Aplicación de Balance de Materia en Los Procesos de Mezcla y Evaporación

 

 APLICACIÓN DE BALANCE DE MATERIA MATERIA EN LOS PROCESOS DE MEZCLA Y EVAPORACIÓN

MIGUEL ANGEL GOMEZ REINA YILDIER FABIAN BEJARANO RUIZ

COD. 117003916 COD. 117003904

UNIVERSIDAD DE LOS LLANOS FACULTAD DE CIENCIAS AGROPECUARIAS Y RECURSOS NATURALES ESCUELA DE INGENIERÍA EN CIENCIAS AGRÍCOLAS INGENIERÍA AGROINDUSTRIAL VILLAVICENCIO-META 2019

 

 APLICACIÓN DE BALANCE DE MATERIA MATERIA EN LOS PROCESOS DE MEZCLA Y EVAPORACIÓN

MIGUEL ANGEL GOMEZ REINA YILDIER FABIAN BEJARANO RUÍZ

Informe de la aplicación de balance de materia en los procesos de mezcla y evaporación

Docente MARTHA MELO

UNIVERSIDAD DE LOS LLANOS FACULTAD DE CIENCIAS AGROPECUARIAS Y RECURSOS NATURALES ESCUELA DE INGENIERÍA EN CIENCIAS AGRÍCOLAS INGENIERÍA AGROINDUSTRIAL VILLAVICENCIO-META 2019

 

TABLA DE CONTENIDO RESUMEN..........................................................................................................................4 INTRODUCCION................................................................................................................5 OBJETIVOS.................. OBJETIV OS............................................. ...................................................... ....................................................... ................................................ ....................6 6 MARCO TEORICO................................... TEORICO.............................................................. ................................................................. ............................................... ......... 6 PROCEDIMIENTO..............................................................................................................8 RESULTADOS...................................................................................................................9 CALCULOS........................................................................................................................9 DISCUSION DISCUSIO N DE RESULTADOS........................ RESULTADOS................................................... ............................................................... .................................... 15 CONCLUSIONES.............................................................................................................16 BIBLIOGRAFIA................................................................................................................16 ANEXOS...........................................................................................................................17

3

 

RESUMEN

En la indu indust stri ria a de jugo jugoss se util utiliz iza a la meto metodo dolo logí gía a de evap evapor orac ació ión n pa para ra la conservación de estos, la evaporación es una operación unitaria empleada para remover agua de los alimentos líquidos diluidos y obtener un producto líquido concentrado. desarrollodedesacarosa esta práctica se dispuso tomó una muestra de jugo de   para mandarina con altoelcontenido que se a calentamiento y así poder evaporar el porcentaje de agua contenido en este para la determ determinación inación de su porcentaje porcentaje de solidos solubl solubles, es, el procedim procedimiento iento se basó en la extracci extracción ón de muestras cada 5 minutos para la lectura de °Brix con un refractómetro, su masa y su temperatura temperatura para pod poder er encontra encontrarr un valor de densida densidad d en cada una de las mues mu estr tras as,, co con n dich dichos os da dato toss se re real aliizó un ba ballance ance de masa asa y de dens nsid idad ad respectivamente para obtener la concentración final de solidos solubles. Palabras clave: evaporación, clave: evaporación, jugos, °Brix, densidad, masa.

SUMMARY

In the juice industry, the evaporation methodology is used to conserve them, evaporation is a unit operation used to remove water from diluted liquid foods and obtain obt ain a con concent centrat rated ed liquid liquid pro product duct.. For the develo developme pment nt of this this prac practic tice, e, a sample of mandarin juice with a high sucrose content was taken that was prepared to heat and thus be able to evaporate the percentage of water contained in it to determine its percentage of soluble solids, the procedure was based on the extraction of samples every 5 minutes for the reading of ° Brix with a refractometer, its mass and its temperature to be able to find a density value in each of the samples, with said data a balance of mass and density was performed respectively to obtain the final concentration of soluble solids. Keywords: evaporation, Keywords:  evaporation, juices, ° Brix, density, mass

4

 

