Manual de Plantas III

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OSCAR ANDRÉS PRADO RUBIOPALOMA ANDRADE SANTACOLOMA

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00 AUTORESINGENIERIA QUIMICA

Universidad Nacional de Colombia Sede Manizales

MANUAL DE PRÁCTICAS PARA EL LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS III

PALOMA ANDRADE SANTACOLOMA

OSCAR ANDRÉS PRADO RUBIO

UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA SEDE MANIZALES FACULTAD DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA MANIZALES

2005

MANUAL DE PRÁCTICAS PARA EL LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS III

PALOMA ANDRADE SANTACOLOMA

OSCAR ANDRÉS PRADO RUBIO

Trabajo de grado para optar el título de Ingeniero Químico

Director Gonzalo Morante G. Ingeniero Químico

UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA SEDE MANIZALES FACULTAD DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA MANIZALES

2005

RESUMEN

Con el fin de generar un manual de prácticas para el Laboratorio de Operaciones III, se plasmó en el documento una estandarización de los procedimientos de las experiencias manejadas en planta piloto en el laboratorio de procesos productivos de la Universidad Nacional Sede Manizales. El actual trabajo se encuentra dividido en 13 prácticas que son: fermentación para la obtención de etanol, destilación continua, destilación discontinua, extracción de grasas y aceites, fabricación de jabón y recuperación de glicerina, secado de sólidos, secado por aspersión, extracción del material soluble del café, liofilización del extracto de café, producción de una bebida láctea fermentada de tipo yogur, fabricación de papel, producción de acetato de etilo por esterificación de Fisher y curtido de pieles; cada una de las prácticas anteriores está compuesta por una sección teórica y una experimental las cuales se apoyaron en los trabajos de grado en el área de ingeniería química, trabajos de investigación de cursos de postgrado, experiencias de las diferentes líneas de profundización, procedimientos reportados en la literatura y corridas experimentales realizadas por los autores. Anexo a la documentación de las prácticas se incluyeron los procedimientos para llevar a cabo los ensayos de laboratorio y pruebas de calidad requeridas para las materias primas y productos de cada experiencia. Además, se plateó la evaluación de los recursos físicos que posee el Laboratorio de Procesos Productivos para esta materia, obteniéndose finalmente un diagnóstico y algunas sugerencias de los equipos y accesorios que presentan problemas para desarrollar las prácticas.

ABSTRACT This work showed an standardization of the practice procedures that it has been managed in the productive process laboratory of the National University of Colombia in Manizales. The purpose of this work was to build a practice manual for the subject Unitary Operations of Laboratory III. The final document contain thirteen practice which are: - Fermentation for the get ethanol - Continuous distillation - Discontinuous distillation - Fatty and oil extraction - Soap production and glycerin recovery - Drying - Spray drying - Coffee extraction - Lyophilization of coffee extract - Yogurt production by lactic fermentation - Paper production - Ethyl acetate production by Fisher’s esterification - Tanning skin All practices were divide in two parts, theoretical section and experimental section. The information was based on works of students of the chemical engineering, investigation works of superior studies, experiences of different improving lines, procedures published by the literature and experimental runs made by the authors. The document has some procedures for the quality proof for the material raw and the final products. Also, The evaluation of the physical resources was included and it reached diagnosis and suggestions of the equipment and accessories necessary to development the practice.

CONTENIDO

Pág. INTRODUCCIÓN. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 Práctica 1. FERMENTACIÓN PARA LA OBTENCIÓN DE ETANOL. . . . . . . . . . . . 3 1.1 OBJETIVOS DE LA PRÁCTICA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1.2 MARCO CONCEPTUAL - Reseña histórica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 - Generalidades. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 - Clasificación de las fermentaciones. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 - Metabolismo celular. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 - Levaduras. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 - Factores que afectan las fermentaciones. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 - Cinética fermentativa para operación en discontinuo. . . . . . . . . . 13 - Alternativas de proceso. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 1.3 DESARROLLO DE LA PRÁCTICA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 - Materiales y equipos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 - Procedimiento. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 - Formato para la toma de datos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 BIBLIOGRAFÍA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 Práctica 2. DESTILACIÓN CONTINUA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 2.1 OBJETIVOS DE LA PRÁCTICA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 2.2 MARCO CONCEPTUAL - Generalidades. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 - Equilibrio de fases. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 - Regla de fases. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 - Azeotropía. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 - Diagramas de fases. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 - Métodos simples de destilación. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 - Destilación continua con reflujo y método McCABE-THIELE. . . . 36 - Algoritmo para determinar el número de etapas teóricas. . . . . . . 44 - Limitaciones del método McCABE-THIELE. . . . . . . . . . . . . . . . . 45 - Alternativas del proceso. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 2.3 DESARROLLO DE LA PRÁCTICA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 - Materiales y equipos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 - Procedimiento. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 - Formato para la toma de datos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 BIBLIOGRAFÍA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 Práctica 3. DESTILACIÓN DISCONTINUA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

3.1 OBJETIVOS DE LA PRÁCTICA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 3.2 MARCO CONCEPTUAL - Destilación en discontinuo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 - Destilación simple sin reflujo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 - Destilación con reflujo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 3.3 DESARROLLO DE LA PRÁCTICA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 - Materiales y equipos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 - Procedimiento. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 - Formato para la toma de datos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 BIBLIOGRAFÍA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 Práctica 4. EXTRACCIÓN DE GRASAS Y ACEITES. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 4.1 OBJETIVOS DE LA PRÁCTICA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 4.2 MARCO CONCEPTUAL - Reseña histórica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 - Generalidades. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 - Características y clasificación de los aceites y las grasas. . . . . . 79 - Componentes no glicéridos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 - Procesos de modificación de las grasas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 - Usos de los aceites y las grasas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 4.3 OBTENCIÓN DE GRASAS Y ACEITES DE ORIGEN VEGETAL. . 82 - Descripción del proceso. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 4.4 OBTENCIÓN DE GRASAS Y ACEITES DE ORIGEN ANIMAL. . . . 85 - Descripción del proceso. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 4.5 DESARROLLO DE LAS PRÁCTICAS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 - Extracción de aceites y grasas de origen vegetal. . . . . . . . . . . . . 89 - Materiales y equipos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 - Procedimiento. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 - Formato para la toma de datos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 - Extracción de aceites y grasas de origen animal. . . . . . . . . . . . . 94 - Materiales y equipos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 - Procedimiento. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 - Formato para la toma de datos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 BIBLIOGRAFÍA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 Práctica 5. FABRICACIÓN DE JABÓN Y RECUPERACIÓN DE GLICERINA. . . . . 101 5.1 OBJETIVOS DE LA PRÁCTICA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 5.2 MARCO CONCEPTUAL - Reseña histórica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 - Generalidades. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 - Características de los jabones. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 - Factores que intervienen en el proceso. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 - Glicerina. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 5.3 DESARROLLO DE LA PRÁCTICA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 - Procesamiento del jabón. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 - Materiales y equipos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 - Procedimiento. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 - Formato para la toma de datos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110 - Procesamiento de la glicerina. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113

- Materiales y equipos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113 - Procedimiento. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113 - Formato para la toma de datos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115 BIBLIOGRAFÍA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116 Práctica 6. SECADO DE SÓLIDOS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117 6.1 OBJETIVOS DE LA PRÁCTICA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117 6.2 MARCO CONCEPTUAL - Generalidades. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117 - Definición del proceso. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118 - Interacción gas-sólido en secadores. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119 - Temperaturas de saturación adiabática y bulbo húmedo. . . . . . . 120 - Fundamentos del secado. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 - Modelos de temperatura. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122 - Transferencia de calor en secadores. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122 - Transferencia de materia en secadores. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124 - Curvas de velocidad de secado. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127 - Determinación de los tiempos de secado. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129 6.3 DESARROLLO DE LA PRÁCTICA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132 - Materiales y equipos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133 - Procedimiento. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133 - Formato para la toma de datos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135 BIBLIOGRAFÍA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138 Práctica 7. SECADO POR ASPERSIÓN. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139 7.1 OBJETIVOS DE LA PRÁCTICA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139 7.2 MARCO CONCEPTUAL - Reseña histórica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139 - Generalidades. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140 - Definición del proceso. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140 - Configuraciones de la operación. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144 - Ventajas y desventajas del secado por aspersión. . . . . . . . . . . . 144 - Factores que afectan la operación de secado. . . . . . . . . . . . . . . 145 - Aplicaciones del secado por aspersión. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146 - Fundamentos del secado. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146 - Modelo de temperatura. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146 - Transferencia de masa en el secador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146 - Transferencia de calor en el secador. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147 - Eficiencia térmica de la operación. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149 7.3 DESARROLLO DE LA PRÁCTICA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150 - Materiales y equipos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150 - Procedimiento. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151 - Formato para toma de datos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153 BIBLIOGRAFÍA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155 Práctica 8. EXTRACCIÓN DEL MATERIAL SOLUBLE DEL CAFÉ. . . . . . . . . . . . . 157 8.1 OBJETIVOS DE LA PRÁCTICA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157 8.2 MARCO CONCEPTUAL - Reseña histórica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157

- Generalidades. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158 - Antecedentes económicos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158 - Composición del café. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159 - Métodos convencionales de extracción. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161 - Procesos de extracción. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163 - Alternativas de proceso. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164 - Rendimiento de la extracción. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164 - Determinación del coeficiente volumétrico de transferencia de materia en el proceso discontinuo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164 - Requisitos que deben cumplir los extractos de café. . . . . . . . . . . 166 8.3 DESARROLLO DE LA PRÀCTICA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168 - Materiales y equipos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168 - Procedimiento. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169 - Formato para la toma de datos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171 BIBLIOGRAFÍA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173 Práctica 9. LIOFILIZACIÓN DEL EXTRACTO DE CAFÉ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175 9.1 OBJETIVOS DE LA PRÁCTICA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175 9.2 MARCO CONCEPTUAL - Reseña histórica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175 - Generalidades. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176 - Definición del proceso. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176 - Ventajas y desventajas del proceso. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179 - Campos de aplicación. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180 - Liofilización del extracto de café. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180 - Modelo matemático. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181 - Requisitos que debe cumplir el café soluble. . . . . . . . . . . . . . . . . 183 9.3 DESARROLLO DE LA PRÁCTICA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184 - Materiales y equipos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184 - Procedimiento. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185 - Formato para la toma de datos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187 BIBLIOGRAFÍA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188 Práctica 10. PRODUCCIÓN DE UNA BEBIDA LÁCTEA FERMENTADA

DE TIPO YOGUR. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189 10.1 OBJETIVOS DE LA PRÁCTICA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189 10.2 MARCO CONCEPTUAL - Reseña histórica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189 - Generalidades. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190 - Tipos de yogur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190 - Aspectos microbiológicos y fermentativos. . . . . . . . . . . . . . . . . . 191 - Factores que intervienen en el proceso. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193 - Descripción general del proceso. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196 10.3 DESARROLLO DE LA PRÁCTICA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199 - Materiales y equipos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199 - Procedimiento. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199 - Formato para la toma de datos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201 BIBLIOGRAFÍA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203

Práctica 11. FABRICACIÓN DE PAPEL. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205 11.1 OBJETIVOS DE LA PRÁCTICA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205 11.2 MARCO CONCEPTUAL - Reseña histórica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205 - Generalidades. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206 - Características de las fibras. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207 - Procesos para la producción de pulpa. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208 - Reacciones químicas durante la digestión Kraft. . . . . . . . . . . . . . 212 - Impacto ambiental de la producción de papel. . . . . . . . . . . . . . . . 213 - Aspectos económicos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213 11.3 DESARROLLO DE LA PRÁCTICA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215 - Materiales y equipos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215 - Procedimiento. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216 - Formato para la toma de datos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218 BIBLIOGRAFÍA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220 Práctica 12. PRODUCCIÓN DE ACETATO DE ETILO POR

ESTERIFICACIÓN DE FISHER. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221 12.1 OBJETIVOS DE LA PRÁCTICA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221 12.2 MARCO CONCEPTUAL - Generalidades. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221 - Procesos de obtención de acetato de etilo. . . . . . . . . . . . . . . . . . 222 - Esterificación de Fisher para producción de acetato de etilo. . . . 223 12.3 DESARROLLO DE LAS PRÁCTICAS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226 - Materiales y equipos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227 - Procedimiento. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227 - Formato para la toma de datos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231 BIBLIOGRAFÍA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234 Práctica 13. CURTIDO DE PIELES. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235 13.1 OBJETIVOS DE LA PRÁCTICA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235 13.2 MARCO CONCEPTUAL - Reseña histórica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235 - Generalidades. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236 - Características de la piel. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237 - Presentación de las pieles empleadas en el curtido. . . . . . . . . . . 238 - Características del cuero. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239 - Clases de curtido. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239 - Proceso para el curtido de pieles. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241 13.3 DESARROLLO DE LA PRÁCTICA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245 - Materiales y equipos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245 - Procedimiento. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245 - Formato para la toma de datos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247 BIBLIOGRAFÍA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249 CONCLUSIONES. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251 RECOMENDACIONES. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253 ANEXOS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255

LISTA DE ANEXOS

Pág. ANEXO 1. ENSAYOS DE LABORATORIO Y PRUEBAS DE CALIDAD. . . . . . . . . 255

A. Determinación de la masa y la densidad del sustrato (melaza). . . . . . . 257 B. Corrección de la densidad del mosto por temperatura. . . . . . . . . . . . . . 257 C. Determinación de la concentración de azúcares reductores por el método de Lane-Eynon. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 258 D. Determinación de la concentración de biomasa. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261 E. Determinación de los grados alcohólicos del mosto final. . . . . . . . . . . . 261 F. Gráfica y regresión de la calibración del rotámetro

del reflujo en la cima. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264 G. Corrección de los grados alcohólicos por temperatura. . . . . . . . . . . . . . 265 H. Determinación del reflujo variable por el método de McCABE-THIELE. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268 I. Prueba de metanol. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268 J. Características fisicoquímicas de los aceites y grasas. . . . . . . . . . . . . . 271 K. Determinación del índice de saponificación. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271 L. Determinación del índice de yodo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274 M. Determinación del índice de acidez. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 277 N. Determinación del índice de refracción. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 278 Ñ. Determinación del contenido oleaginoso. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279 O. Determinación de la densidad o peso específico. . . . . . . . . . . . . . . . . . 281 P. Procedimiento para el ajuste de pH del jabón. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281 Q. Determinación de la equivalencia másica entre el KOH y el NaOH. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282 R. Determinación del contenido de humedad. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282 S. Determinación de los sólidos solubles en extractos . . . . . . . . . . . . . . . . 283 T. Análisis del tamaño de partícula en el café tostado y molido (Según NTC 2441 y 3534) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283 U. Principios básicos para obtener una taza de café equilibrada. . . . . . . . 284 V. Arranque del sistema de registro y control del liofilizador piloto. . . . . . . 284 W. Determinación de la densidad de la leche. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285 X. Determinación de la materia grasa Método Gerber. . . . . . . . . . . . . . . . 285 Y. Determinación del extracto seco total o sólidos totales. . . . . . . . . . . . . 286 Z. Determinación de la acidez de productos lácteos. . . . . . . . . . . . . . . . . 288 AA. Formas de expresar la acidez titulable y su equivalencia en % de ácido láctico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 288 AB. Determinación el Porcentaje de celulosa. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 290 AC. Preparación de las soluciones de hidróxido de sodio 0.1 N y 0.5 N. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291 AD. Análisis cromatográfico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292

ANEXO 2. EVALUACIÓN DE LOS RECURSOS FÍSICOS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295

LISTAS DE TABLAS Pág. Tabla 1.1 Algunas bioconversiones realizadas por microorganismos. . . . . . . . . . . 5 Tabla 1.2 Taxonomía de la Saccharomyces cerevisiae. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 Tabla 1.3 Microorganismos utilizados para las fermentaciones alcohólicas. . . . . . . 19 Tabla 1.4 Alternativas en el proceso de fermentación. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 Tabla 1.5 Cantidades de nutrientes y antisépticos requeridos para la

fermentación. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

Tabla 2.1 Métodos utilizados para la determinar equilibrios de fases. . . . . . . . . . . . 33 Tabla 2.2 Configuración de las válvulas para calibrar la válvula de alimentación. . 50 Tabla 2.3 Configuración de las válvulas para humedecer la torre. . . . . . . . . . . . . . 52 Tabla 2.4 Configuración de las válvulas para lavar la torre. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 Tabla 2.5 Configuración de las válvulas para dirigir el flujo al rehervidor. . . . . . . . . 52 Tabla 2.6 Configuración de las válvulas para el iniciar calentamiento del calderín. 52 Tabla 2.7 Configuración de las válvulas para dirigir el flujo a la columna. . . . . . . . . 53 Tabla 2.8 Configuración de las válvulas para lavar el calderín. . . . . . . . . . . . . . . . . 54 Tabla 3.1 Configuración de las válvulas para humedecer la torre. . . . . . . . . . . . . . 70 Tabla 3.2 Configuración de las válvulas para lavar la torre. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 Tabla 3.3 Configuración de las válvulas para dirigir el flujo al rehervidor. . . . . . . . . 71 Tabla 3.4 Configuración de las válvulas para iniciar el calentamiento del calderín. 71 Tabla 3.5 Configuración de las válvulas para lavar el calderín. . . . . . . . . . . . . . . . . 72 Tabla 4.1 Contenido en aceite o grasa de las fuentes más comunes en la

industria. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 Tabla 4.2 Clasificación de las grasas y aceites. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 Tabla 4.3 Contenido de ácidos grasos de diferentes aceites y grasas vegetales. . . 82 Tabla 4.4 Contenido de ácidos grasos de algunos tipos de grasas y aceites de

origen animal. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .86

Tabla 7.1 Arreglos utilizados para el secado por aspersión. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144 Tabla 8.1 Composición del café tostado. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160 Tabla 8.2 Composición del café como bebida. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161 Tabla 8.3 Requisitos fisicoquímicos para los extractos solubles de café. . . . . . . . . 167 Tabla 9.1 Diferencias entre la deshidratación convencional y la Liofilización. . . . . . 177 Tabla 9.2 Requisitos fisicoquímicos del café soluble. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183 Tabla 10.1 Características de la leche estipuladas por el Ministerio de Salud de

Colombia. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194

Tabla 10.2 Características para el yogur, estipuladas por el Ministerio de Salud de Colombia. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

196

Tabla 10.3 Combinación de temperatura-tiempo utilizadas para el tratamiento de la leche para la elaboración de yogur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

197

Tabla 11.1 Longitudes de las fibras según el recurso fibroso. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209 Tabla 11.2 Efecto de la longitud de las fibras sobre las propiedades del papel. . . . . 209 Tabla 11.3 Producción mundial de pulpa (2000). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214 Tabla 13.1 Tipos de curtidos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239

LISTA DE CUADROS pág.

