CÁLCULO Y DISEÑO DE EQUIPOS PARA UNA PLANTA PROCESADORA DE ALIMENTOS.

ELABORACIÓN DE MERMELADA DE MORA.

Xavier Bolaños Geliz; Adriana Lozano Meza; Alejandrina Luna Castro; Cherylin Robles Troconis.

Facultad de ingenierías, Programa de Ingeniería de alimentos

Universidad de Cartagena.

RESUMEN.

El presente trabajo muestra el cálculo y el diseño de equipos para una planta procesadora de frutas para la obtención de mermelada de mora, Se define a la mermelada de frutas como un producto de consistencia pastosa o gelatinosa, obtenida por cocción y concentración de frutas sanas, adecuadamente preparadas, con adición de edulcorantes, con o sin adición de agua. El objetivo primordial de este trabajo fue diseñar los equipos necesarios para la producción de mermelada como calderas o evaporadores justos para el proceso, tanques de almacenamiento, equipos para el transporte del producto y la materia prima, específicamente bandas transportadoras, teniendo en cuenta la fruta que se va a utilizar en el proceso (Mora) y todos los parámetros correctos para su perfecto diseño. Se describen también en este trabajo los procesos de fabricación de la mermelada de frutas y las especificaciones necesarias para su buen procesamiento. Palabras claves: Diseño, mermelada de frutas.

ABSTRACT. The present work shows the calculation and the design of equipments for a plant processing of fruits for the obtaining jam of default, is defined to the jam of fruits as a product of consistency doughy or gelatinous, obtained by boiling and concentration of healthy fruits, adequately prepared, by addition of sweeteners, with or without water addition. The basic aim of this work was to design the equipments necessary for the production of jam like boilers or evaporating just persons for the process, tanks of storage, equipments for the transport of the product and the raw material, specifically belt conveyors, having in it counts the fruit that is going to be in use in the process (Blackberry) and all the correct parameters for his perfect design. There are described also in this work the manufacturing processes of the jam of fruits and the specifications necessary for his good processing. Key words: Design, jam of fruits.

INTRODUCCIÓN. Se define a la mermelada de frutas como un producto de consistencia pastosa o gelatinosa, obtenida por cocción y concentración de frutas sanas, adecuadamente preparadas, con adición de edulcorantes, con o sin adición de agua. La fruta puede ir entera, en trozos, tiras o partículas finas y deben estar dispersas uniformemente en todo el producto. La elaboración de mermeladas sigue siendo uno de los métodos más populares para la conservación de las frutas en general. En este trabajo se presentan básicamente el diseño de una planta procesadora de alimentos destinada para la producción de mermelada de mora, se definen las líneas de proceso las cuales se entienden como una secuencia organizada de operaciones y transformaciones que van convirtiendo la materia prima (Mora) en el producto elaborado (mermelada de Mora).El diseño consiste básicamente en: • Concebir un proceso. • Detallar etapas y equipo en el que se va a llevar a cabo. • Definir las corrientes de proceso. • Dimensionamiento del equipo.

1. ELABORACIÓN DE MERMELADAS. Materia prima e insumos Elaborar una buena mermelada es un producto complejo, que requiere de un óptimo balance entre el nivel de azúcar, la cantidad de pectina y la acidez.

Frutas Lo primero a considerar es la fruta, que será tan fresca como sea posible. Con frecuencia se utiliza una mezcla de fruta madura con fruta que recién ha iniciado su maduración y los resultados son bastante satisfactorios. La fruta demasiado madura no resulta apropiada para preparar mermeladas, ya que no gelificara bien. Entre las frutas que se emplean en la elaboración de mermeladas se puede mencionar: papaya, fresa, naranja, frambuesa, ciruela, pera, mora, albaricoque, durazno, piña, entre otras.

