Obtencion de Leche en Polvo Mediante Secado Por Aspersion

DISEÑO DE UN PROCESO DE OBTENCION DE LECHE EN POLVO

HECTOR LUIS HERNANDEZ HERNANDEZ CASAR DAVID PEÑATE QUIROZ ALDEMAR VERBEL VE RBEL NAVARRO NAVARRO CARLOS EUGENIO SUAREZ VASQUEZ

OPERACIONES UNITARIAS II

INTRODUCCIÓN La leche es uno de los productos de gran valor proteico pero también bastante perecedero por lo que la mayoría de las fábricas que producían leche para el consumo directo, hoy en día transforman la leche en una gran variedad de productos como, las leches concentradas (evaporadas y condensadas), la leche en polv polvo, o, las las lech leches es ferm fermen enta tada dass (yogu (yogurt rt,, Kumi Kumis, s, Kefi Kefir, r, entr entre e otra otras). s). on la obtenci!n de dichos productos se puede lograr una conservaci!n por períodos más prolongados de la leche y contribuir a la nutrici!n del hombre en la medida que aportan los mismos nutrientes de la leche y me"or a#n se logra una me"or  digestibilidad de esos nutrientes. La características características principales principales que se tienen en cuenta para medir la calidad calidad de la leche son la densidad, índices criosc!pios y de refracci!n, acide$, grasa y s!lidos no gras grasos os,, cant cantid idad ad de leuc leucoc ocititos os,, gérm gérmen enes es pat! pat!ge geno noss y pres presen enci cia a de antisépticos, antibi!ticos y sustancias alcalinas. uando se tienen una leche pasteri$ada para el proceso de obtenci!n de leche en polvo, esta se calienta y se vuelve a pasteri$ar y se concentra en equipos llamados evaporadores, que eliminan la mayor parte del agua que posee la leche. %osteriormente en el proceso esta leche es concentrada y se homogeni$a para evitar que se separe separe la materia materia grasa cuando se reconstit reconstituye uye la leche en polvo. polvo. &ambién reduce el el contenido contenido de de cierto cierto tipo de de grasas que en contacto contacto con el o'ígeno del aire, alteran el sabor sabor de la leche en polvo. l secado por aspersi!n es un proceso para convertir un alimento líquido en un polv polvo o por por evap evapor orac aci! i!n n del del solv solven ente te.. omp ompar arad ado o con con otro otross proc proces esos os de evaporaci!n, el secado por aspersi!n tiene la gran venta"a que el producto puede ser secado sin mucha pérdida de volátiles o componentes termolábiles. stas venta"as son especialmente importantes en la producci!n de material alimenticio tales como leche en polvo y café instantáneo. Los volátiles en estos procesos son aromas los componentes termolábiles son las proteínas. n un secador por aspersi!n, un líquido o una suspensi!n se atomi$an o se rosea en una corriente de gas caliente para obtener una lluvia de gotas finas. l agua se evapora de dichas gotas con rapide$, y se obtienen partículas secas de s!lido que se separan separan de la corriente corriente de gas. gas. l flu"o flu"o de gas y de líquido líquido de la cámara cámara de aspersi!n aspersi!n puede ser a contra corriente corriente o en paralelo, paralelo, o una combinaci!n combinaci!n de ambos.

*entro de la cámara spray o aspersi!n se forman partículas de leche en polvo de distinto tama+o. tama+o. Las partículas más chicas, llamadas finos, finos, se separan del resto y se van incorporando incorporando al proceso proceso en las etapas siguientes, siguientes, las las que no alcan$an a tener este tama+o y no poseen esta granulometrí granulometría a son reprocesadas reprocesadas y se reali$a la recirculaci!n de estas. OBJETIVOS

Objetivo general. •

eali$ar un dise+o del proceso de secado de leche por medio de aspersi!n teniendo en cuenta las propiedades de la leche.

Objetivos espec!icos. •

•

•

•

onocer onocer el comportamient comportamiento o del mercado mercado de la leche en polvo obtenida por  medio de secado. *eterminar las características de la leche como materia prima para el proceso de evaporaci!n y secado posterior. -dentificar las operaciones reali$adas y características de los equipos en el proceso de obtenci!n de leche en polvo. *ete *eterm rmin inar ar las las cond condic icio ione ness de opera operaci ci!n !n y resul resulta tados dos esper esperad ados os del proceso de obtenci!n de leche en polvo

