Diseño de una planta procesadora de Néctar de Fruta.docx

2013 Diseño de una planta procesadora de Néctar de Fruta

NATALIA MOSCOSO, ROBERTO GUANOLUISA, WLADIMIR TIERRA

ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL Facultad de Ingeniería Química y Agroindustria 10/09/2013

RESUMEN El siguiente trabajo es el diseño de una planta procesadora de néctar de naranja (Citrus sinensis) localizada en la provincia de Bolívar, en el cantón Caluma. El diseño se realizó de manera que el proceso optimice recursos, garantice el producto inocuo y que cumpla los estándares nacionales e internacionales para satisfacer el mercado ecuatoriano existente. Se plantearon dos alternativas de tecnologías para el procesamiento de la fruta, se presentan a demás los diagramas de bloques del proceso, se detallan los equipos a utilizar y las actividades e interrelaciones con ayuda de diagramas y tablas. Se realizaron los balances de masa y energía para los requerimientos de la planta. Finalmente se realizó la distribución de la planta en el programa Visio 2010, la simulación de la operación más crítica en el programa en Excel 2007 con el uso de macros, programando en Visual Basic y se simuló todo el proceso en el programa SIMUL8.

TABLA DE CONTENIDOS Resumen……………………………………………………………………………………………………………………………………………….. 2 1.

Ingeniería Conceptual ........................................................................................................................... 6

1.1 Definición del producto .......................................................................................................................... 6 1.2 Capacidad y localización de la planta...................................................................................................... 7 1.3 Estudio de la disponibilidad de materia prima e insumos ...................................................................... 7 1.4 ANÁLISIS DE LAS ALTERNATIVAS TECNOLÓGICAS................................................................................... 8 1.5. Sistemas auxiliares requeridos ........................................................................................................... 11 2.

Ingeniería Básica ................................................................................................................................. 15

2.1 Introducción .......................................................................................................................................... 15 2.2 Descripción del alcance del proyecto ................................................................................................... 17 2.3 Estándares y normas técnicas nacionales e internacionales a utilizar ................................................. 17 2.4 Sistema de unidades a utilizar .............................................................................................................. 17 2.5 Diseño del proceso tecnológico ............................................................................................................ 18 2.5.1 Diagrama de bloques (BFD) ............................................................................................................... 18 2.5.2 Diagrama de flujo (PFD) ..................................................................................................................... 23 2.5.3 Plano de simbología, abreviaturas y nomenclatura utilizadas en Equipos y líneas de corriente ...... 24 2.5.4 Descripción detallada del proceso ..................................................................................................... 24 2.5.5 Número de operarios ......................................................................................................................... 27 2.5.6 Sumario de propiedades de las corrientes ........................................................................................ 27 2.5.7 Balance de masa y energía................................................................................................................. 28 2.6 Diseño básico de la planta .................................................................................................................... 30 2.6.1 Tabla relacional de actividades .......................................................................................................... 30 2.6.2 Lista de equipos en cada área ............................................................................................................ 31 2.6.3 Hoja de especificaciones técnicas de los equipos.............................................................................. 31 2.6.4 Distribución en planta del área de producción.................................................................................. 34 2.7 Simulación de un proceso ..................................................................................................................... 39 2.7.2 Simulación del trabajo de la planta………………………………………….……………………............................... 39 2.8 identificación de equipos…………………………………………………………………………………………………………………41 2.9 identificación de tuberías…………………………………………………………………………………………………………………43 2.10 curva de operación de la bomba……………………………………………………………………………………………………46

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2.11 requerimientos de agua y de vapor………………………………………………………………………………………………49 2.12 circulación de agua……………………………………………………………………………………………………………………. 52 2.13 selección del caldero……………………………………………………………………………………………………………………54 2.14 plan de limpieza y desinfección de la planta procesadora de néctar de naranja…………………………..55 2.15 identificación de puntos críticos y puntos críticos de control en el proceso………………………………. 59

CONTENIDO DE FIGURAS Fig. 1. Diagrama de flujo de elaboración de néctar de naranja .................................................................. 11 Fig. 2. Diagrama de flujo de elaboración de néctar de naranja .................................................................. 12 Fig. 3 Diseño final de la planta procesadora de néctar de naranja............................................................. 13 Fig. 4. Tendencia consumo de jugo de fruta en Quito. (Banco Central del Ecuador, 2009) ....................... 16 Fig.5. Diagrama básico del procesamiento de néctar de naranja ............................................................... 19 Fig.6. Diagrama de los pasos del procesamiento de néctar de naranja ..................................................... 20 Fig.7. Diagrama de los equipos del procesamiento de néctar de naranja.................................................. 21 Fig.8. Diagrama de recorrido del procesamiento de néctar de naranja ..................................................... 22 Fig.9. Diagrama de la ingeniería del procesamiento de néctar de naranja ................................................ 23 Fig. 10 Balance y energía del proceso de producción de néctar de naranja .............................................. 29 Fig. 11 Tabla relacional de actividades realizadas en la planta procesadora de néctar de naranja ........... 30 Fig. 12 Distribución de equipos a utilizar en una procesadora de néctar de naranja para el área de producción ..................................................................................................... Error! Bookmark not defined. Fig. 13. Distribución final de equipos en una planta procesadora de néctar de naranja ........................... 36 Fig. 14 Distribución de equipos en una empresa procesadora de néctar de naranja ................................ 38 Fig. 15. Simulación del proceso completo en Simul8……………………………………………………………………………..41 Fig. 16. Diagrama de equipos con su respectiva identificación para procesamiento de néctar de naranja………………………………………………………………………………………………………………………………………………….43 Fig. 17. Color de las tuberías de la lavadora de cepillos con su identificación…………………………………………44 Fig. 18. Color de tuberías que transportan fluidos hasta la mezcladora………………………………………….……..44 Fig. 19. Tubería que sale del mezclador hacia el pasteurizador……………………………………………..……………..45 Fig. 20. Tubería con su respectiva señalética que sale de la caldera al pasteurizador……………………………45

