1.introduccion a ingeniería de alimentos
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INTRODUCCION A INGENIERÍA DE ALIMENTOS
1. INTRODUCCION
2. PROCESO
3. DIAGRAMAS DE FLUJO
4. OPERACIONES BASICAS
5. REGIMEN ESTACIONARIO Y REGIMEN TRANSITORIO
6. OPERACION INTERMITENTE Y EN CONTINUO
6.1. Elección del tipo de proceso
7. INGENIERIA DE LOS PROCESOS AGROINDUSTRIALES
La industria alimentaria del presente tiene sus orígenes en la prehistoria.
Fue en este período en el que el hombre comenzó a conservar los alimentos para evitar el hambre o mejorar su calidad.
Secó el grano para mejorar su conservación y asó la carne para mejorar su sabor.
Posteriormente desarrolló máquinas para el tratamiento de los alimentos que permitieron reducir el tiempo y el esfuerzo requeridos por los métodos manuales.
1. INTRODUCCION
En la actualidad, como en el pasado, el objeto de la industria alimentaria es:
a.- Prolongar el período en que el alimento permanece comestible (vida útil) mediante técnicas de conservación que inhiben el crecimiento microbiano y los cambios bioquímicos, lo cual permite aumentar el tiempo para su almacenamiento y distribución.
b.- Aumentar la variedad de dieta ampliando el rango de sabores, colores, aromas y textura (calidad organoléptica o sensorial).
c.- Proporcionar los nutrientes necesarios para la conservación de la salud.
d.- Generar beneficios.
Proceso es toda actividad industrial encaminada a modificar las propiedades o características de un material (materia prima), a fin de obtener un producto que cumpla con estos objetivos.
2. PROCESO
Los procesos industriales se suelen esquematizar mediante diagramas de flujo.
El más sencillo de ellos es el diagrama de rectángulos o de bloques, que es una representación esquemática de un proceso industrial.
Café tostado
Residuo solido
MOLIENDA EXTRACCION
Agua caliente
PRECALENTAMIENTO
Extracto de café (solución diluida)
EVAPORACION EnergíaSolución concentrada
Vapor de agua
SECADOCafé soluble
Agua
3. DIAGRAMAS DE FLUJO
LAVADO
RASPADO
Zumo concentrado y congelado
Naranjas
Serrín PRENSADO
Aceites esenciales
PulpaEXTRACCION Cortezas
Zumo bruto
SEDIMENTACION Y TAMIZADO
Pulpa
Zumo tamizado
EVAPORACION
Zumo concentrado
SEPARACION DE AROMAS
CONGELACION
Aromas
TRITURACIONTRATAMIENTO CON CaO
PRENSADO
SECADO
Suero
MOLIENDA
Harina para pienso
SECADOEXTRACCIONMOLIENDASemillas de soja
FILTRACION
Miscela (disolvente + aceite + sólido suspendido)
EVAPORACION a P= 1atm
EVAPORACION A VACIO
AceiteREFINADO
Aceite refinado
Harina empapada con disolvente
ENFRIADO
Harina de soja
Disolvente
Disolvente
Torta
LIMPIEZA/LAVADO
CALIBRADO
ACONDICIONAMIENTO
SELECCIÓN/REPASO
ESCALDADO
ENFRIADO
RECEPCION
REPASO/CLASIFICACION
ENVASADO/LLENADO
PRECALENTAMIENTO
CERRADO
TRATAMIENTO TERMICO
ENFRIADO
ALMACENAMIENTO
DISTRIBUCION
LÍQUIDO DE GOBIERNOSALMUERA
Sal + Agua + AditivosALMIBAR
Azúcar + Agua + Aditivos
DISOLUCIÓN EN CALIENTEFILTRADO
ENVASES
PRODUCTOS QUIMICOS
ENERGIA
AGUA DE PROCESO
VAPOR DE AGUA
PREALMACENAMIENTO
R
V
R V
R
V
R
V
V VERTIDOS
R RESIDUOS
Se observa que cualquier proceso se compone de una sucesión de etapas de fabricación y que hay una serie de etapas que se repiten en distintos procesos.
Se denominan “Operaciones Básicas” al conjunto de etapas de fabricación que son comunes a gran número de procesos industriales. En total existen 15 o 20 Operaciones Básicas o Unitarias.
