mezcladoras de cubeta horizontal, Mezcladoras continuas para pasta. Los mezcladores recomendados para polvos son: Mezcladoras de volteo, Mezcladoras de cubeta horizontal, Mezcladoras de tornillo vertical, Mezcladoras de lecho fluidizado, Mezcladoras de Hoja en "Z". Resultados de Aprendizaje 2.1.1. Explicar los conceptos básicos utilizados en el manejo de sólidos. Al inicio de las prácticas correspondientes a este tema, así como mediante un examen escrito, e alumno explicará los conceptos básicos proporcionados en esta unidad. 2.2.1. Fabricación de productos, utilizando como materia prima los materiales molidos. Realización de práctica de obtención de pastas y mezcla de polvos sazonadores. Práctica 10 “Operaciones de Reducción de Tamaño: Molienda de granos” OBJETIVO: Llevar a cabo la molienda de granos en seco y en húmedo para cuantificar mermas en cada proceso y variación en el tamaño de partícula. FUNDAMENTO Las operaciones de reducción de tamaño corresponden al grupo de operaciones de conversión, éstas se hacen necesarias para lograr un uso variado de productos de molienda de cereales. Se pueden, en general, distinguir tres clases de fuerzas estando en cualquier operación de trituración que son: FUERZA Compresión Impacto Cizalla PRINCIPIO Compresión (cascanueces) Impacto (Martillo) Frotamiento EQUIPO Rodillos trituradores Molino de Martillos Molido de discos METODOLOGÍA Materiales y Utensilios: 250 g de Frijoles de soya no hidratados 250 g de Frijoles de Soya hidratados Equipo Página 65 de 80 Recipientes de acero inoxidable Paño de tela Cucharas de acero inoxidable Estufa de secado Molino de mano Coladera de malla de alambre (tamiz) Procedimiento: MOLIENDA EN HÚMEDO 5. Seleccionar las semillas sanas y separarlas de las no aptas para procesamiento. 6. Lavar primero con agua corriente, dos veces y posteriormente con agua purificada 7. Someter a hidratación, con agua purificada, durante al menos 12 horas. 8. Llevar a cabo la molienda de los granos, en húmedo, en molino de cizalla y obtener rendimientos (y merma en esta etapa): E = S + M . 9. En este proceso evaluar las características de tamaño de partícula con ayuda de la coladera, tiempo de molienda y fuerza aparente utilizada. 10. El producto obtenido se puede utilizar para someterlo a secado y elaborar granola enriquecida con proteína o extraer leche de soya. 11. Presentar uno de los productos obtenidos etiquetados. SECADO EN SECO 1. Seleccionar las semillas sanas y separarlas de las no aptas para procesamiento (obtener merma en esta etapa). 2. Someter a secado en superficie plana los granos secos, durante hasta lograr un color dorado. 3. Llevar a cabo la molienda de los granos, en seco, en molino de cizalla y obtener rendimientos (y merma en esta etapa): E = S + M . 4. En este proceso evaluar las características de tamaño de partícula con ayuda de un tamiz, tiempo de molienda y fuerza aparente utilizada. 5. Evaluar la cantidad de partículas metálicas, previa separación magnética de las mismas. 6. La harina de soya integral obtenida se puede utilizar en el enriquecimiento de harinas de trigo o maíz, así también en la elaboración de pinole. 7. Presentar uno de los productos obtenidos etiquetados. CUESTIONARIO 2. Elaborar los diagramas de flujo de estos procesos. 3. Investigar los diferentes tipos de molinos para granos usados en la industria. 4. Realizar el balance de materia de cada uno de los procesos indicando los motivos de las pérdidas de material. 5. ¿Cómo afecta la humedad del material la molienda? Página 66 de 80 6. ¿Qué es el tamizado y con qué fin se aplica en procesos de reducción de tamaño-molienda-? Página 67 de 80 Unidad Temática VIII. INTRODUCCIÓN MEZCLADO En esta unidad el alumno conocerá diferentes equipos utilizados en la operación de mezclado de diferentes tipos de alimentos, fluídos, pastas y sólidos (polvos). Existen además diferentes dispositovos de mezclado utilizados con base en las características del material que se va mezclar y con base en las cualidades finales que se requieren del producto obtenido al finalizar esta operación. Esta operación es ampliamente utilizada en la industria alimentaria y se hace necesaria, en los procesos, la realización de balances de materia que permitan al procesador ahorrar tiempos de ajuste en producción. Lo anterior debido a que los balances de materia consisten en realización de cálculos previos a la producción. Es, por lo tanto, importante introducir al alumno en la realización de balances de materia. OBJETIVOS DE APRENDIZAJE 1. Aplicar los balances de materia y energía en la operación de mezclado. 