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Fig. 21. Tubería que transporta el néctar de naranja desde el pasteurizador hasta la embotelladora con su señalética…………………………………………..…………….…………………………………………..…………….………………………..46 Fig. 22. Simulador para determinar curvas de operación de la empresa American-Marsh Pumps…………47 Fig. 23. Curva de operación 1 para las condiciones determinadas…………………………………………..…………….48 Fig. 24. Curva de operación 2 para las condiciones determinadas……………………………………………..………….48 Fig. 25. Curva de operación 3 para las condiciones determinadas………………………………………………...…… 49 Fig. 26. Operaciones unitarias del proceso y líneas de circulación de agua……………………………………..……52 Fig. 27. Reservorio de agua……………………………………..………..………………………………………………..……………….53

CONTENIDO DE TABLAS Tabla 1. Relación de producción de naranja de Caluma frente a la producción nacional ............................ 7 Tabla 2. Disponibilidad en el Ecuador de insumos locales e importados para la elaboración de néctares de frutas. ....................................................................................................................................................... 8 Tabla 3. Consumo de jugo de fruta en Quito (Banco Central del Ecuador, 2009) ...................................... 16 Tabla 4. Magnitudes y unidades en el sistema SI …………………………………………………………………………………. 18 Tabla 5. Símbolos utilizados ........................................................................................................................ 24 Tabla 6. Formulación del néctar de naranja ............................................................................................... 26 Tabla 7. Balances de masa en elaboración de jugo de naranja .................................................................. 27 Tabla 8. Requerimiento de agua en todo el proceso

............................................................................. 28

Tabla 9. Energía requerida para la pasteurización...................................................................................... 28 Tabla 10. Listado de equipos en la planta procesadora de néctar de naranja ........................................... 31 Tabla 11. Equipos empleados en el proceso ............................................................................................... 32 Tabla 11. Equipos empleados en el proceso (Continuación) ...................................................................... 33 Tabla 11. Equipos empleados en el proceso (Final) .................................................................................... 33 Tabla 12. Identificación de equipos y áreas para planta procesadora de néctar de naranja…………….…….43 Tabla 17. Resumen de los colores y adhesivos de las tuberías que transportaron a los fluidos que intervinieron en el proceso……………………………………………………………………………………………………………………45 Tabla 18. Cantidad de agua diaria requerida para el procesamiento de néctar de naranja……………………49

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Tabla 19. Cantidad de vapor de agua diario requerido para el procesamiento de néctar de naranja……49 Tabla 22. Frecuencia de limpieza de las diferentes zonas de la planta procesadora de néctar de naranja………………………………………………………………………………………………………………………………………………..55 Tabla 23. Ejemplo del registro de monitoreo de limpieza…………………………………………………………………….56 Tabla 24. Resumen de análisis de análisis de peligros y puntos de control critico Néctar de Naranja…..61

1. INGENIERÍA CONCEPTUAL 1.1 DEFINICIÓN DEL PRODUCTO El producto a elaborar es néctar de naranja (Citrus sinensis) pasteurizado, con sabor similar a naranja fresca con largo tiempo de vida útil. Según la norma INEN 2337:08 (jugos, pulpas, concentrados, néctares, bebidas de frutas y vegetales. Requisitos) néctar es un producto obtenido de mezclar jugo o pupa de fruta con agua, endulzantes y demás aditivos permitidos. Establece también que debe tener las características sensoriales propias de la naranja, sin sabores ni olores extraños. El pH debe ser menor a 4,5 y el contenido mínimo de sólidos solubles (°Brix) es 4,5. Esta norma también permite el uso de edulcorantes aprobados por la NTE INEN 2074, Codex Alimentario y la FDA, a demás de la adición permitida de vitaminas según la norma NTE INEN 1 334-2. Como requisitos específicos se establece que el aporte de fruta de alta acidez será mínimo del 5% en peso. En el néctar de naranja a elaborar se adicionará ácido cítrico para regular el pH. Tanto el benzoato como el sorbato de sodio como conservantes se añadirán con el fin de alargar la vida útil de producto final. Las características sensoriales del producto a elaborar son: Sabor. A jugo de naranja fresco, sin sabor amargo ni exceso de endulzante. Color. Amarillo claro similar al jugo de naranja. Olor. A naranja fresca.