INTRODUCCION

La evaporación es una operación unitaria empleada para remover agua de los alimentos líquidos diluidos y obtener un producto líquido concentrado 1. Entre los beneficios aportados por este proceso se tienen la reducción de las necesidades de espa espaci cio o pa para ra alma almace cena mien ento to al ya conc concen entr trar arreduce los los su alim alimen ento tos an ante tess de deshidratarlos, congelarlos onami esterilizarlos, que se peso ys volumen; la pasteurización del jugo; la desactivación de las pectinasas que afectan la materia opaca; y la protección contra el deterioro microbiano y prolongación de la vida útil de conservación. La desventaja de la evaporación es que el tratamiento térmico aumenta la susceptibilidad a la oxidación del producto y destruye componentes aromáticos delicados2. La calidad de los jugos concentrados es un factor importante a considerar durante y después del procesamiento, porque la mayoría de los jugos reconstituidos y co come merc rcia ialiliza zado doss pro provi viene enen n de conce concent ntra rados dos,, sien siendo do la lass ca carac racte terí ríst stic icas as de contenido de ácido ascórbico o vitamina C, °Brix, contenido de azúcares totales y reductores, pH, y actividad microbiana, considerados como índices de calidad comercial. Durante el tratamiento con calor los azúcares presentes como sacarosa pueden hidro hidroliliza zars rse e en fr fruct uctuos uosa a y gluc glucosa osa,, sien siendo do esto estoss mo monos nosac acár árid idos os azú azúca care ress reduc red ucto tore ress qu que e pu pued eden en par partitici cipa parr en la lass re reacc accio iones nes de car caram amel eliz izac ació ión n y de Maillard cuando hay aminoácidos presentes, reacciones de pardeamiento noenzimático que producen cambios de color, azúcares y pérdidas de vitamina C que afectan la calidad de los jugos de frutas 3.

El siguiente practica de laboratoriodelfuejugo realizar un de estudio descriptivo delobjetivo procesodedelaconcentración por evaporación natural mandarina y de algunas de las propiedades fisicoquímicas y microbiológicas en el tiempo tales como °Brix y densidad.

 SINGH, Paul; HELDMAN, Dennis. Introduction to Food Engineering, fourth edition. Ed. Copyright. Nueva York. 1993. p. 481. 2  Kimball, D. Procesado de Cítricos. Ed. Acribia, España. 2002. p. 463. 3  Lee, H; Nagy, S. Relationship of sugar degradation to detrimental changes in citrus juice quality. Food Technol. 1988. p. 91-94. 1

5

 

OBJETIVOS 

Demostrar una de las múltiples aplicaciones del balance de materia en el procesamiento de alimentos.



Compara valores establecidos refractometría consolubles. los cálculos mediante balance delosmasa, basándose en elpor contenido de solidos



Crea Crearr de dest stre rezas zas y ha habi bililida dades des nu numé méri rica cas, s, medi mediant ante e la reali realizac zació ión n de un balance de materia simple. MARCO TEORICO

Un zum zumo o co conc ncent entrad rado o se reconv reconvie iert rte e po porr ad adic ició ión n de agu agua a fr fría ía en ca cant ntid idad ad apropiada. apropia da. Ya que la aspira aspiración ción de la concentrac concentración ión de zumos es dar al producto reconvertido el sabor y apariencia lo más similar posible al zumo fresco, un proceso de concentración de zumos debe extraer el agua selectivamente. Lo ideal sería que no se perdieran durante el proceso de concentración de zumos otros productos que no fuesen agua, y que ningún componente cambiase química o bioquímicamente. Esto es una meta difícil de lograr, en vista del hecho de que los zumos de fruta son mezclas complejas que contienen muchas sustancias. El proceso más corriente usado para la concentración de zumos de fruta es la evaporación. Ya que los azucares y otros solidos disueltos más pesados son todos mucho menos volátiles volátiles que el agua, la evapor evaporación ación es una elección lógica. Es un proceso bien conocido y bien desarrollado y es sencillo llevarlo a cabo. Los costes de vapor han sido siempre en la práctica usando una evaporación en múltiples efectos. A pesar del hecho de que la evaporación es sin duda el proceso más corriente, hay varios problemas relativos a ella: 



Los zumos de fruta tienen sustancias térmicamente sensibles y sufren una pérdida pérdid a de sabor y/o color al permanecer permanecer a una temperatu temperatura ra demasiado alta o un tiempo demasiado largo. Tamb Ta mbié ién n de debi bido do a la sensi sensibi bililida dad d té térm rmic ica a de lo loss zum zumos os ha hayy un una a fu fuert erte e tendencia tende ncia a incrustación incrustación en las superficies de transferencia transferencia a calor (formaci (formación ón de un lecho semisólido próximo a la superficie) en los evaporadores. Esta incrustación reduce el coeficiente de transferencia de calor a través de la superficie del evaporador y acentúa la tendencia a una pérdida de sabor  debido al largo tiempo de residencia en el leco incrustado. 6

 



Los componentes volátiles de sabor y aroma escapan rápidamente del zumo durante la evaporación, causando un auténtico detrimento en el sabor.

