PROYECTO FINAL TERMODINMICA APLICADA AL PROCESO DE ELABORACIN DE MERMELADA

TERMODINMICA

PRESENTADO POR

DENNIS ANDREA HERNNDEZ 52499189

PRESENTADO A

CARLOS GERMAN PASTRANA BONILLA

UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA - UNADESCUELA DE CIENCIAS BSICAS, TECNOLOGA E INGENIERABOGOT D.C.,

CONTENIDO

INTRODUCCIN3OBJETIVOS4LLUVIA DE IDEAS ACERCA DE LOS DIFERENTES PROCESOS PARA LA ELABORACIN DE UN PRODUCTO5DESCRIPCIN DEL PROCESO6MANEJO TERMODINMICO8CONCLUSIONES14BIBLIOGRAFA15

INTRODUCCIN

La termodinmica es considerada como la ciencia encargada del estudio de la energa trmica, su transferencia, transformacin, degradacin y disipacin (interacciones energticas); de all sus diversas aplicaciones que van desde los organismos microscpicos y aparatos domsticos hasta los vehculos y sistemas de generacin de potencia. Gran parte de los procesos industriales hacen uso de los principios tcnicos derivados de la termodinmica, como lo son la mecnica de fluidos y la transferencia de calor y masa con el fin de analizar y disear objetos para satisfacer diversas necesidades.

En el caso de la ingeniera de alimentos, es primordial la aplicacin de los principios involucrados en las variaciones energticas relacionadas con los procesos qumicos, fsicos o fisicoqumicos implcitos en la transformacin de determinada materia prima hasta la obtencin de un producto final; la fundamentacin de estos procesos est basada principalmente en leyes, propiedades de las sustancias (aire, agua, vapor, refrigerantes) y en los equipos usados.

Dicho lo anterior, el presente trabajo pretende mostrar de forma concreta la aplicacin de algunos conceptos de termodinmica (ley cero, trabajo, primera y segunda ley, ciclos termodinmicos, entre otros) en el proceso industrial de elaboracin de mermelada de mango, por medio de algunos clculos y principios que se irn presentando en la medida que el proceso se va describiendo.

OBJETIVOS

OBJETIVO GENERAL

Demostrar la aplicacin de la termodinmica, por medio del uso de conceptos y principios que impliquen energa, calor, masa, trabajo, entre otros en el proceso de elaboracin de un alimento.

OBJETIVOS ESPECFICOS

Investigar y proponer alternativas de procesos de produccin de alimentos que involucren la aplicacin de conceptos termodinmicos.

Escoger una de las alternativas propuestas y formular el documento.

Describir el proceso y cada una de las fases o pasos que compone la elaboracin del producto escogido.

Identificar los fundamentos termodinmicos que estn involucrados en el proceso del producto escogido.

Realizar clculos termodinmicos necesarios en el proceso de elaboracin del producto escogido

LLUVIA DE IDEAS ACERCA DE LOS DIFERENTES PROCESOS PARA LA ELABORACIN DE UN PRODUCTO

La Figura 1 representa un diagrama de lluvia de ideas, donde se muestran las alternativas iniciales propuestas para la elaboracin del proyecto.

Fuente: AutorFigura 1: Lluvia de ideas procesos de produccin salsa de tomate, compota de manzana y mermelada de mango.

El grupo procedi a revisar las alternativas propuestas, donde se escogi por consenso de los integrantes el proceso de elaboracin de la Mermelada de Mango; por lo tanto a continuacin se presenta la descripcin del proceso y los principios termodinmicos que tienen lugar, junto con los respectivos clculos.

DESCRIPCIN DEL PROCESO

La mermelada es una conserva de fruta con azcar descubierta de modo accidental en Escocia por una tendera de Motherwell con un lote de naranjas pasadas en el siglo XVIII.

Aunque ya los griegos cocan membrillos en miel, segn se recoge en el libro de cocina del romano Apicio. Para la preparacin de mermeladas se puede utilizar fruta fresca o conservada. En el caso de la fruta fresca, se realizan las etapas de recepcin, seleccin, clasificacin, lavado, desinfeccin, pelado, corte y despulpado, quedando de esta manera lista la pulpa para ingresar a la etapa de concentracin. Cuando se emplea fruta sulfatada, es necesario realizar primero un desulfuracin. Para ello se hierve con un 20% de agua y se calienta durante 5-10 minutos hasta eliminar no menos del 90% del anhdrido sulfuroso presente. Una vez obtenida la pulpa se debe verificar la concentracin de slidos solubles y el pH (a fin de determinar la necesidad o no de adicionar un cido o una base para ajustarlo a las condiciones ptimas). A continuacin se calcula la proporcin de los distintos componentes del producto, es decir, su formulacin; esta depender bsicamente del producto que se desea obtener: grados Brix finales y porcentaje de fruta. Conocer anticipadamente el peso final de una mermelada, a partir del peso inicial de fruta, permitir dems:

Preparar los envases necesarios para toda la mermelada. Calcular la cantidad de pectina que eventualmente hay que agregar. Planificar el proceso de produccin.

