Manual Operaciones Unitarias III..Deifnitivo Abril 22 (1)-1.pdf

8/20/2019 Manual Operaciones Unitarias III..Deifnitivo Abril 22 (1)-1.pdf

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PRÁCTICAS LABORATORIOOPERACIONES UNITARIAS III.

APLICANDO LA TRANSFERENCIA DE MASA Y EL MANEJO DE SOLIDOS ALA

INGENIERÍA DE ALIMENTOS.

ELABORADOR POR:OSCAR ALFONSO VEGA CASTRO.

UNIVERSIDAD DE ANTIOQUIAFACULTAD DE QUÍMICA FARMACÉUTICA

DEPARTAMENTO INGENIERÍA DE ALIMENTOS2013


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CONTENIDO

1 PROPIEDADES DE SÓLIDOS .................................................................................................................. 7

1.1 OBJETIVO .......................................................................................................................................... 7

1.2 MARCO TEÓRICO ............................................................................................................................... 7

1.2.1 Densidad ....................................................................................................................................... 8

1.2.2 Ángulo de reposo ( ) ..................................................................................................................... 8

1.2.3 Ángulo de fricción interna ( ) ....................................................................................................... 8

1.2.4 Angulo de Deslizamiento (φ) ........................................................................................................ 8

1.2.5 Índice de Dispersibilidad ............................................................................................................... 8 1.3 PROCEDIMIENTO............................................................................................................................... 9

1.3.1 Densidad aparente ( a ) y Real ( r ) ................................................................................................ 9

1.3.2 Ángulo de reposo ( ) ................................................................................................................... 10

1.3.3 Ángulo de fricción interna ( ) ..................................................................................................... 10

1.3.4 Índice de Dispersibilidad ............................................................................................................. 11

1.3.5 Angulo de deslizamiento ............................................................................................................. 11

1.4 MATERIALES .................................................................................................................................... 11

1.5 MODELOS DE CÁLCULO. .................................................................................................................. 12

1.5.1 Densidad aparente y real, para el cálculo de estas propiedades se utilizarán las ecuaciones 1 y 2

12

1.5.2 Para determinar el ángulo de reposo se utiliza la ecuación 3 .................................................... 12 1.5.3 El ángulo de fricción interna ( ) se logra determinar con la ecuación 4 ..................................... 12

1.5.4 La determinación del Angulo de deslizamiento se realiza con la ecuación 5 ....................... 13 1.5.5 El Índice dispersibilidad se calcula con la ecuación 6 .................................................................. 13

1.5.6 El porcentaje de error se calcula mediante la ecuación 7 ........................................................... 13

1.6 BIBLIOGRAFÍA .................................................................................................................................. 14

2 MOLIENDA Y TAMIZADO ................................................................................................................... 16

2.1 OBJETIVOS ....................................................................................................................................... 16

2.1.1 OBJETIVO GENERAL .................................................................................................................... 16

2.1.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ............................................................................................................. 16

2.2 MARCO TEÓRICO ............................................................................................................................. 16 2.2.1 Equipos de reducción de tamaño ................................................................................................ 18

2.2.2. Medición del tamaño de las partículas ......................................................................................... 19

2.2.2 Serie de tamices Tyler ................................................................................................................. 19

2.3 MATERIALES .................................................................................................................................... 21


2.4.1 La determinación del diámetro de partícula se calcula mediante la ecuación 8. ....................... 21


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2.4.2 La energía por unidad de masa necesaria para reducir la muestra, obedece a la ecuación 9, por

medio de la cual se calcula: ..................................................................................................................... 22

2.5 DIAGRAMA DE FLUJO ..................................................................................................................... 23

2.6 BIBLIOGRAFÍA .................................................................................................................................. 24

3 DIFUSIVIDAD MOLECULAR ................................................................................................................. 25

3.1 OBJETIVOS ....................................................................................................................................... 25

3.1.1 General. ...................................................................................................................................... 25

3.1.2 Específicos. .................................................................................................................................. 25

3.2 MARCO TEÓRICO ............................................................................................................................. 25

3.3 PROCEDIMIENTO............................................................................................................................. 27

3.3.1 Compuesto Orgánico .................................................................................................................. 27

3.3.2 Solución Azucarada ..................................................................................................................... 27

3.4 MATERIALES .................................................................................................................................... 28


3.5.1 Para el cálculo de la difusividad se puede usar la ecuación 10. .................................................. 28

3.5.2 Para la presión de vapor se utiliza la ecuación 11. ..................................................................... 29

3.5.3 Para el cálculo de la densidad, se utiliza la ecuación 12. ........................................................... 29

3.6 BIBLIOGRAFÍA .................................................................................................................................. 30

4 SECADO POR CONVECCIÓN ............................................................................................................... 31

4.1 OBJETIVOS ....................................................................................................................................... 31

4.1.1 Objetivo General ......................................................................................................................... 31

4.1.2 Objetivos Específicos ................................................................................................................... 31 4.2 MARCO TEÓRICO ............................................................................................................................. 31

4.3 PROCEDIMIENTO............................................................................................................................. 37

4.4 MATERIALES .................................................................................................................................... 38

4.5 MODELOS DE CÁLCULO ................................................................................................................... 38

4.5.1 Para calcular contenido de humedad en el tiempo t, se tiene la ecuación 15. ........................... 38

4.5.2 Para calcular velocidad de secado, se tiene la ecuación 16. ....................................................... 38

4.5.3 El cálculo del aire necesario para el secado, se realiza con la ecuación 17. ............................... 39

4.5.4 El contenido real de agua del producto se calcula mediante la ecuación 18. ............................ 39

4.5.5 Agua total evaporada en la operación, se calcula mediante la ecuación 19. ............................. 39

4.5.6 Para calcular la eficiencia de la operación de secado se tiene la ecuación 20. .......................... 39

4.6 BIBLIOGRAFÍA .................................................................................................................................. 42

5 DESHIDRATACIÓN OSMÓTICA ........................................................................................................... 44

5.1 OBJETIVOS ....................................................................................................................................... 44

5.1.1 General ....................................................................................................................................... 44

5.1.2 Específicos ................................................................................................................................... 44

5.2 MARCO TEÓRICO ............................................................................................................................. 44

5.3 PROCEDIMIENTO............................................................................................................................. 47


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5.4 MATERIALES .................................................................................................................................... 48


5.5.1 El porcentaje de humedad inicial se determinará por método infrarrojo, con una temperatura

de 120°C durante 20 minutos, ecuación 21. ............................................................................................ 49

5.5.2 El cálculo del peso inicial de la materia seca se realizará utilizando la ecuación 22. ................. 49

5.5.3 El porcentaje de humedad en tiempo el tiempo t, se calculará mediante la ecuación 23. ......... 49

5.5.4 El cálculo de la masa de sólido seco al tiempo t, se utiliza la ecuación 24. ................................ 50

5.5.5 Para calcular reducción de masa o pérdida de peso durante el proceso de deshidratación, se

utiliza la ecuación 25. .............................................................................................................................. 50

5.5.6 El cálculo de la ganancia de sólidos durante la deshidratación, se realizará mediante la

ecuación 26. ............................................................................................................................................. 50

5.5.7 Para calcular reducción de agua o pérdida de humedad, se utiliza la ecuación 27.................... 51

5.5.8 La determinación de la velocidad de pérdida de agua se utilizará la ecuación 28. .................... 51

5.5.9 La determinación de la velocidad de ganancia de sólidos se calculará utilizando la ecuación 29.

51

5.5.10 Para calcular fracción de sólidos, se utiliza la ecuación 30. ................................................... 51

5.5.11 Para calcular coeficiente global de transferencia de masa, se utiliza la relación dada por la

ecuación 31. ............................................................................................................................................. 52

5.6 BIBLIOGRAFÍA .................................................................................................................................. 53

6 FILTRACIÓN ....................................................................................................................................... 55

6.1 OBJETIVOS ....................................................................................................................................... 55

6.1.1 Objetivo General ......................................................................................................................... 55

6.1.2 Objetivos Específicos. .................................................................................................................. 55

6.2 MARCO TEÓRICO ............................................................................................................................. 55

6.3 PROCEDIMIENTO............................................................................................................................. 58

6.4 MATERIALES .................................................................................................................................... 59


6.5.1 El cálculo de la fracción másica de sólido en la suspensión que se filtra (S), se realiza mediante

la ecuación 32. ......................................................................................................................................... 59

6.5.2 La relación entre el peso de torta húmeda y torta seca se calcula mediante la ecuación 33. .... 60

6.5.3 Las Constantes K 1 y K 2 ................................................................................................................. 60

6.5.4 El tiempo de ciclo se calcula mediante la ecuación 35. .............................................................. 60

6.5.5 El cálculo de la Capacidad de filtración se realiza mediante la ecuación 36. ............................. 60

6.6 BIBLIOGRAFÍA .................................................................................................................................. 61

7 AGITACIÓN ........................................................................................................................................ 62

7.1 OBJETIVOS ....................................................................................................................................... 62