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Las características fisicoquímicas del néctar a elaborar son: pH 4,5 y 9 °Brix. 1.2 CAPACIDAD Y LOCALIZACIÓN DE LA PLANTA La planta procesadora de néctar de naranja se localizará en el cantón Caluma ubicado a 62 km al sur occidente de Guaranda, capital de la Provincia de Bolívar. Su producción de naranja es una de las más grandes del Ecuador. Se establecerá la planta cerca de la producción de materia prima y debido a que la localización de la planta es céntrica para cualquier parte del Ecuador se proveerá inicialmente a la provincia y posteriormente a nivel nacional. El lugar donde se establecerá la planta posee sistemas de electricidad y suministro de agua regulados por el municipio del Cantón. Las plantas procesadoras dentro del cantón son de producción de cacao fermentado y tostado para exportación al igual que plantas procesadoras de café que también se produce en la zona, pero no existe ninguna procesadora de naranja, es por eso que la producción se destina a venta como fruta fresca.

La capacidad de producción de la planta es de 800 L diarios que se van a envasar y sellar en botellas de 500ml, finalmente se embalaran con láminas de polietileno termo encogible en grupos de 12 botellas plásticas. 1.3 ESTUDIO DE LA DISPONIBILIDAD DE MATERIA PRIMA E INSUMOS MATERIA PRIMA Ya que las condiciones climáticas y las características propias de la provincia de Bolívar son favorables para el cultivo de naranja se tiene como resultado que en el año 2012 se registraron 10 639 hectáreas de cultivo de naranja, de las cuales 2 650 hectáreas se encuentran en el Cantón Caluma. (Armas A. 2012). Comparando la producción a nivel nacional se tiene la siguiente tabla, donde se observa que la producción de la provincia de bolívar en alta, corresponde al 60,3% a nivel nacional, mientras que Caluma corresponde al 25% dentro del cantón. Tabla 1. Relación de producción de naranja de Caluma frente a la producción nacional

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Nivel

Producción

Producción

AÑO

%

(Has)

(TM)

Nacional

42 440

149 380

2001

100

Provincial

10 630

90 092

1996

60,3

Caluma

2 650

22 482

1996

25,0 Fuente: INEC,2010

La naranja cultivada en se vende como fruta fresca dentro y fuera de la provincia por lo que en este proyecto empleará el excedente de la producción de la zona para la producción de néctar. Según el ministerio de agricultura en el 2011 la producción de la fruta estuvo entre las 5.000 y 6.000 toneladas por hectárea al año. INSUMOS En el Ecuador según estudios de la Flacso se puede disponer de insumos nacionales o extranjeros como se observa en la siguiente tabla. Tabla 2. Disponibilidad en el Ecuador de insumos locales e importados para la elaboración de néctares de frutas. Insumos CATEGORÍA

% total

Nacionales por

Insumos

Importados por

categoría Aditivos, azúcar, saborizantes,

%total

categoría

3 674 937

15.7

-

0

5 337 352

22.8

303 089

12.6

Frutas y pulpas

12 776 733

54.6

2 110 550

87.4

Otros

1 629 894

7

-

0

Total

23 418 916

esencias, almidones Envases, envolturas, etiquetas, empaques en general

8 413 639 Fuente: Flacso – MIPRO 2011

1.4 ANÁLISIS DE LAS ALTERNATIVAS TECNOLÓGICAS

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Para el procesamiento de néctar de naranja se presentan varias alternativas en las diferentes etapas del proceso de producción como la selección y clasificación de materia prima, el tratamiento para garantizar la inocuidad del producto final, la forma de extracción del jugo de la fruta, envasado, embalado, etc. Clasificación y selección. Esta etapa se puede realizar manualmente y por separado, primero la clasificación de fruta en buen estado y posteriormente la selección por tamaño dependiendo de los parámetros de funcionamiento del extractor a utilizar. Por otra parte se puede realizar también con equipos que trabajen de forma automática con sensores de color que determinen el grado de madurez de la fruta y la clasifique de tal forma que se garanticen las características del jugo para la mezcla y el producto final. En este proyecto se realizará la clasificación y la selección de forma consecutiva manualmente mediante el uso de una banda transportadora larga con adecuada distribución del personal. Esta alternativa se escogió debido a su bajo costo y mejores resultados en la selección. Tratamiento para garantizar inocuidad. En esta etapa se pueden emplear tecnologías emergentes como tratamientos con altas presiones o tratamientos con pulsos eléctricos para eliminar microorganismos. El tratamiento tradicional que se puede utilizar y es el mas empleado es la pasteurización a pesar del cambio de sabor que se presenta después del tratamiento se prefiere por su bajo costo y efectividad. En este proyecto se usará la pasteurización como tratamiento para garantizar la inocuidad debido que no es una producción tan grande que pueda justificar una inversión en una tecnología emergente como altas presiones. A demás de la disponibilidad de los equipos en el Ecuador. Extracción del jugo. Para esta etapa las alternativas dependen fundamentalmente del nivel de producción y del diámetro de la materia prima y el sistema a emplear existen sistemas de perforación y presión o corte y presión. Debido al costo y el volumen de producción de la planta se utilizará el sistema de corte y presión continuo. Envasado y embalado. Dependen del nivel de producción y si se realizará en el mismo equipo el embase, sellado y embalado.