Azúcar El azúcar es un ingrediente esencial. Desempeña un papel vital en la gelificación de la mermelada al combinarse con la pectina. Es importante señalar que la concentración de azúcar en la mermelada debe impedir tanto la fermentación como la cristalización. Resultan bastante estrechos los límites entre la probabilidad de que fermente una mermelada por que contiene poca cantidad de azúcar y aquellos en que puede cristalizar por que contiene demasiada azúcar. En las mermeladas en general la mejor combinación para mantener la calidad y conseguir una gelificación correcta y un buen sabor suele obtenerse cuando el 60 % del peso final de la mermelada procede del azúcar añadido. La mermelada resultante contendrá un porcentaje de azúcar superior debido a los azúcares naturales presente en la fruta.

Cuando la cantidad de azúcar añadida es inferior al 60% puede fermentar la mermelada y por ende se propicia el desarrollo de hongos y si es superior al 68% existe el riesgo de que cristalice parte del azúcar durante el almacenamiento. El azúcar a utilizarse debe ser de preferencia azúcar blanca, por que permite mantener las características propias de color y sabor de la fruta. También puede utilizarse azúcar rubia especialmente para frutas de color oscuro como es el caso del sauco y las moras.

Cuando el azúcar es sometida a cocción en medio ácido, se produce la inversión de la sacarosa, desdoblamiento en dos azúcares (fructosa y glucosa) que retardan o impiden la cristalización de la sacarosa en la mermelada, resultando por ello esencial para la buena conservación del producto el mantener un equilibrio entre la sacarosa y el azúcar invertido.

Una baja inversión puede provocar la cristalización del azúcar de caña, y una elevada o total inversión,la granulación de la dextrosa. Por tanto el porcentaje óptimo de azúcar invertido está comprendido entre el 35 y 40 % del azúcar total en la mermelada. Acido cítrico Si todas las frutas tuviesen idéntico contenido de pectina y ácido cítrico, la preparación de mermeladas seria una tarea simple, con poco riesgo de incurrir en fallas, sin embargo el contenido de ácido y de pectina varía entre las distintas clases de frutas. El ácido cítrico es importante no solamente para la gelificación de la mermelada sino también para conferir brillo al color de la mermelada, mejora el sabor, ayuda a evitar la cristalización del azúcar y prolonga su tiempo de vida útil. El acido cítrico se añadirá antes de cocer la fruta ya que ayuda a extraer la pectina de la fruta.

El ácido cítrico se vende en forma comercial bajo la forma granulada y tiene un aspecto parecido al azúcar blanco, aunque también se puede utilizar el jugo de limón como fuente de ácido cítrico. La cantidad que se emplea de ácido cítrico varía entre 0.15 y 0.2% del peso total de la mermelada.

Pectina

La fruta contiene en las membranas de sus células una sustancia natural gelificante que se denomina pectina. La cantidad y calidad de pectina presente, depende del tipo de fruta y de su estado de madurez. En la preparación de mermeladas la primera fase consiste en reblandecer la fruta de forma que se rompan las membranas de las células y extraer así la pectina. La fruta verde contiene la máxima cantidad de pectina; la fruta madura contiene algo menos. La pectina se extrae más fácilmente cuando la fruta se encuentra ligeramente verde y este proceso se ve favorecido en un medio ácido. Las proporciones correctas de pectina, ácido cítrico y azúcar son esenciales para tener éxito en la preparación de mermeladas. En la actualidad se sugiere el empleo de la carragenina y el almidón modificado como sustituto de la pectina, en el presente manual se utilizará a la pectina como sustancia gelificante para dar consistencia a la mermelada. La materia prima para la obtención de pectina proviene principalmente de la industria de frutas cítricas; es un subproducto extraído de las cáscaras y cortezas de naranjas, pomelos, limones y toronjas. Se encuentra en el albedo (parte blanca y esponjosa de la cáscara); también se obtiene pectina a partir del bagazo de la manzana y el membrillo El valor comercial de la pectina está dado por su capacidad para formar geles; la calidad de la pectina se expresa en grados.

