Diseño de Un Reactor Batch Para Yogurt[1]

DISEÑO DE UN REACTOR BATCH PARA YOGURT 1. OBJETIVO GENERAL 

Diseñar y construir un reactor batch el cual se utilizara para la elaboración del yogurt, el cual contara con aislante para reducir la perdida de calor.  Encontrar la cinética de reacción para el yogurt.

1.1.OBJETIVOS 1.1. OBJETIVOS ESPECIFICOS 

Calcular la concentración de acido láctico mediante el método de acidez titulable.  Calcular la constante cinetica, considerando una reacción de primer orden.  Calcular el espesor optimo de aislante para que el reactor tenga una perdida de calor minima.  Comprobar la efectividad de un termostato para mantener la temperatura constante.

2. FUNDAMENTO TEORICO Un reactor químico es un equipo en cuyo interior tiene lugar una reacción una reacción química, estando éste diseñado para maximizar la conversión y selectividad de la misma con el menor coste posible. Si la reacción química es catalizada por una enzima purificada o por el organismo que la contiene, se habla de biorreactores. de biorreactores. El  El diseño de un reactor químico requiere conocimientos de termodinámica, cinética química, transferencia de masa y energía, así como de mecánica de mecánica de fluidos; balances fluidos; balances de materia y energía son necesarios. Por lo general se busca conocer el tamaño y tipo de reactor, así como el método de operación, además con base en los parámetros de diseño se espera poder predecir con cierta certidumbre la conducta de un reactor ante ciertas condiciones Reactor batch Trabajan en estado no estacionario y el más sencillo sería un tanque agitado. Este reactor tiene la ventaja de que su costo de instrumentación i nstrumentación es bajo, además de ser flexible en su uso (se le puede detener de modo fácil y rápido). Tiene la desventaja de un elevado costo en su funcionamiento y de mano de obra debido a la gran cantidad de tiempo que se pasa parado debido a la carga, descarga y limpieza; Además no siempre es posible implementar un sistema de control adecuado. Este reactor suele usarse en pequeñas producciones o pruebas piloto. Asumiendo que en un reactor batch la composición es uniforme en cualquier instante y basándose en la selección de un componente limitante; Las ecuaciones de diseño para este tipo de reactor en estado estacionario se deducen de la siguiente forma (se toma como ejemplo la especie molar A):

−+−= ( ) = ) ( )  ) =   El yogurt El origen del yogur se sitúa en Turquía aunque también hay quien lo ubica en los Balcanes, Bulgaria o Asia Central. Su nombre tiene el origen en un término búlgaro: “jaurt“. Se cree que su consumo es anterior al comienzo de la agricultura.

Los pueblos nómadas transportaban la leche fresca que obtenían de los animales en sacos generalmente de piel de cabra. El calor y el contacto de la leche con la piel de

cabra propiciaba la multiplicación de las bacterias ácidas que fermentaban la leche. La leche se convertía en una masa semisólida y coagulada. Una vez consumido el fermento lácteo contenido en aquellas bolsas, éstas se volvía n a llenar de leche fresca que se transformaba nuevamente en leche fermentada gracias a los residuos precedentes. La elaboración de yogur requiere la introducción de bacterias ‘benignas’ específicas en la leche bajo una temperatura y condiciones ambientales controladas (muy cuidadosamente en el entorno industrial). El yogur natural o de sabores de textura firme, requiere de una temperatura de envasado de aproximadamente 43 ° C. y pasar por un proceso de fermentación en cámaras calientes a 43 °C. para obtener el grado óptimo de acidez; este proceso puede llegar a durar aproximadamente cuatro horas. Una vez obtenida, debe enfriarse hasta los 5 grados para detener la fermentación. En los yogures batidos, los de textura cremosa, con o sin frutas, el proceso es diferente, en cuanto la fermentación se realiza en depósitos, previo al proceso de envasado, que se realiza en frío, por lo que no necesita de fermentación posterior. Las bacterias utilizan como fuente de energía la lactosa o azúcar de la leche, y liberan ácido láctico como producto de desecho; este provoca un incremento de la acidez que hace a su vez que las proteínas de la leche precipiten, formando un gel. La mayor acidez (pH 4-5) también evita la proliferación de otras bacterias potencialmente patógenas. eneralmente en un cultivo se incluyen dos o más bacterias diferentes para conseguir una fermentación más completa, principalmente Streptococcus thermophilus subsp. salivarius, miembros del género Lactobacillus, tales como L. bulgaricus y L. casei , y del género Bifidobacterium (antes denominadas L. bifidus). Gracias a Metchnikoff, el yogur alcanzó gran popularidad por el postulado de que el L. bulgaricus prolongaba la vida.