Dependiendo de la madurez de la fruta, se escaldar en agua hirviendo hasta que las frutas estn blandas pero sin deshacerse. Una vez se ha formulado se procede a la coccin; se adiciona a la marmita la pulpa y la mitad del azcar; cuando comience la ebullicin se adiciona la otra mitad del azcar, esto con la finalidad de que se disuelva totalmente. El agregar una porcin del azcar a la fruta en el calentamiento preliminar, sirve para lograr un cierto grado de inversin de la sacarosa usada, es decir, para transformar parte del azcar en azcar invertido, que es una mezcla de glucosa con fructosa, dos azcares simples producidos a partir de la sacarosa por accin del cido de la fruta. Con ello se evita la cristalizacin por la sobre concentracin del producto y, adems, se logra un brillo especial debido a la glucosa. Al agregar la ltima porcin de azcar no sobrepasar los 60 Brix, a modo de controlar el proceso de concentracin en la ltima etapa de evaporacin. Se debe evitar la sobre concentracin, controlando siempre los grados Brix o el peso del producto en caso de no contar con refractmetro.

La adicin del cido o de la sal para ajustar el pH se debe hacer cerca al final para evitar demasiada inversin del azcar. La pectina se debe adicionar al final del proceso y en mezcla de 5 a 10 veces su peso en azcar por su tendencia a formar grumos.

El motivo de la ebullicin no es solo evaporar el agua para alcanzar la concentracin deseada, sino tambin conseguir la pasterizacin de la mezcla, ayudando a disolver el azcar y los otros ingredientes solubles y asegurando la inversin parcial de la sacarosa; debe durar de 7-8 minutos con un mximo de 10, pues puede haber peligro de degradar la pectina, invertir demasiado la sacarosa y deteriorar el sabor y aroma del producto.

Si la mermelada va con trozos de fruta, estos se deben preparar en un jarabe del 70% hasta que cocinen, luego se sacan, se escurren y se adicionan.

Al acercarse el punto final de la concentracin, la mezcla comienza a espesarse; si con un cucharn se levanta y vierte, no se suelta de forma regular, sino que se fragmenta en gruesos goterones. Se comprueba entonces el grado de concentracin por medio de un refractmetro (no se debe olvidar que es un instrumento graduado para 20 o 25C, por lo tanto deben hacerse las correcciones necesarias de acuerdo a la temperatura que registre el producto al momento de la lectura), para lo cual la muestra debe enfriase; la norma seala que como mnimo el producto debe presentar 65Brix; en este momento se adicionan los conservantes.

Benzoato de sodio 0.05% con respecto al pesoSorbato de potasio 0.05% final de mermelada.

Despus la mezcla se enfra rpidamente hasta no menos de 85C y se vierte en los envases en que se va a conservar; este enfriamiento hace el producto lo suficientemente espeso para que las fruta o sus trozos queden repartidos en la masa y no suban a la superficie (en el caso de que la mermelada lleve trozos de fruta); Tambin contribuye a evitar la degradacin de la pectina. Los recipientes una vez llenos se cierran con preferencia bajo chorro de vapor, con el fin de esterilizar la tapa, las paredes del recipiente y el espacio libre encima del contenido. Si no hay cierre bajo chorro de vapor, puede drsele la vuelta a los botes, de modo que el producto caliente quede en contacto con la parte superior del envase y la tapa. No se aconseja este mtodo de auto-pasterizacin para los envases de vidrio, pues el cuello debe quedar limpio; entonces se recurre a una pasterizacin en agua a 75C. Posteriormente los recipientes deben enfriarse muy rpidamente al aire o bajo duchas de agua y colocarlos en reposo hasta el enfriamiento completo; estas precauciones son indispensables para evitar la degradacin de la pectina y conseguir una buena gelificacin que se realiza entre50-60C.

La necesidad de acortar el proceso de concentracin, con el fin de no degradar la pectina, aconseja no hacer cocciones en recipientes abiertos de ms de 400 Kg. aproximadamente; en efecto, la relacin superficie de calentamiento/producto disminuye cuando aumenta el contenido de los recipientes.[footnoteRef:1] [1: http://frutasymermeladas.galeon.com/]

MANEJO TERMODINMICO

PRIMER PASO

En la desulfuracin se hierve con un 20% de agua y se calienta durante 5-10 minutos hasta eliminar no menos del 90% del anhdrido sulfuroso presente. Se asume el procesamiento de 100 kg de fruta

Primera ley y trabajo

En el clculo de la potencia se supone que un cuarto del calentamiento viene de trabajo de eje:

SEGUNDO PASO

Para el escaldado, depende de la madurez de la fruta, se escaldar en agua hirviendo, Aproximadamente 10 minutos. 100 kg de fruta se asumen 5 recipientes que manejen cada uno 20 kilos con un volumen de 25 litros y un afore para escaldado de 15 litros en agua evaporndose un cuarto de ella