Cuadro 1.1 Formato para las variables que deben tener un seguimiento. . . . . . . . 27 Cuadro 2.1 Formato para los datos de calibración de la válvula de alimentación. . 55 Cuadro 2.2 Formato para los datos de la etapa de estabilización. . . . . . . . . . . . . . 55 Cuadro 2.3 Formato 1 para los datos de la destilación continua. . . . . . . . . . . . . . . 56 Cuadro 2.4 Formato 2 para los datos de la destilación continua. . . . . . . . . . . . . . . 57 Cuadro 3.1 Formato para los datos de la etapa de estabilización. . . . . . . . . . . . . . 73 Cuadro 3.2 Formato 1 para los datos de la destilación por lotes. . . . . . . . . . . . . . . 74 Cuadro 3.3 Formato 2 para los datos de la destilación por lotes. . . . . . . . . . . . . . . 74 Cuadro 4.1 Datos para la extracción de aceite de origen vegetal por el método

combinado. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93

Cuadro 4.2 Datos del proceso de refinación de aceites de origen vegetales. . . . . . 93 Cuadro 4.3 Datos para la extracción de aceite de origen animal por el método de

fusión húmeda y extracción con solvente. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97

Cuadro 4.4 Datos del proceso de refinación de aceites de origen animal. . . . . . . . 97 Cuadro 4.5 Formato para el seguimiento de las variables de la etapa de fusión. . . 97 Cuadro 5.1 Datos de la determinación del índice de saponificación. . . . . . . . . . . . . 110 Cuadro 5.2 Datos de la determinación del índice de yodo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110 Cuadro 5.3 Datos de la determinación del índice de acidez. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110 Cuadro 5.4 Datos para la etapa de separación. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 Cuadro 5.5 Datos para la determinación del índice de saponificación. . . . . . . . . . . 111 Cuadro 5.6 Datos para la determinación del índice de yodo. . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 Cuadro 5.7 Datos para la determinación del índice de acidez. . . . . . . . . . . . . . . . . 111 Cuadro 5.8 Formato para el seguimiento de variables durante el procesamiento

del jabón. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112

Cuadro 6.1 Formato para la toma de pesos de las bandejas. . . . . . . . . . . . . . . . . . 136 Cuadro 6.2 Variables para el seguimiento. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136 Cuadro 8.1 Productores de café en el mundo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159 Cuadro 8.2 Análisis granulométrico de la molienda de café. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171 Cuadro 8.3 Formato para seguimiento de variables. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172 Cuadro 10.1 Formato para el seguimiento de variables durante la fermentación. . . . 202 Cuadro 11.1 Formato para el seguimiento de variables. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219

Cuadro 12.1 Datos iniciales de los reactivos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231 Cuadro 12.2 Datos a reportar durante la etapa de reacción. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231 Cuadro 12.3 Datos de titulación para el seguimiento de la reacción. . . . . . . . . . . . . 232 Cuadro 12.4 Caudal del agua de servicio. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232 Cuadro 12.5 Datos del producto final. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233 Cuadro 12.6 Datos de cromatografía para el seguimiento de la reacción. . . . . . . . . 233

LISTA DE FIGURAS Pág. Figura 1.1 Clasificación del reino protista. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 Figura 1.2 Mecanismo de reacción EMBDEN-MEYERHOF-PARNAS (EMP). . . . 8 Figura 1.3 Productos finales obtenidos del piruvato. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 Figura 1.4 Proceso de gemación de una levadura. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 Figura 1.5 Influencia de la temperatura en la velocidad de crecimiento de los Microorganismos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 Figura 1.6 Curva típica de crecimiento para un cultivo por lotes. . . . . . . . . . . . . . . 15 Figura 1.7 Evolución del proceso fermentativo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 Figura 1.8 Esquema de la marmita para la fermentación. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 Figura 1.9 Diagrama de bloques para la fermentación. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 Figura 2.1 Curvas de equilibrio líquido-vapor para diferentes volatilidades

relativas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

Figura 2.2 Casos típicos de equilibrios binarios. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 Figura 2.3 Columna de fraccionamiento continuo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 Figura 2.4 Sección de enriquecimiento de la torre. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 Figura 2.5 Sección de agotamiento de la torre. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 Figura 2.6 Plato de alimentación. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 Figura 2.7 Localización de la línea q para diferentes alimentaciones. . . . . . . . . . . 42 Figura 2.8 Número mínimo de etapas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 Figura 2.9 Determinación del reflujo mínimo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 Figura 2.10 Método gráfico McCABE-THIELE. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 Figura 2.11 Esquema de la destilación azeotrópica (mezcla etanol-agua). . . . . . . . 47 Figura 2.12 Esquema de la columna de destilación piloto. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 Figura 2.13 Diagrama de bloques para la destilación continua. . . . . . . . . . . . . . . . . 51 Figura 3.1 Equipo para una destilación simple. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 Figura 3.2 Integración gráfica para la ecuación de RAYLEIGH. . . . . . . . . . . . . . . 62 Figura 3.3 Columna de rectificación por lotes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 Figura 3.4 Destilación por lotes con reflujo constante. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 Figura 3.5 Destilación por lotes con reflujo variable. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 Figura 3.6 Esquema de la columna de destilación piloto. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 Figura 3.7 Diagrama de bloques para la rectificación discontinua. . . . . . . . . . . . . 69 Figura 4.1 Molécula de un triglicérido. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 Figura 4.2 Prensa hidráulica para la extracción mecánica de aceite vegetal. . . . . 89 Figura 4.3 (A) Equipo para la extracción de aceites con solvente; (B) Equipo

para la recuperación del solvente. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90

Figura 4.4 Diagrama de bloques para el proceso de extracción de aceites de origen vegetal. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

91

Figura 4.5 Equipo (autoclave) para extracción de aceites de origen animal. . . . . . 94 Figura 4.6 Diagrama de bloques para el proceso de extracción de grasas y

aceites. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95

Figura 5.1 Etapas de la saponificación. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 Figura 5.2 Equipo para el proceso de saponificación. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 Figura 5.3 Diagrama de bloques para la fabricación de jabón. . . . . . . . . . . . . . . . 108 Figura 5.4 Diagrama de bloques para la recuperación de glicerina. . . . . . . . . . . . 114 Figura 6.1 Curva de humedad en el equilibrio en el secado. . . . . . . . . . . . . . . . . . 119 Figura 6.2 Modelos de interacción gas-sólido en secadores. . . . . . . . . . . . . . . . . . 120 Figura 6.3 Modelos de temperatura en secaderos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122 Figura 6.4 Carta psicrométrica para aire-vapor de agua a P = 0.78 bar. . . . . . . . . 127 Figura 6.5 Curvas típicas de secado a condiciones constantes. . . . . . . . . . . . . . . 128 Figura 6.6 Secador de bandejas piloto. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132 Figura 6.7 Diagrama de bloques para el secado de sólidos. . . . . . . . . . . . . . . . . . 134 Figura 7.1 Esquema del equipo para secado por aspersión en circuito abierto y flujo en paralelo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141 Figura 7.2 Características de las etapas involucradas en el secado por

aspersión. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143

Figura 7.3 Comportamiento de las gotas durante el secado por aspersión. . . . . . 147 Figura 7.4 Equipo para secado por aspersión. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150 Figura 7.5 Diagrama de bloques para el secado por aspersión. . . . . . . . . . . . . . . 152 Figura 8.1 Proceso para la extracción industrial de café. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162 Figura 8.2 Equipo (autoclave) para la extracción del material soluble del café. . . . 168 Figura 8.3 Diagrama de bloques para la extracción del material soluble del café. 169 Figura 9.1 Curva de velocidad de secado contra tiempo para la liofilización. . . . . 179 Figura 9.2 Aplicación del modelo URIF a una geometría de bloque para la transferencia de masa en liofilización. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181 Figura 9.3 Equipo de liofilización piloto. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184 Figura 9.4 Diagrama de bloques para la liofilización de extracto de café. . . . . . . . 186 Figura 10.1 Secuencia de las reacciones producidas durante la fermentación de la lactosa hasta ácido láctico. . . . . . . . . . . . . . . . . 192 Figura 10.2 Comportamiento de las cepas puras y mixtas de cultivos de yogur sembrados e incubados a 40ºC y con un 2 % de cultivo. . . . . . . . . . . . 193 Figura 10.3 Metabolismo de crecimiento simbiótico de S. thermophilus y L. bulgaricus en leche. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193 Figura 10.4 Equipo para la fermentación de la leche en el proceso de yogur. . . . . . 199 Figura 10.5 Diagrama de bloques para la producción de yogur. . . . . . . . . . . . . . . . 200 Figura 11.1 Origen de las fibras utilizadas en la manufactura del papel. . . . . . . . . . 206 Figura 11.2 Composición química de la madera. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208

Figura 11.3 Diagrama esquemático del proceso Kraft. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211 Figura 11.4 Equipo para la digestión (autoclave). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215 Figura 11.5 Diagrama de bloques para la fabricación de papel. . . . . . . . . . . . . . . . 217 Figura 12.1 Diagrama del reactor multipropósito. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226 Figura 12.2 Diagrama de bloques para el proceso de esterificación. . . . . . . . . . . . . 228 Figura 13.1 División superficie de la piel. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237 Figura 13.2 Estructura de la piel. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238 Figura 13.3 Diagrama de bloques para el proceso de curtido de pieles. . . . . . . . . . 246

INTRODUCCIÓN

Este trabajo presenta un manual de prácticas para el laboratorio de operaciones unitarias lll elaborado desde el punto de vista de la estructura académica, definida para ésta área, en la Universidad Nacional Sede Manizales. La organización de los temas se sustenta de acuerdo con la continuidad de las prácticas para que se puedan desarrollar de forma secuencial, ya que se plantean procesos donde los productos obtenidos son, a su vez, materias primas del proceso siguiente. Dentro del trabajo se incluye básicamente una serie de procesos y operaciones unitarias divididas en una sección teórica y una sección experimental. Con el marco conceptual se brinda la posibilidad de estudiar, recordar y analizar los fundamentos teóricos para desarrollar los objetivos de la sección experimental, logrando una interacción entre ambas partes. La idea de realizar un manual surgió del trabajo práctico que se ha venido ejecutando en los laboratorios de la sede, lo que impulsó a construir y materializar una documentación asequible y accesible por la comunidad académica, especialmente por el estudiantado de ingeniería química. El proyecto final recopila la información esencial y detallada de los procesos de secado, fabricación de papel, saponificación y recuperación de glicerina, fermentación para la obtención de etanol, destilación continua, rectificación y reacciones de esterificación. Con el fin de trascender el contenido de las prácticas de pilotaje industrial se presenta el estudio teórico para implementar los procesos de extracción del material soluble del café y liofilización de extracto de café que le da extensión a éste producto, ampliamente manejado en la región; el secado por aspersión que es una operación muy usada en la industria de los alimentos y productos químicos de los cuales es importante conocer y aplicar sus conceptos de forma experimental; la producción de una bebida láctea fermentada de tipo yogur que permite conocer un proceso desarrollado por bacterias donde se obtiene un producto de alto valor agregado y nutricional; la extracción de grasas y aceites que explica la operación de extracción sólido-líquido que es poco estudiada en el ámbito académico y el curtido de pieles que genera un producto con una amplia gama de fabricación de artículos de confección, con un reto adicional que es la búsqueda de procesos alternativos que reduzcan la contaminación que incorpora este proceso al medio ambiente. Por otro lado, no se incluye la práctica de difusión másica (difusividad), tradicionalmente desarrollada, pues su carácter planteado no corresponde a un proceso de planta piloto como se lleva a cabo con el resto de las prácticas documentadas en el manual. Además, durante la producción del trabajo se realizaron algunos cambios de nombre de las prácticas ya que al parecer de los autores los nuevos nombres dan una idea más clara de la experiencia que se va a desarrollar. Paralelamente al estudio de cada una de las prácticas se desarrolla el proceso de evaluación de los recursos físicos que están a disposición del laboratorio de procesos productivos de la sede, sugiriéndose un plan de adquisición y mantenimiento de aquellos elementos que dificultan el correcto desarrollo de las experiencias.

1

La construcción de una guía concisa, que presente un planteamiento claro de lo que se quiere lograr en cada una de las prácticas, se convierte en un pilar para alcanzar la integración de la ingeniería química aplicada con el entorno industrial.

2

Práctica 1 FERMENTACIÓN PARA

LA OBTENCIÓN DE ETANOL

1.1 OBJETIVOS DE LA PRÁCTICA

Objetivo General

Estudiar el proceso de obtención de etanol por fermentación de melaza o miel virgen utilizando Saccharomyces cerivisiae. Objetivos Específicos 1. Realizar los balances de materia del proceso, tanto teóricos como reales 2. Modelar la cinética del proceso biológico 3. Monitorear el proceso de fermentación a través de sus principales variables 4. Establecer la cantidad de producto obtenido durante el proceso fermentativo 5. Calcular el rendimiento o eficiencia del proceso 1.2 MARCO CONCEPTUAL

Reseña histórica [1], [18] Las bebidas alcohólicas fueron preparadas desde la antigüedad por civilizaciones como las egipcia, israelita, griega y germana. Se menciona la probabilidad de que la obtención de alcohol se iniciara en países vinícolas del mediterráneo como Italia, aunque también aparecen indicios de equipos para destilar alcohol entre los alquimistas helénicos de Alejandría hacia el siglo I. La primera evidencia escrita de la producción de alcohol no aparece sino hasta el siglo XII, en donde se denomina a la sustancia como agua ardiente. Posteriormente, entre los años 1240-1313 aparecen otros nombres como aqua ardens, aqua permanens y aqua vitae. A principios del siglo XIV comienzan a aparecer nuevas metodologías para la obtención del preciado líquido como la concentración utilizando sales alcalinas y la destilación fraccionada; en esta época, a pesar de los avances en la producción de alcohol, no se tenía una idea clara de los fenómenos que se encontraban detrás del proceso.

Oscar Andrés Prado

Manual de Prácticas para el Laboratorio de Operaciones Unitarias III

En el siglo XV ya existía una producción generalizada de alcohol, sin conocerse aún a ciencia cierta el proceso. Solo fue hasta 1680 que comenzaron estudios concretos, liderados por Leeuwenhoek, para desentrañar el fenómeno de la fermentación gracias a la utilización de microscopios. Para estos días la fermentación era definida como la descomposición originada por un cuerpo vivo con la capacidad de modificar los componentes del hábitat donde se encuentra y formar nuevas combinaciones. A mediados del siglo XVIII se realizan notables avances en la destilación y en 1974 Mac Bride demostró que el gas desprendido en la fermentación era ácido carbónico ( ). Poco después Lavoisier deslumbró la esencia del proceso fermentativo demostrando que los azúcares se desdoblaban en alcohol y ácido carbónico. En 1976 Lowitz obtuvo el primer alcohol anhidro, tratando el alcohol rectificado con carbonato potásico.

2CO

Hacia 1810 Gay Lussac señaló que la fermentación alcohólica requería la interacción de un material sacarino y un fermento particular de origen animal; en 1836 se encontró que los microorganismos responsables de la fermentación eran levaduras. Durante estos días se desencadenó un gran debate en torno a los principios que regían la fermentación; una posición argumentaba que el proceso se daba gracias a la acción de una fuerza catalítica y por otro lado se sostenía que las sustancias nitrogenadas de fácil descomposición originaban un movimiento químico hacia el cuerpo susceptible a la fermentación y así se producía el desdoblamiento. El debate terminó cuando Pasteur demostró que la levadura descompone los azúcares como consecuencia de su actividad vital además de que en el proceso fermentativo se producen otras sustancias diferentes al alcohol y el ácido carbónico como el ácido succínico y la glicerina. Pasteur evidencia también la influencia perjudicial de las bacterias sobre la fermentación. En 1896 Buchner aisló por primera vez, a partir de la levadura, la enzima zimasa, la cual es la principal responsable de producir la fermentación de una solución azucarada, es decir, que el poder de las células vivas de producir la fermentación se debe a esta enzima. A partir de este momento se iniciaron investigaciones para estandarizar y cuantificar las soluciones alcohólicas y los sustratos utilizados para producirlas, motivadas por los estudios de Gay Lussac. La industria del alcohol se desarrolló aún más por las innovaciones propuestas por Koch (cultivo de bacterias en ácido láctico) y Delbrük (sistema de inseminación natural). Desde entonces las mejoras en el proceso de obtención de alcohol se han dado optimizando los procesos, variando los microorganismos y sustratos utilizados e innovando en las técnicas utilizadas para la separación del etanol. Generalidades Las bioconversiones son procesos en los cuales los microorganismos convierten un grupo de sustancias en un producto utilizando para esto desde un pequeño número hasta una complicada secuencia de reacciones enzimáticas [2]. Durante estos procesos una

Paloma Andrade Santacoloma 4

Fermentación para la Obtención de Etanol

pequeña cantidad de microorganismos crece y se multiplica tomando los nutrientes necesarios del medio donde se encuentren. Se distinguen cuatro actividades en las transformaciones microbianas [3]: 1. Desarrollo: en esta fase el microorganismo aumenta de tamaño y se reproduce 2. Asimilación: aquí el sustrato es transformado en ciertas sustancias necesarias para el

desarrollo y actividad vital del microorganismo. 3. Biosíntesis: es la formación de compuestos complejos al interior de la célula

necesarios para la vida del microorganismo. 4. Desasimilación: algunos compuestos encontrados en el sustrato son transformados en

nuevos productos que poseen libertad. En la actualidad miles de bioconversiones llevadas a cabo por microorganismos son conocidas, las más importantes se muestran en la tabla 1.1.

Tabla 1.1. Algunas bioconversiones realizadas por microorganismos

Hidrólisis Esterificación Halogenación Hidroxilación Desmetilación Isomerización Mutilación Hidratación Reducción Condensación Aminación Deshidratación Descarboxilación Fosforilación Oxidación Amidación Epoxidación Deaminación

La biotecnología ha sido definida por la Federación Europea de Biotecnología como la integración de la Bioquímica, la Microbiología y la Ingeniería Química con el fin de de alcanzar la aplicación tecnológica de los microorganismos y de los cultivos celulares de tejidos [3]. La palabra fermentación se deriva etimológicamente del latín fervere, que significa ebullición o burbujeo. Aún en estos días se presenta en la literatura un poco de ambigüedad en la definición de fermentación. Algunos autores señalan a la fermentación como el uso de microorganismos para la generación de productos de alto valor agregado [3], [4]. No obstante, la Real Academia de Ciencias Exactas restringe la definición de fermentación solo a los procesos anaerobios1, aunque por extensión puede ser utilizado en todos los casos2. Las principales razones para utilizar biotransformaciones son la especificidad de producto de los microorganismos y los rendimientos que se pueden alcanzar [2]. Comercialmente los productos más importantes de las fermentaciones industriales se clasifican en cuatro categorías [6]:

Células microbianas

1 Se ha reevaluado la utilización del término aerobio y anaerobio; para ser más precisos se sugiere mencionar oxibiótico. 2 Diccionario Esencial de las Ciencias. Real Academia de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales. Editorial EPASA. Madrid, 2001.

Oscar Andrés Prado 5


Moléculas de gran tamaño como, enzimas y polisacáridos Productos básicos asociados al desarrollo celular Productos secundarios no asociados al crecimiento celular

Algunos ejemplos que caben dentro de estas cuatro categorías son: ácidos orgánicos, aminoácidos, antibióticos, vitaminas, pigmentos, vacunas, proteínas, anticuerpos, insecticidas, entre otros [12]. Clasificación de las fermentaciones [6], [7] Las fermentaciones se pueden clasificar desde diferentes puntos de vista, que son: 1. Por microorganismos: la clasificación taxonómica del reino protista abarca las más

importantes características de los microorganismos como los son los requerimientos energéticos y nutricionales, velocidad de crecimiento y formación de producto, forma de reproducción y diferencias morfológicas. En la figura 1.1 se muestra dicha clasificación.

Procarioticas Eucarioticas

Bacterias Algas verde-azules Hongos Algas Protozoos

Mohos Levaduras

REINO PROTISTA

Figura 1.1. Clasificación del reino protista [7]

Para las bacterias, en particular, se pueden clasificar como Gram-positivas o Gram-negativas, en función de su respuesta a la coloración de Gram que afecta a los peptidoglicanos presentes en la membrana celular.

2. Suministro de oxígeno: según las necesidades de oxígeno, los microorganismos pueden ser clasificados tradicionalmente como aerobios, anaerobios y facultativos3.