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Para este proyecto se empleará una envasadora selladora con sistemas de llenado automático y posteriormente se realizará en embalado en otro equipo.

A. PROPUESTAS INICIALES PARA EL DISEÑO La primera alternativa presentada fue la que se observa en la figura 1 en donde se emplean tratamientos como tamizado, desairado, homogenizado y para la garantizar la inocuidad se emplea altas presiones.

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70000 kg naranjas /día

Recepción

Selección 1

Lavado

Fruta rechazada

Selección 2

Clasificación según tamaño

Extracción

Tamizado

Residuos

Mezcla

Presurización

Envasado

500 lt/día

Fig. 1. Diagrama de flujo de elaboración de néctar de naranja

Otra alternativa presentada inicialmente fue la que se observa en la figura 2 donde el tratamiento para garantizar la inocuidad es con tratamiento térmico (pasteurización).

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70000 kg naranjas /día

Recepción

Selección 1

Lavado

Fruta rechazada

Selección 2

Clasificación según tamaño

Extracción

Tamizado

Residuos

Mezcla

Pasteurización

Almacenamiento

500 lt/día

Fig. 2. Diagrama de flujo de elaboración de néctar de naranja

B. SELECCIÓN DEL DISEÑO FINAL Comparando las dos alternativas presentadas, analizando costos de equipos y simplicidad del proceso se decidió implementar una única zona de clasificación y selección antes de la etapa de lavado. Para garantizar la inocuidad se tenían dos alternativas.

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La pasteurización permite obtener un producto inocuo pero con sabor diferente al del jugo fresco, sin embargo el costo de implementación es aceptable y la disponibilidad del equipo es alta. El tratamiento con altas presiones permite obtener un producto inocuo con características similares a las del jugo fresco, el sabor no se cambia y no se pierde vitamina C como ocurre con el tratamiento térmico. Finalmente se decidió usar el tratamiento de pasteurización como se observa en la figura 3 debido al costo, a la disponibilidad del equipo y según el estudio de mercado.

NARANJAS 1000 kg 831,02 kg de néctar de naranja Recepción de la materia prima Empacado Selección y clasificación Envasado aséptico

Extracción

Mezcla

Desaireado

Enfriado

Esterilización

Precalentamiento

Fig. 3 Diseño final de la planta procesadora de néctar de naranja

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1.5 SISTEMAS AUXILIARES REQUERIDOS Para las operaciones de la planta se requieren instalaciones adicionales que permitan el funcionamiento de los equipos. Los sistemas a utilizar son: 

Válvula de verificación



Válvula de control



Bomba centrifuga



Sistema de tuberías con aislante para el vapor de la caldera y el condensado.



Tuberías de trasporte del néctar



Sistema de energía eléctrica



Cisterna



Sistema de drenaje



Equipos anti-incendios



Tuberías de agua potable

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2. INGENIERÍA BÁSICA 2.1 INTRODUCCIÓN El néctar de naranja, es una de las bebidas más elaboradas a nivel mundial, por la facilidad de trabajo, la gran disponibilidad de materia prima, y principalmente es muy apreciada por sus alto contenido de vitamina C, la cual es indispensable para que el ser humano, principalmente en el combate contra enfermedades, incluida las respiratorias.

En la fabricación de néctar de naranja, los procesos de fabricación permiten tener un producto de alto nivel de calidad, natural, y de bajo costo para el consumidor. La aplicación de tecnologías de preservación de alimentos, como la pasteurización por ejemplo, permite tener alimentos asépticos y de alto valor nutritivo cuando se aplica el tratamiento adecuado para garantizar la presencia de vitamina C, la cual es de interés para el público consumidor de este producto.

Según estadísticas del Banco Central del Ecuador, la tendencia ha ido de la mano con el aumento de la población en Quito, es decir, a mayor población, mayor cantidad de jugo en demanda, aunque no se poseen encuestas específicas para cada tipo de jugo, se conoce que el consumo de jugos, año tras año, va en aumento, lo que motiva, a todas las empresas productoras de jugos a centrar su demanda hacia este sector alimenticio de bebidas.

Este proyecto busca el procesamiento de jugo natural de naranja, aunque necesariamente, necesita la presencia de conservantes, pero en mínima cantidad, con el fin de proveer una bebida natural de alto valor nutritivo. En la siguiente figura y tabla, se muestras las tendencias que posee el consumo de jugos de frutas en el sector de Quito, esta es la motivación para este proyecto.

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Consumo PC

CONSUMO PER CAPITA (250 mL) 150000000 145000000 140000000 135000000 130000000 125000000 1998

2000

2002

2004

2006

2008

2010

Año

Fuente: Banco Central del Ecuador, 2009 Fig. 4. Tendencia consumo de jugo de fruta en Quito.