El grado de la pectina indica la cantidad de azúcar que un kilo de esta pectina puede gelificar en condiciones óptimas, es decir a una concentración de azúcar de 65% y a un pH entre 3 – 3.5. Por ejemplo, si contamos con una pectina de grado 150; significa que 1 kilo de pectina podra gelificar 150 kilos de azúcar a las condiciones anteriormente señaladas. La cantidad de pectina a usar es variable según el poder gelificante de ésta y la fruta que se emplea en la elaboración de la mermelada. Conservante Los conservantes son sustancias que se añaden a los alimentos para prevenir su deterioro, evitando de esta manera el desarrollo de microorganismos, principalmente hongos y levaduras. Los conservantes químicos más usados son el sorbato de potasio y el benzoato de sodio. El sorbato de potasio tiene mayor espectro de acción sobre microorganismos. Su costo es aproximadamente 5 veces más que el del benzoato de sodio. El benzoato de sodio actúa sobre hongos y levaduras, además es el más utilizado en la industria alimentaría por su menor costo, pero tiene un mayor grado de toxicidad sobre las personas; además en ciertas concentraciones produce cambios en el sabor del producto.

2. PROCESO DE ELABORACIÓN

Selección En esta operación se eliminan aquellas frutas en estado de podredumbre. El fruto recolectado debe ser sometido a un proceso de selección, ya que la calidad de la mermelada dependerá de la fruta. El proceso de selección se hace a través de una banda transportadora en la cual pasan las frutas desde la recepción hasta la etapa de despulpado, pasando a través de la piscina de lavado Lavado Se realiza con la finalidad de eliminar cualquier tipo de partículas extrañas, suciedad y restos de tierra que pueda estar adherida a la fruta. Esta operación se puede realizar por inmersión, agitación o aspersión. Una vez lavada la fruta se recomienda el uso de una solución desinfectante. Las soluciones desinfectantes mayormente empleadas están compuestas de hipoclorito de sodio (lejía) en una concentración 0,05 a 0,2%. El tiempo de inmersión en estas soluciones desinfectantes no debe ser menor a 15 minutos. Finalmente la fruta deberá ser enjuagada con abundante agua. Pelado El pelado se puede hacer en forma manual, empleando cuchillos, o en forma mecánica con máquinas. En el pelado mecánico se elimina la cáscara, el corazón de la fruta y si se desea se corta en tajadas, siempre dependiendo del tipo de fruta. En el caso de la mora no se uso pelado pero ilustramos aquí el proceso general de la elaboración de mermeladas. Pulpeado o despulpado. Consiste en obtener la pulpa o jugo, libres de cáscaras y pepas. Esta operación se realiza a nivel industrial en pulpeadoras.

A nivel semi-industrial o artesanal se puede hacer utilizando una licuadora, como nuestro procesamiento es a nivel de planta se usara una despulpadora con una capacidad de 500 kg o mas dependiendo de las especificaciones del mercado. Es importante que en esta parte se pese la pulpa ya que de ello va a depender el cálculo del resto de insumos.

Cocción La cocción de la mezcla es la operación que tiene mayor importancia sobre la calidad de la mermelada; por lo tanto requiere de mucha destreza y práctica de parte del operador. El tiempo de cocción depende de la variedad y textura de la materia prima. Al respecto un tiempo de cocción corto es de gran importancia para conservar el color y sabor natural de la fruta y una excesiva cocción produce un oscurecimiento de la mermelada debido a la caramelización de los azúcares. La cocción puede ser realizada a presión atmosférica en pailas abiertas o al vacío en pailas cerradas. En el proceso de cocción al vacío se emplean pailas herméticamente cerradas que trabajan a presiones de vacío entre 700 a 740 mm Hg., el producto se concentra a temperaturas entre 60 – 70°C, conservándose mejor las características organolépticas de la fruta. este proceso en nuestra planta se hará en un evaporadora abierto los cuales Son los evaporadores comerciales más simples que existen y son muy populares por su baratura.