Considerando primero la mejora del proceso de evaporación, el recurso más obvio para solucionar el problema de temperatura demasiado alta durante tiempo demasiado largo es la evaporación a vació. Cuando la evaporación se lleva a cabo a presión reducida, el punto de ebullición del zumo se encuentra a menor temperatura, y por consiguiente la degradación térmica es menor. Otro recurso es reducir el tiempo de residencia de los distintos elementos del zumo tan uniforme como sea posible. Para este propósito se requiere que la razón superficie de transferencia de calor a volumen sea grande, además de coeficientes de transferencia de calor altos, y de evitar cavidades y rincones que hacen que parte del zumo tenga un largo tiempo de residencia 4. El balance de masa, puede definirse como una contabilidad de entradas y salidas de masa en un proceso o de una parte de éste. No es más que la aplicación de la ley de conservación de la masa que expresa “La masa no se crea ni se destruye”. La realización del balance es importante para el cálculo del tamaño de los equipos de un proceso que se emplean y por ende para evaluar sus costos. Los cálculos de balance de masa son casi siempre un requisito previo para todos los demás cálculos, además, las habilidades que se adquieren al realizar los balances de masa se pueden transferir con facilidad a otros tipos de balances.

4

 KING, Judson. Procesos de separación. Ed. REVERTE S.A. Barcelona. 1979. P. 807-809.

7

 

PROCEDIMIENTO

8

 

RESULTADOS Muestra

Tiempo (min)

°Brix experimentales (%)

Masa (g)

Volumen (mL)

Temperatura (°C)

Volumen resultante (mL)

1 2 3 4 5 6 7 8

0 5 10 15 20 25 30 35

8,2 8,5 8,8 9,1 9,5 10 10,6 12,7

4,51 5,18 5,23 5,25 5,28 5,3 5.33 5,44

5 5 5 5 5 5 5 5

99 99 99 99 99 99 99 99

200 184 168 152 136 103 86 68

TABLA 1. Datos 1. Datos obtenidos en el laboratorio

CALCULOS  Dj =1008 + 4,15 ° Br − 0,6 T 

Donde: Dj: densidad en (kg/m3) Br: grados Brix (°Brix) T: Temperatura



Para un tiempo de 0 minutos.  Dj 1=1008 + 4,15 ( 8,2 )−0,6 ( 99 ) 3  Dj 1= 982,63 kg / m  



Para un tiempo de 5 minutos  Dj 2=1008 + 4,15 ( 8,5 )− 0,6 ( 99 ) 3  Dj 2= 983,875 kg / m  

 (  )(

  Kg 1000 g  Masa extraida=¿  983,875 3 1 Kg m 9

  1m

3

1000000 mL

)∗

5 mL=

4, 9193 g

 



Para un tiempo de 10 minutos  Dj 3 =1008 + 4,15 ( 8,8)− 0,6 ( 99) 3  Dj 3 =985,12 kg / m  

 (  ) (

 Kg 1000 g  Masa extraida=¿  985,12 3 1 Kg m



  1m

3

1000000 mL

)∗

5 mL=

4, 9256 g

Para un tiempo de 15 minutos  Dj 4 =1008 + 4,15 ( 9,1 )− 0,6 ( 99 ) 3  Dj 4 = 986,365 kg / m  

 (  )(

  Kg 1000 g  Masa extraida extraida=¿  986,365 3 1 Kg m



  1m

3

1000000 mL

)∗

5 mL=

4, 9318 g

Para un tiempo de 20 minutos  Dj 5 =1008+ 4,15 ( 9,5)− 0,6 ( 99) 3  Dj 5 =988,025 kg / m  

 (  )(

  Kg 1000 g  Masa extraida=¿  988,025 3 1 Kg m



  1m

3

1000000 mL

)∗

5 mL=

4, 9401 g

Para un tiempo de 25 minutos  Dj 6 =1008 + 4,15 ( 10)− 0,6 ( 99) 3  Dj 6 =990.1 kg / m  