7.2 MARCO TEÓRICO ............................................................................................................................. 62

7.3 PROCEDIMIENTO............................................................................................................................. 64

7.4 MATERIALES .................................................................................................................................... 65


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7.5.1 Tiempo de mezcla para los líquidos miscibles............................................................................. 65

7.5.2 El factor adimensional de mezcla f t se define como: .................................................................. 65

7.5.3 Para calcular el número de Reynolds se utiliza la ecuación 38: .................................................. 66

7.6 BIBLIOGRAFÍA .................................................................................................................................. 68

8 LIOFILIZACIÓN. .................................................................................................................................. 69

8.1 OBJETIVO ........................................................................................................................................ 69

8.2 MARCO TEÓRICO ............................................................................................................................. 69

8.3 PROCEDIMIENTO............................................................................................................................. 71

8.3.1 Acondicionamiento de la matriz Alimentaria. ............................................................................ 71

8.3.2 Congelación del producto. .......................................................................................................... 71

8.3.3 Liofilización. ................................................................................................................................ 72

8.4 MATERIALES .................................................................................................................................... 72

8.5 BIBLIOGRAFÍA. ................................................................................................................................. 73


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INTRODUCCIÓN

El presente manual de prácticas de Operaciones Unitarias III, denominado“Aplicando la Transferencia de Masa y el Manejo de Sólidos a la Ingeniería de

Alimentos” es el resultado de una sugerencia inicial de los estudiantes deIngeniería de Alimentos, como una acción mejoradora para el curso, en su partepractica.

Inicialmente se hace este manual plasmando algunas experiencias adquiridas,

durante el tiempo que se tiene al cargo del curso y con el aporte de los estudiantesdel mismo. Se espera que el presente manual, dé un acercamiento para unamejor comprensión de los fenómenos de transportes asociados a la transferenciade masa y su aplicación a la ingeniería de alimentos, así como del manejo desólidos.

Dentro de los objetivos que busca cubrir el presente manual están:

o Mejorar la asimilación de los conocimientos y conceptos vistos en lasreuniones teóricas.

o Fomentar las habilidades de escritura y argumentativas en los estudiantes.

La estructura del manual se basa en un Titulo, Objetivos, Marco Teórico, Modelode Calculo, Metodología y Tablas de Datos. Se trata de que las guías dellaboratorio no tengan preguntas, si no que el estudiante a través de la toma dedatos y los objetivos trazados en la práctica tenga la capacidad de construir supropio análisis de resultados y conclusiones.

Se espera el aporte de otros profesores, para una mejor canalización delconocimiento y de este modo contribuir en la formación de los futuros Ingenieros

de Alimentos que genera la Universidad de Antioquia para el mundo.El autor agradece la colaboración de los monitores del curso, así como de losestudiantes que hicieron llegar las sugerencias al manual, dentro de los queestán: Profesora Gelmy Ciro, y los estudiantes Germán Ocampo, CarlosHumanes, Germán Montoya, Mónica Agudelo, Olga Henao, Erika Cordoba, NataliRestrepo y Erika Arango.


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1 PROPIEDADES DE SÓLIDOS

1.1 OBJETIVO

Determinar algunas propiedades físicas, tanto de masa como de partículade productos alimenticios sólidos. Así mismo, comparar las diferencias deestas propiedades en diferentes alimentos.

1.2 MARCO TEÓRICO

A nivel de ingeniería de alimentos, se hace importante determinar las diferentespropiedades ingenieriles de granos, alimentos en polvo y harinas. Estaspropiedades serán de gran utilidad a la hora de diseñar sistemas de transporte,como: elevadores de cangilones, bandas transportadoras, tornillos sin fin, etc. Asímismo, estas propiedades permiten determinar formas y tiempos dealmacenamiento, clasificación de materias primas para diferentes procesos en laindustria de alimentos al igual que cálculos de estructuras de almacenamiento

como Silos o Bunkers.Las propiedades de sólidos, aplicados a la industria de alimentos se puedendeterminar por partícula o en masa. Es importante resaltar que las propiedadesingenieriles de los alimentos varían con la temperatura y humedad relativa. Estasdos variables si no son controladas, pueden ocasionar graves daños en laspropiedades físicas y organolépticas, lo que en definitiva es contraproducente a lacalidad del alimento. Además de lo anterior, el mal manejo de estas variablesgeneran problemas en el almacenamiento, ya que evitan el flujo libre del material,ocasionan fuerzas que bajo ciertas condiciones pueden generar colapso de la

estructura de almacenamiento o peor aún explosiones (Palacio y Zartha; 2002).Dentro de las propiedades más importantes están: densidad real, densidadaparente, ángulos de fricción interna, de reposo y de deslizamiento, índice dedispersibilidad e índice flodex.


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1.2.1 Densidad

Se entiende como la masa que hay por una unidad de volumen.

La densidad se puede expresar de varias formas: densidad aparente (a),densidad real (r ); la primera se refiere a un ordenamiento aleatorio de laspartículas en un volumen, la segunda consiste en cuantificar la masa de unvolumen de sólidos después de haber sido sometido a una fuerza decompactación o con ordenamiento de las partículas. La compactación sehace por medio de mecanismos de vibración, y el objetivo es reducir laporosidad del material. Otro valor que se obtiene es la densidad media, lacual resulta de promediar la densidad aparente y la real.

1.2.2 Ángulo de reposo (

)

Es el ángulo que se forma entre la horizontal y la “pendiente” de una pila omontón de material, formada cuando una masa de sólidos se deja caer enforma libre desde una determinada altura.

1.2.3 Ángulo de fricción interna ( )

Este determina un equilibrio dinámico entre las partículas y es una medidade las fuerzas de fricción en el interior de una masa de partículas.

1.2.4 Angulo de Deslizamiento (φ)

Este es el ángulo a partir del cual un material cualquiera se empieza adeslizar sobre una superficie determinada.

1.2.5 Índice de Dispersibilidad

Este índice da una medida de la tendencia que presenta un sólido afluidizarse. Normalmente se habla de que el alimento es floodable o no.

Alrededor del mundo se han hecho diferentes estudios sobre propiedades dealimentos; Legrand et. al (2007) realizaron un estudio de las propiedades físicastales como: densidad, forma y dimensiones de fríjoles rojos procesados en salsa

http://aplicacionesbiblioteca.udea.edu.co:2063/science/article/pii/S0260877406007047http://aplicacionesbiblioteca.udea.edu.co:2063/science/article/pii/S0260877406007047


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de tomate, observando cambios significativos en propiedades como el aumentodel tamaño de partícula. Priot (2004), publicó una revisión bibliográfica de lafunción del agua en las propiedades físicas de los alimentos, resaltando que todasse ven afectados por la actividad de la misma, esta influencia se debe a lasinteracciones entre las moléculas de agua y otros constituyentes de los alimentos,la fuerza e interacción de estas depende de la composición química y determina elestado del agua en los alimentos, por lo tanto muchas de las propiedades físicasde los alimentos están relacionadas con la actividad del agua. Sibel y Fahrettin(2008), emplearon la metodología de superficie de respuesta para evaluar laspropiedades físicas y funcionales de bocadillos extruidos elaborados a partir de

subproductos alimenticios, como son harina de trigo duro, residuos de frutas yharina de avellana parcialmente desgrasada (PDHF) en combinación con harinade arroz; utilizando como variables respuesta la densidad aparente, porosidad,absorción de agua y los índices de solubilidad en agua y propiedades sensorialesde los aperitivos extruidos. Aumentar el contenido PDHF causó aumento de ladensidad aparente y el índice de solubilidad en agua, pero disminuyó la porosidady el índice de absorción de agua de los aperitivos extruidos. La evaluaciónsensorial de los productos extruidos sugiere que la extrusión de PDHF, residuosde frutas y harina de trigo duro clara en combinación con el arroz de grano puedeproducir aperitivos extruidos aceptables.

1.3 PROCEDIMIENTO

1.3.1 Densidad aparente (a) y Real (r )

Inicialmente se toma el alimento en cuestión. Después en un recipiente devolumen conocido, se debe agregar el alimento a analizar, sin generarningún tipo de presión ni vibración. Llénelo completamente. Previamente se

debe pesar el recipiente. Finalmente tomar el peso total del alimento y elrecipiente; luego se debe calcular la relación. Tenga en cuenta que elalimento a analizar debe tener un mismo tamaño de partícula.

Para la densidad real, se sigue el mismo procedimiento, solo que se debede ir compactando el alimento para reducir al máximo la porosidad delalimento.


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1.3.2 Ángulo de reposo ( )

Para determinar esta propiedad, se debe tomar un embudo sobre una basey el alimento se deja caer libremente sobre una superficie horizontal, estaoperación debe durar hasta que la pila forme un cono y hasta que la alturade dicho cono no varíe, es decir no aumente de altura. Para medir el ángulouse un graduador o en su defecto se debe medir la altura y el diámetro de lapila del material, calcule el ángulo formado entre la base del cono y lahorizontal el cual es el ángulo de reposo del material. Asumiendo la pilacomo un cono.