La potencia del proceso seria

TERCER PASO

Se define en este punto un mezclado, con un afore de 15 litros para coccin. Se mezcla en un principio la mitad del azcar total que se utilizara, junto a la fruta ya preparada. Donde el azcar total es la misma cantidad en masa que la fruta

Si bien se tienen las cantidades msicas, podramos solo hacer clculos de balance de masa ms no clculos energticos, puesto que se necesitaran los calores de disolucinCUARTO PASO

En la coccin se deben tener en cuenta dos procesos, un calor de mezclado (agrega la otra mitad de azcar) y el de ebullicin, se asume que el tiempo necesario para la coccin consume la mitad del agua en la que la fruta est sumergida

Si la mitad del calor se aprovechara eventualmente como trabajo y la evaporacin se lleva a cabo en 20 min su potencia ser

PRIMER PASO

En la desulfuracin se hierve con un 20% de agua y se calienta durante 5-10 minutos hasta eliminar no menos del 90% del anhdrido sulfuroso presente. Se asume el procesamiento de 100 kg de fruta Clculos de entropa

SEGUNDO PASO

Para el escaldado, depende de la madurez de la fruta, se escaldar en agua hirviendo, Aproximadamente 10 minutos. 100 kg de fruta se asumen 5 recipientes que manejen cada uno 20 kilos con un volumen de 25 litros y un afore para escaldado de 15 litros en agua evaporndose un cuarto de ella

TERCER PASO

Se define en este punto un mezclado, con un afore de 15 litros para coccin. Se mezcla en un principio la mitad del azcar total que se utilizara, junto a la fruta ya preparada. Donde el azcar total es la misma cantidad en masa que la fruta

CUARTO PASOEn la coccin se deben tener en cuenta dos procesos, un calor de mezclado (agrega la otra mitad de azcar) y el de ebullicin, se asume que el tiempo necesario para la coccin consume la mitad del agua en la que la fruta est sumergida

Ciclos termodinmicos necesarios para la operacin del proceso de elaboracin de un producto.

En el proceso se dan algunos ciclos como el ciclo otto, este ciclo no se evidencia directamente en el proceso, este lo necesitamos en los autos los cuales traen las materias primas y comercializan el producto, este ciclo basado en la energa de combustin de un combustible aprovechada por una transformacin a energa mecnica a travs de varias cmaras de combustin con un pistn.

Otro ciclo es el de refrigeracin. El ciclo de refrigeracin por vapor interviene cuando queremos mantener los alimentos a bajas temperaturas para que estos no se daen, podemos emplearlo en conservar el producto antes de distribuirlo, este ciclo basado en cambios de fase de un refrigerante y expulsando energa calrica del sistema a travs de su bajo punto de ebullicin y una serie de compresiones.

Nota: Los Clculos de consumos energticos para la elaboracin de la mermelada se observan y presenta durante todo el proceso y han sido especificados dentro del desarrollo de este trabajo.

CONCLUSIONES

1. La primera ley de la termodinmica establece que la energa aadida o eliminada de un sistema se utiliza para realizar un trabajo en o por el sistema y para aumentar o disminuir la energa interna (temperatura) del sistema, la cual pudimos comprar y analizar en el proceso de elaboracin de la mermelada

2. Existen distintos tipos de procesos termodinmicos, es decir, procesos en los cuales se modifican las variables termodinmicas de un sistema, para el caso de la elaboracin de la mermelada se emplearon procesos isotrmicos e isomtricos.

3. El calor de reaccin nos ayuda conocer si la reaccin es exotrmica o endotrmica. Esto permitir saber cunta energa debemos suministrar o cuanta energa liberar la reaccin en cuestin.

4. La termodinmica es un rea del conocimiento fundamental en muchos procesos que forman parte de nuestra vida diaria, por dicha razn, es importante conocer sus leyes y aplicaciones en cada aspecto que nos implique ya sea a nivel personal o profesional.

BIBLIOGRAFA

Fundamentos de Termodinmica, O. Levenspiel, Prentice Hall, Primera Edicin, 1997.

Mdulo de termodinmica, contenido didctico del curso: 201015 termodinmica

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Moran, M. & Shapiro, H. (2005). Fundamentos de Termodinmica Tcnica. Segunda Edicin. Barcelona, Espaa: Editorial Revert S.A.

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Barona, A. (2007). Mermeladas. Universidad del Valle. Cali, Colombia.

Coronado, M. & Rosales, R. (2001). Elaboracin de mermeladas. Procesamiento de alimentos para pequeas y micro empresas agroindustriales. Lima, Per: Unin Europea, CIED, EDAC, CEPCO. Disponible en: http://www.redmujeres.org/biblioteca%20digital/elaboracion_mermeladas.pdf

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Universidad Nacional de Colombia. Vicerrectora Acadmica. Direccin Nacional de Innovacin Acadmica. Instituto de Ciencia y Tecnologa de Alimentos (ICTA). Curso en lnea de Transformacin y Conservacin de Frutas. En lnea: http://www.virtual.unal.edu.co/cursos/agronomia/2006228/index.html.