 (  ) (

 Kg 1000 g  Masa extraida extraida=¿  990,1 3 1 Kg m



  1m

3

1000000 mL

)∗

5 mL=

Para un tiempo de 30 minutos  Dj 7 =1008 + 4,15 ( 10,6)− 0,6 ( 99) 3  Dj 7 =992,59 kg /m  

10

4, 9505 g

 

 (  )(

 Kg 1000 g  Masa extraida extraida=¿  992,59 3 1 Kg m



  1m

3

1000000 mL

)∗

5 mL=

4, 9629 g

Para un tiempo de 35 minutos  Dj 8 =1008 + 4,15 ( 12.7)− 0,6 ( 99) 3  Dj 8 =1001,305 kg / m  

 (  ) (

 Kg 1000 g  Masa extraida=¿  1001,305 3 1 Kg m

  1m

3

1000000 mL

)∗

5 mL=

5.0065 g

Tiempo (min)

Densidad en kg/m3

Volumen resultante (mL)

Masa resultante (g)

0

982,63

200

196,526

5 10 15 20 25 30 35

983,875 985,12 986,365 988,025 990,1 992,59 1001,305

184 168 152 136 103 86 68

181,033 165,500 149,927 134,371 101,980 85,363 68,088

Tabla 2. Resultados 2. Resultados de la densidad de cada muestra

Diagrama 1. Diagrama 1. Diagrama de bloques del proceso realizado

11

 

L1= jugo de mandarina L3 = jugo de mandarina concentrado G2 = vapor de agua Tiempo (min)

Concentración de solidos

Concentración de agua

solubles totales (%)

(%)

0

8,2

91,8

5 10 15 20 25 30 35

8,5 8,8 9,1 9,5 10 10,6 12,7

91,5 91,2 90,9 90,5 90 89,4 87,3

Tabla 3. Concentraciones 3. Concentraciones de las muestras para el balance de masa.

Cálculos balance de masa  L 1=G 2+ L 3  L 1 ¿

Despejando G2 G 2¿

G 2=196,526 g ( 0.918 )−68,0887 g ( 0.873) G 2=120,9694 g

Sabiendo que se sacaban muestras de 5 mL cada 10 minutos para llevar a cabo el análisis de solidos solubles y que esta muestra no se devolvía al beaker de calentamiento el anterior resultado obtenido se le tiene que sustraer dicha masa no evaporada, entonces: G 2 final =120,9694 g− 34,6367 g G 2 final =86,3327 g

Para saber teóricamente la cantidad de °Brix presentes: 12

 

 L 1 ¿  L 1 ¿ ¿

Para 5 minutos 196,526 g ( 0,085 ) 181,033 g

  =¿

0,092= ¿

Para 10 minutos 181,033 g ( 0,088) 165,500 g

  =¿

0,096 =¿

Para 15 minutos 165,500 g ( 0,091) 149,927 g

  =¿

0,100 =¿

Para 20 minutos 149,927 ( 0,095 ) 134,371 g

  =¿

0,105 =¿

Para 25 minutos 134,371 g ( 0,10 ) 101,980 g

  =¿

0 , 131=¿

Para 30 minutos 101,980 ( 0,106 ) 85,363 g

  =¿

0,126 =¿

Para 35 minutos 85,363 g ( 0,127 ) 68,088 gr 0,159 =¿

  =¿

13

 

Tiempo (min)

°Brix teóricos (%)

°Brix experimentales (%)

5 10

9,2 9,6

   

8,5 8,8

15 20 25 30 35

10 10,5 13,1 12,6 15,9

 

9,1 9,5 10 10,6 12,7

       

Tabla 4. °Brix 4. °Brix teóricos hallados.

°Brix experimentales experimentales VS °Brix teoricos 18 16 14 12      x 10       i      r       B 8        °

6 4 2 0

5

10

15

20

25

30

35

Tiempo Grafica 1. °Brix 1. °Brix experimentales VS °Brix teóricos con respecto al tiempo

14

 