1.3.3 Ángulo de fricción interna ( )

El método que se explica a continuación, generalmente aplica paraalimentos que sean poco cohesivos y de flujo libre. Para determinar elángulo de fricción se requiere de un cajón transparente con una ranura enla parte inferior del mismo. Se procede a llenar el recipiente, y cuando estélleno se dispone afluir abriendo la ranura inferior del recipiente.La cuña que se forma al fluir el material, es de geometría triangular,quedando una parte del alimento en estado de reposo. El ángulo formadopor la superficie del sólido en reposo con respecto a la horizontal, es eldenominado ángulo de fricción interna.

Figura 1. Ángulo de Fricción Interna

Masa que fluye

Masa estática


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1.3.4 Índice de Dispersibilidad

El método más directo y práctico para determinar esta propiedad es elsiguiente:Deje caer una cantidad conocida de material desde una altura de 24” através de un cilindro de 4” de diámetro sobre un vidrio de reloj de 4” situadoa una distancia de 7” por debajo del tubo. A continuación pese la cantidadde material que queda sobre el vidrio y calcule el porcentaje de material quese dispersó. Este porcentaje corresponde al índice de dispersibilidad delmaterial. Debe verificarse que la porción de material que no se dispersa norebote sobre el vidrio de reloj ya que, de lo contrario, la prueba no arrojaresultados confiables.

1.3.5 Angulo de deslizamiento

El ángulo de deslizamiento, se requiere de una plataforma la cual se puedevariar el ángulo, en la parte superior de la plataforma se colocan alrededorde 2 a 3 gramos del alimento y se inicia a variar lentamente el ángulo, en elmomento que el alimento se inicie a deslizar se toma la medida del ángulo.

1.4 MATERIALES

Azúcar. Sal. Lentejas o cualquier alimento granulado. Balanza Probetas. Regla. Trasportador.


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1.5 MODELOS DE CÁLCULO.

1.5.1 Densidad aparente y real, para el cálculo de estas propiedades seutilizarán las ecuaciones 1 y 2

(1)

(2)

Donde Densidad aparente del material Masa aparente del material Volumen aparente del material Densidad real del material

Masa real del material Volumen real del material

1.5.2 Para determinar el ángulo de reposo se utiliza la ecuación 3 (3)

Donde Angulo de reposo

Altura de la pila Radio de la pila

1.5.3 El ángulo de fricción interna (

) se logra determinar con la ecuación 4

(4)


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1.5.4 La determinación del Angulo de deslizamiento

se realiza con la

ecuación 5

(5) 1.5.5 El Índice dispersibilidad se calcula con la ecuación 6

(6)Donde

Índice de dispersibilidad

Masa total arrojada Masa que no se dispersó (masa que quedó en el círculo)

1.5.6 El porcentaje de error se calcula mediante la ecuación 7

| | (7)Donde Valor teórico encontrado

Valor obtenido en el laboratorio

Tabla 1. Datos de la densidad aparente.

Masa (g) Volumen (ml)

Tabla 2. Datos de la densidad real.

Masa (g) Volumen (ml)


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Tabla 3. Datos para la medición del ángulo de reposo.

Altura (cm)Diámetro

(cm)

Tabla 4. Datos del ángulo de fricción interna.ngulo de fricción

interna (°)

Tabla 5. Datos del ángulo de deslizamiento.ngulo de

deslizamiento (°)

Tabla 6. Datos del índice de dispersibilidad de la sal común tomados enel laboratorio.

Masatotal (g)

Masacentro

(g)

1.6 BIBLIOGRAFÍA

PALACIO. Juan Carlos, ZARTHA Jhon Wilder; Operaciones y Procesos Agroalimentarios. Editorial Universidad Pontificia Bolivariana. 2002.

LEGRAND A, LEULIET J.-C., DUQUESNE S., KESTELOOT R., WINTERTONP., FILLAUDEAU L. Physical, mechanical, thermal and electrical properties of


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cooked red bean (Phaseolus vulgaris L.) for continuous ohmic heating process.Journal of Food Engineering. Volume 81, Issue 2, July 2007, Pages 447 –458

PRIOT P. Lewicki. Water as the determinant of food engineering properties. Areview. Journal of Food Engineering. Volume 61, Issue 4, March 2004, Pages483 –495.

SIBEL Yağcı, FAHRETTIN Göğüş. Response surface methodology for evaluationof physical and functional properties of extruded snack foods developed from food-by-products. Journal of Food Engineering. Volume 86, Issue 1, May 2008, Pages

122 –132


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2 MOLIENDA Y TAMIZADO

2.1 OBJETIVOS

2.1.1 OBJETIVO GENERAL

Aplicar los principios de molienda y tamizado utilizando la serie detamices Tyler.

2.1.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS

Realizar un análisis granulométrico, diferencial y acumulativo paradeterminar el diámetro de partícula. Determinar el contenido de la fracción másica de las partículas finasen los gruesos. Aplicar la ley de Rittinger para hallar el trabajo realizado por elmolino. Conocer los diferentes tipos de molinos, Martillos, de Bolas, deCilindros, Mandíbulas.

2.2 MARCO TEÓRICO

Muchos materiales sólidos presentan dimensiones no adecuadas para suprocesamiento, por lo que se hace necesaria la reducción de tamaño.Frecuentemente la reducción de tamaño de los sólidos se lleva a cabo para poderseparar sus diversos ingredientes. En general, los términos de trituración ymolienda se usan para denotar la subdivisión de partículas sólidas grandes enpartículas más pequeñas.


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La reducción de tamaño es aquella operación unitaria en la que el tamaño mediode los alimentos sólidos es reducido por la aplicación de fuerzas de impacto,compresión o abrasión. A la pulverización y formación de partículas de muypequeño tamaño se le denomina también trituración.

Dicha operación, se conoce comúnmente como molienda, este término se refiere ala pulverización y a la desintegración del material sólido. Ahora bien, estos dostérminos se diferencian entre sí, pues toman en cuenta diferentes aspectos delmaterial alimentado.

Específicamente, la desintegración se refiere a la reducción del tamaño deagregados de partículas blandas débilmente ligadas entre sí. Es decir, que no seproduce ningún cambio en el tamaño de las partículas fundamentales de lamezcla. La pulverización, por su parte, implica la reducción del tamaño de laspartículas fundamentales de las sustancias.

Para la reducción de tamaño en alimentos se utilizan tres tipos de fuerzas:

Fuerza de compresión

Fuerza de impacto

Fuerza de cizalla

En la mayor parte de la maquinaria de reducción de tamaño se hace uso de lostres tipos de fuerzas pero, por lo general, uno de ellos suele ser más importanteque los otros dos para el proceso en cuestión.

Cuando un alimento se somete a un estrés, la tensión interna que en el alimentose crea primero se absorbe, dando lugar a la deformación de los tejidos. Enmuchos casos esta tensión supera un determinado nivel crítico denominado “limite

del estrés elástico”. Si el estrés continúa, la tensión alcanza un punto de cesiónpor encima del cual el alimento empieza a fluir (a esto se le conoce como regiónde ductilidad). Finalmente se supera la tensión de rotura y el alimento se rompepor su línea de debilidad. En este momento parte de la energía almacenada selibera en forma de sonido y calor. A medida que el tamaño de las piezas se reduceel número de líneas de debilidad se va agotando y la tensión de rotura que deberásuperarse aumenta, cuando las líneas de debilidad se han agotado por completo,


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es preciso crear nuevas fisuras que permitan proseguir con la reducción detamaño lo cual requiere un aporte de energía adicional.

La cantidad de energía absorbida por el alimento antes de romperse se halladeterminada por su alto grado de dureza y su tendencia a la rotura que depende asu vez de su estructura. Los alimentos más duros absorben mayor cantidad deenergía y en consecuencia requieren, para conseguir su rotura, un aporteenergético mayor. Cuanto mayor es el número de líneas de debilidad en unalimento, menor es el aporte energético necesario para su fragmentación.

En el presente laboratorio se estará realizando una disminución de tamaño a unamatriz alimentaria por medio de un molino (de discos, cuchillas o martillos) que latritura y la reduce para un posterior análisis granulométrico, en el cual dicha matrizes sometida a una serie de tamices estandarizados para obtener diversaspartículas que comúnmente son denominadas gruesas y finas.

2.2.1 Equipos de reducción de tamaño

a) Quebrantadores (gruesos y tinos).1. Quebrantadores de mandíbula.2. Quebrantadores giratorios.3. Quebrantadores de rodillos.

b) Molinos (intermedios y finos)1. Molinos de martillos-impacto.2. Molinos de rodadura-compresión.3. Molinos de rulos.4. Molinos de rodillos.5. Molinos de frotación.6. Molinos de volteo.

I. Molinos de barrasII. Molinos de bolas; molinos de guijarros.III. Molinos de tubos; molinos de compartimentos.

c) Molinos ultra finos.1. Molinos de martillos con clasificación interna.2. Molinos que utilizan la energía de un fluido.