Adición del azúcar y ácido cítrico Una vez que el producto está en proceso de cocción y el volúmen se haya reducido en un tercio, se procede a añadir el ácido cítrico y la mitad del azúcar en forma directa. La cantidad total de azúcar a añadir en la formulación se calcula teniendo en cuenta la cantidad de pulpa obtenida.

Se recomienda que por cada kg de pulpa de fruta se le agregue entre 800 a 1000 gr. de azúcar. La mermelada debe removerse hasta que se haya disuelto todo el azúcar. Una vez disuelta, la mezcla será removida lo menos posible y después será llevada hasta el punto de ebullición rápidamente. La regla de oro para la elaboración de mermeladas consiste en una cocción lenta antes de añadir el azúcar y muy rápida y corta posteriormente. El tiempo de ebullición dependerá del tipo y de la cantidad de fruta, si la fruta se ha cosido bien antes de la incorporación del azúcar no será necesario que la mermelada endulzada hierva por más de 20 minutos. Si la incorporación del azúcar se realiza demasiado pronto de forma tal que la fruta tenga que hervir demasiado tiempo, el color y el sabor de la mermelada serán de inferior calidad. Cálculo de ácido cítrico Toda fruta tiene su acidez natural, sin embargo para la preparación de mermeladas esta acidez debe ser regulada. La acidez se mide a través del pH empleando un instrumento denominado pH-metro. Refractómetro La mermelada debe llegar hasta un pH de 3.5. Esto garantiza la conservación del producto. Con la finalidad de facilitar el cálculo para la adición de ácido cítrico se emplea la tabla de la página siguiente. Para el caso de la mora y fresas; que tienen un pH de 3.5, solamente es necesario agregar 2gr de ácido cítrico por cada kilo de pulpa. Punto de gelificación Finalmente la adición de la pectina se realiza mezclándola con el azúcar que falta añadir, evitando de esta manera la formación de grumos.

Durante esta etapa la masa debe ser removida lo menos posible. La cocción debe finalizar cuando se haya obtenido el porcentaje de sólidos solubles deseados, comprendido entre 65-68%. Para la determinación del punto final de cocción se deben tomar muestras periódicas hasta alcanzar la concentración correcta de azúcar y de esta manera obtener una buena gelificación. El punto final de cocción se puede determinar mediante el uso de los siguientes métodos: Prueba de la gota en el vaso con agua Consiste en colocar gotas de mermelada dentro de un vaso con agua. El indicador es que la gota de mermelada caiga al fondo del vaso sin desintegrarse.

Prueba del termómetro Se utiliza un termómetro de alcohol tipo caramelero, graduado hasta 110 °C. Para realizar el control se introduce la parte del bulbo hasta cubrirlo con la mermelada. Se espera que la columna de alcohol se estabilice y luego se hace la lectura. El bulbo del termómetro no deberá descansar sobre el fondo de la cacerola ya que asi reflejaría la temperatura de la cacerola y no la correspondiente a la mermelada.

El porcentaje de azúcar suele ser el correcto cuando la mermelada hierve a 104.5°C. Considerando que la mezcla contiene las proporciones correctas de ácido y de pectina ésta gelificara bien.

Este método se basa en el hecho que cuando una solución va concentrándose, incrementa su punto de ebullición. Se debe tener en cuenta que para una misma concentración, a la misma presión atmosférica, corresponde la misma temperatura de ebullición, por lo tanto distintas alturas sobre el nivel del mar, determinaran distintos punto de ebullición para un

mismo punto de concentración de la mermelada. Prueba del refractómetro Su manejo es sencillo, utilizando una cuchara se extrae un poco de muestra de mermelada. Se deja enfriar a temperatura ambiente y se coloca en el refractómetro, se cierra y se procede a medir. El punto final de la mermelada será cuando marque 65 grados Brix, momento en el cual se debe parar la cocción. Adición del conservante Una vez alcanzado el punto de gelificación, se agrega el conservante. Este debe diluirse con una mínima cantidad de agua. Una vez que esté totalmente disuelto, se agrega directamente a la olla. El porcentaje de conservante a agregar no debe exceder al 0.05% del peso de la mermelada.