3. Fase en que se lleva a cabo la fermentación: el proceso fermentativo se puede llevar a cabo en tres fases:

- Fermentación en estado sólido: para este caso el sustrato se encuentra en fase

sólida (no seco); una alternativa es usar un soporte sólido para el crecimiento del microorganismo y alimentar el sustrato semifluido.

- Fermentación superficial: el sustrato es líquido y los microorganismos crecen en la superficie de este. Es efectivo casi exclusivamente para hongos.

3 Son aquellos microorganismos que pueden crecer en situaciones de aerobiosis y de anaerobiosis; por ejemplo, las levaduras industriales.



- Fermentación sumergida: para este caso los microorganismos, nutrientes y el producto se encuentran disueltos en el medio de cultivo. Es aplicable a la gran mayoría de los microorganismos.

4. Régimen temporal: las fermentaciones se pueden llevar a cabo en forma discontinua,

por lotes alimentados (fed-batch) o en continuo. Metabolismo celular Los microorganismos, como sistemas termodinámicos abiertos, se encuentran en estado estacionario debido a los flujos permanentes de varias sustancias originados por los gradientes químicos o electroquímicos; para mantener estos gradientes y los flujos se requiere energía. En los sistemas biológicos se emplea básicamente la energía de la hidrólisis del ATP4, como una forma de energía más universal para todos los seres vivientes, aunque esta no es la única. Una de las fuentes del ATP es la fosforilación oxidativa del sustrato, que realizan diversas enzimas en el medio acuoso. Pero en las células aeróbicas, la mayor cantidad del ATP se produce en los sistemas de la fosforilación oxidativa y la fotofosforilación en las biomembranas especializadas: en la membrana interna de mitocondrias, en la membrana de tilacoides de cloroplastos y la membrana plasmática de las bacterias [8]. El metabolismo celular se clasifica, según el tipo de productos obtenidos, en dos:

Metabolismo primario: el crecimiento, la actividad vital y la reproducción celular son dependientes de la capacidad del microorganismo para captar nutrientes del medio que lo rodea, debido a que las necesidades energéticas de las células se deben solventar con rompimiento de compuestos orgánicos.

En los procesos aerobios los microorganismos tienen la capacidad de convertir el sustrato empleado en y lográndose extraer un máximo de energía que es utilizado para generar nueva masa celular. Para el caso anaerobio la transformación no es completa, obteniéndose compuestos intermedios que son secretados por el microorganismo [6].

2CO OH 2

Los mecanismos catabólicos5 para la asimilación de los azúcares se dan por tres vías: La Embden-Meyerhof-Parnas (EMP), la de la hexosa monofosfato (HMP) y la de Entner-Doudoroff (ED). La ruta EMP es la más difundida entre células animales y vegetales, hongos, levaduras y bacterias. La secuencia de reacción EMP convierte la glucosa en dos moléculas de piruvato a través de reacciones de isomerización, rompimiento de anillos y transferencia de grupos como el fosfato y el hidrógeno; además se llevan a cabo

4 El adenosin en una molécula formada a partir de la ribosa y la adenina. El más importante derivado de este compuesto es el adenosin monofosfato (AMP); a medida que aumentan los grupos fosfato en la molécula se forman el adenosin difosfato (ADP) y el adenosin trifosfato (ATP) [7]. 5 Desdoblamiento de los nutrientes para la obtención de energía



diversas interacciones entre los grupos ATP, ADP, NAD6 y NADH. El camino de reacción EMP se muestra en la figura 1.2 [7].

OH

H

H

H

H

OH

OH

OH OH

CH OPO2 3

6-fosfato Glucosa

O

HH

H

OH

OHOH

CH OH2

CH OPO2 3

6-fosfato Fructosa

OH

H

H

H

OH

OH

OH

CH OH2

1

23

5

6

GlucosaH

OH

4

O

HH

H

OH

OH

OH

CH OPO2 3

CH OPO2 3

H O2

1,6-difosfato Fructosa

CH OH2

O

CH OPO2 3

C HCOH

O

CH OPO2 3

HC

HCOH

O

OPO3

CH OPO2 3

C

HCOH

OO

CH OPO2 3

C

CH OH2

OO

HCOPO3

C

CH2

OO

COPO3

C

CH

O

OO

C

C

3

Hexoquinasa

Fosfohexoisomerasa

Fosfofructoquinasa

Aldolasa

DihidroxiacetonaFosfato

Gliceraldehído

Gliceraldehído

Gliceraldehído

3-fosfato

3-fosfato

3-fosfato

ATP

ADP

ADP

NAD

ATP

ADP

ATP

ATP

NADH

ADP

Triosa

Isomerasa

+

Deshidrogenasa

3-FosfogliceratoQuinasa

Fosfogliceramutasa

Enolasa

PiruvatoQuinasa

1,3-Difosfoglicerato

3-Fosfoglicerato

2-Fosfoglicerato

Fosfoenolpiruvato

Piruvato

Figura 1.2. Mecanismo de reacción Embden-Meyerhof-Parnas (EMP) [7] A partir del piruvato se obtiene una variedad de productos, estos se ilustran en la figura 1.3.

6 La nicotinamida-adenina dinucleótido (NAD) es un compuesto que cumple funciones similares al ATP. Se puede presentar en su forma oxidada (NAD+), reducida (NADH) y fosforilada (NADP).



Piruvato

Acetil-CoA Lactato

Oxalacetato

Succinato

Propionato

Acetaldehído

Etanol

Acetato

Metano

Unidades de acetato

Acetoacetato

Butirato Butirato

Butanol

Acetona + CO

Isopropanol

222

Acetoína2-Acetil 2-Formato

Acetato Etanol 2,3-Butanodiol

2H 2CO

Figura 1.3. Productos finales obtenidos del piruvato [6]

La reacción global EMP que termina con el piruvato es: (Pi indica la fuente de fósforo)

C CH HO OP ADP NAD ATP NADH6 612 3 34+ +

I2 2 2 2 2 2 ( )+ + + + + + H Algunas fermentaciones anaerobias que usan cepas de Saccharomyces, Lactobacillus y Clostridium emplean la ruta EMP. Particularmente la S. cerevisiae produce etanol cuando el piruvato producido por la glicosilación se convierte en acetaldehído y después en etanol, conjuntamente el formado durante la glicólisis es reoxidado por la enzima alcohol deshidrogenasa. La reacción global es la siguiente [6]:

++ HNADH

C C CH H HO O OADP ATP6 612 2 25

2 2 2 2+ + + Para el caso de fermentación alcohólica utilizando Saccharomyces cerevisiae YEN-HAN et al., exponen un mecanismo detallado de las reacciones involucradas en una fermentación continua llevada a cabo en un CSTR [11].

Metabolismo secundario: los compuestos generados durante el metabolismo secundario no desempeñan un papel claro en las transformaciones energéticas ni en la biosíntesis celular. Se menciona que estos compuestos, principalmente antibióticos, actúan como inhibidores de otros microorganismos, efectores para la diferenciación, agentes de simbiosis, entre otros papeles.

La producción de metabolitos secundarios se apoyan en mecanismos similares al metabolismo primario, debido a que sus precursores son metabolitos primarios modificados; por ejemplo ácidos orgánicos, aminoácidos alifáticos, derivados de azúcares, unidades de isopreno, etc. [6].

Levaduras [6], [7], [9], [10], [18] Las levaduras son microhongos generalmente encontrados en el la tierra de regiones con humedad relativa baja. Estos microorganismos son quimioorganótrofos, es decir, que obtienen su energía y carbono por la oxidación de compuestos orgánicos. Las levaduras pueden ser desde células individuales o cadenas cortas hasta formas celulares que incluyen varios tipos de filamentos. El proceso de reproducción de estos



hongos se conoce como gemación, en donde la célula hija comienza siendo una yema, que crece hasta alcanzar casi el tamaño de la célula madre y se separa. El proceso de reproducción se indica en la figura 1.4. La membrana celular de las levaduras se compone principalmente por una membrana citoplasmática constituida por lípidos, proteínas y mananos, un espacio periplásmico y la pared celular, que contiene algunas proteínas y grandes cantidades de glucano y manano.

Núcleo

Aparato deGolgi

Vacuola

Paredcelular

Cicatriz dela yema Mitocondria

Retículoendoplasmático

Huso

Figura 1.4. Proceso de gemación de una levadura [6] El género Endomycetes forma micelio, mientras que los géneros Schizosaccharomyces y Saccharomyces rara vez lo forman. Por lo general, las especies de Saccharomyces producen pseudomicelio en cultivos muy viejos, el pseudomicelio está constituido por células brotantes (células hijas) que no se desprenden de las células madres, presentándose entonces como cadenas de células que se entrelazan dando la impresión de un micelio. Las levaduras de mayor importancia industrial son la Saccharomyces cerevisiae, Kluyveromyces lactis, Candida utilis y Endomycopsis fibuliger. El nombre Saccharomyces cerevisiae proviene del latín Saccharum (azúcar), mykes (hongo), y cerevisia (cerveza). La posición taxonómica se enseña en la tabla 1.2.

Tabla 1.2. Taxonomía de la Saccharomyces cerevisiae [9]

Posición taxonómica Phylum Ascomycota Clase Hemiascomycetes Orden Saccharomycetales Familia Saccharomycetaceae

Sinónimo Saccharomyces boulardii

La Saccharomyces cerevisiae es un hongo unicelular eucariótico que presenta células alargadas, globosas o elipsoidales, con gemaciones o blastoconidios multilaterales (de 3-



10µm x 4,5-1µm), ascos con hasta cuatro esporas esféricas o elipsoides y de pared lisa en su interior. Su temperatura óptima de reproducción es 30ºC. Esta levadura se considera que posee un poder fermentativo medio-alto, es decir, que producen más de 5% (v/v) de etanol [9]. Factores que afectan las fermentaciones En los bioprocesos hay que tener en cuenta además del microorganismo, las condiciones que permitan alcanzar una conversión efectiva del sustrato en el producto deseado. Algunos de estos factores son [2], [6]:

Regulación de la síntesis de enzimas: este factor es muy importante durante la etapa de crecimiento celular. Cada célula tiene la capacidad de producir una gran cantidad de enzimas que deben generarse en forma coordinada para que el microorganismo funcione de una manera eficiente. La regulación del metabolismo celular se ve influenciado por factores como la síntesis y degradación de enzimas, la represión catabólica7, la modulación de la actividad enzimática, entre otros.

Mutación: en ocasiones, el rendimiento de las bioconversiones puede mejorarse por la

mutación del microorganismo, con el fin de que este produzca en una proporción más adecuada las enzimas necesarias para generar el producto deseado. Los microorganismos genéticamente alterados después de mucho reproducirse tienden a volver a la cepa original.

Permeabilidad: para algunos microorganismos se hace necesario la alteración de la

permeabilidad de su membrana celular hacia determinados sustratos o productos. Por ejemplo, cuando la Saccharomyces cerevisiae, antes de la adición del sustrato, es agitada en presencia de un catión con superficie activa se presenta la conversión de adenosina a ATP.

Cometabolismo: consiste en la utilización de dos sustratos. Uno se emplea para el

crecimiento y manutención del microorganismo, mientras que el segundo es convertido en el producto deseado. Esta técnica se aprovecha cuando los sustratos requeridos son muy costos, así como también cuando un solo sustrato no solventa el crecimiento del microorganismo.

Inhibición por producto: un problema en las biotransformaciones es la inhibición por

producto, debido a que cuando se forma el compuesto de interés la velocidad de generación de producto disminuye. Un caso particular se da en la fermentación alcohólica utilizando S. cerevisiae, donde se puede producir etanol hasta una concentración de 12%-14% (v/v); aunque se han logrado obtener cepas que alcanzan concentraciones hasta de 18% (v/v), no se ha podido evitar la inhibición por producto. Los factores fisiológicos que influyen en la tolerancia de las levaduras al etanol son el aporte del sustrato, la acumulación de etanol intracelular, la presión osmótica y la temperatura.

7 Es el fenómeno que ocurre cuando la célula crece en un medio que contiene altas concentraciones de sustrato o más de un sustrato utilizable para el crecimiento, por lo que se inhibe un proceso.



Bioconversiones mixtas: para cierto tipo de bioprocesos se requiere la interacción de dos o más microorganismos con el fin de elevar el rendimiento. Por ejemplo, en la producción de yogur se usan cepas de Lactobacillus bulgaricus y Streptococcus thermophilus que actúan de forma sinérgica.

Temperatura: de forma análoga a las reacciones químicas y enzimáticas, el

crecimiento celular sufre alteraciones por la temperatura. La temperatura a la cual prolifera un microorganismo depende de su naturaleza psicrofílica, mesofílica o termofílica como se muestra en la figura 1.5. El efecto de la temperatura sobre la velocidad de crecimiento puede representarse por la ecuación de Arrhenius.

Para la S. cerevisiae la velocidad de fermentación aumenta con la temperatura entre los 18ºC y los 35ºC, de igual manera lo hacen las concentraciones de glicerol, acetona, 2,3-butenodiol, acetaldehído, piruvato y 2-cetoglutarato en el medio de cultivo. Por encima de 35ºC el riesgo de alteración bacteriana es grande ya que a estas elevadas temperaturas las membranas celulares de las levaduras dejan de ser tan selectivas, emitiendo sustratos muy adecuados para la proliferación de bacterias.

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110

Velo

cid

ad

de

cre

cim

iento

Psicrófilos Mesófilos

Temperatura (ºC)

Termófilosmoderados

Termófilosextremos

Figura 1.5. Influencia de la temperatura en la velocidad de crecimiento de los microorganismos [6]

pH: cada microorganismo posee diferente tolerancia a las variaciones de pH, en

general crecen en intervalos de 3 unidades de pH o menos. A medida que disminuye el pH las levaduras pierden su capacidad fermentativa, aunque otros microorganismos como las bacterias se ven afectadas en mayor medida. Para pH elevados se incrementa la producción de glicerol. En la fermentación alcohólica se utiliza ácido clorhídrico o sulfúrico para ajustar el pH entre 3.5 y 4.5; el ácido sulfúrico además de desdoblar la sacarosa (inversión de la sacarosa) sirve también como antiséptico, precipita cationes como el calcio y el magnesio en forma de sulfatos8 [19].

Actividad del agua: este factor es de importancia cuando la fermentación se da en

estado sólido o superficial. La humedad relativa del medio debe ser la suficiente como para no inhibir el crecimiento del microorganismo; para mohos la humedad debe ser mayor al 70%, mientras que para las bacterias requiere superar el 95%.

8 La presencia de los iones de calcio y magnesio en los caldos de cultivo inhibe el crecimiento de la levadura [19].



Nutrientes: los microorganismos fermentativos necesitan una fuente que les permita obtener la energía necesaria para sus procesos vitales, pero además necesitan otros sustratos como son nitrógeno, fósforo, azufre, potasio, magnesio, calcio y vitaminas, especialmente la tiamina (vitamina B1). Por ello es de vital importancia que el medio disponga de una base nutricional adecuada para poder llevar a cabo la fermentación alcohólica.

El nitrógeno es el más importante, siendo necesario que el mosto contenga inicialmente nitrógeno amoniacal y en forma de aminoácidos por encima de 130ppm-150ppm. Una deficiencia de estos nutrientes hará que los microorganismos ataquen proteínas de altos pesos moleculares, liberándose H2S. El nitrógeno se adiciona comúnmente en forma de úrea.

Agentes inhibidores: se debe evitar su presencia en el medio de cultivo; para las

levaduras agentes que inhiben el metabolismo son productos fitosanitarios y ácidos grasos saturados de cadena corta.

Aireación: aunque la fermentación alcohólica es considerada como una bioconversión

anaerobia, la aireación se emplea para iniciar la fermentación. Además, las levaduras necesitan una pequeña cantidad de oxígeno, durante el proceso, para sintetizar algunos esteroles y ácidos grasos insaturados de cadena larga necesarios para que sus membranas celulares puedan ser funcionales.

CINÉTICA FERMENTATIVA PARA OPERACIÓN EN DISCONTINUO [2], [6], [7], [12] Antes del inicio de la fermentación, el medio de cultivo contiene una gran cantidad y variedad de microorganismos como mohos, bacterias, levaduras e incluso protozoos. Sin embargo, son las levaduras y bacterias las que empiezan a sobrevivir y multiplicarse en este medio, aun cuando las bacterias permanecen durante gran parte del proceso fermentativo en un estado de latencia. Inicialmente el mosto es un medio adecuado para el crecimiento y poco a poco este se va haciendo más inhóspito debido a la disminución de azúcares y nutrientes y al incremento de la concentración de alcohol. Inicialmente, cuando el medio es favorable, las levaduras se multiplican por vía vegetativa asexual durante la mitosis, mientras que al final de la fermentación alcohólica comienzan a reproducirse sexualmente por meiosis, señal de que el medio de vida es muy desfavorable por falta de sustratos. En esta última etapa del proceso fermentativo, las bacterias lácticas empiezan a aumentar su densidad de población. En el metabolismo celular, no todo el sustrato es consumido para la formación de nueva biomasa; de allí surge el concepto de rendimiento global estequiométrico (teórico) y aparente. El rendimiento estequiométrico se define como la cantidad de biomasa o producto formado por la cantidad de sustrato consumido con esa finalidad, mientras que el rendimiento aparente es la cantidad de biomasa o producto presente por la cantidad total de sustrato total consumido. En particular, el rendimiento de producto puede ser expresado en función de la biomasa. Debido a la variedad de reacciones que transcurren durante la fermentación, el rendimiento teórico y aparente pueden ser diferentes.



Para el caso de biomasa, la complejidad del metabolismo no permite conocer la cantidad de sustrato consumido por las actividades vitales del microorganismo, así que el rendimiento aparente es el único disponible. Para determinar el rendimiento teórico de producto se realiza el cálculo estequiométrico a partir de la reacción total. El rendimiento aparente global puede determinarse utilizando su definición:

ssxx

sxYxs −

−=

∆∆

−=0

0 (1.1)

sspp

spYps −

−=

∆∆

−=0

0 (1.2)

0

0

xxpp

xpYpx −

−=

∆∆

= (1.3)

Donde xsY : rendimiento aparente de biomasa a partir de sustrato

psY : rendimiento aparente de producto a partir de sustrato

pxY : rendimiento aparente de producto a partir de biomasa

0s : concentración de sustrato inicial (g/l)

0x : concentración inicial de biomasa (g/l)

0p : concentración inicial de producto (g/l) Para un proceso por lotes los modelos propuestos para la cinética del proceso son: 1. Cinética de crecimiento microbiano: la variación de la cantidad de células en una

fermentación se ilustra en la figura 1.6. La fase de latencia se caracteriza por ser la etapa en donde el microorganismo se comienza a adaptar al cambio abrupto de las condiciones sintetizando nuevas enzimas. Una vez se adecúa, comienza a crecer exponencialmente hasta alcanzar el periodo estacionario, donde la biomasa permanece aparentemente constante debido a que las células que mueren se compensan con las que nacen. Cuando el sustrato se agota o las condiciones del medio se vuelven inhóspitas los microorganismos comienzan a morir.