Tabla 3. Consumo de jugo de fruta en Quito

Fuente: Banco Central del Ecuador, 2009

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2.2 DESCRIPCIÓN DEL ALCANCE DEL PROYECTO Diseñar una planta procesadora de néctar de naranja mediante la elección adecuada de alternativas del proceso de producción, utilizando el excedente de producción de materia prima en el cantón Caluma.

2.3 ESTÁNDARES Y NORMAS TÉCNICAS NACIONALES E INTERNACIONALES A UTILIZAR Para la elaboración del néctar de naranja se toman en cuenta los parámetros establecidos en las siguientes normas INEN:

Jugos, pulpas, concentrados, néctares, bebidas de frutas y vegetales. Requisitos, INEN 2337:08, establece los requisitos específicos que debe cumplir un néctar de fruta.

Permite el uso de endulzantes y aditivos alimentarios, a demás de proporcionar las características fisicoquímicas, el recuento total de microorganismos, composición mínima de jugo de fruta en el néctar y los límites establecidos de aditivos.

Aditivos alimentarios permitidos para consumo humano. Listas positivas. Requisitos NTE INEN 2074, en donde se encuentran los edulcorantes aprobados por el Codex Alimentario y la FDA, a demás de lista de vitaminas permitidas como aditivos.

2.4 SISTEMA DE UNIDADES A UTILIZAR

El sistema de unidades a utilizar es el sistema internacional (SI), las unidades y magnitudes se encuentran detalladas en la siguiente tabla 4.

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Tabla 4. Magnitudes y unidades en el sistema SI MAGNITUD

UNIDAD

SÌMBOLO

Longitud

Metro

m

Masa

Kilogramo

kg

Tiempo

Segundo

s

Temperatura

Kelvin

K

Energía

Joules

J

Potencia

kilowatios

kW

2.5 DISEÑO DEL PROCESO TECNOLÓGICO A continuación se presentan los diagramas del proceso tecnológico a utilizar en la planta procesadora de néctar de naranja. Todos los diagramas fueron realizados en el programa Visio 2010.

2.5.1 DIAGRAMA DE BLOQUES El diagrama de bloques o diagrama básico que se presenta en la figura 5 es la secuencia de los pasos para la realizacion de néctar de naranja. Adicionalmente se tiene marcadas las etapas después de las cuales se debe realizar la documentación correspondiente. El diagrama básico sirve para tener una visión general del proceso que se va a realizar sin mayor detalle aparte de la secuencia de actividades a realizar.

El siguiente diagrama es el de pasos del proceso (figura 6) donde se detallan los parámetros de las operaciones a realizar como temperatura, tiempo, además de los equipos, la cantidad de materia prima a procesar y la cantidad de néctar que se va a obtener después de una jornada laboral.

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DIAGRAMA BÁSICO

INICIO

FIN

RECEPCIÓN DE LA MATERIA PRIMA

EMPAQUE Y DISTRIBUCIÓN

PESADO DE LA MATERIA PRIMA

REGISTROS

DISTRIBUCIÓN REGISTROS, FACTURAS EMBALADO

SELECCIÓN Y CLASIFICACIÓN EMPAQUE

LAVADO DE LA MATERIA PRIMA

ENVASADO

EXTRACCIÓN DEL JUGO

PASTEURIZACIÓN

MEZCLA (Formulación)

ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL: DISEÑO DE PLANTAS AGROINDUSTRIALES I

Diagrama básico del proceso de producción de néctar de naranja. NATALIA MOSCOSO WLADIMIR TIERRA 08/07/2013 Facultad de Ingeniería Química y Agroindustria

Fig.5. Diagrama básico del procesamiento de néctar de naranja

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PASOS DEL PROCESO 1000 kg naranjas/día

831,02 kg/día

RECEPCIÓN EMBALAJE Y DISTRIBUCIÓN

En kavetas plásticas

El embalaje es en empaques de 12 y 24 botellas de 500ml. Se realiza en la fajadora con film termoretráctil

PESADO En balanza digital, se apilan 4 kavetas a la vez

ENVASADO CLASIFICACIÓN Y SELECCIÓN

Se envasa en una envasadora selladora.

En una banda transportadora se voltean las kavetas y se retiran las mas pequeñas o en mal estado PASTEURIZACIÓN En un pasteurizador de tubos se realiza el desairado y se somete al néctar a 65°C por 30 min y se enfría hasta 5°C

LAVADO En la lavadora de frutas, con cepillos rotatorios y aspersores de agua con desinfectante

EXTRACCIÓN

PESO DE INGREDIENTES

MEZCLA

En el exprimidor automático con sistema corte presión

En una balanza se pesan todos los ingredientes de la formulación del néctar

Se mezclan todos los ingredientes en una pequeña cantidad de jugo y luego se agrega a todo el tanque de mezcla con agitación

ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL: DISEÑO DE PLANTAS AGROINDUSTRIALES I

Diagrama de pasos del proceso de producción de néctar de naranja. NATALIA MOSCOSO WLADIMIR TIERRA 08/07/2013 Facultad de Ingeniería Química y Agroindustria

Fig.6. Diagrama de los pasos del procesamiento de néctar de naranja

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EQUIPOS NARANJAS 1000 kg Balanza de acero inoxidable Pasteurizador tubular HTSTS con desaireador