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3. Molinos agitados.

d) Máquinas de corte.1. Cortadoras de cuchillas2. Cortadoras de cubos3. Cortadoras de tiras

2.2.2. Medición del tamaño de las partículas

La alimentación a procesos de reducción de tamaño, así como el propioproducto, se define en términos de la distribución del tamaño de las

partículas. Un método muy común para graficar los tamaños de laspartículas consiste en construir una curva del diámetro de éstas(abertura de los tamices de las mallas) en mm o µm en un eje, y elporcentaje acumulado retenido para dicho tamaño en el otro eje.

2.2.2 Serie de tamices Tyler

La serie Tyler es una de las serie de tamices normalizada más usada enla determinación del tamaño de partículas. Para realizar el análisis portamizado, los tamices se colocan apilados uno sobre otro, con el tamiz

con abertura mayor arriba y progresivamente disminuyendo su tamaño,hasta llegar al tamiz inferior de menor abertura y bajo el cual se colocaun tamiz recipiente llamado colector. Esta es una serie de tamicesestandarizados usados para la medición del tamaño y distribución de laspartículas en un rango muy amplio de tamaño. Las aberturas soncuadradas y se identifican por un número que indica la cantidad deaberturas por pulgada cuadrada Fellows (1994).

http://www.monografias.com/trabajos15/la-estadistica/la-estadistica.shtmlhttp://www.monografias.com/trabajos11/travent/travent.shtmlhttp://www.monografias.com/trabajos11/travent/travent.shtmlhttp://www.monografias.com/trabajos15/la-estadistica/la-estadistica.shtml


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Figura 2. Tamices.

Tabla 7. Abertura del tamiz respecto a la malla.

Ley de Rittinger

Esta ley, se basa en la hipótesis de que la energía necesaria para la reducción detamaño es proporcional a la modificación en el área superficial del alimento encuestión. Ésta ley se puede aplicar razonablemente cuando el suministro de

energía por unidad de masa no es demasiado grande y la alimentación al equipode trituración es menor a 100 ton/h.

Santos et. al. (2008), evaluó la influencia de la congelación de diferentes alimentoscomo bivalvos, café y frijol caupí y diferentes tipos de molinos como son el bola,molino de cuchillas sobre el tamaño de partícula utilizando diferentes tamaños detamiz (100, 300 y 500 micras) para las muestras de bivalvos, café y frijol caupí.Los resultados mostraron que la eficiencia de la reducción de tamaño de partículay homogeneidad de la muestra depende del dispositivo de molienda y lanaturaleza de las muestras. Las muestras de alimentos pueden presentar

segregación después de trituración y cribado por lo que podría llegar a ser un pasonecesario. Sin embargo, la abertura de tamiz tiene que ser elegido con cautela,una vez que podría influir en la concentración de elemento final.

Dziki y LaskowskI (2010), estudiaron las características de molienda de tresespecies de trigo blando (Triticum aestivum, ssp. Vulgare), en función del tiempode germinación. La molienda se realizó en un molino de martillos y el tiempomáximo de germinación fue de tres días. Los resultados reportados por estos

MALLAABERTURA DE TAMIZ

(mm)

3 6,68

4 4,699

6 3,327

8 2,362

10 1,651

14 1,168

20 0,833

28 0,589

35 0,417

48 0,295

65 0,208100 0,147

150 0,104


21/73

autores es que a mayor tiempo de germinación menor es el tamaño de partículaobtenida, logrando obtener partículas por debajo de las 200 micras. Los autoresconcluyeron que la germinación causó una disminución en el valor de la energíaespecífica para moler en todos los trigos analizados.

Los mismos autores, determinaron las necesidades de energía de molienda parapulverización de granos de trigo enteros y granos de trigo con una molienda, conrespecto a los diferentes niveles de humedad, la humedad de granos varió de 14%a 20% en base húmeda, concluyendo que los requerimientos de energía para lapulverización expresadas por diferentes índices de molienda, fueron

considerablemente más bajos para los granos con molienda preliminar y no paragranos enteros.

2.3 MATERIALES

Alimento o matriz a moler.

Molino (disco, cuchillas, martillo o de bolas cerámicas).

Serie de tamices Tyler con tapa y colector. Rotap o tamizador vibratorio. Balanza granataria o semianalítica.

Brochas para limpieza de tamices y equipos.

Recipientes de plástico para la recolección del material molido.

Bolsas plásticas para separar los finos y los gruesos.


2.4.1 La determinación del diámetro de partícula se calcula mediante laecuación 8.

(8)


22/73

2.4.2 La energía por unidad de masa necesaria para reducir la muestra,obedece a la ecuación 9, por medio de la cual se calcula:

(9)

Donde:E= energía necesaria por unidad de masa del alimento.KR = constante de Rittinger.

d2 = tamaño de la partícula después de la molturación.d1 = tamaño medio de la partícula.

Tabla 8. Datos del alimento molido y tamizado.Peso MuestraInicialTamiz (malla) Peso Tamiz Peso Muestra

+ Tamiz


23/73

2.5 DIAGRAMA DE FLUJO

Seleccionar

molino

Moler

Limpiar molino

Pesar el alimeto

Por 5 min

dependiendo la

matriz

Pesar el producto

molido

Calcular rendimiento

de molienda

Seleccionar juegode tamiz

Pesar cada tamiz

vacio y colector

Llevar a rotap Por 10 mminutos

Determinar tamiz

de corte

Pesar cada tamiz

Finos y gruesos

Realizar lo sdiferentes

calculos

Figura 3. Diagrama de flujo proceso de molienda.


24/73

2.6 BIBLIOGRAFÍA

FELLOWS, Peter. Tecnología del procesado de los alimentos: Principios yprácticas. Acribia España, Pags: 73-78. 1994.

SANTOS W.P.C. HATJE V., LIMA L.N., TRIGNANOS.V . BARROS F. CASTROJ.T. KORN, M.G.A. Evaluation of sample preparation (grinding and sieving) ofbivalves, coffeeand cowpea beans for multi-element analysis. MicrochemicalJournal 89 (2008) 123 –130. Available online at www.sciencedirect.com

DZIKI. Dariusz, LASKOWSKI Janusz. Study to analyze the influence of sproutingof the wheat grain on the grinding process. Journal of Food Engineering 96 (2010)562 –567. Available online at www.sciencedirect.com.

DZIKI Dariusz. Effect of preliminary grinding of the wheat grain on the pulverizing

process. Journal of Food Engineering 104 (2011) 585 –591. Available online atwww.sciencedirect.com

http://www.sciencedirect.com/http://www.sciencedirect.com/http://www.sciencedirect.com/http://www.sciencedirect.com/http://www.sciencedirect.com/http://www.sciencedirect.com/


25/73

3 DIFUSIVIDAD MOLECULAR

3.1 OBJETIVOS

3.1.1 General.

Determinar el Coeficiente de Difusividad de un solvente y verificar la

variación de la concentración de una solución en función de latemperatura.

3.1.2 Específicos.

Determinar los coeficientes de difusividad molecular de uncompuesto para estimar el flux de masa de una especie química en unmedio determinado.

Determinar la variación en el tiempo de los grados Brix en unasolución azucarada.

Conocer el significado de difusión molecular y coeficiente de difusión. Hallar el coeficiente de difusión en base al método del caso especialde la difusión de un componente en otro que está en reposo

3.2 MARCO TEÓRICO

La teoría cinética de los gases da una buena interpretación física delmovimiento de las moléculas individuales en los fluidos. Debido a suenergía cinética, las moléculas están en un rápido movimiento aleatorio, y amenudo chocan unas con otras. El transporte molecular o la difusiónmolecular de una propiedad como el momento lineal, el calor, o la masa, selleva a cabo en un fluido gracias a esos movimientos aleatorios de lasmoléculas individuales. Cada molécula individual que contiene la propiedad


26/73

que se transfiere se mueve al azar en todas direcciones, y se producenflujos en todas direcciones. Por lo tanto, si existe un gradiente deconcentración de la propiedad, habrá un flujo neto de la propiedad desde laconcentración alta hasta la baja. Esto sucede porque se difunde el mismonúmero de moléculas en todos sentidos entre las regiones de alta y bajaconcentración Geankopolis (1998).

La transferencia de masa tiene dos formas, una molecular y otra porconvección, la molecular está gobernada por la ley de Fick; mientras que laconvección utiliza los números adimensionales de Sherwod Smidth y

Reynolds para su respectivo análisis.

A nivel del mundo se tienen algunos estudios alrededor de la determinaciónde coeficientes de difusión, para diferentes procesos y matricesalimentarias, en ese orden de ideas Janjai, s. et al. (2010), determinaron loscoeficientes de difusividad de la humedad en una fruta llamada Litchi, frutaimportante en Tailandia y Vietnam, cuando se sometió a un proceso desecado, con los datos obtenidos se diseñó un secador prototipo para dichafruta.