Para determinar la velocidad de crecimiento de los microorganismos se han propuesto diversos modelos. Los más reconocidos son los siguientes:

Modelo de Malthus: este modelo es aplicable solo al periodo de crecimiento exponencial, y supone que la velocidad de crecimiento depende solo de la cantidad de células. La ecuación de Malthus es:



xdtdx µ= (1.4)

Donde

)(tx : cantidad de biomasa (g/l) µ : velocidad específica de crecimiento celular constante, esta depende del microorganismo. (h-1)

Tiempo

Log

de

lacantidad

de

célu

las

(Nº

cél./l)

ó(g

/l)

Fase de latencia

Periodo decrecimientoexponencial

Faseestacionaria

Fase demuerte

Figura 1.6. Curva típica de crecimiento para un cultivo por lotes

Modelo de Monod: el modelo empírico de Monod fue formulado en 1942, partiendo de la ecuación de Malthus y suponiendo que la velocidad específica de crecimiento está relacionada con la concentración de sustrato, de manera análoga a las isotermas de adsorción de Langmuir o las reacciones catalizadas por enzimas con un único sustrato de Michaelis-Menten. La ecuación de Monod es:

sKs

s += maxµ

µ (1.5)

Donde: maxµ : velocidad específica máxima de crecimiento celular (h-1)

s : concentración de sustrato (g/l) sK : constante de semisaturación, depende del sustrato y el microorganismo

(g/l). El modelo de Monod describe sólo a los periodos de crecimiento exponencial y fase estacionaria.

Ecuación logística: es un modelo sencillo propuesto por Verlhurst en 1844 y modificado por Peral y Reid en 1920. Este modelo considera, de manera análoga



al de Malthus, que la velocidad de crecimiento depende sólo de la concentración de células, pero incluye un término de inhibición proporcional al cuadrado de la concentración de biomasa. La ecuación logística es:

2xkx

dtdx β−= (1.6)

Donde k : término análogo a la ecuación de Malthus β : constante del término de inhibición

Una alternativa para modelar el crecimiento microbiano es mediante una descripción química, es decir, plantear una reacción química. Este procedimiento se le llama estructurado y es explicado en detalle por COONEY [2] y DORAN [12].

2. Cinética para el consumo de sustrato: el sustrato consumido por el microorganismo tiene como finalidad el crecimiento celular, mantenimiento de las actividades vitales y la generación de producto, para el caso donde la formación de producto no esté asociada en forma directa al metabolismo energético.

Para modelar la variación de la concentración del sustrato con el tiempo se proponen diversas ecuaciones. La ecuación 1.7 es la más utilizada, pero no siempre es aplicable; por tanto aparecen las otras ecuaciones.

dtdx

Ydtds

xs

1−= (Sin formación de producto y sin mantenimiento) (1.7)

xmdtdx

Ydtds

sxs

−−=1

(Sin formación de producto) (1.8)

xmdtds

s−= (Sin formación de biomasa ni producto) (1.9)

dtdp

Ydtdx

Ydtds

psxs

11−−= (Sin mantenimiento) (1.10)

xmdtdp

Ydtdx

Ydtds

spsxs

−−−=11

(1.11)

Donde

sm : coeficiente de mantenimiento (g de sustrato/g de biomasa-h)



3. Cinética de formación de producto: de manera análoga al modelo cinético para el consumo de sustrato, se plantean diferentes ecuaciones para modelar la formación de producto.

dtdsY

dtdp

ps−= (1.12)

dtdxY

dtdp

px= (1.13)

xqdtdp

p= (No asociado al crecimiento) (1.14)

xqdtdx

dtdp

p+= α (Luediking-Piret, parcialmente asociado al crecimiento) (1.15)

Donde

pq : velocidad específica de formación de producto α : constante

Las curvas superpuestas típicas de una fermentación se muestran en la figura 1.7.

Tiempo

Co

nce

ntr

ació

nd

eP,

Xy

S

Sustrato

Biomasa

Producto

Figura 1.7. Evolución del proceso fermentativo

Alternativas del proceso La sustancia conocida como etanol, alcohol, metilcarbinol, alkohol aethylicus, spiritus vini, espíritu del vino, entre otros; se encuentra de forma natural en algunos frutos, aceites esenciales, suelos ricos en humus, aguas naturales, tejidos naturales, y otros. En primera instancia el etanol puede ser sintetizado artificialmente utilizando diversos mecanismos como los son [1], [18]:



- Partiendo del carburo de calcio - Reacción del anhídrido carbónico con el dióxido de carbono - Reacción de haluros etílicos en presencia de bases - Descomposición de nitrito de etilamina - Reducción del acetaldehído en presencia de níquel - Reducción de éter acético, acetamida o anhídrido acético - Electrólisis de propionato amónico - Reacción de formaldehído con bromuro de metilmagnesio (Grignard) - Síntesis a partir de etileno o acetileno (no es usada industrialmente)

El etanol puro es una sustancia incolora, de olor agradable, fácilmente inflamable, higroscópica y soluble en agua, éteres, cloroformo y glicerina. Funde a -117,3ºC y bajo presión de 1atm su punto de ebullición es 78,35ºC. Absorbe gases como el hidrógeno, nitrógeno, oxido nitroso, ácido sulfuroso y ácido sulfhídrico en mayor proporción que el agua. Su vapor es estable hasta los 300ºC, a temperaturas superiores se descompone en hidrógeno, metano, etileno, acetileno, benzol, naftalina, entre otros [6], [18]. El alcohol etílico de alta pureza se conoce como alcohol absoluto y su peso específico a 15ºC no debe ser superior a 0.797 que corresponde a una pureza superior del 99%. Las impurezas más comunes presentes en el etanol son los alcoholes superiores o aceites de fúsel, ésteres, compuestos carbonílicos, furfural, ácidos orgánicos volátiles, compuestos azufrados, aminas y fenoles [6]. Los compuestos más importantes presentes en las bebidas alcohólicas son los alcoholes superiores como el alcohol amílico, isoamílico, 2-fenoetanol, butanol, pentanol, glicerol y alcohol polihídrico. Los ésteres confieren a las bebidas alcohólicas un aroma intenso afrutado, los más significativos son el acetato de etilo, el formiato de etilo y el acetato de isoamilo. El acetaldehído, que es un producto intermedio en la fermentación, otorga unas propiedades organolépticas indeseables en el alcohol. Otros compuestos indeseables son el diacetilo y la 2,3-pentanodiona. El etanol es un producto de gran demanda en todo el mundo, debido principalmente a sus cualidades como bebida, combustible, disolvente y reactivo en la industria química. Sus principales ventajas son [7]:

Es líquido y de fácil transporte Su calor de combustión es alto, aprox. 2/3 del de la gasolina Puede mezclarse con la gasolina en concentraciones hasta de 10% sin

tener que modificar los motores ni incrementar las emisiones. Refuerza el valor de octanaje de gasolinas sin plomo

La producción de alcohol vía fermentativa ha sido modificada desde muchos puntos de vista, los más importantes son: 1. Microorganismos y sustrato: los microorganismos productores de alcohol etílico

utilizan diversos sustratos. En la tabla 1.3 se relacionan los más importantes con sus respectivos sustratos [6], [7], [13].



Un sustrato muy utilizado para la obtención de alcohol son los almidones, pero las levaduras Saccharomyces no tienen la capacidad de asimilar estos compuestos, por consiguiente, para utilizar el almidón se debe realizar un tratamiento con enzimas exógenas como la α-amilasa y β-amilasa de la malta o enzimas microbianas como la α-amilasa, amiloglucodasa (glucoamilasa) y pululanasa.

Tabla 1.3. Microorganismos utilizados para las fermentaciones alcohólicas

Tipo Microorganismo Sustrato Saccharomyces cerevisiae Sacarosa, glucosa, fructosa,

maltosa y maltriosa

Saccharomyces ovarum (S. carlsbergensis)

Sacarosa, glucosa, fructosa, maltosa, maltriosa y melibiosa

Saccharomyces rouxii

Saccharomyces bailli

Mostos con altos contenidos de azucares. En especial la fructosa

Kluyveromyces fragilis

Levaduras

Kluyveromyces lactis Lactosa

Bacterias Zymomonas mobilis Glucosa Saccharomyces cerevisiaeZymomonas mobilis Recombinantes Escherichia coli

Mezcla de azucares provenientes de la lignocelulosa, en su mayoría pentosas

2. Forma de utilizar el microorganismo: la mayoría de las fermentaciones alcohólicas

se llevan a cabo de dos maneras [7], [14]:

- Fermentación sumergida: en ella el microorganismo se encuentra libre el medio de cultivo.

- Células inmovilizadas: se utilizan soportes para las células, aumentado de esta manera la producción volumétrica de alcohol. Un material utilizado es la celulosa deslignificada.

3. Forma de operación: en la tabla 1.4 se muestra un resumen de las formas de

operación y los equipos utilizados para las fermentaciones utilizando levaduras [7].

4. Tratamientos especiales: con el fin de incrementar los rendimientos de la fermentación alcohólica se ha estudiado la influencia de ciertos ácidos sobre el rendimiento del proceso. Compuestos como el ácido láctico y el ácido acético, en algunas concentraciones restringidas, afectan de manera positiva la fermentación debido a una acidificación intracelular, ocasionada por la difusión de los ácidos a través de la membrana celular [16], [17].

Materias primas [1], [18] Las materias primas utilizadas para la obtención de etanol se enumeran a continuación:



Grupo 1: sustancias amiláceas que contienen almidones. Para ser útiles en una fermentación hay que tratarlas con ácidos diluidos o enzimas con el fin de transformar los almidones en azúcares. Las materias primas más empleadas son: papa, maíz, sorgo, lentejas, entre otros.

Tabla 1.4. Alternativas en el proceso de fermentación [7]

Proceso Productividad Comentarios

Fermentación por lotes Muy baja Altos costos de inversión y operación

Fermentador CSTR simple Baja Equipo y operación simple

Series de CSTR 2 ó 3 veces de la simple Operación en continuo sencilla

Fermentador de platos perforados - Mecánicamente complejo

CSTR con centrífugas para recirculación de células

Alta Se Incrementan los costos de operación

CSTR con esquemas de reciclo. Alta Se pueden utilizar separadores

de vórtice

Fermentadores de torre Alta Equipo y operación simple. El tiempo de arranque es largo

Fermentador de tubo inclinado Alta Mecánicamente complejo

Fermentador de torre y lecho empacado Alta

Presentan problemas de taponamiento y caminos preferenciales

Fermentador de diálisis - La transferencia de masa y las obturaciones en la membrana limitan la operación

Fermentador de diálisis a presión Potencialmente alta Presenta problemas de

taponamiento de la membrana

Fermentador rotatorio Alta Presenta problemas de taponamiento y destrucción mecánica de la membrana

Fermentador de pistón Alta Requiere bombas de gran potencia

Fermentación extractiva directa Potencialmente alta El punto crítico es la selección

del solvente Fermentación extractiva con membranas Potencialmente alta Presenta problemas de

taponamiento de la membrana Fermentación con membranas selectivas Potencialmente alta Requiere de membranas difíciles

de desarrollar

Fermentación a vacío Muy alta

Equipos complejos. Requerimientos energéticos elevados. Presenta problemas de contaminación

Fermentación flash Muy alta Mecánicamente complejo



Grupo 2: sustancias que contienen azúcares. El etanol se produce por la fermentación de estas sustancias y su posterior destilación. Los ejemplos clásicos son la remolacha, la caña de azúcar, melazas, algunos frutos y raíces.

Grupo 3: sustancias que contienen alcohol. A estas sustancias solo se les destila para

obtener el etanol. Por ejemplo el vino y la cerveza.

Grupo 4: materias celulósicas. La celulosa se considera un material no fermentable9; de manera análoga a los almidones, la celulosa debe hidrolizarse utilizando ácidos. Se usan la madera y algunos residuos agroindustriales como paja y líquidos sulfíticos residuales de la fabricación de pasta de papel que contienen azúcares derivados de la celulosa y la hemicelulosa.

Grupo 5: en este grupo se encuentran las formas sintéticas de obtener el etanol,

anteriormente nombradas.

9 Aunque se conocen algunos mohos y bacterias que pueden descomponer la celulosa



1.3 DESARROLLO DE LA PRÁCTICA

L

D

HT

d

H

H =L-d

CC

E

C

C

E

V

V

V =Volumen de la sección cilíndrica

V =Volumen de la sección elipsoidal

Figura 1.8. Esquema de la marmita para la fermentación

MATERIALES Y EQUIPOS Materias primas

Sustrato (melaza) Levadura seca granulada Úrea Fosfato trisódico o fosfato de amonio Cloruro férrico Sulfato de magnesio Ácido clorhídrico o sulfúrico Reactivos de Fehling A y B

Equipos

Cronómetro Balanza Marmita (figura 1.8) Areómetro de densidad Baldes pH-metro (potenciómetro) Termómetro Equipo de titulación Equipo de destilación diferencial Equipo de filtración al vacío



PROCEDIMIENTO El procedimiento se plantea basándose en los trabajos de SÁNCHEZ et al [16], CASTRO et al [17] y BETANCOURT [18]. El diagrama de bloques se muestra en la figura 1.9.

Materia prima Volumen de la marmita

Densidad del mosto

Esterilización

Adición de nutrientes y antisépticos

Ajuste de pH

Ajuste de temperatura Inoculación en balde

Incubar la marmita

Seguimiento de variables

Finalización de la fermentación

Determinación del gradoalcohólico del mosto

Figura 1.9. Diagrama de bloques para la fermentación

1. Materia prima: el sustrato que generalmente se usa es la miel de purga (melaza).

Para la práctica se deben tener en cuenta la masa que se va a trabajar de sustrato y su densidad. Estos dos parámetros se determinan según el ANEXO A.

2. Volumen de la marmita: la marmita que se utiliza para realizar la fermentación, que

se muestra en la figura 1.8, tiene una forma elipsoidal ( ) en el fondo y luego una forma cilíndrica ( ). El volumen de la sección elipsoidal se determina experimentalmente llenándola de agua con un recipiente de volumen conocido hasta llegar a la parte cilíndrica. El volumen de la siguiente sección se halla teniendo en cuenta el diámetro interior ( ) y la altura de la marmita desde la terminación de la zona elipsoidal hasta la parte superior (

EV

CV

DL ).



3. Esterilización de la marmita: la marmita donde se realizará la fermentación debe ser lavada y esterilizada para asegurar la viabilidad de los microorganismos. La esterilización se lleva a cabo sometiendo la marmita a calentamiento con vapor de agua directo durante mínimo 30 minutos, manteniéndola cerrada durante la operación.

4. Densidad del mosto: para llevar a cabo la fermentación, el mosto debe tener una

densidad entre 1.06 g/ml y 1.1 g/ml. Para calcular la cantidad de agua que se requiere para obtener una densidad entre este rango, son necesarios los datos determinados para la materia prima y se recurre a un balance de materia, que supone volúmenes aditivos, por lo que se llega a la ecuación 1.16, reportada por BETANCOURT [18].

)(

1

)()(

wf

m

fm

wf

fmmw

mV

Vρρρρ

ρρρρ

−

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−⋅

=−

−⋅= (1.16)

Donde V : volumen ρ : densidad m : masa Subíndices m : melaza w : agua f : final, referida al estado final

Para disolver la materia prima, se llena la cuba aproximadamente con la mitad del agua calculada y se calienta hasta 40ºC10. Se agita hasta que toda la melaza se incorpore al agua y terminada la dilución se acaba de llenar la marmita con el agua faltante. Simultáneamente, se supervisa la densidad con un areómetro11 adecuado para el rango de densidad requerido hasta llegar al valor final deseado ρf. Cuando la materia prima disponible en una miel más enriquecida en azúcares como la miel virgen o mieles de tipo B, el grado de dilución del mosto se establece llevando los grados Brix hasta un valor entre 10 y 1312.

5. Adición de nutrientes y antisépticos: las cantidades recomendadas de nutrientes y

antisépticos que se deben adicionar, son reportadas por BETANCOURT [18]. La tabla 1.5 muestra las cantidades de estas sustancias relacionadas a 60 kg de melaza.

Antes de adicionar las cantidades de sustancias que se indican a la marmita (biorreactor) se disuelven en un balde con el mosto. Cuando se agregue la mezcla a la marmita, se agita fuertemente para homogeneizar toda la composición en el mosto.

10 La temperatura elevada facilita la disolución de la melaza 11 Cuando los instrumentos de medida son areómetros debe realizarse la corrección por temperatura. En el ANEXO B, se presenta la tabla para realizar corrección por temperatura de la densidad del mosto. 12 Valores óptimos utilizados en la Industria Licorera de Caldas



Tabla 1.5. Cantidades de nutrientes y antisépticos requeridos para la fermentación

Nutrientes Cantidad (g) Fosfato de amonio o Fosfato trisódico

85.2055 121.440

Urea (si se usa fosfato de amonio) Urea (si se usa fosfato trisódico)

240.63 254.64

Antisépticos Cloruro férrico 0.66 Sulfato de magnesio 0.66

6. Ajuste de pH: la levadura se desarrolla con mayor facilidad en un pH entre 3.9 y 4.1,

como se indicó en el marco conceptual. Por lo tanto, hay que acidificar el mosto con HCl (ó H2SO4): se toma una alícuota del mosto para titularla con el ácido seleccionado; paralelamente, se hace el seguimiento del pH con un potenciómetro hasta obtener el valor requerido. Con esta información se realiza el escalado a todo el volumen de mosto. Cuando se adicione el ácido debe hacerse con precaución, despacio y con agitación, verificando constantemente el valor del pH. Si el valor final es menor al recomendado, deberá adicionar una base débil, como una solución de carbonato de calcio o hidróxido de sodio, aunque esto no es bueno para el proceso, lo que sugiere realizar la acidificación con mucho cuidado [18]. Para manipular el ácido se deben tener en cuenta los equipos de protección necesarios.

7. Ajuste de temperatura: para adecuar la temperatura se usa vapor vivo de caldera por

la chaqueta de la marmita. La temperatura debe estar entre 30ºC y 34ºC al momento de incubar la levadura.

8. Inoculación: se toman 198 g de levadura, esta cantidad está relacionada a 60 kg de

melaza. Se disuelve en un balde que contenga 3 litros aproximados de mosto, la mezcla se somete a aireación por medio de burbujeo durante 30 min; luego se adiciona a la marmita y se airea de 10 min a 20 min este punto se puede considerar como tiempo cero.

9. Seguimiento de variables: durante todo el proceso se realiza el seguimiento de las

variables13 cada hora. Se determina pH, temperatura, densidad, concentración de azúcares reductores, concentración de biomasa y altura del mosto ( ). d

10. Finalización de la fermentación: el proceso se da por terminado cuando se verifica

una disminución de la densidad de al menos cuatro centésimas con respecto a la densidad inicial. Si se sobrepasa esta condición no tiene ninguna repercusión.

11. Grado alcohólico: la determinación del grado alcohólico se realiza por medio de una

destilación diferencial14.

13 La densidad debe ser corregida con respecto a la temperatura, este procedimiento se indica en el ANEXO B. La determinación de concentración de azúcares reductores y de biomasa se indican en los ANEXOS C y D, respectivamente. 14 El procedimiento que se realiza en la destilación diferencial se explica en el ANEXO E.