RESU"EN n el presente dise+o dise+o se plante! plante! una descripci!n descripci!n de la producci!n y demanda demanda a nivel regional y nacional de la materia prima a procesar y el producto final como lo es la leche en polvo, notando las tendencias del crecimiento de estos dos datos estadísticos para conocer las venta"as de la producci!n de leche en el polvo teniendo teniendo en cuenta la disponibilidad disponibilidad de la materia prima. La caracteri$ac caracteri$aci!n i!n de la materia prima es un detalle importante para la determinaci!n de los parámetros del dise+o, debido a que se conocen las propiedades de la materia prima a mane"ar en el proceso de obtenci!n de leche en polvo. &ambién &ambién se tuvo en cuenta las operaciones que se tienen que reali$ar en los procesos de evaporaci!n y posterior secado de la leche, determinando las condiciones que se deben tener en cuenta en cada una de las etapas de estos, las especificaciones de los equipos empleados en los procesos de evaporaci!n y secado es reali$ada de forma detallada para conocer que cuidados se deben tener y la eficacia de los procesos ya mencionados. e establecieron las condiciones de operaci!n de los procesos para la materia prima y el adecuado funcionamiento de los equipos, además se determinaron las consideraciones necesarias para el desarrollo de los cálculos de de los balances del proceso.

DESCRI#CIÓN DE $% DE"%ND% N%CION%$ & RE'ION%$ DE$ #RODUCTO % OBTENER *e acuerdo con cálculos del consumo aparente, durante los #ltimos ocho a+os, se estima que el consumo de leche en olombia es en promedio de /01 litros por  habitante a+o. eg#n estudios de fedegán, la leche líquida presenta mayor  frecuencia de consumo en comparaci!n con otros derivados lácteos, siendo los estratos altos de la poblaci!n los mayores consumidores. l consumo per cápita de leche del país ha venido aumentado durante los #ltimos a+os, presentando una variaci!n absoluta de /0,2 litros por habitante de 3443 a 3445, lo que ha impulsado el crecimiento de la producci!n. in embargo, durante 344263445 fue necesaria la intervenci!n del gobierno nacional para hacer frente a un período de sobreproducci!n, para lo cual se establecieron campa+as de consumo, compras y almacenamiento. eg#n datos de la encuesta nacional agropecuaria 3445, se puede establecer que del volumen de leche producida diariamente a nivel nacional, el 7/8 lo consume la industria procesadora de lácteos, el 918 lo demanda la cadena de los intermediarios, el /48 se destina para el autoconsumo en finca, el 58 es procesado en finca y un 78 corresponde a otros destinos. la leche consumida por la industria en su mayoría se destina a la producci!n de leche pasteuri$ada (928), leche en polvo (358), leche uht (/58), quesos (28) y otros productos (18) (/).

DESCRI#CIÓN DE $% #RODUCCIÓN N%CION%$ & RE'ION%$ DE $% "%TERI% #RI"% % UTI$I(%R.

olombia se ha posicionado como el cuarto productor de leche con un volumen apro'imado de 1.044 millones de toneladas por a+o, superado s!lo por :rasil, ;é'ico y 5 a 1,044 millones en 34/4, con una tasa de crecimiento promedio de 9.08.

?igura /. %roducci!n de leche fresca en 1 cm que giran a 9.704 rpm. %ueden producir  partículas muy finas pero también gruesas, traba"ar con líquidos viscosos y a velocidades lentas. %to,ia)or a presi+n- l líquido se bombea a presi!n alta a través de un orifico peque+o formando una niebla de líquido en forma de cono hueco. %to,ia)or ne*,Ftico- Ftili$a una alta velocidad del gas que permite crear  fuer$as de fricci!n elevada que causa la rotura del líquido en gotas. ste mecanismo usa como medio gaseoso aire y vapor. eg#n el contacto aire6gota, e'isten tres formas básicas de contacto aire6gota@ l*jo paralelo- l asper"ado y el aire caliente se introducen en la $ona superior  de la cámara y via"an en la misma direcci!n a través del secador, el aire caliente contacta inicialmente a las gotas atomi$adas. sto favorece a los materiales

termolábiles, ya que éstos son protegidos de las altas temperaturas por  enfriamiento evaporativo. l gas de secado se va enfriando al pasar a través de la cámara y las partículas secas se encuentran con aire más frío a la salida del equipo. uando se utili$a un atomi$ador rotatorio se presenta un perfil homogéneo de temperaturas dentro de la cámara de secado.