Acidez de la leche La leche, por acuerdo internacional, se define como el producto del ordeño regular y completo de vaca sana, bien alimentada y no fatigada y desprovisto de calostro este último corresponde a la primera leche que produce la vaca que ha tenido un hijo. Se compone de 87% de agua, siendo lo restante grasa, proteínas (caseína y lactoalbúmina), sacarosa, sales minerales como fosfatos, sulfatos, y clo ruros. Es de reacción ligeramente alcalina y al mismo tiempo ácida, por la presencia de fosfatos y de dióxido de carbono. La acidez de la leche se debe a la transformación de la lactosa por acción microbiana en ácido láctico. Para expresar la acidez de la leche existen varias escalas, entre ellas: Dornic (°D). Soxlet-Henkel (S.H.). a. ESCALA DORNIC El grado dornic (°D), empleado en Francia, expresa el contenido de ácido láctico. La acidez dornic es el número de décimas de centímetros cúbicos de soda (hidróxido de sodio), utilizados para valorar 9 mIs de leche en presencia de un indicador (fenolftaleína). 1°D: 1 mg de ácido láctico en 10 mIs de leche, o sea, 0,1 gr por litro ó 0,01% de ácido láctico = 1° Dornic.

b. ESCALA SOXLET-HENKEL El grado Soxlet-Henkel (°SH.), utilizado en Alemania y en Suiza, no toma el ácido láctico como referencia. Equivale a 1 ml de soda, empleada para valorar 100 mIs de leche. (La valoración se hace habitualmente sobre 50 mIs).

Datos Experimentales 

Leche (materia prima)

°Brix= 15 

D°=20

Elaboración de yogurt t

°D

Acido Lactico mg/l

0

20

2

30

25

2,5

60

29

2,9

90

33

3,3

120

40

4

300

60

6

Reacción cinética Si consideramos una reacción de primer orden para un producto:

() =  =

 ( /0) =  

Integrando con el criterio de la conversion: Realizando la regresión con los datos siguientes: t

°D

Acido Lactico mg/l ln (Ac lac)

0

20

30

25

2,5 0,22314355

60

29

2,9 0,37156356

90

33

3,3 0,50077529

120

40

4 0,69314718

300

60

6 1,09861229

=0,004475 () 

2

0

=0,989

Resultando la cinetica de reaccion

 ] () =  =0,004475  [∗ La grafica seria:

C acido lactico vs Tiempo 1.6 1.4     )    o    c    i    t    c    a     l    o     d    i    c    a    C     (    n    L

1.2 1

y = 0.0055x + 0.7181 R² = 0.9915

0.8 0.6 0.4 0.2 0 0

20

40

60

80

100

120

140

Tiempo (min)

3. Construcción de un reactor Bach mediante sus ecuaciones de diseño para la construcción del reactor primero calculamos el tiempo de residencia el cual el reactante estará en el recipiente para que se de la reacción satisfactoriamente. 3.1. Tiempo de reacción El tiempo de reacción viene dado por la ecuación de diseño la cual es:

6  () = ∫ (0,004475  )=245.49=4.01ℎ 3.2. Diseño térmico

Para el diseño térmico calculamos el espesor del aislante con los siguientes datos y ecuaciones:

=

1− ln(21) + 1 2∗3.14∗∗ ℎ∗2

Mediante el método de la resistencias. Asumimos una resistencia de pared de 13°C para la convección natural

 = 1 Numero de grasolf

 ∗∗(−)  =   Para la formula de numero de nussel:

 = ℎ∗ 

Para los datos de trabajo hallamos que el Ra=488720.40 Por lo que el numero de nussel es igual a:

=0.59∗/ Por lo que el hconvectivo=3(W/m2°c) Con esos datos y tomando en cuenta K=0.035 para el polietireno expandido Sacamos la siguiente tabla de datos: paso de calor

radio 2

0,09 4,60892905 0,1

2,6964485

0,11 1,95334594 0,12 1,55725744 0,13 1,31056518 0,14 1,14180999 0,15

1,0188679

0,16 0,92515526 0,17 0,85124318 0,18 0,79137314 0,19 0,74182843 0,2 0,70010216 0,21 0,66444157 0,22 0,63358391

Por lo cual trabajamos con un espesor de dos centrimetros y vimos que la disipación de calor se reduce a más de la mitad que sin el aislante. 3.3. Fuente de calor del reactor La fuente de calor del reactor es una resistencia de acuario de 25 watts de portencia y 35°C como rango mayor de temperatura. 3.4. Comentarios sobre la agitación No se puso una fuente de agitación por el motivo de evitar cortar la leche y separar el suero de esta misma además que sus contribuciones a uniformizar la temperatura serian muy pocas en función a su perjuicios

4. Estructura del reactor y fotos sobre las pruebas

5. Conclusiones y recomendaciones -

-

Recomendamos precalentar la leche para que sea mas fácil la inoculación y después introducirla al racctor. El aislante resulto muy efectivo al la hora de realizar el coeficiente convectivo se lo trabajo a 15 y la temperatura de pared a 17 °C por lo cual se calculó dicho aislante con una temperatura de pared de 16 °C La velocidad de reacción tiene el criterio de aparición de reactivo y no asi de desaparición. Se logro obtener tanto teóricamente como analí ticamente el tiempo de residencia esperado.

6. Bibliografía - https://es.wikipedia.org/wiki/Reactor_qu%C3%ADmico - https://es.wikipedia.org/wiki/Yogur

-

http://alimka2014.blogspot.com/2014/07/determinacion-de-la-acidez-de-laleche.html - apuntes de la materia de diseño de reactores