2. Conocer y aplicar los diferentes tipos de agitadores en la generación de mezclas con diferentes cualidades. Página Tema 1 1. Objetivo de Aprendizaje Aplicar balances de materia en la operación de mezclado. 1.1 Criterio de Aprendizaje Elaborar balances de materia y aplicarlos a la fabricación de mezclas. Mezclado: Se puede definir como una operación en la cual se efectúa una combinación uniforme de dos o más componentes, su objeto es alcanzar una distribución uniforme de los componentes mediante el flujo. Este flujo es generado comúnmente por medios mecánicos. Resultado de Aprendizaje Comprobar la coincidencia de los resultados reales con los cálculos Tema 2 Página 68 de 80 2. Objetivo de Aprendizaje Conocer y aplicar los diferentes tipos de agitadores en la generación de mezclas con diferentes cualidades. 2.1 Criterio de Aprendizaje Elaborar Mezclas con agitadores diversos. Mezclado en Líquidos La velocidad de flujo creada en un depósito por un mezclador de hélice tiene tres componentes: a) Componente Radial: Actúa en dirección perpendicular al eje. b) Componente Longitudinal: Actúa paralelamente al eje. c) Componente de Rotación: Actúa en dirección tangencial al círculo de rotación del eje. Tanto la componente longitudinal como radial contribuyen, generalmente, a la mezcla y no así la componente de rotación. La componente rotatoria produce flujo de recorrido circular alrededor del eje, flujo que en general es laminar y conduce a la formación de capas en el líquido con la consecuencia de que en estas capas ocurra poco o ningún flujo longitudinal. Además esta componente tangencial puede dar lugar a la formación de un vórtice que ocasiona algunos inconvenientes como la separación de partículas por fuerzas centrífugas. Para evitar la formación de vórtices se suelen colocar los agitadores descentrados respecto al tanque de mezcla o colocar contrapalas para interrumpir el flujo rotatorio. Los agitadores utilizados para el mezclado de líquidos son: a) Agitadores de Palas Es la forma más sencilla de agitador, consiste en una hoja plana sujeta a un eje rotatorio. Normalmente gira a velocidades de20 a 150 rpm. Los tipos disponibles son: Página 69 de 80 b) Agitadores de Turbina Están compuestos por un componente impulsor con más de cuatro hojas montadas sobre un mismo elemento y fijas a un eje rotatorio., en general son más pequeñas que las palas, midiendo entre el 30 y 50% del diámetro del tanque. Alcanzan velocidades de 30 a 500 rpm. Algunos agitadores de turbina típicos, se muestran a continuación: c) Agitadores de Hélice Están hechos con elementos impulsores de hojas cortas (generalmente de menos de 1/4 del diámetro del tanque) girando a gran velocidad (500 a varios millares de rpm). Se producen corriente longitudinales y rotatorias. Los tipos de agitadores de hélice se presentan en la siguiente figura: Página 70 de 80 d) Agitadores con elemento impulsor Se usan para líquidos de viscosidad relativamente pequeña. Aplicando elementos impulsores de disco o cono. Los mezcladores adecuados para pastas son: a) Mezcladoras de Bandeja - Estacionarias. Los elementos de la mezcla se mueven a lo largo de una trayectoria planetaria llegando, con ello a todas partes del recipiente de mezcla estacionario. - Con Recipiente Giratorio. En este tipo el recipiente es giratorio, al igual que el accesorio mezclador. A continuación se presentan el tipo de mezcladora de bandeja estacionaria y con recipiente giratorio: b) Mezcladoras de cubeta horizontal Están compuestas por un par de hojas pesadas que giran sobre un eje horizontal dentro de una cubeta cuyo fondo tiene forma de silla de montar. Las hojas giran una hacia otra en la parte superior del ciclo, siguiendo trayectorias tangenciales o superpuestas. c) Mezcladoras continuas para pasta Se basan en forzar al producto a través de una serie de obstrucciones, tales como placas perforadas, rejillas de hilo parrillas, por medio de un transportador de tornillo sencillo o doble. El