l*jo a contracorriente@ l aire de secado y el asper"ado se mueven en direcciones opuestas en la cámara de secado debido a que las partículas secas se ponen en contacto con el gas más caliente y el tiempo de e'posici!n es mayor, el dise+o se propone para productos no termolábiles. n estos casos, el producto seco sale a una temperatura tan alta como la del gas de secado. ste arreglo se utili$a cuando se quiere impartir ciertas cualidades al producto, como por e"emplo, una alta densidad a granel para el caso de detergentes. l*jo ,i1to@ Fna boquilla se coloca en el fondo de la cámara, dirigida hacia arriba, dentro de la corriente descendente del gas, cuya entrada se encuentra en el techo de la cámara, este arreglo no se recomienda para productos termolábiles ya que las partículas secas están en contacto con el aire más caliente, sin embargo se recomienda para partículas gruesas en cámaras peque+as, ya que la longitud del patr!n de via"e de las partículas es grande. e ha observado que estas partículas pueden presentar movimiento dentro de la cámara tanto del tipo paralelo como en contracorriente. CONDICIONES REGUERID%S EN E$ #ROCESO DE SEC%DO #OR %S#ERCION l secado por aspersi!n consiste en cuatro etapas@   2634600 kj

kg

=

10640,73 kj

kg F  II 

−

1357567,7 kj

h

−2415,3  F  II 

9553/1>,>="Ih Q 2330,79 F  II   F  II = 485,34

 kg Ec # 8 h

empla$ando c. 2 en c. 0  F  I =2,01 ( 485,34 )−356,44 kg / h  F  I =719,09 kg / h

*e esta manera V 3= F  II −c & V 3= 485,34 −241,9

V 3=240,44

 kg h

V 2= F  I − F  II & V 2=719,09 −485,34

V 2=233,75

 kg h

V 1= F − F  I  &V 1= 1000−719,01

V 2=280,91

 kg h

Balance )e ,asa 6 energa en el e!ecto >. 1

 F  I Cp F T  F + W C  % g( c )= F  I Cp I T  I + V  I  %  I  + W S %  F (1 S )  I 

W C =W S

 F  I Cp F T  F + W C C % g (c ) − %  F ( 1 S) = F  I Cp I T  I + V  I  %  I 

W C ( % g (c ) − %  F ( 1 S) )  Q  F  I Cp I  T  I + V  I  %  I + F  I  Cp F  T  F  W C = 298,97 kg / h

C%$OR SU"INISTR%DO EN C%D% EECTO )1=W C  [ % g − %  F ] )1=298,97 kg / h [ 2706,23 −504,704 ]

 kj kg

)1=¿

)2=V  [ % V − %  F 2 ] )2=181,1  *W  )3=V 2 [ % V  2− %  F 2 ] )3=233,75 [ 2617,5 −272,116 ]

>=9 P

)3=152,28  *W 

MRE%S DE C%D% EECTO  

 + 1=

182800

3151,45

 + 2=

2

" c

16,80 ºC 

181100 w

 

2782,36

 

 + 3=

w

=3,45 "2

w 2

" c

=3,37 "2

19,3 ºC 

152280

2555,2

w 2

" c

=2,88 "2

20,72 ºC 

alculando el área media tenemos@  + "e'ia =

 + 1 + + 2 + + 3 3

=

3,45 + 3,37 + 2,88 3

=3,23 "2

e puede notar que las áreas difieren menos del /48 del área media, por tanto no es necesario volver a recalcular las áreas para cada evaporador. eguidamente hallamos la economía del proceso de evaporaci!n@ 298,97 kg / h =¿=

 E=

V 1 + V 2 + V 3 = W c

2,52 kg / h 'e ( genera'o

kg / h 'e ( su"inistra'o ( 280,91 + 233,75 + 240,44 ) kg / h

¿

Calc*lo )el n,ero )e t*bos en los evapora)ores eg#n los parámetros de dise+o las medidas de los tubos son@ •

Longitud de los tubos del evaporador@ 9,0 m *iámetro de los tubos del evaporador@ 3 pulg l área de un tubo está dado por@  + tubo = ∗ -∗ . Ec # 9

 + tubo = ∗0,051 "∗3,5 "=0,56 "

2

l n#mero de tubo está dado por la ecuaci!n@ ºntubos=

 + Total  +tubo

 Ec # 10

%or lo tanto pare el primer efecto@ ºntubos 1=

+1  + tubo

=

3,45 "

2

0,56 "

2

= 6,16 tubos / 7 tubos

%ara el segundo efecto@ ºntubos 2=

+2  + tubo

=

3,37 "

2

0,56 "

2

= 6,02 tubos / 7 tubos

%ara el tercer efecto@ ºntubos 3=

+3  + tubo

=

2,88 "

2

0,56 "

2

=5,14 tunos/ 6 tubos

C%$CU$OS EN E$ #ROCESO DE SEC%DO

DI%'R%"% DE$ #ROCESO

?igura 1. %roceso de secado de la leche en polvo. ;ediante las condiciones de entrada del aire al calentador referenciadas por ''' (&Q9/G y Mumedad relativa Q298) y la temperatura de salida del calentador  (&Q/>0G), se determin! la humedad relativa con la que entra el aire al secador  mediante el softUare de psicrometría C