Mesa de acero inoxidable

Bomba

Lavadora de cepillos

Exprimidora automática de acero inoxidable

Envasadora . selladora

Tanque de mezclado con agitador

Empacadora

Bomba

831,02 kg de néctar de naranja envasado

ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL: DISEÑO DE PLANTAS AGROINDUSTRIALES I

Diagrama de equipos del proceso de producción de néctar de naranja. NATALIA MOSCOSO WLADIMIR TIERRA 08/07/2013 Facultad de Ingeniería Química y Agroindustria

Fig.7. Diagrama de los equipos del procesamiento de néctar de naranja

El diagrama que se muestra en la figura 7 muestra los equipos necesarios para el procesamiento de néctar de naranja. La distribución de los quipos corresponde al orden de las operaciones consecutivas a realizarse según el diagrama básico.

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DIAGRAMA DE RECORRIDO

RECEPCIÓN

Desechos

SELECCIÓN

Desechos

CLASIFICACIÓN

LAVADO Corteza y semillas

EXTRACCIÓN

MEZCLA

PASTEURIZACIÓN ENVASADO

EMBALAJE

DISTRIBUCIÓN Y ENTREGA

ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL:

Diagrama de recorrido del proceso de producción de néctar de naranja. NATALIA MOSCOSO WLADIMIR TIERRA DISEÑO DE PLANTAS 08/07/2013 AGROINDUSTRIALES I Facultad de Ingeniería Química y Agroindustria

Fig.8. Diagrama de recorrido del procesamiento de néctar de naranja

El diagrama de recorrido presentado en la figura 8 permite identificar el flujo de materia prima, material procesado y producto terminado de tal forma que en la tabla relacional de actividades se puedan establecer las interacciones de cada actividad.

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2.5.2 DIAGRAMA DE FLUJO (PFD)

INGENIERÍA DEL PROCESO NARANJAS 1000 kg

Balanza de acero inoxidable Bomba de vacío

Mesa de acero inoxidable Pasteurizador tubular HTSTS

Lavadora de cepillos Bomba

Exprimidora automática de acero inoxidable

Envasadora . selladora

Tanque de mezclado con agitador

Empacadora

Bomba

ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL: DISEÑO DE PLANTAS AGROINDUSTRIALES I

831,02 kg de néctar de naranja envasado Diagrama de ingeniería del proceso de producción de néctar de naranja. NATALIA MOSCOSO WLADIMIR TIERRA 08/07/2013 Facultad de Ingeniería Química y Agroindustria

Fig.9. Diagrama de la ingeniería del procesamiento de néctar de naranja En la figura 9 se muestra el diagrama de ingeniería del proceso donde se detallan los equipos a utilizar y los equipos que permitirán su funcionamiento correcto como bombas.

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2.5.3 PLANO DE SIMBOLOGÍA, ABREVIATURAS Y NOMENCLATURA UTILIZADAS EN EQUIPOS Y LÍNEAS DE CORRIENTE La simbología empleada en la distribución de planta y en los diagramas de flujo anteriores fueron los estándares de American Society of Mecanical Engineers (ASME). A continuación se indica brevemente los símbolos utilizados y su significado. Tabla 5. Símbolos utilizados SIMBOLO

ACTIVIDAD / ÁREA

Blanco/ negro

Operación/ Montaje

Color Verde** Rojo**

Almacenamiento

Amarillo **

Transporte

Amarillo **

Inspección/ Control

Azul **

Espera

Amarillo **

Servicios

Azul**

Oficinas/

Marrón **

administración *ASME standard 2.5.4 DESCRIPCIÓN DETALLADA DEL PROCESO

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El proceso de elaboración de néctar de naranja se realiza siguiendo los pasos establecidos en el diagrama de procesos, a continuación se detallan las etapas del proceso. RECEPCIÓN La materia prima se recepta en gavetas plásticas y se pesa en la balanza industrial en no más de cuatro gavetas apiladas llenas de naranjas. El número de operarios en esta etapa dependen de la cantidad de materia prima a receptar. SELECCIÓN Y CLASIFICACIÓN La selección y clasificación se realizará mediante el uso de una banda transportadora, una persona al inicio de la banda transportadora se encargará de separar las naranjas en mal estado y las depositará en gavetas para posteriormente trasladar a la zona de desechos. Otra persona en la parte final verificará el tamaño adecuado para el ingreso posterior en la extractora. LAVADORA DE FRUTA La banda trasportadora de selección y clasificación termina en la alimentación de la lavadora de frutas. En esta etapa las naranjas dentro de la lavadora se rocía inicialmente con agua y desinfectante, posteriormente se enjuagan con agua a presión mediante los aspersores superiores al mismo tiempo que se realiza la rotación de cepillos eliminado la suciedad existente en la superficie de las frutas. Una vez terminado el trabajo de la lavadora, se retiran todas las frutas lavadas en gavetas limpias y se alimentan al extractor de jugo, en la parte superior. EXTRACTOR DE JUGO La exprimidora de frutas emplea el sistema de corte presión para extraer el jugo de la naranja. Inicialmente las cuchillas cortan la parte superior de la naranja, la boquilla superior desciende, penetra y presiona la naranja mientras que las bandas laterales hacen girar a la naranja y también la presionan.