4. OPERACIONES BASICAS
PROCESO
OPERACIONES BÁSICAS
MATERIAS PRIMAS
ETAPAS FÍSICAS
ETAPAS QUÍMICAS
ETAPAS BIOQUÍMICAS
ETAPAS FÍSICAS
PRODUCTOS FINALES SUBPRODUCTOS
Etapas físicas Etapas químicas Etapas bioquímicasMoliendaMezcladoSedimentaciónFiltraciónExtracción sól-líqExtracción líq-líqAbsorciónRectificaciónIntercambio calorEvaporaciónCongelación SecadoLiofilización…
Refinado (aceites)Pelado químico (frutas)Precipitación química…
FermentaciónEsterilizaciónPasteurizaciónDigestión enzimática…
Según la naturaleza de la transformación que se lleve a cabo, las Operaciones Básicas pueden ser:
4. OPERACIONES BASICAS
Un sistema se dice que está en régimen estacionario cuando sus propiedades físicas (mecánicas y termodinámicas) permanecen constantes e invariables con el tiempo en cualquier punto del sistema, pudiendo ser distintas de uno a otro punto.
Las propiedades físicas a considerar pueden ser, según su naturaleza:
- mecánicas: caudal, velocidad, etc.
- termodinámicas: viscosidad, concentración, temperatura...
Cuando las propiedades físicas en un punto del sistema varían con el tiempo se dice que el sistema está en estado no estacionario o en régimen transitorio.
5. REGIMEN ESTACIONARIO Y REGIMEN TRANSITORIO
Vapor de agua
Agua condensada
Tv=110 ºCLeche
T = 30 ºC T = 90 ºCT = 50 ºC T = 70 ºC
TC=110 ºC
En un intercambiador de calor, respecto de la temperatura¿está en régimen estacionario o transitorio?¿y respecto la materia?
T = cte
T = f (x,y,z,t)
Los sistemas de las figuras ¿están en régimen estacionario o transitorio respecto de la temperatura?
T = cte
T = f (t)
H2O
[ ] = f (x,y,z,t)
NaCl + H2O
V = (2gh)1/2
V = f(t)h
Los sistemas de las figuras ¿están en régimen estacionario o transitorio respecto de la concentración?
El sistema de la figura de la izquierda ¿está en régimen estacionario o transitorio respecto de la velocidad?
H2O
[ ] = f (t)
NaCl + H2O
Este sistema:
¿Está en régimen estacionario o transitorio respecto de la concentración?
¿Está en régimen estacionario o transitorio respecto de la masa total?
(xe ≠ x)
H2O
X = f (t)
M =Mo
NaCl + H2O
Xs = X
ms = me
Xe
me
6. OPERACION INTERMITENTE Y EN CONTINUO
Operación Intermitente:
Se efectúa en una serie de etapas sucesivas en el tiempo (siempre en régimen no estacionario).
1.- Carga del material en el equipo.
2.- Preparación del material para su transformación (mezclado, precalentamiento...).
3.- Transformación propiamente dicha.
4.- Descarga del producto obtenido.
5.- Limpieza del equipo.
Operación Continua:
Todas las etapas se realizan simultáneamente (la puesta en marcha y el final en régimen no estacionario, a pleno funcionamiento en régimen estacionario “a régimen”).
REACCION
Calefacción
DESCARGA
Jabón
CARGACARGA GrasaKOH
(C17H33COO)3 C3H5 + 3KOH 3C17H33COOK + C3H5(OH)3
oleato de glicerilo potasa oleato potásico
glicerina(grasa) (jabón)
270 ºC
30 atm
Vapor de agua
Grasa y Catalizador
Glicerina
HIDROLIZADOR
Jabón (líquido)
Acidos grasos KOHMEZCLADOR - NEUTRALIZADOR
Las corrientes de alimentación entran al proceso continuamente y la saponificación tiene lugar en dos etapas: Hidrólisis(1) y Neutralización (2).