Sing et. al. (2007), evaluaron la cinética de transferencia de masa durante ladeshidratación osmótica de cubos de zanahoria en una solución ternaria desacarosa, estudiaron NaCl y agua. La difusividad efectiva de agua, asícomo soluto se estimó utilizando la solución analítica de la ley de difusiónde Fick y la técnica que se llevó a cabo mediante un programa informáticosencillo iterativo, se utilizó para resolver la ecuación con los primeros seistérminos. Por encima de las condiciones de la deshidratación osmótica, seencontró que la difusividad efectiva de agua para esta osciló entre1,594×10 -9 y 2,078×10 -9 m 2/s y la de soluto entre 1.175×10 -9 y

1,645×10

- 9

m

2

/s. Sing y Gupta (2007) evaluaron la cinética de secadoconvectivo de zanahorias a temperaturas del aire de secado de 55, 65 y 75°C, sin osmotizar y pre-osmotizadas en soluciones NaCl, sacarosa ymezclas de sacarosa-NaCl, la difusividad efectiva de la humedad se estimóutilizando la solución analítica de la ley de difusión de Fick, observando quepor encima de dichas condiciones de secado por convección, la difusividadefectiva de la humedad se encontraba en el rango de 7,81×10 -10 y


27/73

10,6×10 -10 m2/s y determinándose que la energía de activación para elsecado por convección de los cubos de zanahoria estaba 22.1426 KJ / molpara muestras sin osmosis, que fueron de 10.0017, 14.8729, 16.2130 KJ /mol en el caso de NaCl, sacarosa, y la mezcla de sal de sacarosa-NaCl,respectivamente.

Por su parte Mosavian y Karizaki (2012), realizaron un estudio paradeterminar los parámetros de transferencia de masa durante la fritura degalletas de arroz esféricas en aceite de girasol a 150, 170 y 190 ° C. Estosparámetros fueron evaluados a partir de los diagramas de relaciones de

concentración sin dimensión, en función del tiempo de fritura. La difusividadefectiva de la humedad, número de Biot de transferencia de masa y elcoeficiente de transferencia de masa oscilaron entre 1,24×10 -8 a 2,36×10 -8

m2/s, 1,96 a 2,34 y de 5,51×10 -6 a 9,70×10 -6 m/s,respectivamente. Encontrando que la difusividad efectiva de humedad y elcoeficiente de transferencia de masa se incrementan con un aumento de latemperatura de fritura, mientras que el número de Biot de transferencia demasa disminuye.

3.3 PROCEDIMIENTO

3.3.1 Compuesto Orgánico

Medir en un beaker de vidrio, un volumen conocido del compuestoorgánico a analizar, medir su temperatura y altura iniciales, acontinuación someterlo a calentamiento, posteriormente cada 5 minutos,medir su altura y la temperatura alcanzada por este, tomar datos para la

elaboración del informe.

3.3.2 Solución Azucarada

Se evaluará el aumento de los grados Brix de una solución de agua conazúcar a diferentes temperaturas en función del tiempo.


28/73

1. Llenar un recipiente con agua, luego agregar azúcar.2. Someter la solución anterior a temperaturas y evaluar los grados Brix,en la superficie, en el medio y en el fondo, hasta que las tres medidasalcancen la misma concentración.

3.4 MATERIALES

Beaker de 200 ml

Placa de calentamiento Estufa

Solvente Orgánico

Regla

Termómetros

Agua Azúcar Refractómetro


3.5.1 Para el cálculo de la difusividad se puede usar la ecuación 10.

(10)

Donde:[]=densidad del líquido .

tiempo en segundos [].P = presión total del sistema [].Pbm= presión media Logarítmica [].


29/73

R = constante de los gases

.Ma= peso molecular del elemento .

3.5.2 Para la presión de vapor se utiliza la ecuación 11.

(11)

Donde las constantes C1, C2, C3, C4, C5, dependen del compuesto quese esté trabajando.

3.5.3 Para el cálculo de la densidad, se utiliza la ecuación 12.

(12)

TABLA 9. Datos para el solvente orgánico.

Tiempo Temperatura Variación Altura


30/73

TABLA 10. Datos para la solución azucarada.

Tiempo Temperatura Brix Superficie Centro Fondo

3.6 BIBLIOGRAFÍA

GEANKOPOLIS Christie J. Proceso de transportes y operaciones unitarias,

Universidad de Minesota, México. Año 1998.Tercera edición. Págs. 47, 51, 52.

SINGH Bahadur, KUMAR Ashok, GUPTA A.K. Study of mass transfer kineticsand effective diffusivity during osmotic dehydration of carrot cubes. Journal ofFood Engineering. Volume 79, Issue 2, March 2007, Pages 471 –480.

SINGH Bahadur, GUPTA AK. La cinética de transferencia de masa y ladeterminación de la difusividad efectiva durante la deshidratación porconvección de cubos de zanahoria pre-osmotizada. Journal of FoodEngineering, Volumen 79, Número 2, marzo 2007, págs 459-470.

MOSAVIAN Mohammad Taghi Hamed, KARIZAK Vahid Mohammadpour.Determination of Mass Transfer Parameters During Deep Fat Frying of RiceCrackers. Rice Science. Volume 19, Issue 1, March 2012, Pages 64 –69.

PERRY Robert, CHILTON Cecil. Manual del Ingeniero Químico. (Sextaedición). Séptima edición, Mc Graw Hill, Volumen 1, pp 2-261,2-334 2.


31/73

4 SECADO POR CONVECCIÓN

4.1 OBJETIVOS

4.1.1 Objetivo General

Aplicar el secado por convección a una matriz alimentaria y conocer los

parámetros que se involucran durante este proceso.

4.1.2 Objetivos Específicos

Determinar la velocidad de secado.

Graficar la curva de secado.

Determinar Coeficientes de Difusión del proceso.

Determinar gastos energéticos por medio de la carta psicométrica.

4.2 MARCO TEÓRICO

El secado es la aplicación de calor en condiciones controladas para eliminar elagua de los alimentos. Un propósito del secado es aumentar la vida de anaquelde los alimentos mediante la reducción de la actividad del agua, lo que inhibe elcrecimiento microbiano y la actividad de las enzimas.

La deshidratación o secado de los alimentos es un fenómeno complejo queimplica procesos de cantidad de transferencia de movimiento, calor y masa.

Todas las operaciones de secado dependen de la operación de aplicado decalor para vaporizar el agua o los constituyentes volátiles. El mecanismo queregula el secado de un producto en forma de partículas depende de laestructura de éste y de los parámetros de secado como contenido de humedad,dimensiones del producto, temperatura del medio de calentamiento,velocidades de transferencia superficiales y contenido de humedad enequilibrio.


32/73

Todos los materiales sólidos presentan cierto contenido de humedad enequilibrio cuando se ponen en contacto con el aire a una temperatura y unahumedad particulares. En consecuencia, los materiales tienden a perder oganar humedad durante un periodo, para que alcancen este valor de equilibrio.Si la temperatura o la humedad del aire cambian, entonces se pierde o ganahumedad hasta que se alcanza un nuevo valor de equilibrio. Las curvas dehumedad de equilibrio dependen de la humedad ambiental para un alimentoparticular y de su estructura fibrosa o coloidal. La humedad de un alimento esretenida de dos formas, a saber, la llamada agua “ligada” o agua libre. Ladistinción entre agua “ligada” y agua libre es una propiedad del material

alimenticio particular en consideración.

Determinación experimental de la velocidad de secado.

Para determinar experimentalmente la velocidad de secado de un material, seprocede a colocar una muestra en una bandeja. Si se trata de material sólido sedebe llenar por completo la base de la bandeja, de manera que sólo quedeexpuesta a la corriente de aire de secado la superficie de dicho sólido. Lapérdida en peso de Humedad durante el secado puede determinarse adiferentes intervalos sin interrumpir la operación, colgando la bandeja de unabalanza adaptada a un gabinete o a un dueto a través del cual fluye el aire desecado.

Al realizar experimentos de secado por lotes, deben tomarse ciertasprecauciones para obtener datos útiles en condiciones que se semejen lo másposible a las que imperaran en operaciones a gran escala. La muestra no debeser demasiado pequeña y se debe introducir en una bandeja similar a la que seusará en producción. La relación entre superficie de secado y superficie de nosecado (superficie aislada) así como la profundidad del lecho del sólido debenser idénticas. La velocidad, la humedad, la temperatura y la dirección del airedeben ser las mismas y constantes para simular un secado en condicionesconstantes.

Con base en las consideraciones anteriores, los mecanismos de secado seclasifican en tres categorías:

1. Evaporación a partir de una superficie libre, que sigue las leyes de latransferencia de calor y masa desde un objeto húmedo.


33/73

2. Flujo liquido en capilares.3. Difusión de líquido o vapor, que sigue la segunda ley de difusión de FICK.

El secado podría implicar varios modos de transferencia de calor comoconvección, conducción o radiación. En el secado convectivo, el medio decalentamiento, por lo general aire, se pone en contacto directo con el materialalimenticio sólido e inicia la difusión de vapores de agua a partir y dentro delmaterial alimenticio. Varios secadores de horno, giratorios, de lecho fluidizado,por aspersión y de tipo instantáneo son ejemplos representativos de secadoconvectivo.