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El jugo se transporta por la boquilla superior mientras que las pepas y la cáscara se desechan por la parte inferior del extractor. FORMULACIÓN DEL NÉCTAR DE NARANJA La formulación fue realizada tomando en cuenta el estudio de mercado en cuanto a las características del néctar de naranja más consumido, además de las Normas Técnicas Ecuatorianas en donde establecen los niveles permitidos de uso de aditivos y conservantes. Según las normas INEN especificadas anteriormente, al néctar de naranja se adicionará ácido cítrico para regular el pH. Tanto el benzoato como el sorbato de sodio son conservantes y se añadirán con el fin de alargar la vida útil de producto final. La formulación empleada en el néctar de naranja se muestra en la siguiente tabla. Tabla 6. Formulación del néctar de naranja INGREDIENTES Agua Azúcar Ácido cítrico Benzoato de sodio Sorbato de potasio

PORCENTAJE % 89,78 9,00 0,82 0,30 0,20

PESO (kg) 379,44 28,25 6,67 2,49 1,66

MEZCLA Una vez pesados los ingredientes para la formulación de la tabla anterior se procede a mezclar el jugo de naranja extraído junto con los demás ingredientes. Inicialmente se disuelven y mezclan los ingredientes en un volumen pequeño de jugo utilizando un envase metálico de 1litro y finalmente se agrega a todo el tanque de mezclado lleno de jugo de naranja recién exprimido. Una vez uniforme la mezcla se procede a realizar la pasteurización. PASTEURIZADOR El tratamiento térmico se realiza en el pasteurizador una vez este cargado completamente. El vapor sobrecalentado ingresa a la tubería del pasteurizador y

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calienta el jugo hasta que llegue a la temperatura requerida y se mantenga. Inmediatamente ingresa agua fría en el equipo para realizar en enfriamiento rápido. ENVASADO, SELLADO Y EMBALADO La alimentación de la envasadora-selladora es mediante la tubería de salida del pasteurizador, se conecta directamente y realiza automáticamente el llenado y sellado de botellas de polietileno de 500ml. Las botellas salen del envasado y sellado en línea consecutiva conectada directamente con el equipo de embalaje en donde se ordenan en filas de tres y columnas de 4, de tal forma que se embalen 12 botellas plásticas con el termo encogible. 2.5.5 NÚMERO DE OPERARIOS Debido a que la planta se encuentra automatizada se requieren máximo de cuatro personas en producción para el trabajo de la planta. Adicionalmente se tiene el personal administrativo, chofer de entregas, recepcionista, gerente de ventas, gerente de producción y gerente general lo que da como resultado un total de 9 personas dentro de la organización. 2.5.6 SUMARIO DE PROPIEDADES DE LAS CORRIENTES Tabla 7. Balances de masa en elaboración de jugo de naranja BALANCES DE MASA SALE OPERACIÓN

ENTRA

Recepción Selección y clasificación Lavado Extracción

1000 kg 1000 kg 902,1 kg 902,1 kg 415,51 kg (jugo de naranja) 379,44 kg (agua) 28,25 kg (azúcar) 6,67 kg (ác. Cítrico) 2,48 kg (benzoato de Na) 1,66 kg (sorbato de K) 831,02 kg 831,02 kg

Mezcla*

Pasteurización Envasado

PRODUCTOS 1000 kg 902,1 kg 902,1 kg 415,51 kg

COPRODUCTOS 0 kg 97,9 kg 0 kg 488,59 kg

831,02 kg de néctar

0 kg

831,02 kg 831,02 kg

0 kg 0 kg

*Fuente: Industrialización de la naranja (IICA,1995).

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BALANCE DE ENERGÍA Pasteurización

Masa de agua requerida para enfriamiento

(

)

Tabla 8. Requerimiento de agua en todo el proceso REQUERIMIENTOS DE AGUA Lavado 2000 kg Formulación 379,44 kg Pasteurización (vapor) 4,81 kg Pasteurización (enfriamiento) 61,61 kg TOTAL 2245,86 kg

Tabla 9. Energía requerida para la pasteurización BALANCES DE ENERGÍA Operación Energía requerida Pasteurización 143,2 kJ / s

2.5.7 BALANCE DE MASA Y ENERGÍA Los balances de masa y energía se resumen en el siguiente diagrama (figura 10) realizado en Visio 2010. Se detallan los flujos en cada proceso y la potencia de cada equipo a utilizar.