esquema presenta la cabeza de mezcladora continua: Página 71 de 80 Dentro de los equipos disponibles para para polvos están: a) Mezcladoras de volteo Operan volteado la masa de los sólidos en un tambor giratorio de forma variada, para mejorar su efectividad se colocan contrapalas o placas de retención o sistemas giratorios internos. Algunas formas típicas de estas mezcladoras se presentan a continuación: b) Mezcladoras de cubeta horizontal Compuestas por recipientes horizontales semicilíndricos, en los que están localizados uno o más elementos giratorios (similares a cintas). La siguiente figura muestra una vista superior de este tipo de mezcladoras: c) Mezcladoras de tornillo vertical Consiste en un tornillo vertical giratorio situado en un recipiente cilíndrico o cónico. El tornillo puede estar fijo en el centro del depósito o puede girar o hacer órbitas alrededor del eje central, pasando cerca de las paredes del tanque. Página 72 de 80 d) Mezcladoras de lecho fluidizado Se basan en aplicar flujos (chorros) de aire a elevada presión para hacer borbotear al lecho. e) Mezcladoras de Hoja en "Z" Recipientes cilíndricos que contienen dos hojas en Z (tipo listón) que giran en sentido opuesto una de otra. A continuación de presenta una vista interior de este equipo: Resultado de Aprendizaje 2.1.1. Identificar la diferencia funcional de los mezcladores para una misma mezcla. Realización de una práctica realizando refrescos (mezcla líquida), betún (pasta), sazonador (polvos) con diferentes mezcladores. Realizar una prueba de solubilidad a cada muestra para determinar las diferencias de la mezcla dependiendo del mezclador utilizado. Página 73 de 80 Práctica 11 “Emulsificación: Elaboración de Aderezo y Betún para pastel” OBJETIVO: El alumno conocerá y aplicara la operación de Agitación para favorecer la formación de emulsiones, mezclando agentes hidrofóbicos e hidrofílicos y un agente emulsificante para estabilizar dicha mezcla. FUNDAMENTO: Una gran diversidad de alimentos se compone de ingredientes hidrofóbicos e hidrofílicos, para lograr una mezcla adecuada entre estos ingredientes es necesario el uso de agentes emulsificantes que permiten la estabilización de dicha mezcla. PROCEDIMIENTO: Aderezo Materiales y utensilios: ½ litro Aceite 1Huevo Condimentos (se pretende que cada equipo elabore un aderezo diferente a la mayonesa con el fundamento de la misma). Mezcladora industrial. - Verificar que los materiales se encuentren en existencia en almacén del taller. Proceso 1. Considerando que la agitación permite lograr emulsiones duraderas, mezclar los ingredientes líquidos (excepto el limón) a un sistema de mezclado a velocidad media, por 5 minutos. 2. Una vez lograda la emulsión adicionar los ingredientes sólidos (en polvo). 3. Envasar y etiquetar. 4. Realizar los diagramas y balances de materia respectivos. Cobertura para pastel Materiales y Utensilios: 200 g de Mantequilla Base de Chocolate obscura (en taller) Maltodextrinas 250 ml de Leche Líquida Lecitina de soya Pan Base 500 g Harina para Hot cakes Huevos Leche líquida ½ litroAceite o 400 g de mantequilla Mezcladora industrial 1. La cobertura se preparará mezclando a velocidad media la mantequilla con la leche, la base de chocolate y lecitina al 0.1% del total de la mezcla mantequillaleche-base. LA operación de mezclado tardará aproximadamente 5 minutos 2. Adicionar poco la maltodextrina en un2% del peso total anterior. 3. Para la aplicación de cobertura deberá elaborarse un pan base con harina para hotcakes, al cual se decorará 4. El pan base se prepara mezclando harina para hot cakes con huevos y leche logrando así la obtención de una masa uniforme. Página 74 de 80 5. Engrasar y enharinar un molde para pan e introducirlo al horno a 180oC por 30 minutos. 6. sacar el pan del horno y decorarlo con la emulsión antes preparada. 7. Realizar los diagramas y balances de materia respectivos. CUESTIONARIO: 1. Investigar los de mezcladoras industriales que se encuentra disponibles para la industria alimentaria. 2. Dibuja al menos 3 de ellas. 3. Explica en que consisten las mezcladoras para sólidos secos. Dibuja al menos una de ellas 4. Investiga y explica el fundamento de la operación de emulsificación. 