Curvas de velocidad de secado para condiciones de secado constante.

Conversión de los datos a curva de velocidad de secado. Los datos que seobtienen de un experimento de secado por lotes, generalmente se expresancomo peso total W del sólido húmedo (sólido seco más humedad) a diferentestiempos t de horas en el periodo de secado. Estos valores se pueden convertir adatos de velocidad de secado por los siguientes procedimientos. Primero serecalculan los datos así:

Para calcular contenido de humedad en el tiempo t.

– (13) Donde:Xt = contenido de humedad en el tiempo t (g de agua/ g de sólido seco)W = peso del producto en un tiempo t (g)Ws = peso del sólido seco (g)

Después de haber establecido las condiciones de secado constante, sedetermina el contenido de humedad de equilibrio, x* kg de humedad de

equilibrio/kg de sólido seco. Con él se procede a calcular el valor del contenidode humedad libre X en kg de agua libre/kg de sólido seco para cada valor de X.

* X X X

t

(14)


34/73

Al sustituir los datos calculados en la ecuación 14, se traza una gráfica delcontenido de humedad libre X en función del tiempo t en horas, como semuestra en la Figura 4.

Figura 4. Gráfica humedad libre en función de tiempo.

Para realizar la curva de velocidad de secado se calcula primero la pérdida depeso ΔX para un tiempo Δt.

Para calcular velocidad de secado

(15)

Donde:R = velocidad de secado (en g de agua/ (m2 min))Ls= Peso de sólido seco (g).

A = área paralela al flujo de aire (m2).∆ X = diferencia de masa (en g de agua/g de sólido seco).

∆ t = delta de tiempo (min).


35/73

Figura 5. Curva de velocidad de secado en función de humedad libre.

En la Figura 5 se muestra la curva de velocidad de secado para condiciones desecado constante. Empezando en el tiempo cero, el contenido inicial dehumedad libre corresponde al punto A. Al principio, el sólido suele estar a unatemperatura inferior de la que tendrá al final, y la velocidad de evaporación vaen aumento. Al llegar al punto B, la temperatura de la superficie alcanza suvalor de equilibrio. La curva de la Figura 5 es recta entre los puntos B y C, porlo que la pendiente y la velocidad son constantes durante este periodo. Este

periodo de velocidad constante de secado corresponde a la línea BC en laFigura 4. En el punto C de ambas gráficas, la velocidad de secado comienza adisminuir en el periodo de velocidad decreciente, hasta llegar al punto D.

El punto C de la Figura 5 corresponde al contenido crítico de humedad libreXC en este punto no hay suficiente agua en la superficie para mantener unapelícula continua. La superficie ya no está totalmente mojada, y la porciónmojada comienza a disminuir durante el periodo de velocidad decreciente hastaque la superficie queda seca en su totalidad en el punto D de la Figura 5. Elsegundo periodo de velocidad decreciente empieza en el punto 0, cuando la

superficie está seca en su totalidad. El plano de evaporación comienza adesplazarse con lentitud por debajo de la superficie. El calor de evaporación setransfiere a través del sólido hasta la zona de vaporización. El agua evaporadaatraviesa el sólido para llegar hasta la corriente de aire. En algunos casos nohay discontinuidad definida en el punto D, y el cambio de condiciones desecado de una superficie con humedad parcial a una superficie completamenteseca, es tan gradual que no se detecta un punto de inflexión.


36/73

Es posible que la cantidad de humedad que se elimina durante el periodo develocidad decreciente sea bastante pequeña; no obstante, el tiempo requeridopuede ser largo.

Algunos autores han realizado estudios basados en el secado convectivo dealimentos, entre ellos Barati y Esfahani (2012), analizaron y calcularonmediante un modelo matemático los cambios de temperatura y humedad,diferencias de números de Biot en superficie y el centro, el calor, y la masa derodajas de zanahoria durante el secado. Además, determinaron la cinética desecado convectivo de rodajas de zanahoria. Concluyendo que el modelopropuesto es particularmente útil para la determinación de un conjunto decondiciones de funcionamiento, mejorando la calidad y la seguridad delproducto final. Además ilustran que el calor, la masa, los números de Biot y lahumedad relativa juegan un papel importante sólo durante la etapa inicial delproceso de secado, los mismos autores en 2011 desarrollaron un modeloanalítico de calor y transferencia de masa durante el proceso de secado porconvección, estableciendo un modelo de transporte para describir la evoluciónde la temperatura y la humedad de tajadas de mango. Confirmando que sepuede ahorrar tiempo durante el proceso de secado sin sacrificar la precisiónmediante la aplicación del modelo propuesto.

Zotarelli et. al. 2012, evaluaron la aplicación de un proceso de secadoconvectivo de flash múltiple (CMFD) a la producción de frutas deshidratadas ycrujientes, utilizando plátano (Musa sapientum L.) y mango (Mangifera indica L.). Los resultados obtenidos arrojaron que el Plátano procesado porCMFD tenía un contenido de humedad de 0.293 g / g (base seca) después de 3h de procesamiento y por su parte, el mango tenía un contenido de humedad de0,09 g/g después de 4 h de procesamiento.

Garau et. al. 2007, estudiaron los efectos del secado convectivo en lossubproductos de la industria de zumos cítricos, como lo son la cáscara y lapulpa de la naranja, dichos efectos se evaluaron en la composición de la paredcelular, las propiedades funcionales de la fibra dietaría y la influencia de latemperatura del aire de secado en la capacidad antioxidante. Encontraron queesos subproductos con un tratamiento de deshidratación por secado convectivomostraban mayor cantidad de fibra dietaría y un valor superior de actividadantioxidante que lo que mostraban sin el tratamiento. También se sumaba que


37/73

tenían una resistencia significante a diferentes tratamientos térmicos entre 40-70 °C.

Por otro lado Tribess et. al. 2008, investigó sobre el efecto de las condicionesde secado sobre las propiedades térmicas y la resistencia del almidóncontenido en la harina de plátano verde. Se encontró que dicho almidón avelocidades de aire de secado elevadas presenta una mayor resistencia si lastemperaturas no exceden la de gelatinización.

4.3 PROCEDIMIENTO

Para la realización de la práctica, se dispone de un equipo de secadoconvectivo, para esto, inicialmente se enciende el equipo verificando que lavelocidad del aire esté a 450 rpm y una temperatura de 60°C. Se deben tomarlas medidas de la bandeja que se utilizará para realizar el secado, y verificar lahumedad relativa y T° del aire, a la entrada y salida del secador.

Figura 6. Equipo de secado convectivo Laboratorio de Operaciones Unitarias,UDEA.


38/73

4.4 MATERIALES

Secador de bandeja

Bandeja

Cronometro

Regla

Termómetro

Fruta (manzana, pera, etc.).

Higrómetro.

4.5 MODELOS DE CÁLCULO

4.5.1 Para calcular contenido de humedad en el tiempo t, se tiene laecuación 15.

–

Donde:Xt = contenido de humedad en el tiempo (g de agua/ g de sólidoseco)W = peso del producto en un tiempo t (g)Ws = peso del sólido seco (g)

4.5.2 Para calcular velocidad de secado, se tiene la ecuación 16.

( ) ( )

Donde:R = velocidad de secado (en gr de agua/ (m2 min))Ls= peso del sólido seco (en g)

A = área paralela al flujo de aire (m2)∆ X = diferencia de masa (en g de agua/g de sólido seco)


39/73

∆ t = delta de tiempo (min)

4.5.3 El cálculo del aire necesario para el secado, se realiza con la ecuación17.

Donde:

Mw = masa de agua perdida por el producto (g de agua).Mas= masa de aire seco necesario para secar el producto (g).

Y2 = humedad (promedio) del aire en el precalentamiento (g / g aireseco).Y3 = humedad (promedio) del aire en contacto con el alimento (en g /g aire seco).

4.5.4 El contenido real de agua del producto se calcula mediante laecuación 18.

4.5.5 Agua total evaporada en la operación, se calcula mediante la ecuación19.

–

4.5.6 Para calcular la eficiencia de la operación de secado se tiene laecuación 20.

Eficiencia =


40/73

Tabla 11. Datos obtenidos en el proceso de secado convectivo.

Tomade

datos#

Tiempo

(min)

Masa

(gr)

CondicionesAire

Entrada

CondicionesAire

salida

(T3)

T %H T %H

1 0

2 10

3 20

4 30

5 40

6 50

7 60

8 70

9 80

10 90

11 100

12 110

13 120

14 130


41/73

15 140

16 150

17 160

18 170

19 180

20 190

21 200

Tabla 12. Datos adicionales. Área de secado (m2)

Velocidad del motor y del aire (rpm)

Contenido de humedad inicial del alimento(%)

Tabla 13. Datos para realizar la curva de secado. Toma

dedatos

#

Tiempo

(min)

Masa depto (gr)

Xt

(gr agua/gr SS)

X

(gr agualibre/ gr SS)

R(gr

agua/(m2min))

1 -----------------------

2 (con x2-x1)

3(con x3-x2) y asíel resto

4


42/73

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

Adicional: masa de sólido seco ________________

4.6 BIBLIOGRAFÍA

Proceso de transportes y OPERACIONES UNITARIAS. ChristieJ.GEANKOPOLIS. Universidad de MINESOTA, México. Año 1998.Tercera edición.