(1) (C17H33COO)3 C3H5 + 3H2O 3C17H33COOH + C3H5 (OH)3
(2) C17H33COOH + KOH C17H33COOK + H2O
Pasteurización 85 ºC
Enfriamiento 50 ºC
Adición de pectinasas 50 ºC (2h)
Enfriamiento 7 ºC
Adición de gelatina + bentonita (24-30 h) y decantación
Zumo claro 20000 l (80%)
Zumo opaco 5000 l (20%)
Filtración diatomeas
Filtración placas y marcos
ZUMO CLARIFICADO
Centrifugación
Lodos 1500 l (30%)
Zumos a destilación 3500 l (70%)
Decantación en tanque intermedio
Calentamiento
Ultrafiltración 55 ºC
Zumo clarificado 24450 l (98%)
Retenido 550 l (2%)
Adición de enzimas
Permeado
Concentrado
ZUMO BRUTO DE PRENSA 25000 LITROS
Los costes totales por metro cúbico (m3) obtenido de zumo de manzana clarificado, median el proceso de ultrafiltración (UF) y filtración clásica con tierra de diatomeas (FD), expresados en dólares del año 1986, son de 2,78 dólares por el método UF, y de 11,62 dólarespor el método FD.
Discontinuo (FD)
Continuo (UF)
6.1. Elección del tipo de procesoEl proceso discontinuo se caracteriza por:
- Empleo de un relativamente elevado número de operarios.
-Tiempos muertos de producción (periodos en los que no obtenemos transformación).
Ventajas:
a.- Mayor flexibilidad para la elaboración de diversos tipos de productos a distintas capacidades de producción.
b.- Menores gastos de inversión en instalaciones.
c.- Mayor sencillez del control del proceso de elaboración.
Desventajas:
a.- Mayores costos de mano de obra.
b.- Mayor gasto de agua y energía y menor eficacia en la utilización de ésta y de los materiales.
c.- Utilización de mayor espacio para la elaboración.
d.- Menor uniformidad del producto.
6.1. Elección del tipo de procesoEl proceso continuo se caracteriza por:
- Empleo de poca mano de obra.
- No existen tiempos muertos de producción.
Ventajas:
a.- Permiten la automatización (ahorro de mano de obra).
b.- Permiten el aprovechamiento del "calor" o del "frío" mediante el empleo de cambiadores de calor.
c.- Se obtienen productos de composición uniforme.
d.- Se producen mayores cantidades y más baratas.
Desventajas:
a.- Materia prima con una composición uniforme o que varíe poco.
b.- Puesta en marcha costosa
c.- Almacenamiento elevado de materia prima y de producto acabado.
6.1 Elección del tipo de proceso
Se utilizarán métodos de producción en continúo:
a.- Cuando exista la suficiente demanda como para mantener una elevada capacidad de producción durante la mayor parte de la jornada laboral o el año.
b.- Cuando necesitemos un producto de calidad uniforme.
Se utilizarán métodos de producción discontinuos:
a.- Cuando las producciones sean limitadas.
b.- Cuando durante el día o la semana se requiere cambiar la formulación del producto.
c.- Cuando en la instalación tengamos que elaborar diferentes productos, debido a la estacionalidad de las materias primas.
Esquema de un pasteurizador con recuperación de calor
Fluido refrigerante
Fluido calefactor
Alimento
ENFRIAMIENTORECUPERACION
DE CALOR
MANTENIMIENTO
CALENTAMIENTO
20 ºC
70 a 90 ºC 90 a 98 ºC
90 a 98 ºC
35 a 45 ºC20 a 25 ºC
15 a 18ºC
7. INGENIERIA DE LOS PROCESOS AGROINDUSTRIALESLa ingeniería de los procesos agrícolas es la ciencia de:
concebir,
calcular,
diseñar,
hacer construir
y funcionar
las instalaciones donde efectuar a escala industrial y del modo más económico posible los procesos de transformación de los productos agrícolas.
La ingeniería, por tanto no puede limitarse a una descripción razonada de los procesos y equipos utilizados, sino que debe permitir mejorar los procesos y equipos ya existentes, sustituyéndolos por otros con los que se consiga mejorar la calidad y/o disminuir los costes.
Materias primas
Productos acabados
Ingeniería deProcesos
Los medios que utiliza para poder llevar a cabo estos objetivos son:
1.- Los conocimientos científicos.
2.- El diseño de diagramas de flujo.
3.- Estudio de las propiedades físico-químicas de los alimentos que permitan predecir su comportamiento en los procesos.
4.- Balances de materia y energía.
5.- Estudio de los estados de equilibrio.
6.- Estudio de los fenómenos de transporte.
7.- Establecimiento de condiciones óptimas de funcionamiento.
8.- Diseño de equipos.
9.- Desarrollo de sistemas de control.
Conceptos:
Proceso
Operación Básica o Unitaria
Régimen Estacionario
Régimen Transitorio
Operación o Proceso Intermitente
Operación o Proceso en Continuo
Ingeniería de Procesos
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