FORMATO PARA LA TOMA DE DATOS Materia prima - Masa total de la melaza: - Densidad de la melaza: Volumen de la marmita - Volumen de la zona cónica: - Diámetro de la zona cilíndrica: - Altura de la zona cilíndrica: - Volumen total de la marmita: Densidad del mosto - Volumen de agua calculada: - Volumen de agua adicionada: - Volumen final del mosto: - Densidad final del mosto: - Altura entre la parte superior de la marmita y el nivel del mosto: Adición de nutrientes y antisépticos - Masa de úrea a usar: - Tipo y masa de fosfato a usar: - Masa de cloruro férrico a usar: - Masa de sulfato de magnesio a usar: Ajuste de pH - Volumen de la alícuota de mosto: - Tipo de ácido a usar: - Volumen de ácido gastado en la alícuota: - Volumen de ácido requerido para todo el mosto: - Tipo y masa de la base débil (si se requiere): - Valor final de pH en el mosto: Ajuste de temperatura - Temperatura final del mosto para la inoculación: Inoculación - Masa de la levadura a usar: - Tiempo de aireación en el balde: - Tiempo de aireación en la marmita:



Seguimiento de variables: El cuadro 1.1 indica el formato de toma de datos para el seguimiento de las variables durante el proceso. Cuadro 1.1. Formato para las variables que deben tener un seguimiento Tiempo

(h) pH Temperatura (ºC)

Densidad (g/ml)

Azúcares Red. (g/100ml)

Biomasa (g/ml)

Altura (cm)

Finalización de la fermentación - Densidad final del mosto: - Diferencia de densidad entre la inicial y la final: Grados alcohólicos - Volumen de muestra de mosto para la destilación diferencial: - Volumen de alcohol obtenido en la destilación diferencial: - Índice de refracción del alcohol obtenido en la destilación diferencial: - Grados alcohólicos obtenidos después de la destilación diferencial: - Grados alcohólicos del mosto:



BIBLIOGRAFÍA

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Práctica 2 DESTILACIÓN CONTINUA


Objetivo General Generar un producto translúcido, enriquecido en alcohol etílico a partir de vinos turbios obtenidos del proceso de fermentación de la melaza por medio de una destilación continua. Objetivos Específicos 1. Determinar la composición azeotrópica y el equilibrio para el sistema etanol-agua para

la presión de Manizales. 2. Utilizar el método McCABE-THIELE para determinar el número de etapas teóricas de

la columna y la altura equivalente a un plato teórico para el empaque. 3. Realizar los balances de materia y energía de la destilación 4. Determinar la eficiencia térmica y másica de la operación

2.2 MARCO CONCEPTUAL

Generalidades La destilación simple es un proceso que ya se conocía en el primer siglo A.C. Sin embargo, el reconocimiento del proceso de rectificación no se dio sino hasta 1830 a Aeneas Coffey, quien propuso este método para lograr la separación de la mezcla etanol-agua, obteniéndose un producto con una composición muy cercana a la azeotrópica [2]. La destilación es un método que utiliza el principio de etapas de equilibrio para lograr la separación de una solución1. La facilidad de la separación puede determinarse mediante el concepto de volatilidad relativa, que se define como la relación entre la composición del componente A en el vapor ( ) y en el líquido ( ) dividida en la relación de la composición de otro componente de referencia en la fase vapor y el líquido [1], [2], así:

Ay Ax

1 Es importante recalcar que todos los componentes deben estar presentes en todas las fases que interactúen en la operación.

Oscar Andrés Prado


ii

AAAB xy

xy//

=α Con Ai ≠ (2.1)

Cuando el valor numérico de la volatilidad relativa es mayor a 1, la separación es factible. Hay que tener en cuenta que este parámetro es un valor que varía con la concentración, aunque para sistemas binarios que puedan ser modelados con la ley de Raoult la variación es muy poca a presión constante. En la figura 2.1 se muestran algunas curvas de equilibrio para diferentes valores de volatilidades relativas.

y

x

=5=3

=1.5 =1

1.0

1.0

Figura 2.1. Curvas de equilibrio líquido-vapor para diferentes volatilidades relativas

Equilibrio de fases Para que fases se encuentren en equilibrio es necesario que no exista ninguna tendencia de la energía o de la materia a cruzar la interfase que separa las fases. Por tanto, la transferencia de materia o energía entre fases es un proceso reversible. Las condiciones para que exista equilibrio son [4]:

1. Que no haya transferencia neta de calor entre las fases 2. Que no exista desplazamiento del límite entre las fases 3. Que la transferencia neta de materia entre las fases sea considerada nula

Para que se cumplan las dos primeras condiciones se requiere que la presión y la temperatura para cada fase sean constantes. Para cumplir la tercera situación Gibbs propuso en 1875 el concepto de potencial químico, como la fuerza impulsora para la transferencia de masa. Entonces, el equilibrio de fases se da cuando el potencial químico para cada componente es igual en cada fase. Debido a que el potencial químico no tiene significado físico se utiliza la función fugacidad, propuesta por G. N. Lewis, que se define como la tendencia que tiene un componente a escapar de una mezcla. Para relacionar la fugacidad con cantidades físicamente cuantificables se emplean en la práctica las siguientes relaciones:


Destilación Continua

- Coeficiente de actividad: es un indicativo de que tan “activa” es una sustancia en relación a un estado de referencia.

- Coeficiente de fugacidad: es el caso particular en donde el estado estándar se toma como la presión de la fase considerada.

Los coeficientes de actividad y fugacidad se relacionan con la presión, temperatura y volumen mediante relaciones termodinámicas exactas y/o por medio de consideraciones basadas en estructuras e interacciones moleculares. Un resumen de los modelos más utilizados se muestra en la tabla 2.1. Aunque muchos sistemas binarios se comportan de una manera aproximada a la ideal, no todos cumplen esta condición. Para determinar el equilibrio líquido-vapor de una mezcla se tienen diferentes métodos: 1. Determinación experimental 2. Aproximar el comportamiento de las fases al ideal 3. Determinar los datos de equilibrio a partir de unos pocos datos experimentales y

ecuaciones empíricas. 4. Estimar el equilibrio utilizando las propiedades físicas de los componentes puros y

relaciones empíricas.

Tabla 2.1. Métodos comunes para la determinar equilibrios de fases

Fase Tipo de modelo Ecuaciones o métodos Peng-Robinson Redlich-Kwong Soave- Redlich-Kwong Benedict-Webb-Rubin Virial

Vapor Coeficientes de fugacidad

Virial con la corrección de Hayden-O´conell Peng-Robinson Redlich-Kwong Soave- Redlich-Kwong Benedict-Webb-Rubin Virial

Coeficientes de fugacidad

Virial con la corrección de Hayden-O´conell Van Laar Van Laar modificada Margules Modelos clásicos

Scatchard-Hamer Wilson NRTL Modelos de

composición local Chien-Null Modelo de termodinámica estadística

UNIQUAC

Líquida

Coeficientes de actividad

Modelos de contribución de grupos

UNIFAC



Regla de fases [4] Para lograr establecer el estado intensivo del sistema en equilibrio se aplica la regla de fases de Gibbs, para el caso de ausencia de reacción química se tiene:

NF +−= π2 (2.2)

Donde F : grados de libertad π : número de fases N : número de especies químicas Si se plantea el equilibrio líquido-vapor de una mezcla binaria, los grados de libertad son 2. Por tanto, precisando la composición de la mezcla y la presión o temperatura del sistema se define el equilibrio. Azeotropía Un azeótropo se define como el punto en donde las composiciones de todas las especies en la fase vapor son idénticas a las de la fase líquida, por tanto los azeótropos son límites termodinámicos que no permiten la separación utilizando etapas de equilibrio convencionales. Los azeótropos se forman frecuentemente en sistemas con puntos de ebullición muy cercanos o en los cuales la fase líquida se comporta de una manera no ideal. Cuando las desviaciones positivas del comportamiento ideal son lo suficientemente grandes y las presiones de vapor de los componentes no se encuentran muy alejadas, se generan azeótropos de mínimo punto de ebullición. Análogamente al caso anterior, cuando se presentan desviaciones negativas del comportamiento ideal aparecen azeótropos de temperatura máxima de ebullición [2]. Si el equilibrio líquido-vapor forma una sola fase líquida se generan azeótropos homogéneos y si hay más de una fase líquida se presentan los azeótropos heterogéneos. Aplicando la regla de fases de Gibbs para un sistema binario a presión constante se nota que el vapor no puede coexistir con más de dos fases líquidas [8]. Diagramas de fases Los diagramas de fases son utilizados para describir el comportamiento del equilibrio líquido-vapor, en estos diagramas se grafican dos de las siguientes variables: - Composición - Presión - Temperatura - Entalpía Para mezclas binarias la tercera variable independiente se deja constante. Las curvas más empleadas son las de temperatura-composición, presión-composición, entalpía-



composición y composición en la fase vapor-composición en la fase líquida. Los esquemas comunes se muestran en la figura 2.2.

P

T

Y

P

T

Y

P

T

Y

P

T

Y

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

LL

L

L

L

L

VV

V

V V

V

L

L

L

L

L

L

L

L

V

V

1

1

1

1

2

2

2

2

-

-

(A) (B) (C) (D)

Temperatura constante

Presión constante

Presión constante

Figura 2.2. Casos típicos de equilibrios binarios [6] En el caso A no hay azeótropo y se consideran sistemas normales; el diagrama B se presenta cuando hay un azeótropo homogéneo de temperatura mínima de ebullición, en el caso C se representa un azeótropo de temperatura máxima de ebullición y para D se muestra el diagrama de un azeótropo heterogéneo de temperatura mínima de ebullición. Para el caso de tres a cinco componentes se utilizan figuras para representar la variación de la composición en los equilibrios, pero cuando se tienen más de seis componentes las tres dimensiones con las que contamos no son suficientes. Sin embargo, la curva de presión contra temperatura, conocida como envolvente de fases, nos indica la región donde existe el equilibrio para una mezcla determinada de n componentes [8]. Métodos simples de destilación [1], [2], [3], [6] Los procesos de destilación pueden ser clasificados desde tres puntos de vista: 1. Por componentes: para una mezcla de dos sustancias se denomina binaria, para un

mayor número de componentes se denota como multicomponente. Para el caso



especial en donde algunos componentes no son identificables se indica como compleja.

2. Por el tipo de operación: se traen a acotación parámetros como la operación en continuo o por lotes, si se trabaja a presión atmosférica o a vacío, entre otros.

3. Por el tipo de separación: se pueden clasificar como destilación en equilibrio (flash), destilación diferencial o fraccionada y destilación con arrastre de vapor.

La combinación de las diferentes clasificaciones da como resultado diversas formas de llevar a cabo la separación de una mezcla utilizando la destilación. Industrialmente las torres de destilación comúnmente empleadas son las de platos y las empacadas, un método sencillo que define el número de etapas requeridas para una separación determinada de una mezcla binaria es el propuesto por McCabe, W. L. y Thiele, E. W. en 1925 [3]. DESTILACIÓN CONTINUA CON REFLUJO Y MÉTODO McCABE-THIELE La destilación fraccionada con reflujo se puede definir básicamente como la combinación de una serie de separaciones por vaporización instantánea, de forma que los vapores y líquidos de cada etapa fluyen a contracorriente. A cada etapa entra una corriente de vapor y una de líquido que al ponerse en contacto entran en equilibrio, por ende, las corrientes que salen de esta etapa se encuentran en equilibrio a la temperatura de la etapa. Este esquema de trabajo se utiliza cuando la volatilidad relativa de los componentes es comparable [1]. En la figura 2.3 se ilustra el esquema básico de una columna de fraccionamiento continuo con secciones de enriquecimiento y agotamiento2. El método McCabe-Thiele es un algoritmo gráfico que permite determinar el número de platos o etapas teóricas necesarios para la separación de una mezcla binaria. Este procedimiento emplea la curva de equilibrio xy y algunos balances de materia para determinar las líneas de operación de cada sección de la torre. Una etapa teórica en un dispositivo de destilación cumple las siguientes condiciones [9]: 1. Trabaja en estado estable, generando un producto en fase líquida y otro en fase

vapor. 2. Las corrientes de vapor y de líquido que ingresan a cada etapa se encuentran

perfectamente mezcladas. 3. La corriente de vapor y líquido que salen de la etapa se encuentran en equilibrio de

fases. La principal suposición que se toma en el método McCabe-Thiele es el derrame equimolar a través de la torre, entre el plato superior y el de alimentación, y el plato de alimentación

2 La sección de la columna por encima de la alimentación se conoce también con el nombre de zona de absorción o rectificación, y la parte por debajo de la alimentación como sección desorbedora o de despojamiento.



y el inferior. Esta suposición se fundamenta en que las diferencias de los calores sensibles de las cuatro corrientes que interactúan en una etapa son despreciables cuando los calores de disolución son muy pequeños. Por tanto, los calores latentes de las corrientes de vapor son importantes en el balance de energía, tomando en cuenta que los calores de vaporización para compuestos químicamente similares son muy parecidos, los flujos de vapor son constantes a través de la torre así como también los flujos de líquido3 [1], [2].

Condensador

Acumulador

Rehervidor

Producto decabeza

Producto defondos

Plato de alimentación

Alimentación

Se

cció

nd

ee

nriq

ue

cim

ien

toS

ecció

nd

ea

go

tam

ien

to

Líquido

Líquido

Vapor

Vapor

Figura 2.3. Columna de fraccionamiento continuo [3] Los balances de materia requeridos para definir las líneas de operación son dos: 1. Balance global: planteando un balance molar global de materia y otro por

componente en la columna se tiene:

WDF += (2.3)

WxDxFz WDF += (2.4) Donde F : flujo de alimentación D : flujo de destilado W : flujo de fondos

3 El flujo constante a través de la torre está en base molar, hay que tener en cuenta que el peso molecular promedio de la mezcla varía de etapa en etapa haciendo que el flujo másico varíe.



Fz : fracción molar en la alimentación

Dx : fracción molar en el destilado

Wx : fracción molar en los fondos

2. Balance para la sección de enriquecimiento: en la figura 2.4 se representa el esquema superior de la torre incluyendo las corrientes en cada etapa. Los balances de materia global y por componente para la sección encerrada por la línea punteada se definen así:

DLV nn +=+1 (2.5)

DxLxVy Dnnnn +=++ 11 (2.6)

Donde

iL : flujo molar de líquido que sale de la etapa i

iV : flujo molar de vapor que sale de la etapa i

iy : composición molar de la corriente de vapor que sale de la etapa i

ix : composición molar de la corriente líquida que sale de la etapa i

Alimentación

Dx

z

x

x

x

x

V

V

V

V

yy

y

y

y

L

L

L

L

11

1

1

2

2

2

2

n

n

n

n n+1

n+1

F

DD

F

1

2

n

n+1

Figura 2.4. Sección de enriquecimiento de la torre [1]

La línea de operación para la sección de enriquecimiento está determinada por la variación de la composición de la fase vapor en términos de la composición en la fase líquida, para hacer esto se despeja de la ecuación 2.6. 1+ny



11

1++

+ +=n

Dn

n

nn V

DxxVL

y (2.7)

Un parámetro importante para la sección de rectificación es el reflujo R , definido como la relación entre la cantidad de líquido que retorna a la columna por la cantidad de destilado que se recoge; en términos de las variables que se muestran en la figura 2.4 se puede escribir como:

DLR = (2.8)

Empleando la suposición de derrame equimolar para los flujos líquidos, nLLL == 21 , la razón de reflujo se hace constante. Reemplazando la ecuación 2.5 y 2.8 en la 2.7 se obtiene la línea de operación para la sección de rectificación:

111 ++

+=+ R

xxR

Ry Dnn (2.9)

Si el intercambiador de calor que se encuentra en la cima de la torre condensa y subenfría el producto de cabeza a una temperatura menor a la de burbuja, para la presión de operación, el retorno de este líquido a la columna disminuirá el flujo de vapor que asciende del plato superior, debido a que determinada cantidad de vapor se condensa para elevar la temperatura del reflujo hasta su punto de burbuja. Por tanto, el reflujo interno será diferente al reflujo externo [2], [9]. Realizando los balances de materia y energía al plato superior se obtiene la ecuación que define el reflujo aparente:

( )( ) ⎥

⎦

⎤⎢⎣

⎡ −+=

Pr

Pr1'M

TTMCRR RbRLo

λ (2.10)

Donde

'R : reflujo aparente R : reflujo externo

LoC : capacidad calorífica molar de la corriente de reflujo

PrM : masa molecular promedio

RbT , : temperatura de burbuja del reflujo

RT : temperatura real del reflujo λ : calor de vaporización molar de la mezcla Sustituyendo el término de reflujo interno en la ecuación 2.9 se obtiene la ecuación para la sección de enriquecimiento para el caso de reflujo subenfriado:



1'1''

1 ++

+=+ R

xxRRy D

nn (2.11)

3. Balance para la sección de agotamiento: En la figura 2.5 se muestra el esquema

inferior de la torre. Para la zona encerrada por la línea punteada los balances de materia global y por componente vienen dados por las ecuaciones 2.12 y 2.13.

Alimentación

w

z

x

x

x

x

x

V

V

V

y

y

y

L

L

L

L

w

m

m

m+1

m+1

m+1

m+1

n

n

w

N

N

F

N

N

F

N

m

m+1

Figura 2.5. Sección de agotamiento de la torre [1]

WLV mm −=+1 (2.12)

WxLxVy Wmmmm −=++ 11 (2.13)

Despejando para obtener la línea de operación para la sección de agotamiento se tiene:

1+my

111

+++ −=

m

Wm

m

mm V

Wxx

VL

y (2.14)

4. Balance para la sección de alimentación: el método de McCabe-Thiele especifica el

estado termodinámico de la alimentación en términos del parámetro q, que se define como [1]:

q =Calor necesario para vaporizar una mol de la alimentación

Calor latente de vaporización de la alimentación El parámetro q expresado en función de entalpías es:



LV

FV

HHHH

q−−

= (2.15)

Donde

VH : entalpía de la alimentación en su punto de rocío

FH : entalpía de la alimentación a sus condiciones de entrada

LH : entalpía de la alimentación en su punto de burbuja Se dan cinco condiciones de alimentación [3], [7]:

1>q : líquido subenfriado 1=q : líquido saturado

10 << q : mezcla saturada 0=q : vapor saturado 0<q : vapor sobrecalentado

Es más conveniente para plantear los balances de materia utilizar el concepto de q como la fracción de la alimentación que se encuentra en el estado de líquido saturado. Entonces, para una alimentación que se encuentra como líquido saturado , en el caso de mezcla saturada

1=q10 << q y finalmente para vapor saturado . 0=q

La relación de flujos para el plato de alimentación se muestra en la figura 2.6.

Alimentaciónz

V

V

L

L

n

m

F

FqF

(1-q )F

Figura 2.6. Plato de alimentación Los balances de materia globales para el plato de alimentación son los siguientes:

qFLL n =− (2.16)

FqVV m )1( −=− (2.17)

Para los balances por componentes se toman las ecuaciones 2.6 y 2.11, sin tener en cuenta los subíndices, para las secciones de enriquecimiento y agotamiento, respectivamente:

DxxLyV Dn += (2.18)



WxxLyV Wm −= (2.19)

Restando la ecuación 2.19 de la 2.18 y reemplazando en esta última las ecuaciones 2.4, 2.15 y 2.17, se obtiene la línea q:

qzx

qqy F

−−

−=

11 (2.20)

Los respectivos valores de q nos indican el valor de la pendiente de la curva representada por la ecuación 2.20, en la figura 2.7 se presentan las condiciones típicas de alimentación.

Figura 2.7. Localización de la línea q para diferentes alimentaciones [2]

Luego de definir los balances de materia y las líneas de operación los parámetros a definir son el reflujo total y mínimo utilizando el método McCabe-Thiele. Por lo general, para calcular el número de etapas teóricas necesarias para lograr una separación determinada de una mezcla binaria se especifican las condiciones de alimentación y las composiciones del destilado y de los fondos. La información anterior no es suficiente para trazar las líneas de operación, como se puede ver en la ecuación 2.9 es necesario establecer la relación de reflujo; este valor se encuentra entre dos valores límite, los cuales son el reflujo total y el mínimo.