5. Menciona y explica las aplicaciónes de la operación de emulsificación en la industria de los alimentos. Página 75 de 80 VI GLOSARIO Caldera: sistemas de generación de vapor que consiste en un recipiente diseñado para poner en contacto el agua líquida con una superficie caliente y así transformarla en vapor. Calor: Energía que se transmite de un cuerpo a otro de temperatura diferente originada por el movimiento de las moléculas. Calor Latente:Calor absorbido o desprendido por la unidad de masa de una sustancia durante un cambio de fase o de estado a temperatura y presión constantes. Calor Específico: Cantidad de calor que absorbido, en condiciones específicas por una unidad de masa de un cuerpo homogéneo, eleva su temperatura termodinámica en una unidad. Durante el proceso no ocurren cambios de fase ni químicos. Caloría: Cantidad de calor necesario para aumentar 1ºC (14.5ºC a 15.5ºC) la temperatura de 1 g de agua. Cambiador de Calor: Equipo industrial en el que dos fluídos, uno caliente y otro frío, intercambian calor a través de paredes consuctoras que tienen una elevada coductividad térmica y formas diversas; existen diferentes tipo. Destilación: Separación de una mezcla líquida por vaporización selectiva y parcial de la misma; la fracción vaporizada se consensa y se recupera como líquido. Dureza del agua: Presencia de sales solubles de calcio y magnesio; suele expresarse en ppm de carbonato de calcio o de óxido de calcio equivalente. Filtración: Proceso por el cual se pasa un líquido de los sólidos que contiene, haciéndolo pasar a través de sustancias porosas que retienen los sólidos. Flujo: Movimiento de un fluído. Caudal de cualquier propiedad extensiva por unidad de superficie. Magnitud: Dato de orden cuantitativo que se obtiene del empleo de una escala de medición; agragado obtenido por el recuento o totalización de elementos individuales que son independientes. Malla: Orificios de los tamices que se clasifican según el número de éstos por centímetro cuadrardo. Molienda: Proceso que consiste en aplicar una fuerza sobre material granular cuyo producto resultante es un polvo. Parámetro: Estimación acerca de los valores de un dato. Página 76 de 80 Tamiz: Aro de madera o metal en el que se sujeta una trama metálica o de fibras que deja intersticios de un tamaño determinado, a través de los cuales pasan las partículas menores que ellos y son retenidas las mayores. Tamizado: Acción de separar partículas mediante un tamiz. Trituración: Operación por la cual una masa sólida se reduce a polvo o a partículas de menor tamaño que el de aquellas de las que se ha partido. Vapor: Por antonomasia se le da este nombre al vapor de agua. Vapor No saturado: Vapor que se encuentra pr debajo de su temperatura de saturación, es decir por debajo de la tempreatura de ebullición del líquido. Vapor Saturado: Vapor que se encuentra a su temperatura de saturación. Vapor Sobrecalentado: Vapor calentado a una temperatura superior a la del punto de ebullición del líquido. Variable:Aspecto o dimensión de un fenómeno que tiene como característica la capacidad de asumir distintos valores. Viscosidad: Resistencia interna que presentan los líquidos a fluir, cuando se les aplica un esfuerzo cortante; representa la fricción entre las diversas capas, que impide que fluyan libremente. Página 77 de 80 VII REFERENCIAS Brennan, J. G., Butters, J. R., Cowell N. D. y Lilly, A. E. V. Las Operaciones de la Ingeniería de los Alimentos. Editorial Acribia S. A. Zaragoza, España. 1980. Badui, D. S. Diccionario de Tecnología de los Alimentos. Alhambra Mexicana. 1988. Greene, R. W. Compresores, Selección, Uso y Mantenimiento. McGraw Hill. México 1992. Reza, G. C. Flujo de Fluídos en Válvulas, Accesorios y Tuberías. Mc Graw Hill. México, 1989. Singh, R. P. y Heldman, D. R. Introducción a la Ingeniería de los Alimentos. Editorial Acribia S. A. Zaragoza, España. Tamayo, T. M. Diccionario de la Investigación Científica. Limusa Noriega Editores. México. Valiente, A. Problemas de Balance de Materia y Energía en la Industria Alimentaria. Limusa Noriega Editores. México, 2001. Página 78 de 80 VIII ANEXOS Anexo 1. Contenido calórico de gases encontrados en chimenea. Página 79 de 80 Anexo 2. Velocidades Aproximadas de evolución de calor en frutas y verduras frescas cuando se almacenan a las temperaturas indicadas. Página 80 de 80