DISCUSION DE RESULTADOS

 A nivel industrial la evaporación del jugo es realizada para la reducción de las necesidades de espacio para almacenamiento al concentrarlo, ya que se reduce su peso y volum volumen; en; la pasteu pasteurizaci rización ón del jugo; la desactivaci desactivación ón de las pectinasa pectinasass que afectan la materia opaca; y la protección contra el deterioro microbiano y prolongación de la vida útil de conservación. Este método es el más antiguo de los utilizados util izados para la preservación preservación de frutas frutas,, vegetales y derivad derivados, os, esta operación consiste en la remoción del contenido de agua del jugo, de tal manera que todos los componentes sólidos como azúcares de fruta, minerales y vitaminas queden en una solución más concentrada. Conoci Cono cien endo do esto esto se llev llevó ó a cabo cabo el pr proc oces eso o de vapo vapora raci ción ón con con el fin fin de corroborarlo, a fin de esto se tomó una muestra de jugo de mandarina que contiene una gran cantidad de azúcar, para esto se eligió jugo de mandarina dela cadena justo y bueno (Ver imagen anexos)lo para la cual se le realizodeelsupermercados proceso de evaporación, en donde como suennombre indica, elimina el agua líquida (se produce un cambio de fase del estado líquido a gas), quedando el jugo cada vez más conc concent entrad rado. o. Como se pue puede de observ observar ar en la tabla 1,  los °Brix experimentales aumentaban a medida que pasaba el tiempo; al final cuando la masa de jugo estaba casi totalmente evaporada se observa un aumento mayor  respecto a las anteriores, cercano a un comportamiento exponencial. Esto debido a que la concentración se hará más rápido debido que la cantidad de jugo a evaporarr es muy re evapora reducida ducida.. Por otr otra a parte, en la tabla 3 se observa observan n los cambios de concentración cada 5 minutos, en donde la cantidad de agua cada vez será más reducida ya que está siendo removida de la muestra. De igual manera en la tabla 2  se  se observa este comportamiento con la densidad, el dato inicial fue de 0,982 g/mL y al cabo de 35 minutos el dato final fue 1,001 g/mL, esto indica que la concentración de solidos afecta la densidad de la sustancia, debido a que se ve un aumento de esta porque las moléculas están cada vez más  juntas, es decir, de cir, se ha reducido el espacio de movilidad de es estas; tas; de igual manera afecta a la tensión cortante del fluido que hace referencia a la viscosidad, por lo que qu e su flui fluide dezz se ha dism dismin inui uido do con con el au aume ment nto o de la visc viscos osid idad ad.. Es Esto toss parámetros también alteran el color del jugo, al final se obtuvo un jugo de color  anaranjado más intenso que el del comienzo.  Ahora bien realizando un balance de masa el cual se puede observar en el diagrama 1  se puede obtener la masa de agua que fue evaporada del jugo, 15

 

mediante un balance de concentración de agua presente en la muestra inicial (200 mL) y la muestra final (68 mL), sin embargo a esto se le hace la reducción de la masa que fue retirada para hacer los análisis ccada ada 5 minutos, por consiguiente se obtuvo una masa de vapor de agua de 86,3327 g, por lo cual se puede decir que a los 35 minutos se había evaporado cerca del 44% del agua. Finalmente se realiza el cálculo para hallar los grados Brix teóricos de la muestra, en lla a tabl tabla a 4  se puede pueden n ob obser serva varr lo loss °B °Bri rixx te teór óric icos os en co comp mpara araci ción ón a lo loss experimentales, la variación es leve esto indica que la muestra si se encuentra en el rango rango re real al de ca cant ntid idad ad de sa saca caros rosa. a. En la gráfica 1  se puede observar la relación descrita anteriormente con respecto al tiempo. CONCLUSIONES 

 A medida que aumenta el tiempo de evaporación del jugo jugo aumentan los °Brix de este, evidenciándose el agua se del evapora conforme pasa el tiempo y así aumenta el contenido de que solidos totales jugo de mandarina.



El aumento de la densidad de la solución aumenta conforme se evapora el agua, esto indica que la concentración de solidos afecta la densidad de la sustancia, debido a que se ve un aumento de esta porque las moléculas están cada vez más juntas, es decir, se ha reducido el espacio de movilidad de estas BIBLIOGRAFIA



SINGH, Paul; HELDMAN, Dennis. Introduction to Food Engineering, Enginee ring, fourth



edition. Ed. Copyright. Nueva York. 1993. p. 481. Kimball, D. Procesado de Cítricos. Ed. Acribia, España. 2002. p. 463.



Lee, H; Nagy, S. Relationship of sugar degradation to detrimental changes in citrus juice quality. Food Technol. 1988. p. 91-94.



KING, Judson. Procesos de separación. Ed. REVERTE S.A. Barcelona. 1979. P. 807-809.

16

 

ANEXOS

Imagen 1. Imagen 1. Imagen jugo de mandarina utilizado en la práctica de laboratorio 17