Reflujo total: se conoce también como reflujo infinito y consiste en retornar a la

torre todo el producto de cima y de fondos obtenido, además no hay alimentación al equipo. Si se observa la pendiente de la ecuación para la sección de enriquecimiento, con un valor infinito del reflujo, se aproxima a 1, dando como resultado la superposición de esta línea con la diagonal de 45º; sucede lo mismo para la sección de agotamiento. Al usar reflujo infinito se obtienen el número mínimo de etapas teóricas necesarias para la separación como se representa en la figura 2.8 [1].



y

xx xW D

1

2

3

4

Figura 2.8. Número mínimo de etapas

Si la volatilidad relativa de la mezcla binaria es casi constante, Fenske propone una ecuación para determinar de manera analítica el número mínimo de etapas teóricas requeridas [1], [8].

prom

W

W

D

D

m

xx

xx

Nαlog

11

log ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ −−

= (2.21)

( ) 2/1

WDprom ααα = (2.22) Donde

mN : número mínimo de etapas teóricas

promα : volatilidad relativa promedio de la mezcla

Dα : volatilidad relativa del vapor superior

Wα : volatilidad relativa del líquido residual

Reflujo mínimo ( ): se define como la razón de reflujo que requeriría un número

infinito de etapas teóricas para lograr la separación deseada. Al disminuir el reflujo, las líneas de operación se separan de la diagonal de 45º y se comienzan a acercar a la curva de equilibrio hasta que la tocan, obteniéndose un punto invariante

mR

4 en donde se requiere un número infinito de etapas para lograr la separación como se ve en la figura 2.9.

Un síntoma de un punto de estrangulamiento se da cuando la diferencia de temperatura entre etapas consecutivas es muy pequeña. Sin embargo, lo anterior también se presenta cuando la torre se inunda, se seca o las etapas son insuficientes para la separación [9].

4 También conocido como punto comprimido, de estrangulamiento o pinch.



El reflujo de operación se debe encontrar entre el reflujo mínimo y el total, debido a que no resulta económicamente viable utilizar los límites del reflujo. Para determinar el valor óptimo de reflujo se requiere realizar un balance económico sobre la torre de destilación. Empero, para muchos casos el valor del reflujo óptimo se encuentra entre

y [1], [2]. mR2.1 mR5.1

y y

x xx xx x

x

x

R

R

W WD D

D

D

min

min

+1

+1

Línea q

Línea q

Línea de

enriquecimiento

Línea

de

enriquecim

ientoPuntoinvariante

Punto de tangencia(invariante)

Figura 2.9. Determinación del reflujo mínimo El balance de energía total para la columna de destilación viene dado por la ecuación [9]:

FLCWDB FHQQWHDHQ −+++= (2.23)

Donde BQ : calor suministrado en el rehervidor

DH : entalpía de la corriente de destilado

WH : entalpía de la corriente de fondo

CQ : calor removido en el condensador

LQ : pérdidas de calor Algoritmo para determinar el número de etapas teóricas [3], [7] En una columna de destilación, el número de etapas puede ser determinado comenzado a marcar gráficamente las etapas desde la composición del destilado o la de los fondos. Para el caso en donde la composición del destilado es primordial, como en la separación de la mezcla etanol-agua, se recomienda iniciar en la cima. El procedimiento para el cálculo de las etapas teóricas necesarias para una separación dada es: 1. Construir el diagrama de equilibrio x-y



2. Escoger o calcular la relación de reflujo 3. Localizar la composición de alimentación sobre la diagonal Fz xy = . La línea q, que

define la condición de alimentación, puede ser determinada conociendo las propiedades termodinámicas de la corriente de alimentación o suponiendo un estado de saturación.

4. Localizar la composición del destilado deseada sobre la diagonal de 45º. La curva de operación para la sección de enriquecimiento, bien sea utilizando la ecuación 2.9 o la 2.11, parte desde el punto

Dx

Dxxy == hasta el intercepto )1/( += Rxy D en 0=x . No obstante, la línea de operación se detiene cuando se cruza con la línea de alimentación.

5. Se localiza la composición de los fondos sobre la diagonal. La curva de operación para la sección de agotamiento pasa por el punto (

Wx

Wxxy == ) y por la intersección entre la línea de operación para la sección de enriquecimiento y la línea q.

6. Se trazan las etapas teóricas desde la cima hacia los fondos hasta alcanzar la composición deseada o una inferior.

En la figura 2.10 se muestran las líneas de operación y la forma de marcar las etapas en el diagrama x-y.

y y

x xz zx xx x

xR+1

f fW WD D

D

Línea de

enriquecim

iento

Líne

ade

agot

amie

nto

Líne

aq

1

2

3

4

5

6

Figura 2.10. Método gráfico McCabe-Thiele [7]

Limitaciones del método McCABE-THIELE [7] La principal suposición que se realiza en el método McCabe-Thiele es su principal limitante. Para el caso en donde el reflujo de trabajo sea grande, la línea de operación para la sección de enriquecimiento se aleja de la curva de equilibrio, generando cambios rápidos de composición que hacen que el efecto de suponer un flujo molar constante sea mínimo. Sin embargo, si el reflujo es muy cercano al valor mínimo, el intercepto de la línea de operación para la zona de rectificación y la línea q está muy cercano a la curva de



equilibrio. Para este caso, la suposición de flujo molar constante tiene como consecuencia un diseño insuficiente para lograr la separación; con el fin de evitar lo anterior se utiliza un factor de sobrediseño. Alternativas del proceso [2], [3] Utilizando una destilación convencional, para la mezcla etanol-agua, no es posible obtener un producto de cabeza con una composición mayor a la del azeótropo a la presión de operación. Por tal motivo se han propuesto diferentes metodologías con el fin de obtener etanol de alta pureza y/o anhidro, las cuales son: 1. Destilación azeotrópica: la adición de un tercer componente que forme un

azeótropo, de preferencia heterogéneo, con uno de los componentes clave se conoce como destilación azeotrópica; del nuevo azeótropo formado se separa el componente de interés.

Una de las alternativas en la separación de la mezcla etanol-agua es usando benceno como disolvente que se adiciona por la cima, se forma un azeótropo heterogéneo ternario de temperatura mínima de ebullición5. El producto de cabeza es el azeótropo ternario y el de fondo es etanol prácticamente puro. El producto de cima se condensa formándose dos fases líquidas, la fase orgánica se retorna a la columna mientras que la fase acuosa se envía a una segunda columna donde se recupera el benceno. El benceno recuperado se alimenta a la primera columna. El esquema de la destilación azeotrópica se muestra en la figura 2.11. Las cualidades que debe cumplir el disolvente agregado a la mezcla son: - Barato y de fácil consecución - Químicamente estable e inactivo en la solución que se va a separar - No corrosivo - De preferencia, no tóxico - Bajo calor latente de vaporización - Bajo punto de ebullición - Baja viscosidad

2. Destilación extractiva: en la destilación extractiva se mejora la separación añadiendo

un tercer componente que modifica la volatilidad relativa de la mezcla binaria. Generalmente, la sustancia añadida posee una elevada temperatura de ebullición y es miscible en ambos componentes, pero tiene más afinidad por uno de los componentes de la mezcla.

La separación se mejora debido a que el componente que es más semejante al disolvente adicionado disminuye su coeficiente de actividad en la fase líquida y se concentra en la corriente rica en el solvente.

5 Cuando los azeótropos que se generan son de temperatura mínima de ebullición la sustancia adicionada se conoce como arrastradora.



Las características de un disolvente que quiera ser utilizado en destilación extractiva son: - Alta selectividad con bajas cantidades de solvente - Elevada capacidad para disolver los componentes de la mezcla a separar - Baja volatilidad - Fácilmente separable de la mezcla a la cual se adiciona - Bajo costo, no corrosivo, no tóxico, bajo punto de congelamiento y baja viscosidad

EtanolAgua

Bencenofresco

Azeótropoternario

Bencenorecuperado

Etanol dealta pureza

AguaEtanol

Agua

Azeótropobinario

Figura 2.11. Esquema de la destilación azeotrópica (mezcla etanol-agua)

3. Destilación salina: La destilación salina aparece como una forma de destilación

extractiva en donde el solvente que modifica el equilibrio líquido-vapor de la mezcla es una solución etanol-sal, entre las sales utilizadas se encuentran el cloruro de sodio y calcio [13], [16].

Otras alternativas que utilizan procesos híbridos son:

Destilación con membranas integrado a la fermentación [12] Destilación convencional más una unidad de preevaporación [14] Integración de preevaporación, microfiltración y destilación osmótica [15] Destilación con membranas a vacío [17]




Figura 2.12. Esquema de la columna de destilación piloto



MATERIALES Y EQUIPOS Materia prima

Mosto obtenido del proceso de fermentación Antiespumante

Equipos

Torre de destilación (figura 2.12) 3 Probetas de 1000 ml 2 cronómetros Areómetro de densidad Alcoholímetro de grados Gay-Lussac Canecas Baldes Termómetro

Descripción de la unidad piloto de destilación: la unidad piloto de destilación está construida en acero inoxidable 304, y consta de las siguientes partes ilustradas en la figura 2.12: 1. Evaporador reactor (IV): posee una capacidad de 70 l, 4 deflectores, tubo para la

inyección de un gas inerte, chaqueta para calefacción con capacidad para soportar 60 psig recubierta con lana de vidrio y una lámina de calibre 20, termopozo, indicador de nivel tipo caldera, medidores de presión y temperatura y válvula de seguridad.

2. Columna (VII, VIII, IX): está constituida por tres tramos de 1 m de largo y 16 cm de

diámetro con toma muestras, entrada de fluido, termopozo, redistribuidor de líquidos cada uno. La columna en su interior tiene empaque miniring en acero inoxidable 316 de superficie extendida que es soportado por una rejilla ubicada en la parte inferior de cada sección. Cada tramo se encuentra forrado con lana de vidrio y una lámina de acero inoxidable 304 calibre 20.

3. Condensador de cima (X): de tipo coraza y tubos horizontal de paso 1-2, posee 20

tubos de ½ pulgada con una longitud de 97 cm. La coraza tiene un diámetro de 16 cm y 4 bafles de 75% del diámetro.

4. Cabezal de reflujo (XI): construido de vidrio Pyrex con tapa superior e inferior en acero

inoxidable, posee una válvula de desfogue a la atmósfera. 5. Reflujo: el control del reflujo se realiza manualmente utilizando una válvula de control

de flujo (r) y la lectura del rotámetro de cabeza (XII). 6. Colectores: son dos tanques con 20 l de capacidad cada uno. 7. Trampa de vació: construida en hierro colled-rolled calibre 10. 8. Bomba de alimentación (II): consta de una motobomba monofásica de ½ HP de

potencia, 60 Hz y 110 V. Está construida de acero inxocidable 304, es autocebante y tiene una cabeza de 15 m.



9. Intercambiadores de calor: son dos intercambiadores de coraza y tubos de paso 1-1, correspondientes al precalentador de la alimentación (III) y al enfriador de los fondos (V). Poseen 16 tubos de 73 cm de largo y ¼ de pulgada de diámetro, el diámetro de la coraza es de 11 cm provista de 4 bafles de 75% del diámetro.

10. Termocuplas: son del tipo J blindadas, conectadas con alambre de compensación al

tablero de control ( , , y ). 1T 2T 3T 4T 11. Tablero de control: posee 1 interruptor general trifásico, voltímetro y amperímetro, 2

controladores de temperatura (uno para el hervidor y otro para el precalentador), 1 posicionador de temperatura, 1 termómetro digital, un interruptor para arrancar la bomba de alimentación y otro para el motor (bomba de vacío).

PROCEDIMIENTO El procedimiento se plantea basándose en los trabajos de BETANCOURT [9] y BARBOSA-CÁNOVAS [10]. El diagrama de bloques se muestra en la figura 2.13. 1. Cálculos preliminares: para obtener las condiciones de operación para la torre de

destilación, se deben realizar los siguientes cálculos antes de iniciar la práctica:

- Diagrama de equilibrio T-xy para el sistema etanol-agua - Diagrama de equilibrio x-y para el sistema etanol-agua - Algoritmo para calcular el reflujo mínimo de operación

2. Reconocimiento de la torre de destilación: antes de iniciar la práctica se debe realizar un reconocimiento global de las válvulas y las líneas de flujo que se deben controlar y manejar durante toda la operación; además el tablero que presenta las temperaturas de las diferentes zonas del equipo. En la figura 2.12 se presenta el esquema de la columna de destilación piloto con su respectiva nomenclatura.

Se debe tener presente durante toda la práctica que las válvulas que manejan el vapor de caldera no deben superar los 40 psig de presión.

3. Calibración de la válvula de alimentación: este procedimiento se realiza con agua y

ayuda a obtener los datos correspondientes de caudal para mantener constante la alimentación del mosto en la destilación. Se disponen las válvulas de la manera mostrada en la tabla 2.2 para que el agua se conduzca a la entrada de alimentación y salga por el fondo de la columna.

Tabla 2.2. Configuración de las válvulas para calibrar la válvula de alimentación

Válvulas abiertas Válvulas medio abiertas Válvulas cerradas

a, d, e y k b El resto

Cuando el agua salga por la parte inferior de la torre de destilación, se inicia a regular la válvula de alimentación (d) y se toman los datos correspondientes a la posición del



rotámetro contra caudal, en el caso de no contar con un medidor de caudal se puede aproximar la calibración usando el medidor de nivel del tanque de alimentación (I) realizando una escala que indique el descenso para un litro. Luego se relaciona la posición de la válvula (d) para que la diferencia entre las líneas marcadas anteriormente sea un minuto. El objetivo es obtener una posición que alimente aproximadamente 1 l/min.

Cálculos preliminares

Reconocimiento de la torre de destilación

Calibración de la válvula de alimentación

Adecuación de la torre

Carga del rehervidor Adecuar los materiales pararecibir el condensado de la

chaqueta del rehervidor

Calentamiento del rehervidor

Calentamiento de la torre

Condiciones de estado estable(Variables constantes)

Iniciación de la operación en continuo

Seguimiento de variables

Terminación del mosto de alimentación

Agotamiento del alcohol en la torre

Finalización de la destilaciónCaracterísticasdel destilado

Lavado de la torre

Figura 2.13. Diagrama de bloques para la destilación continua 4. Adecuación de la torre: antes de iniciar la destilación se debe alimentar agua a la

torre para humedecer el empaque de las tres secciones y evitar un choque térmico cuando los vapores calientes asciendan por ella, en algunas ocasiones se debe lavar la columna; para cualquiera de los casos se desarrollan los siguientes pasos:



Humidificación: el agua se alimenta por la segunda válvula de alimentación (f), cae por la torre y se detiene cuando el agua salga traslucida por la parte inferior de la columna. La disposición de las válvulas son las planteadas en la tabla 2.3. Con este procedimiento se logra humedecer el tramo inferior (VII) e intermedio de la torre (VIII); el tramo superior (IX) se humedece adicionando agua por el divisor (XI), de tal forma que se devuelva a la torre por el conducto del reflujo.

Tabla 2.3. Configuración de las válvulas para humedecer la torre

Válvulas abiertas Válvulas medio abiertas Válvulas cerradas a, d, f, r y k b El resto

Lavado: la configuración de las válvulas se presenta en la tabla 2.4. El agua se alimenta a la torre por la primera válvula de alimentación (e). Con el objetivo de acumular el agua en la torre (inundarla), se deja cerrada la válvula de salida (k). Cuando la torre este llena de agua, se vacía por la válvula (k) y se corrobora que el agua esté saliendo clara.

Tabla 2.4. Configuración de las válvulas para lavar la torre

Válvulas abiertas Válvulas medio abiertas Válvulas cerradas a, d y e b El resto

5. Carga del rehervidor: disponer las válvulas (tabla 2.5) para que el flujo llegue al

calderín (IV). Antes de iniciar la carga del mosto, se debe enviar el antiespumante (300 ml) para evitar que se mezcle con el mosto y forme una emulsión. Luego se carga el mosto con la ayuda de la bomba (II) hasta completar aproximadamente 55 litros6.

Tabla 2.5. Configuración de las válvulas para dirigir el flujo al rehervidor


a, d y g b El resto 6. Calentamiento del calderín: disponer las válvulas para iniciar la operación (tabla

2.6). No olvidar purgar las líneas de vapor (A y B) antes de conectar a los equipos. Cuando se inicia el calentamiento se toma como tiempo cero y se realiza el seguimiento de las variables que presenta el cuadro 2.2. Estos datos corresponden a la etapa de estabilización y no hay alimentación del mosto. El calentamiento del rehervidor se realiza a una presión entre 10 psig y 12 psig.

Tabla 2.6. Configuración de las válvulas para el iniciar calentamiento del calderín


j, l, o y r - El resto

6 Los 55 litros corresponden al 80% de la capacidad del caldrín



7. Calentamiento de la torre: a medida que se calienta el rehervidor (IV), se producen vapores que van subiendo por todos los tramos de la torre logrando calentarla. Cuando la temperatura 4 (T4) empieza a aumentar, se debe abrir la válvula de agua de enfriamiento (C) del condensador de la cima (X) y abrir por completo la válvula que maneja el reflujo (r) (esta posición indica un reflujo infinito).

8. Condiciones de estado estable: se considera que la torre ha llegado al estado

estable cuando las variables de operación se mantengan constantes durante 3 ó 4 datos consecutivos. En este momento se preparan los materiales necesarios para medir las variables de seguimiento al momento de iniciar la destilación y durante la operación.

Tener presente, las probetas y cronómetros para los caudales de cima y fondos.

9. Iniciación de la operación en continuo: la destilación continua empieza al momento de alimentar el mosto, obtener productos de cima y de fondos de forma continua. El inicio de estas actividades debe realizarse de una forma simultánea para minimizar la desestabilización de la torre. Para cumplir correctamente con estas actividades se debe tener en cuenta que:

- La configuración de las válvulas para el flujo de alimentación esté ajustada al

tramo de la torre que se vaya a manejar.

Tabla 2.7. Configuración de las válvulas para dirigir el flujo a la columna

Válvulas abiertas Válvulas medio abiertas Válvulas cerradas a, j, l y e o f d (posición de alimentación), b El resto

- La válvula de vapor del intercambiador de calor (III), que calienta la alimentación,

se debe abrir segundos antes de iniciar la alimentación. La presión que se maneja en este calentamiento depende de la temperatura de alimentación del mosto (líquido saturado) determinada en los cálculos preliminares.

- Al momento de alimentar, se ajusta el caudal de alimentación poniendo la válvula (d) en la posición que se determinó en la calibración (1 l/min.) y se enciende la bomba.

- Al momento de iniciar la alimentación, se deben ajustar las válvulas que controlan el flujo de fondos (i), reflujo (r) y destilado (p), regulando para cada una de ellas el caudal calculado por medio del algoritmo desarrollado en los cálculos preliminares7. Verificar constantemente que el balance de materia se cumpla durante toda la operación.

- Durante la operación se debe tener mucho cuidado al indicador de nivel de inundación (VI) que se encuentra en la parte inferior de la torre. Si la torre empieza a inundarse se debe bajar la presión de vapor del calderín hasta que desaparezca el mosto acumulado en esta sección.

7 El caudal del reflujo se ajusta con el rotámetro de la cima (XII). El ANEXO F, presenta la curva de calibración.



10. Seguimiento de variables: durante la destilación continua se realiza un registro de las variables necesarias para llevar un control de la operación y desarrollar los cálculos posteriores. Los formatos para la toma de datos se dividen en el cuadro 2.3 que presenta los datos que se reportan en la base de la torre y en el cuadro 2.4 se reportan los datos de cima8.

11. Agotamiento de la alimentación: cuando se acaba el mosto se detiene la bomba de

alimentación, el vapor del intercambiador y el flujo de fondos; y se continúa la operación como una destilación por lotes.

12. Finalización de la operación: la destilación discontinua finaliza cuando la

concentración del destilado es menor de 20ºGL. En este momento se detiene el vapor del calderín y se recoge las trazas de destilado que sigan saliendo hasta que se agote todo el producto de cima.