43/73

Shri K. Sharma, Steven J. Mulvaney & Syed S. H. RIZVY. Ingeniería de alimentosoperaciones unitarias y prácticas de laboratorio. Cornell University, Ithaca NuevaYork. Editorial Limusa S.A. de C.V. México D.F. Grupo Noriega editores. Año2003. Primera edición. Págs. 216 – 218.

BARATI E., ESFAHANI JA. Mathematical simulation of convective drying: Spatiallydistributed temperature and moisture in carrot slab. International Journal of

Thermal Sciences. Volume 56, June 2012, Pages 86–94.

BARATI E., ESFAHANI JA.

A new solution approach for simultaneous heat andmass transfer during convective drying of mango. Journal of Food Engineering.

Volume 102, Issue 4, February 2011, Pages 302–309.

ZOTARELLI Marta Fernanda, Barbara ALMEIDA PORCIUNCULA Daniela,BORGES LAURINDO João, A convective multi-flash drying process for producingdehydrated crispy fruits. Journal of Food Engineering. Volume 108, Issue 4,February 2012, Pages 523 –531


44/73

5 DESHIDRATACIÓN OSMÓTICA

5.1 OBJETIVOS

5.1.1 General

Conocer los principios básicos de la deshidratación osmótica en

la conservación de alimentos.

5.1.2 Específicos

Comprender el proceso de deshidratación osmótica de alimentos.

Determinar la cinética de la velocidad de eliminación de agua y lavelocidad de ganancia de soluto en frutas (manzana, pera, piña).

Calcular el coeficiente global de transferencia de masa.

5.2 MARCO TEÓRICO

La eliminación de agua es una importante operación unitaria en los procesosde alimentos para estabilizarlos al disminuir la actividad de agua aw. En elcaso de las frutas, la deshidratación por medio de aire es el método de usocomún para conservarlas; sin embargo, este método disminuye la calidad delproducto; por ejemplo: produce textura dura, rehidratación lenta o incompleta,pérdida de jugosidad, color desfavorable y pérdida de sabor.

Una técnica nueva, “la deshidratación osmótica” se emplea como medio deconservación de alimentos. La deshidratación osmótica es un proceso basadoen el gradiente de agua y actividad de solubilidad a través de la membranasemipermeable de una célula.

La velocidad de pérdida de agua en la deshidratación osmótica depende de laconcentración de la solución osmótica, el tiempo de contacto, la temperatura


45/73

del proceso, la relación de la solución osmótica a materiales alimenticios, asícomo el área superficial expuesta.

Sin embargo, la aplicación de la deshidratación osmótica en la industriaalimentaria está limitada a causa de algunos problemas relacionados.

La trasferencia simultánea de solutos a los alimentos puede afectar la calidaddel producto. Esto se conoce como “endulzamiento” o “saladura” podríamejorar el sabor y el grado de aceptación de algunos productos finales comolas rebanadas secas y endulzadas de plátano, manzana, pera, albaricoque(chabacano), piña, etcétera.

La deshidratación osmótica implica sumergir materiales alimenticios dehumedad alta en una solución osmótica, por lo general una solución de azúcaro de cloruro de sodio.

La diferencia de potenciales químicos es la Fuerza Impulsora, ladeshidratación osmótica se da en dos etapas: salida de agua y la segundaganancia de sólidos. Como resultado de ello el agua sale del material biológicoy el azúcar podría entrar a este material, lo que depende del tiempo decontacto y del tamaño de la membrana. Por consiguiente, se presentan dos

flujos a contracorriente simultáneos. Por esto, la deshidratación osmótica seha descrito como un proceso de eliminación de agua e impregnación de solutopor remojo. La eliminación de agua de una fruta a través de la membranacelular también se considera como una función de la actividad de agua. Paraeliminar agua a través de la membrana celular del material con mayoractividad de agua, se mantiene una baja actividad de agua en la soluciónosmótica.

Una célula vegetal simplificada que se encuentra en la deshidrataciónosmótica es un equivalente cilíndrico que consiste en dos cilindros huecos

coaxiales con una membrana localizada entre ellos.En la deshidratación osmótica, el soluto se difunde al volumen extracelular y,según las características del soluto, atraviesa o no la membrana celular. Lacaptación de solutos durante la deshidratación osmótica resulta en laformación de una capa de sólidos concentrados a través de la superficie de lafruta misma que disminuye la fuerza impulsora para el flujo de agua. Lapenetración de soluto está directamente relacionada con la penetración de


46/73

éste e inversamente con el tamaño de la molécula de azúcar. Este proceso selleva a cabo a una temperatura baja constante (40oC-50oC) y, porconsiguiente, se considera como isotérmico y no implica ningún cambio defase.

Algunas variables que afectan el proceso de deshidratación osmótica son: eltamaño y la forma de los alimentos, el tamaño molecular del soluto osmótico,la temperatura del proceso, la estructura de la membrana del alimento,espacio intercelular, el aire atrapado y la capacidad del tejido, entre otros.

Con respecto a la Deshidratación Osmótica se tienen diversos estudios Oliver

et. al. (2007) y Castro et. al (2011), evaluaron la variación y el comportamientode los tejidos vegetales durante el proceso de deshidratación osmótica.Barrera et. al (2009), evaluaron la deshidratación osmótica, mediante laaplicación de pulsos de vacío para impregnar calcio en manzanas,encontrando que la mejor se dio a 55°brix de una solución azucarada.

Nieto et. al. (2004) estudiaron los cambios micro y macroestructurales enrodajas de manzana durante la deshidratación osmótica. Las muestras sesumergieron en 25,0% (w / w) de glucosa o 34,6% (w / w) de solución acuosade sacarosa a 30°C hasta que el agua y sólidos contenidos eran casi

constantes (≅ 350 min). Se observaron cambios en la densidad aparente, laporosidad y el volumen de tejido de la manzana a lo largo de procesoosmótico, lo anterior se determinó mediante unas observacionesmicroestructurales y estructurales (usando microscopía de luz y microscopíaelectrónica de barrido ambiental).

Lara E. et. al. 2012, estudiaron el equilibrio de transferencia de masa y laspropiedades dinámicas de agua y soluto durante la deshidratación osmótica(DO) de rodajas de rábano en soluciones de cloruro de sodio (NaCl);encontrando un modelo matemático para la pérdida de agua y curvas de

ganancia de soluto, además estimaron los coeficientes de difusión. Derossi etal (2008), realizaron un estudio del proceso de transferencia de masa durantela deshidratación osmótica de manzanas, observando que el coeficiente dedifusión eficaz del agua no era constante durante el tratamiento dedeshidratación. Inicialmente, el coeficiente de difusión efectivo calculadousando un modelo basado en Fick fue de 2*10 -10 m2/s y aumentó a 5*10-10 m2/s durante el tratamiento. Por otra parte, los resultados mostraron la


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existencia de un frente de deshidratación osmótica que se mueve desde lasuperficie hasta el núcleo de las muestras de manzana.

5.3 PROCEDIMIENTO

La deshidratación de frutas se realizará bajo tres condiciones diferentes,temperatura ambiente, agitación constante y vacío, para cada uno de estos

se prepara una solución hipertónica de sacarosa-agua al 70%. Se lava, pelay corta la fruta en cubos de tamaño y peso aproximadamente iguales. Acontinuación se sumerge la fruta en el jarabe, habiendo tomado su peso,temperatura, humedad, actividad acuosa (Aw) y °Brix iniciales, tanto de lasolución hipertónica como de la fruta, se realiza este procedimiento cada 15minutos durante todo el proceso de deshidratación, cuidando de secarsuavemente la superficie de la fruta para extraer el exceso de jarabe antesde realizar las mediciones.

Figura 7. Deshidratación osmótica al vacío.


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Figura 8. Deshidratación osmótica por agitación constante.

Figura 9. Deshidratación a temperatura ambiente.

5.4 MATERIALES

Fruta (manzana, pera, piña)

Cuchillos

Balanza


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Solución hipertónica

Refractómetro

Desecador

Bomba de vacío

Beakers

Agitador

5.5 MODELOS DE CÁLCULO

5.5.1 El porcentaje de humedad inicial se determinará por método infrarrojo,con una temperatura de 120°C durante 20 minutos, ecuación 21.

(21)

5.5.2 El cálculo del peso inicial de la materia seca se realizará utilizando la

ecuación 22.

(22)Donde:

masa inicial (g) porcentaje de humedad inicial

5.5.3 El porcentaje de humedad en tiempo el tiempo t, se calculará mediantela ecuación 23.

(23)Donde:

Wt = peso de la fruta en el tiempo t (g) = masa de sólido seco en el tiempo 0 (g)


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5.5.4 El cálculo de la masa de sólido seco al tiempo t, se utiliza la ecuación

24.