Envasado Se realiza en caliente a una temperatura no menor a los 85°C. Esta temperatura mejora la fluidez del producto durante el llenado y a la vez permite la formación de un vacío adecuado dentro del envase por efecto de la contracción de la mermelada una vez que ha enfriado. En este proceso se puede utilizar una jarra con pico que permita llenar con facilidad los envases, evitando que se derrame por los bordes. En el momento del envasado se deben verificar que los recipientes no estén rajados, ni deformes, limpios y desinfectados. El llenado se realiza hasta el ras del envase, se coloca inmediatamente la tapa y se procede a voltear el envase con la finalidad de esterilizar la tapa. En esta posición permanece por espacio de 3 minutos y luego se voltea cuidadosamente.

Enfriado El producto envasado debe ser enfriado rápidamente para conservar su calidad y asegurar la formación del vacío dentro del envase. Al enfriarse el producto, ocurrirá la contracción de la mermelada dentro del envase, lo que viene a ser la formación de vacío, que viene a ser el factor más importante para la conservación del producto. El enfriado se realiza con chorros de agua fría, que a la vez nos va a permitir realizar la limpieza exterior de los envases de algunos residuos de mermelada que se hubieran impregnado. Etiquetado El etiquetado constituye la etapa final del proceso de elaboración de mermeladas. En la etiqueta se debe incluir toda la información sobre el producto. Almacenado El producto debe ser almacenado en un lugar fresco, limpio y seco; con suficiente ventilación a fin de garantizar la conservación del producto hasta el momento de su comercialización.

3. FLUJO DE PROCESAMIENTO Y CORRIENTES DE OPERACIÓN.

4. CORRIENTES DE OPERACIÓN O LÍNEAS

DE OPERACIÓN.

La planta de procesamiento de frutas para obtención de mermelada de mora esta destinada a procesar 3200 Kg de fruta por día, con un ritmo de operación de 8 horas diarias mínimo y 10 horas diarias máximo.

a. Definición de las Corrientes de proceso

Teniendo en cuanta la entrada de materia prima por día por balance de materia podemos obtener la cantidad de materia procesada en cada una de las etapas por día de trabajo en general sin tener en cuenta el numero de Bach. Se tiene que:

Recepción: se reciben diariamente 3200 Kg de frutas

Selección: al proceso de selección manual ingresan 3200 Kg de frutas y salen aproximadamente 3182 Kg de fruta para la etapa de despulpado.

Despulpado: a partir de 3182 Kg de frutas destinadas para el procesado

Mezclado y concentración: en esta corriente de operación se procesan en el día de trabajo los 3182 Kg de frutas además de la pectina que son 7.5 Kg y el azúcar que son 3660 Kg usados en todo el proceso, durante el día de trabajo.

5. DIMENSIONAMIENTO DE LOS EQUIPOS El desarrollo de esta etapa del diseño se fue posible gracias al diagrama de flujo y el Balance de materia del proceso, que gracias a este fue posible determinar la capacidad de los equipos y finalmente a través de las herramientas de diseño propias de la ingeniería y particulares para cada equipo, dimensionar cada uno de estos. Equipos: 5.1. Despulpadora El proceso de despulpado en la planta de producción de mermelada a base de moras es indispensable para ello necesitamos una despulpadora que Procese frutas diversas (blandas y semi blandas) separe la pulpa de la cascara y las semillas, su trabajo sea por medio de centrifugado. La despulpadora a usar se ajusto a las características del mercado, en la planta es necesario una despulpadora con una capacidad de 500 Kg que son aproximadamente los que se van a procesar en cada batch por día. Medidas: Altura: 1,20 cms Ancho: 80 cms Profundidad: 60 cms Peso: 55 kilos Motor: SIEMENS 2 h.p. (1.750 r.p.m.) Capacidad: 500 kilos / h. a 1 Ton/h. 5.2. Evaporador abierto o marmita. Son los evaporadores comerciales más simples que existen y son muy populares por su baratura. Aunque el depósito de estos evaporadores puede calentarse directamente, lo más frecuente es que estén provistos, bien de una camisa de calentamiento