13. Lavado del equipo: este paso se realiza con agua caliente para retirar la mayor

cantidad de mosto que haya quedado adherido al equipo. Los pasos a seguir son:

a. Alimentar agua caliente por la parte superior de la columna (f), disponiendo las válvulas en la posición adoptada para humedecer la torre, y se abre la válvula de la parte inferior de la torre (k) para facilitar la salida del agua con los residuos arrastrados. Se mantiene la alimentación hasta que el agua salga clara.

b. Iniciar la descarga del calderín y cuando la temperatura del mismo baje a unos 50ºC, se puede alimentar agua caliente directamente al calderín (tabla 2.8). Este paso se mantiene hasta que el agua salga clara.

Tabla 2.8. Configuración de las válvulas para lavar el calderín

Válvulas abiertas Válvulas medio abiertas Válvulas cerradas a, d y g i y b El resto

14. Características del destilado: al finalizar la destilación se recolecta en un solo

recipiente todo el destilado obtenido y se reportan los datos de volumen, densidad, temperatura y grado alcohólico.

FORMATO PARA LA TOMA DE DATOS Calibración de la válvula de alimentación Para cada dato de caudal se realiza una repetición como mínimo:

8 Para reportar los grados alcohólicos corregidos se usa la tabla del ANEXO G



Cuadro 2.1. Formato para los datos de calibración de la válvula de alimentación

Posición de la válvula o del rotámetro

Volumen (ml)

Tiempo (s)

Caudal (ml/s)

Estabilización de la columna de destilación

Cuadro 2.2. Formato para los datos de la etapa de estabilización

* Corresponde a las temperaturas de la columna mostradas en la figura 2.12

CALDERÍN COLUMNA DE DESTILACIÓN* CONDENSADO Tiempo PVapor

(psig) Tinterior (ºC )

T1(ºC )

T2(ºC )

T3(ºC )

T4(ºC )

T5(ºC )

Masa (kg)

Temp. (ºC )



Destilación en continuo

Cuadro 2.3. Formato 1 para los datos de la destilación continua

Calderín Columna de destilación Conden. Alimentación Fondos Tiempo PV T T1 T2 T3 T4 T5 M T Q PV T Q T ρ



Cuadro 2.4. Formato 2 para los datos de la destilación continua

Litro No

Grado alcohólico

(leído) Densidad Temperatura

Grado alcohólico (corregido)

Caudal de

destilado

Lectura del

rotámetro

Valor del

Reflujo



BIBLIOGRAFÍA

1. GEANKOPLIS, C. J. Procesos de Transporte y Operaciones Unitarias. Compañía Editorial Continental S.A. CECSA. Tercera Edición. 1999.

2. TREYBAL, R. E. Operaciones de Transferencia de Masa. McGraw Hill. Segunda Edición.1991.

3. McCABE, W.; SMITH, J.; HARRIOTT, P. Operaciones Unitarias en Ingeniería Química. McGraw Hill. Cuarta Edición. 1999.

4. SMITH, J.; VAN NESS, H.; ABBOTT, M. Introducción a la Termodinámica en Ingeniería Química. Quinta edición. McGraw-Hill. 1997.

5. BOLAÑOS, G. Simulación de Equilibrios entre Fases con Aplicación en Destilación Multicomponente. Centro de Publicaciones de la Universidad Nacional Sede Bogotá. 1983.

6. WINKLE, M.; Distillation. McGraw-Hill. 1967. 7. SCHWEITZER, P. Handbook of Separation Techniques for Chemical Enginer.

Segunda edición. McGraw-Hill, Book Company. 8. HENLEY, E. y SEADER, J. Equilibrum-Stage Separation Operations in Chemical

Engineering. JHON WILEY & SONS. 1981. 9. BETANCOURT, R. Guías para El laboratorio de Operaciones Unitarias III, Difusividad-

Fabricación de alcohol. Centro de publicaciones de la Universidad Nacional de Colombia Sede Manizales. 2001.

10. BARBOSA-CÁNOVAS, G.; MA, L.; BARLETA, B. Manual de Laboratorio de Ingeniería de Alimentos. Editorial ACRIBIA, S.A. 1997.

11. IBARZ, A. et al. Métodos Experimentales en la Ingeniería Alimentaria. Editorial ACRIBIA, S.A. 2000.

12. MAREK, G. The Fermentation Process Integrated with Membrame Distillation. Separation and Purification Technology, Vol. 24, pp. 283. 2001.

13. ZHIGANG, L.; et al. Influence of salt added to solvent on extractive distillation. Chemical Engineering Journal, Vol. 87, pp. 149. 2002.

14. SZITKAI, Z. Optimization of Hybrid Ethanol Dehydration Systems. Chemical Engineering and Procesing, Vol. 41, pp. 631. 2002.

15. JOHNSON, R.A.; SUN, J.C.; SUN, J. A Pervaporation–Microfiltration–Osmotic Distillation Hybrid Process for the Concentration of Ethanol–Water extracts of the Echinacea Plant. Journal of Membrane Science, Vol. 209, pp. 221. 2002.

16. ZHIGANG, L.;. RONGQI, Z.; ZHANTING, D. Application of Scaled Particle Theory in Extractive Distillation with Salt. Fluid Phase Equilibria, Vol. 200, pp. 187. 2002.

17. IZQUIERDO-GIL, M.A.; JONSON, G. Factors Affecting Flux and Ethanol Separation Performance in Vacuum Membrane Distillation (VMD). Journal of Membrane Science, Vol. 214, pp. 113. 2003.

18. INDUSTRIAS QUÍMICAS FIQ LTDA. Unidad Piloto de Destilación. Santafé de Bogotá.


Práctica 3 DESTILACIÓN DISCONTINUA


Objetivo General Concentrar y purificar el alcohol obtenido en la destilación continua Objetivos Específicos 1. Estudiar el proceso de destilación discontinua tanto sencilla o diferencial como con

reflujo, ya sea este variable o constante. 2. Utilizar el método McCABE-THIELE para determinar el número de etapas teóricas de

la columna, teniendo en cuenta que solo existe zona de enriquecimiento. 3. Realizar los balances de materia y energía para la operación 4. Determinar la altura de empaque equivalente a una etapa teórica 5. Obtener los rendimientos másicos y energéticos de la operación

3.2 MARCO CONCEPTUAL Destilación en discontinuo La destilación por lotes es una operación que no ocurre en estado estable, debido a que la composición de la materia prima cargada varía con el tiempo. Las primeras trazas obtenidas son ricas en el compuesto más volátil, pero a medida que procede la vaporización el contenido de este compuesto va disminuyendo. Lo anterior se ve reflejado en el aumento de la temperatura de todo el sistema de destilación, debido a que en el recipiente se concentran los componentes menos volátiles [1], [8]. Una operación en discontinuo es benéfica sí [8], [9]:

La cantidad de materia prima a destilar es demasiado pequeña como para realizar una operación en continuo. Las principales limitaciones se dan en los equipos que requieran una capacidad mínima de operación como las bombas, intercambiadores de calor, tuberías e instrumentación.

Los requerimientos de operación de la planta oscilan en gran medida debido a las características de la alimentación y el volumen a manejar. Los equipos para destilación por lotes ofrecen mayor flexibilidad operacional que los equipos que trabajan en continuo.

Oscar Andrés Prado


Se desea utilizar el equipo de destilación para aplicar a diversas recuperaciones de productos.

El producto principal posee pequeñas cantidades de impurezas Para los sistemas de destilación por lotes aparecen diversas configuraciones que definen tanto el fenómeno como la forma de modelar la operación, las cuales son:

- Destilación simple sin reflujo - Destilación con reflujo constante - Destilación con reflujo variable

Destilación simple sin reflujo En una destilación discontinua una cantidad de líquido se carga en un recipiente que tenga algún tipo de calentamiento. Al iniciar la operación el líquido se calienta hasta la ebullición, los vapores generados se condensan y se almacenan en un colector. En la figura 3.1 se muestra un esquema para destilación simple para una mezcla binaria a nivel de laboratorio.

Q

W DW

D

D

xx

Vy

Figura 3.1. Equipo para una destilación simple

Para el caso mostrado, una cantidad que líquido W de composición (referida a la sustancia más volátil) se encuentra en ebullición en un balón, a medida que transcurre el tiempo los valores de W y disminuyen debido a la vaporización. El flujo de destilado

posee una concentración

Wx

WxD DD yx = . Planteando el balance de materia global, sin acumulación, se tiene1 [8]:

Ddt

dW−= (3.1)

La velocidad de vaciado del balón sería: G 1 Todos los valores se encuentran en base molar.


Destilación Discontinua

dtdx

Wdt

dWxdt

WxdG W

WW −−=−=

)( (3.2)

El balance de materia por componente para cualquier instante vendría dado por:

Dydt

dxW

dtdWx D

WW −=+ (3.3)

Sustituyendo la ecuación 3.1 en la 3.3:

dWyWdxdWx DWW =+ (3.4)

Reorganizando la ecuación 3.4:

WD

W

xydx

WdW

−= (3.5)

La ecuación 3.5 se conoce como la ecuación de Rayleigh y fue propuesta en 1902, es aplicable a destilación simple sin reflujo para una mezcla multicomponente. La ecuación de Rayleigh se puede simplificar aún más teniendo en cuenta que:

τdWdWdW

== )(ln (3.6)

Reemplazando la ecuación 3.6 en la 3.5 y eliminando los subíndices:

xyddx

−= *τ

(3.7)

Donde τ : logaritmo natural de la cantidad de material en el balón x : composición de la sustancia más volátil en el balón

*y : composición del destilado, que se encuentra en equilibrio con x Otra forma de la ecuación de Rayleigh se da cuando se expresa la composición del destilado en términos del coeficiente de distribución xyK /*= , así:

xKddx )1( −=τ

(3.8)

Para solucionar bien sea la ecuación 3.5, la 3.7 o la 3.8, se presentan tres posibilidades:

a. Solución gráfica de la integral : integrando la ecuación 3.5 entre la condición inicial

y la final , eliminando los subíndices de las composiciones, se obtiene: 0 f



∫ −=⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ 1

*ln

x

xo

f

oxy

dxWW

(3.9)

Conociendo los datos de equilibrio, la solución de la integral es el área bajo la curva

)*(1 xy − contra entre los límites de integración establecidos. x En la figura 3.2 se representa un bosquejo de la integración gráfica.

1 y-x

xxx of

ÁREA

Figura 3.2. Integración gráfica para la ecuación de Rayleigh [1], [8] BETANCOURT [9] explica en forma detallada como utilizar el método de los trapecios o de Simpson para calcular el área bajo una curva.

b. Solución analítica de la integral: la ecuación 3.5 puede ser resuelta analíticamente

utilizando una de las siguientes suposiciones [8], [9]:

Si a presión constante la variación de la temperatura en el balón es relativamente pequeña2 y el coeficiente de distribución K es independiente de la composición, se tiene:

Kxy = (3.10)

Resolviendo la integral utilizando la ecuación 3.10, se llega a:

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−

=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

o

f

o

f

xx

KWW

ln1

1ln (3.11)

2 La variación de la temperatura en el balón es pequeña a través del tiempo cuando las temperaturas de ebullición de las sustancias puras son muy cercanas.



Para una mezcla binaria en donde la volatilidad relativa se pueda considerar constante, la ecuación de Rayleigh tiene una solución analítica. Para esto se recurre a la definición de volatilidad relativa [8], [9]:

BB

AAAB xy

xy//

=α (3.12)

Donde ABα : volatilidad relativa de la sustancia A referida a B

iy : composición en la fase vapor de la sustancia i

ix : composición de la fase líquida de la sustancia i Expresando la composición de la sustancia B en términos de A y despejando de la ecuación 3.12, se obtiene:

Ay

( ) AAB

AABA x

xy11 −+

=αα

(3.13)

Sustituyendo la ecuación 3.13 en la 3.5 y resolviendo la integral se llega a [8]:

⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−

−+⎟

⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

o

fAB

f

o

ABo

f

xx

xx

WW

11

lnln1ln αα

(3.14)

c. Solución numérica de la ecuación diferencial: la ecuación de Rayleigh expresada

por la ecuación 3.7 ó 3.8 puede ser resuelta aproximadamente utilizando un método numérico y modelos de equilibrio de fases. Este tipo de solución se utiliza en la termodinámica topológica para determinar las posibilidades de separación de una mezcla multicomponente estimando las curvas de residuo, líneas de atadura y la caracterización de los puntos fijos.

Destilación con reflujo (columna de enriquecimiento) La destilación en una columna que solo posee zona de enriquecimiento es un caso especial de separación en donde la columna solo posee la sección correspondiente a la rectificación. Por lo tanto, la alimentación no se realiza en un sector cercano a la mitad de la columna, sino que se hace por el fondo en forma de vapor. El vapor puede ser inyectado directamente cuando procede de otra columna, de otra manera se utiliza un rehervidor para generarlo. El destilado que se produce por la cima de la torre de destilación, generalmente, es muy rico en el componente más volátil y el residuo contiene una pequeña fracción del componente más ligero. Esta configuración de columna aparece por la necesidad de obtener los productos de cabeza de la torre con una alta concentración del compuesto más volátil a un precio



reducido. La figura 3.3 muestra el esquema de una torre que posee solo zona de enriquecimiento y opera por lotes. Planteando los balances de materia a la columna se obtiene:

dDdW =− (3.15)

dDxWxd DW =− )( (3.16)

Donde W : cantidad de material en el rehervidor D : cantidad de material que se extrae por la cima

Wx : fracción molar en el rehervidor

Dx : fracción molar del destilado

Condensador

Acumulador

Rehervidor

Producto decabeza

Se

cció

nd

ee

nriq

ue

cim

ien

to

Líquido

Líquido

Vapor

Vapor

Figura 3.3. Columna de rectificación por lotes Diferenciando la ecuación 3.16 y reemplazando la 3.15 en esta última:

dWxWdxdWx DWW =+ (3.17)

Separando variables e integrando la ecuación 3.17 entre la condición inicial y la final:



∫ −=⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ Do

Wo

x

x WD

W

o

f

xxdx

WW

ln (3.18)

La ecuación de balance de materia anterior es muy parecida a la ecuación de Rayleigh, con la diferencia que las composiciones del destilado y del rehervidor no están en equilibrio. La integral de la ecuación 3.18 pede ser resuelta gráficamente. Para el caso de tener una columna que posee solo sección de rectificación se cumple la ecuación para la línea de operación que se trabaja en el método de McCabe-Thiele3:

111 ++

+=+ R

xxR

Ry Dnn (3.19)

Las columnas de destilación por lotes con reflujo pueden ser operadas de dos maneras: 1. Rectificación con reflujo constante: cuando la relación de reflujo es un parámetro

establecido, el cambio en la composición del rehervidor hará que la composición del destilado varíe en el tiempo. La rectificación utilizando reflujo constante funciona de forma análoga a la destilación simple; no obstante, usar el reflujo hace que la disminución en la composición del destilado sea más lenta [9].

La representación de este caso sobre el diagrama de McCabe-Thiele fue descrito por Smoker y Rose [8], se presenta en la figura 3.4.

y

xxx xx

WW DD0 011

Tiempo 0

Tiempo 1

Figura 3.4. Destilación por lotes con reflujo constante

3 La deducción se muestra en la práctica de destilación continua.



La carga inicial del equipo se caracteriza por tener una composición de y para dos etapas teóricas la composición del destilado será , la línea de operación vendrá dada por:

Wox

Dox

11 ++

+=

Rx

xR

Ry DoWoo (3.20)

Después de un tiempo la composición en el rehervidor caerá a y, manteniendo constante el reflujo, la composición de cabeza disminuirá hasta alcanzar un valor de

. La línea de operación para este instante de tiempo será:

1Wx

1Dx

111

11 ++

+=

Rxx

RRy D

W (3.21)

Como se puede observar en la figura 3.4, no es conveniente la operación a reflujo constante debido a que la composición del destilado varía con el tiempo.

2. Rectificación con reflujo variable: utilizando una relación de reflujo variable se puede evitar que la composición de la cima de la columna disminuya con el tiempo, pero a un costo energético extra debido a que se incrementan los requerimientos de calor y el tiempo de operación de la torre.

Realizando un paralelo con el ejemplo cualitativo de rectificación con reflujo constante, se ve en la figura 3.5 que para el mismo número de etapas la composición de cima se mantiene constante si el reflujo se incrementa.

y

xxx x

WW D01

Tiempo 0

Tiempo 1

Figura 3.5. Destilación por lotes con reflujo variable



Para el tiempo cero la línea de operación es:

11 ++

+=

Rxx

RRy D

Woo (3.22)

Y para el tiempo posterior, cuando el reflujo pasa de ser R a se tiene: 1R

11 11

1

11 +

++

=R

xxR

Ry DW (3.23)

Se pueden utilizar el tanteo y error experimental o el método McCabe-Thiele para estimar la variación del reflujo que permita mantener la concentración de cima constante, esto se amplia en el procedimiento en la sección de iniciación de la operación.




Figura 3.6. Esquema de la columna de destilación piloto4

4 La descripción del equipo se encuentra en la práctica de destilación continua.




Etanol obtenido en la operación de destilación continua Equipos

Torre de destilación (figura 3.6) 3 Probetas de 1000 ml 2 cronómetros Areómetro de densidad Alcoholímetro de grados Gay-Lussac Baldes Termómetro

PROCEDIMIENTO El procedimiento se plantea basándose en el trabajo de BETANCOURT [9]. El diagrama de bloques se ilustra en la figura 3.7.

Reconocimiento de la torre de destilación

Adecuación de la columna Adecuación de la materia prima

Carga del rehervidor

Calentamiento del calderín

Calentamiento de la torre

Estabilización

Estado estableIniciación de la operación

Seguimiento de variables Recolección del producto

Finalización de la operación

Lavado del equipo

Cálculos preliminares

Figura 3.7. Diagrama de bloques para la rectificación discontinua



1. Cálculos preliminares: de manera análoga a la práctica de destilación continua, se sugiere realizar los siguientes cálculos antes de iniciar la práctica:

- Diagrama de equilibrio T-xy para el sistema etanol-agua - Diagrama de equilibrio x-y para el sistema etanol-agua

2. Reconocimiento de la torre de destilación: de igual forma, como se trabajó en la destilación continua, debe realizarse un reconocimiento global de las válvulas y las líneas de flujo que se deben controlar y manejar durante esta la operación.

3. Adecuación de la columna: antes de iniciar la operación la torre debe ser

humedecida o lavada con agua, según el caso.

Humidificación: el agua se alimenta por la segunda válvula de alimentación (f), cae por la torre y sale por la parte inferior de la torre. La disposición de las válvulas son las planteadas en la tabla 3.1. Con este procedimiento se logra humedecer el tramo inferior (VII) e intermedio de la torre (VIII); el tramo superior (IX) se humedece adicionando agua por el divisor (XI), de tal forma que entre a la torre por el conducto del reflujo.

Tabla 3.1. Configuración de las válvulas para humedecer la torre

Válvulas abiertas Válvulas medio abiertas Válvulas cerradas a, d, f, k y r b El resto

Lavado: La configuración de las válvulas se presenta en la tabla 3.2. El agua se alimenta a la torre por la primera válvula de alimentación (e). Con el objetivo de acumular el agua en la torre (inundarla), se deja cerrada la válvula de salida (k). Cuando la torre este llena de agua, se vacía por la válvula (k) y se corrobora que el agua esté saliendo clara.