(24):

peso final de la fruta (g) porcentaje de humedad en el tiempo t

5.5.5 Para calcular reducción de masa o pérdida de peso durante el procesode deshidratación, se utiliza la ecuación 25.

(25)

Donde:WR = reducción de masa en gr/gr de sólido secoWo = peso inicial del material (g)W = peso del material al tiempo t (g)S0= peso inicial de la materia seca

5.5.6 El cálculo de la ganancia de sólidos durante la deshidratación, serealizará mediante la ecuación 26.

(26)Donde: peso de la muestra en el tiempo t °Brix en el tiempo t

peso inicial de la muestra

°Brix iniciales

0

R

)(W

S

wwo


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5.5.7 Para calcular reducción de agua o pérdida de humedad, se utiliza la

ecuación 27.

0

L

)(W

S

WX X W oo

(27)

Donde: WL = pérdida de agua en gr/gr de sólido secoW0 = peso inicial de la muestraXo = fracción de humedad inicial

W = peso de la muestra en el tiempo tX = fracción de humedad al tiempo t

5.5.8 La determinación de la velocidad de pérdida de agua se utilizará laecuación 28.

(28)Donde: pérdida de agua (g)

5.5.9 La determinación de la velocidad de ganancia de sólidos se calcularáutilizando la ecuación 29.

(29)Donde:

GS= ganancia de sólidos (g)

5.5.10 Para calcular fracción de sólidos, se utiliza la ecuación 30.

(30)Donde:


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CNS = contenido normalizado de sólidosS = masa de sólido seco al tiempo t (g)S0 = Peso inicial de la materia seca

5.5.11 Para calcular coeficiente global de transferencia de masa, se utiliza larelación dada por la ecuación 31.

(31)Donde:K = coeficiente global de transferencia de masa

t = tiempo

Tabla 13. Datos obtenidos en el proceso de DO.

EnsayoNº

Tiempo(min)

Masainicial

(g)

Masafinal

Wt (g)ºBrix

Temperatura(ºC)

AwT (ºC)

AwºBrix sln

1 02 153 30

4 455 606 75

Tabla 14. Resultados.

EnsayoN°

Tiempo(min)

Humedadinicial %

So(gr)

Humedadal tiempo

%Ht

St(gr)

WR SG WL

Velocidadde

pérdidade agua

Velocidadde

gananciade

sólidos

CNS K

1 0

2 15

3 30

4 45

5 60

6 75


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Nota importante: En su informe en la parte de cálculos y resultados debe ir:

1. Tabla de datos (los datos tomados en laboratorio, y los datos utilizadospara calcular humedad)

2. Modelos de cálculo (completo)3. Tabla de resultados4. Gráficasa. Velocidad de ganancia de sólidos (eje Y) vs tiempo (eje X)b. Velocidad de pérdida de agua (eje Y) vs tiempo (eje X)

5.6 BIBLIOGRAFÍA

OLIVER Laura, BETORET Noelia, FITO Pedro, MEINDERS Marcel B.J. How todeal with visco-elastic properties of cellular tissues during osmotic dehydration.

Available online at www.sciencedirect.com

CASTRO-GIRÁLDEZ M., FITO P.J., FITO P. Nonlinear thermodynamic approach

to analyze long time osmotic dehydration of parenchymatic apple tissue. Journal ofFood Engineering 102 (2011) 34 –42. Available online at www.sciencedirect.com

BARRERA C., BETORET N., CORELL P., FITO P. Effect of osmotic dehydrationon the stabilization of calcium-fortified apple slices (var. Granny Smith): Influenceof operating variables on process kinetics and compositional changes. Journal ofFood Engineering 92 (2009) 416 –424. Available online at www.sciencedirect.com

NIETO A.B., SALVATORE D.M., CASTRO M.A., ALZAMORA S.M. Structuralchanges in apple tissue during glucose and sucrose osmotic dehydration:

shrinkage, porosity, density and microscopic features. Journal of FoodEngineering. Volume 61, Issue 2, February 2004, Pages 269 –278

LARA Erasmo Herman, MARTÍNEZ-SÁNCHEZ Cecilia E., PACHECO-ANGULOHermelinda , CARMONA-GARCÍA Roselis, RUIZ-ESPINOSA Héctor, RUIZ-LÓPEZ Irving I. Mass transfer modeling of equilibrium and dynamic periods during

http://www.sciencedirect.com/http://www.sciencedirect.com/http://www.sciencedirect.com/http://aplicacionesbiblioteca.udea.edu.co:2063/science/article/pii/S0960308512000892http://aplicacionesbiblioteca.udea.edu.co:2063/science/article/pii/S0960308512000892http://aplicacionesbiblioteca.udea.edu.co:2063/science/article/pii/S0960308512000892http://aplicacionesbiblioteca.udea.edu.co:2063/science/article/pii/S0960308512000892http://www.sciencedirect.com/http://www.sciencedirect.com/http://www.sciencedirect.com/


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osmotic dehydration of radish in NaCl solutions. Food and Bioproducts Processing.2012

DEROSSI A. PILLI, T., SEVERINI C., MCCARTHY MJ. Mass transfer duringosmotic dehydration of apples. Journal of Food Engineering. Volume 86, Issue 4,

June 2008, Pages 519–528


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6 FILTRACIÓN

6.1 OBJETIVOS

6.1.1 Objetivo General

Cuantificar un proceso de filtración, obteniendo un fluido clarificado y unatorta.

6.1.2 Objetivos Específicos.

Determinación de volumen Filtrado en Función del tiempo.

Determinación de las Constantes K1 y K2 del proceso de filtración.

Determinación de las contantes S y M de la torta.

6.2 MARCO TEÓRICO

La filtración es una operación unitaria cuya finalidad es la separación de unsólido que está presente en una suspensión sólido – líquido, haciendo pasardicha suspensión a través de una membrana porosa que retiene las partículassólidas. A la membrana porosa se le denomina medio filtrante, mientras quelas partículas retenidas en la membrana forman una capa que se llama torta yel líquido que atraviesa la membrana porosa y está exento de sólidos sedenomina filtrado.

En la filtración puede ocurrir que la fase deseada sea el filtrado, la torta o

ambos. Cuando lo que se desea obtener es la parte sólida, una vez obtenidala torta, ésta debe lavarse para eliminar las impurezas que pueda contener.

Para obtener el flujo filtrado a través del medio filtrante se puede operar porsimple gravedad, o bien aplicando una presión superior a la atmosférica en laparte anterior del medio filtrante o vacío en su parte posterior denominándosefiltración a presión y filtración a vacío respectivamente.


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Los filtros más utilizados que forman tortas sobre el medio filtrante son losfiltros prensa de marco y placas, este filtro es el que se usa en el laboratorio.

Inicialmente, la papilla pasa a través del medio filtrante, pero a medida que seva filtrando se forma la torta, que va aumentando su espesor, por lo que elfluido de la papilla debe atravesar, no solo el medio filtrante, sino también latorta formada. Esto supone que la caída de presión a través del filtro es cadavez mayor, o el caudal del filtrado es menor.

Esto indica que la forma de trabajar puede ser a caída de presión constante oa caudal constante de filtrado. En el primer caso, al mantener la caída de

presión constante el caudal de filtro irá disminuyendo a lo largo del tiempo defiltración. Por el contrario, si se desea que el caudal de filtro sea constante, lacaída de presión se hará cada vez mayor. A medida que se va filtrando, vaaumentando el espesor del solido depositado con lo que constituye un caso noestacionario de circulación de fluidos a través de alturas de relleno variables.En el filtro podrán distinguirse dos zonas, la de la torta filtrante y la del mediofiltrante. La primera de ellas constituye un relleno que puede cambiarcaracterísticas (superficie específica, porosidad y espesor), mientras que elmedio filtrante posee características fijas.

En general para un filtro en que se forma una torta, la caída de presión totalque experimenta el fluido es la suma de la que experimenta a través del mediofiltrante y a través de la torta.

LAVADO DE LA TORTA

Una vez obtenida la torta de filtración, por lo general de lava para eliminar lossólidos indeseables que pueda contener. Este lavado se realiza sobre elmismo filtro, haciendo pasar el líquido de lavado a través de la torta. Estaoperación se realiza a caída de presión y caudal volumétrico constante.

Pudiendo el líquido de lavado seguir el mismo camino que el filtrado, o bienuno distinto. La cantidad de líquido de lavado debe ser suficiente para lograr elefecto deseado.

Después de completar el lavado, se requiere un tiempo adicional para extraerla torta, limpiar el filtro y volver a armarlo. El tiempo total del ciclo de filtrado esla suma de los tiempos de filtrado, y el tiempo no operativo; entendiendo comotiempo no operativo el de lavado y un tiempo complementario, que es el


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tiempo necesario para la descarga, limpieza, montaje y puesta a punto delfiltro, para empezar una nueva etapa de filtración.

Fi

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