externa o de un serpentín interno a través del cual pasa el medio transferidor de calor El evaporador a usar tendrá un agitador ya que la agitación favorece la transferencia de calor, aumentando su velocidad, y reduce el riesgo de chamuscado del producto que contacta con las superficies de calentamiento. El evaporador que se ajusta a las necesidades de la planta es un evaporador de 500 kg/h de evaporación además este debe estar hecho de acero inoxidable ya que este material alcanza una mejor conducción de calor. 5.3. Envasadora automática. Se usara una envasadora automática para envasar el producto en envases de vidrio, para una mayor continuidad en el proceso. La envasadora tiene las siguientes especificaciones y se encontró comercialmente. Envasadora Automática: para semisólidos como, Dulce de Leche, Mermeladas de Fruta. Los envases pueden ser de plástico tronco cónico de boca redonda, cuadrada, ó rectangular. Tapado con tapa plástica a presión o tapas de aluminio con borde ó tapado inviolable o sellado con tapa plana de aluminio con oreja termosellable; con un diámetro máximo de 95 mm. Y capacidad hasta 500 cm³ Datos técnicos:

Productos a envasar: Líquidos, pastosos y granulado etc. Ejecución especial para pequeñas porciones de mermeladas y adición de caramelo liquido para flan, etc.

Cantidad dosificada: 30-500 c.c. Vasos plásticos tronco cónicos: de 55 a diámetro

95 mm. Tapa: Termosellable y a presión. Rendimiento: hasta 2200 potes/h, dependiendo del

producto, nivel de llenado y diámetro del vaso.

Potencia: 1200 KW al sellar. Peso: 300 Kg. neto - 400 Kg. bruto. Medidas: 810x1040x1700 mm.

5.4. Tanques de almacenamiento de agua para lavado.

Estos tanques se diseñaron con la función de almacenar agua en ellos para el proceso de lavado de la materia prima y como recurso para otras funciones en la planta, para el diseño se tuvo en cuenta la cantidad de fruta a lavar y sus dimensiones son las siguientes: Cantidad de tanques 2 Diámetro 2 metros Alto 2.5 metros Flujo 5.583 Kg/día

5.5. Bandas transportadoras.

Una cinta transportadora es un sistema de transporte continuo formado básicamente por una banda continua que se mueve entre dos tambores.

La banda es arrastrada por fricción por uno de los tambores, que a su vez es accionado por un motor. El otro tambor suele girar libre, sin ningún tipo de accionamiento, y su función es servir de retorno a la banda. La banda es soportada por rodillos entre los dos tambores.

Debido al movimiento de la banda el material depositado sobre la banda es transportado hacia el tambor de accionamiento donde la banda gira y da la vuelta en sentido contrario. En esta zona el material depositado sobre la banda es vertido fuera de la misma debido a la acción de la gravedad. Las bandas transportadoras en la planta se usaran en la parte de selección, lavado y transporte del producto terminado desde la etapa de envasado y etiquetado hasta la etapa de almacenado.

Especificaciones de la banda transportadora en la etapa de selección y lavado.

Cantidad de bandas 2

Velocidad de operación 0.8125 Ft/min

Potencia horizontal 1.016*10e-3 HP

Largo de la banda 28.43 Ft

Ancho de la banda 14” – 35 Cm

Numero de capas 3

Especificaciones de la banda transportadora en la etapa de envasado-almacenado.

Cantidad de bandas 1

Velocidad de operación 1.65 Ft/min

Potencia horizontal 3.59*10 e -3 HP

Largo de la banda 49.5 Ft

Ancho de la banda 14” – 35 Cm

Numero de capas 3