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BALANCE DE MASA NARANJAS 1000 kg RECEPCIÓN 0,37 KW

SELECCIÓN Y CLASIFICACIÓN

Fruta rechazada 97,9 kg 902,1 kg de naranjas

BALANCE DE ENERGÍA

0,56 kW

Agua + desinfectante 1800 kg

0,9 kW

LAVADO

Agua + desinfectante 1800 kg

EXTRACCIÓN

Desechos 488,59 kg

415,51 kg de jugo de naranja 1,5 kW

4,47 kW

DESAMARGADO FORMULACIÓN Agua (88,78%) 379,44 kg Azúcar (9%) 28,25 kg A. cítrico (0,82%) 2,49 kg Benzoato de Na (0,3%) 2,49 kg Sorbato de K (0,2/) 1,66 kg

MEZCLA 831,02 kg de néctar de naranja

143,2 kJ/s

PASTEURIZACIÓN

2,5 kW

ENVASADO

17,9 kW

EMPACADO 831,02 kg de néctar de naranja ENVASADO

ESCUELA POLITÉCNICA Diagrama de balances de energía y masa del proceso de producción de néctar de naranja. NACIONAL: NATALIA MOSCOSO WLADIMIR TIERRA DISEÑO DE PLANTAS 08/07/2013 AGROINDUSTRIALES I Facultad de Ingeniería Química y Agroindustria

Fig. 10 Balance y energía del proceso de producción de néctar de naranja

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2.6 DISEÑO BÁSICO DE LA PLANTA 2.6.1 TABLA RELACIONAL DE ACTIVIDADES La tabla relacional de actividades que se presenta a continuación muestra todas las actividades a realizar en el proceso de elaboración de néctar de naranja. Claramente se observa que existen muchas actividades cuya cercanía entre sí “no es deseable” ejemplo de esto es entre recepción y lavado, pasteurización y recepción, extracción y embotellado, etc. También existe la relación “poco importante” ejemplo de esto se presenta entre embalaje y la cisterna, lavado y bodega, etc. Finalmente también se presentan relaciones “importantes”,

“sin importancia”,

“especialmente importante” o “Absolutamente necesario”. La mayoría de la proximidad se debe a que prioriza la higiene, el control, la seguridad del producto y la accesibilidad de materiales y equipos en el proceso.

Fig. 11 Tabla relacional de actividades realizadas en la planta procesadora de néctar de naranja

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Referencias para la tabla relacional 1 2 3 4 5 6 7 8

MOTIVO Proximidad en el proceso Higiene Control Frio Malos olores, ruidos, … Seguridad del producto Utilización de material común Accesibilidad

A

PROXIMIDAD Absolutamente necesario

E I O U X

Especialmente importante Importante Poco importante Sin importancia No deseable

2.6.2 LISTA DE EQUIPOS EN CADA ÁREA En la siguiente tabla se observa las etapas del proceso y los quipos a utilizar en cada área. Tabla 10. Listado de equipos en la planta procesadora de néctar de naranja ETAPA DEL PROCESO

IDENTIFICACIÓN

ETAPA DEL PROCESO

IDENTIFICACIÓN

RECEPCIÓN

balanza industrial

MEZCLA

Tanque de mezcla

SELECCIÓN Y CLASIFICACIÓN

Banda trasportadora

MEZCLA

Agitador

LAVADO

Lavadora de fruta

PASTEURIZACIÓN

Pasteurizador HTST

EXTRACTOR

Extractor de jugo

ENVASE Y SELLADO

Embotellador

MEZCLA

Balanza para ingredientes

EMBALAJE

Embalador

CUARTO DE MAQUINAS

Caldero

2.6.3 HOJA DE ESPECIFICACIONES TÉCNICAS DE LOS EQUIPOS

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Tabla 11. Equipos empleados en el proceso EQUIPO Balanza

ESPECIFICACIONES Material: acero inoxidable Capacidades: 75kg x 10gr / 150kg x 20gr / 300kg x 50gr Base: Aluminio reforzado Alimentación: Fte. 220 vca y batería interna recargable

SIS AUXILIAR Energía eléctrica

AREA Dim. Plataforma: 42,5 x 52,5 cm

Kavetas plásticas

Capacidad: 40 kg Dimensiones: 60cm L x 40 cm A x 30 cm H Capacidad de apilamiento: 10 kavetas x 40 kg = 400 kg

Banda transportadora

Material: aluminio y banda de caucho Capacidad: 4 ton Potencia: 0,5 hp

Proveedor de energía eléctrica

Largo: 10 m Ancho 1 m

Lavadora de fruta

Capacidad: 2 ton/h Material: acero inoxidable 304 Requerimiento de agua relación 2 a 1 de fruta. Potencia: 2,4 hp

Tubería de agua Sistema de recirculación

8,2 m2

Extractor de jugo

Material: acero inoxidable Potencia: 1,2 hp Capacidad: 500 kg/h hasta 800 kg/h

Kavetas para basura y transporte de la misma. Manualment e

0,41 m2

240 cm2

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Tabla 11. Equipos empleados en el proceso (Continuación)

EQUIPO Mezclado: Tanque de agitación

ESPECIFICACIONES Material: Acero Inoxidable AISI 316 Incluye sistema de agitación, velocidad de agitación ajustable. Capacidad: 200 lt.

SIS AUXILIAR N/A

AREA Área base: 1m2 Altura: 1 m

Pasteurizador HTST

Acero Inoxidable: AISI 316 de zona en contacto con producto y AISI 304 el resto. Ra < 0,8 µm. Fibras < 15% Temperatura máxima: 120 ºC Temperatura de entrada: >5ºC Tiempo de residencia: de 30s – 60s Desaireador (P