Tabla 3.2. Configuración de las válvulas para lavar la torre


a, d y e b El resto 4. Adecuación de la materia prima: el alcohol obtenido en la destilación continua debe

diluirse con agua o adicionar colas de operaciones anteriores, para completar una carga de 55 litros en el calderín. A la mezcla final se le toman datos de densidad, grados alcohólicos, masa y volumen.

5. Carga del rehervidor: disponer las válvulas (tabla 3.3) para que el flujo llegue al

calderín (IV). Iniciar la carga del alcohol adaptado en el paso anterior con la ayuda de la bomba (II).



Tabla 3.3. Configuración de las válvulas para dirigir el flujo al rehervidor

Válvulas abiertas Válvulas medio abiertas Válvulas cerradas a, d y g b El resto

6. Calentamiento del calderín: disponer las válvulas para iniciar la operación (tabla

3.4). No olvidar purgar las líneas de vapor (A y B) antes de conectar a los equipos. Cuando se inicia el calentamiento se toma como tiempo cero y se realiza el seguimiento de las variables que presenta el cuadro 3.1. Estos datos corresponden a la etapa de estabilización. El calentamiento de la destilación por lotes se realiza a una presión de vapor entre 8 psig y 10 psig.

Tabla 3.4. Configuración de las válvulas para iniciar el calentamiento del calderín


j, l, o y r - El resto 7. Calentamiento de la torre: los tramos de la torre de destilación se calientan a medida

que se producen los vapores en el rehervidor (IV). Cuando la temperatura 4 (T4) empieza a aumentar, se debe abrir la válvula del agua de enfriamiento (C) del condensador de la cima (X) y abrir por completo la válvula que maneja el reflujo (r), (esta posición indica un reflujo infinito).

8. Condiciones de estado estable: se considera que la torre ha llegado al estado

estable cuando las diferentes variables de operación se mantengan constantes durante 3 ó 4 datos consecutivos. En este momento se preparan los materiales necesarios para medir las variables de seguimiento.

9. Iniciación de la operación: la destilación por lotes empieza cuando se estabilice la

torre. El objetivo es obtener el etanol con la concentración más elevada posible, cercana a la composición azeotrópica. En esta etapa el reflujo se comienza a variar con el fin de mantener la composición del destilado constante; se proponen dos alternativas con las cuales se puede llevar esto a cabo.

a. Por tanteo y error: a medida que disminuya la composición de cima se abre

paulatinamente la válvula de reflujo (r) y se cierra la válvula que controla el flujo de producto (p), con el fin de mantener el nivel del divisor constante.

b. Determinación teórica: utilizando el método de McCabe-Thiele se puede estimar el reflujo para mantener la composición de cima aproximadamente constante5.

10. Seguimiento de variables: durante la destilación por lotes se realiza un registro de

las variables necesarias para llevar un control de la operación y desarrollar los cálculos posteriores. Los formatos para la toma de datos se dividen en el cuadro 3.2 que presenta los datos que se reportan en la base de la torre y en el cuadro 3.3 se reportan los datos de cima6.

5 El algoritmo se muestra en el ANEXO H. 6 Para reportar los grados alcohólicos corregidos se usa la tabla del ANEXO G.



11. Recolección del producto: durante la operación se presenta un agotamiento de alcohol en relación a la cantidad inicial, por lo tanto el producto de cima se recolecta según el grado alcohólico que vaya presentando durante la operación.

Los dos primeros litros se dejan aparte ya que contienen mayor cantidad de trazas de metanol. Los litros siguientes se recolectan por cortes (en recipientes diferentes) de la siguiente manera: - Corte 1: es el volumen de destilado recolectado que supere los 90ºGL (grados

alcohólicos) corregidos por temperatura. - Corte 2: es el volumen de destilado recolectado que se encuentra entre 89ºGL y

80ºGL corregidos por temperatura. - Colas: es el volumen de destilado recolectado que presenta una concentración

menor a 79ºGL, pero mayor a 20ºGL. Todos los cortes deben ir almacenados de forma independiente y cada vez que se de paso a otro corte, se aumenta la presión de vapor del calderín para realizar un agotamiento del etanol.

12. Finalización de la operación: la operación se termina cuando la concentración de

alcohol en el destilado es inferior a 20ºGL. Cuando se presenten dichas condiciones se detiene el calentamiento del calderín y se espera que bajen las temperaturas del equipo para lavarlo y descargar el residuo que se encuentre en el calderín.

13. Lavado del equipo: este paso se realiza para retirar la mayor cantidad de residuos

que estén adheridos al equipo. Como el lavado se realiza con agua caliente se debe alimentar vapor al intercambiador de calor (III) y enviar el agua a la torre de destilación. Los pasos a seguir son.

a. Alimentar agua caliente por la parte superior de la columna (f), disponiendo las

válvulas en la posición adoptada para humedecer la torre, y se abre la válvula de la parte inferior de la torre (k) para facilitar la salida del agua con los residuos arrastrados.

b. Iniciar a descargar el calderín y cuando la temperatura del mismo baje a unos 50ºC, se puede alimentar agua caliente directamente al calderín (tabla 3.5). Este paso se mantiene hasta que el agua salga clara.

Tabla 3.5. Configuración de las válvulas para lavar el calderín


a, d y g i y b El resto 14. Características del destilado: al finalizar la destilación se reportan los datos de

volumen, densidad, temperatura y grado alcohólico de cada uno de los cortes obtenidos durante la operación.



FORMATO PARA LA TOMA DE DATOS Materia prima - Densidad: - Grados alcohólicos: - Masa: - Volumen: Estabilización de la columna de destilación

Cuadro 3.1. Formato para los datos de la etapa de estabilización

* Corresponde a las temperaturas de la columna mostradas en la figura 3.6.

CALDERÍN COLUMNA DE DESTILACIÓN* CONDENSADO Tiempo PVapor

(psig) Tinterior (ºC )

T1(ºC )

T2(ºC )

T3(ºC )

T4(ºC )

T5(ºC )

Masa (kg)

Temp. (ºC )



Destilación por lotes

Cuadro 3.2. Formato 1 para los datos de la destilación por lotes

Calderín Columna de destilación Condensado Tiempo PV T T1 T2 T3 T4 T5 M T

Cuadro 3.3. Formato 2 para los datos de la destilación por lotes

Litro

No Corte ºGL (leído) Densidad Temp.

Grado alcohólico (corregido)

Caudal de

destilado

Lectura del

rotámetro

Valor del

Reflujo



BIBLIOGRAFÍA

1. GEANKOPLIS, C. J. Procesos de Transporte y operaciones Unitarias. Compañía Editorial Continental S.A. CECSA. Tercera Edición. 1999.



4. SMITH, J.; VAN NESS, H.; ABBOTT, M. Introducción a la Termodinámica en Ingeniería Química. Quinta edición. McGraw-Hill. 1997.

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Segunda edición. McGraw-Hill, Book Company. 8. HENLEY, E. y SEADER, J. Equilibrum-Stage Separation Operations in Chemical

Engineering. JHON WILEY & SONS. 1981. 9. BETANCOURT, R. Guías para El laboratorio de Operaciones Unitarias III, Difusividad-

Fabricación de alcohol. Centro de publicaciones de la Universidad Nacional de Colombia Sede Manizales. 2001.



12. INDUSTRIAS QUÍMICAS FIQ LTDA. Unidad Piloto de Destilación. Santafé de Bogotá.


Práctica 4 EXTRACCIÓN DE GRASAS

Y ACEITES 4.1 OBJETIVOS DE LA PRÁCTICA Objetivo General Obtener el material oleaginoso de origen vegetal o de origen animal aplicando las técnicas de extracción para cada caso. Objetivos Específicos 1. Determinar las pérdidas de material en cada etapa 2. Seleccionar la técnica de extracción para el material 3. Caracterizar el producto final 4. Realizar los balances de materia 4.2 MARCO CONCEPTUAL Reseña histórica Desde la antigüedad los seres humanos han tenido contacto con los aceites y las grasas, principalmente con las de origen animal, que hacían parte de la dieta alimenticia y más tarde se usaron como combustible para generar luz y calor. Los aceites de origen vegetal se empezaron a extraer en las zonas tropicales, ya que las nueces nativas eran fuentes oleaginosas que presentaban altos contenidos de aceites. Otro de los usos que se le dio a la grasa fue en la producción de jabón, donde se incorpora la reacción química que acompaña este producto. La materia prima que se usó inicialmente fue la grasa de origen animal que proporcionaba jabones con buenas características. La industrialización de este campo comenzó con la construcción de los molinos de semillas, cerca de 1826 [1], la cual ayudó a extraer de forma más fácil el aceite que contiene las semillas en su interior. Los subproductos de la molienda como la cáscara que recubre algunas semillas, se destinó como alimento para el ganado, ya que presentaba un alto valor de fibra. Después de 1850, se inician los avances en el campo de la refinación del producto, como la utilización de sosa cáustica para eliminar ácidos grasos y

Oscar Andrés Prado


el impulso de la industria de las oleomargarinas. En 1893 se descubrió que el aceite se podía desodorizar al pasarle una corriente de vapor a alta temperatura, pero también se notó que mejoraba el sabor del producto final. Años más adelante se genera el descubrimiento que la molécula del aceite podía ser modificada químicamente por introducción de hidrógeno en las insaturaciones. Este proceso, llamado hidrogenación, logró comercializar muchos aceites menos conocidos, ya que las grasas adquieren un mayor grado de saturación, presentándose de forma más sólida que facilitaba la distribución del producto en el mercado. Generalidades Los aceites, las grasas y las ceras hacen parte de todos los lípidos que contienen los tejidos vegetales y animales. En el producto existe una mezcla de triglicéridos con cantidades menores de otros lípidos, que cuando se someten al proceso de hidrólisis se pueden obtener diferentes compuestos, principalmente, ácidos grasos y glicerina, diversos alcoholes, en algunos casos ácido fosfórico, aminoalcoholes, carbohidratos y otros [2]. Los aceites y las grasas son mezclas naturales de ésteres mixtos de alta complejidad, cada molécula está constituida por un grupo de ácidos grasos en compañía de la glicerina. Estos ésteres son llamados comúnmente glicéridos, pero la glicerina es un trialcohol, lo que significa que la molécula puede esterificarse con tres ácidos grasos, dando lugar a los triglicéridos (figura 4.1). Los ácidos grasos presentes en la molécula de los lípidos constituyen la parte con mayor interés, pues de las combinaciones de éstos se generan las diferentes clases de grasa y aceites que se encuentran en el mercado [3].

CH

CH

O

O

CO

CO

CO

R

R

R OCH

2

2

Figura 4.1. Molécula de un triglicérido [14] Las fuentes naturales para obtener los aceites y las grasas son animales y vegetales, cada fuente ofrece cantidades diversas de material graso extraíble (tabla 4.1) y depende de las características finales del producto deseado elegir la materia prima más conveniente. La distribución en las dos fuentes nombradas es [6]: 1. Los aceites de origen vegetal son obtenidos de las plantas, pues en todas ellas hay un

contenido de aceites y grasas en el interior de las células. El material graso se encuentra disperso en toda la planta o acumulados en ciertos órganos, como las semillas que sirven de depósito y son las más utilizadas en la extracción de aceites.

2. Los aceites y las grasas de origen animal son extraídos de todos los órganos de los

animales superiores que contengan mayor cantidad de grasa. En general, las fuentes


Extracción de Grasas y Aceites

que presenta mayor proporción de grasa son los tejidos grasos, los tejidos de la cavidad abdominal, el corazón, los riñones, el hígado y los huesos.

Tabla 4.1. Contenido graso de las fuentes más comunes en la industria [6]

Fuente vegetal Aceite o grasa % Fuente vegetal Aceite o grasa

% Cacahuete o maní 46 – 50 Semilla de ricino 45 – 55

Aceitunas Carne Hueso

56 12

Semilla de sésamo o ajonjolí 50 – 54

Nuez de palma 48 – 52 Soya 17 – 20 Semilla de algodón 20 – 25 Maíz 34 – 37 Semilla de cáñamo 30 – 35 Semilla de lino 24 – 26 Copra o coco 64 – 70

Fuente animal Fuente animal Médula 87 – 92 Huesos 0.5 – 20 Tejidos grasos 80 – 90 Leche 3 – 6

Características y clasificación de los aceites y las grasas Las características que presentan los aceites y las grasas son dependientes en gran parte de los ácidos grasos que constituyen la molécula del triglicérido. Los ácidos grasos más abundantes están en cadenas lineales, con un número par de átomos de carbono y longitudes de cadena que varían entre 4 y 30 átomos de carbono, esto depende de la fuente del material. La configuración de los ácidos grasos, en cuanto al número de carbonos y el número de insaturaciones, se puede escribir de una forma abreviada, obteniendo de esta manera una mejor visualización de la molécula y sus características; por ejemplo, el ácido linoleico sería 18:2 (18 átomos de carbono: dos dobles enlaces) [14]. Otra variable que confiere características importantes a las grasas es el grado de saturación de los ácidos grasos que la componen. Relacionando que, los aceites están compuestos principalmente por ácidos grasos insaturados y las grasas por ácidos grasos saturados [4]. Por lo tanto, el factor para denominar el nombre entre grasa o aceite es simplemente el punto de fusión, concluyendo que una grasa es sólida a 15ºC y el aceite es líquido a la misma temperatura [2]. Un proceso alternativo que se usa en las industrias es la hidrogenación, la cual hace que las grasas insaturadas se saturen, valga la redundancia, por la introducción de hidrogeno en los enlaces dobles, obteniendo como resultado un cambio en las características del producto final; el más evidente es el endurecimiento de los aceites y por ende el cambio en su punto de fusión [7]. La clasificación usual de los aceites y las grasas se presenta en la tabla 4.2. La última división tiene como base la propiedad de muchos aceites en endurecerse formando una película más o menos sólida en la superficie, que va relacionada con el contenido de ácidos secantes de las series linolénico y linoleico y los ácidos no secantes de la serie oleico [6].



Tabla 4.2. Clasificación de las grasas y aceites

Clasificación Característica

Según su consistencia Sólido Semisólido Líquido

Según su origen Animal Vegetal

Según la serie de ácidos grasos

Secantes Semisecantes No secantes

Componentes no glicéridos En los aceites y las grasas naturales (sin refinar) se encuentran componentes no glicéridos que se presentan en menor cantidad que los triglicéridos. Estos componentes, también llamados constituyentes menores, otorgan características particulares al producto dependiendo de la fuente que se utilice. Algunos de los más comunes son: 1. Vitamina E: esta es una mezcla de fenoles liposolubles que contienen una cadena

lateral de 16 átomos de carbono. Algunos aceites vegetales, especialmente el aceite de palma y el aceite de salvado de arroz, son fuentes ricas en estos compuestos y aunque presentan una débil actividad como vitamina E, ésta actúa como antioxidante y proporciona estabilidad contra la oxidación [14].

2. Carotenoides: son hidrocarburos liposolubles altamente insaturados presentes en las grasas animales y vegetales. Los carotenoides más frecuentes son los carotenos alfa, beta y gama, la licopina, la luteína y las xantofilas dentro de un grupo de más de 75 clases diferentes [14]. Los carotenoides y sus derivados son normalmente los que dan el color amarillo a rojo intenso a las frutas, hortalizas, cereales y aceite de palma bruto. Los carotenoides son los precursores de la vitamina A, presentando el β-caroteno la mayor actividad de provitamina A.

3. Vitaminas A y D: las fuentes tradicionales de vitamina A y D son la grasa de la mantequilla y los aceites de pescado, respectivamente. Aunque las margarinas del mercado son enriquecidas con estas vitaminas por exigencias legales en la mayoría de los países.

4. Esteroles: el colesterol es el principal esterol de los productos de origen animal, mientras que los principales esteroles de las plantas son el β-sitosterol, el campesterol y el estigmasterol [14].

5. Escualeno: es uno de los hidrocarburos que predomina en las grasas. Es un intermediario en la síntesis del esterol a partir del acetato, se encuentra en cantidades particularmente elevadas en algunos aceites de pescado y en el aceite de oliva.

Procesos de modificación de las grasas

Hidrogenación: como se ha mencionado, la hidrogenación es un proceso donde se realiza la conversión de varios radicales insaturados de glicéridos en compuestos más saturados por la adición de hidrógeno. El proceso se maneja mediante un sistema trifásico, gas-líquido-sólido (hidrógeno-aceite-catalizador), a temperaturas entre 120ºC



y 220ºC, con temperaturas máximas en las etapas finales de reacción, y presiones de operación entre 200 KPa y 700 KPa [14]. El catalizador que se emplea es el níquel que viene en pequeños cristales soportados por un óxido inorgánico (sílice o alúmina). Terminada la reacción, el catalizador se filtra y reutiliza, mientras que al aceite se le debe eliminar todas las trazas de níquel residual, hasta obtener el nivel sugerido por la ley.

El objetivo de la hidrogenación no es solo elevar el punto de fusión sino mejorar las cualidades de almacenamiento, sabor y olor de muchos aceites, como también proporcionar a las industrias unos productos de mejores características para su manufactura [6].

Isomerización: aparte de la reducción de la insaturación durante la hidrogenación, también se puede dar una isomerización de los dobles enlaces. Los isómeros generados pueden ser geométricos, que se generan por la conversión de una forma cis natural en trans y los isómeros de posición que se forman por la migración de los enlaces dobles hacia otra posición de la cadena. Estos cambios en las grasas y aceites son de gran interés, ya que proporcionan diferentes propiedades físicas que pueden ser modificadas según los requerimientos del producto [6], [14].

Interesterificación: este proceso consiste en realizar un reordenamiento de los

ácidos grasos en la molécula del triglicérido utilizando un catalizador moderadamente alcalino (metóxido de sodio o aleaciones de Na-K). La neutralización del catalizador detiene la reacción. El cambio modifica el punto de fusión de la grasa, sin cambiar la naturaleza de sus ácidos grasos [6].

Fraccionamiento: es una operación donde se realiza una separación controlada de

las fracciones de aceite/grasa a temperaturas bajas. Por ejemplo, el aceite de palma se fracciona en palmoleína y palmestearina [14].

Usos de los aceites y las grasas Las grasas y los aceites tienen muchas aplicaciones en la industria, entre las más comunes se encuentran [6]: 1. Para alimentación humana: la manteca de sebo y grasa de cerdo, aceites de oliva,

nueces, girasol, lino, maíz, soya, coco y palma. 2. Para la fabricación de jabones: aceites de lino, algodón, maíz, soya, cáñamo, peces y

ballena (jabones blandos), además del aceite de cacahuete o maní, algodón, sésamo, oliva, coco, palma, ricino, sebo, manteca de cerdo (jabones duros).

3. Para la fabricación de bujías y ácido esteárico: sebo y la grasa de huesos, aceite de palma, sebo vegetal chino.

4. Para la obtención de barnices, lacas y pinturas: los aceites de lino, de nueces, de madera chino.

5. Para alumbrado: los aceites de oliva, de cacahuete, aceites de foca y de ballena. 6. Para engrase de maquinaria fina: los aceites de oliva, de colza, de ricino, de

cacahuete, de tocino, de pie de buey.



4.3 OBTENCIÓN DE GRASAS Y ACEITES DE ORIGEN VEGETAL Los aceites y las grasas vegetales se obtienen, de los frutos y semillas de las plantas, mediante las técnicas de prensado y la extracción con solventes. La primera técnica es la más sencilla para extraer aceites de este tipo, logra rendimientos de extracción bajos, pero se obtiene un producto de alta calidad y la torta residual de la extracción presenta unas características adecuadas para su posterior utilización [9]. La segunda es una técnica que se emplea con frecuencia porque se obtienen altos rendimientos de extracción, a cambio de obtener un buen producto pero de menor calidad que los obtenidos por prensado. Debido a esto, las industrias usan los dos métodos combinados, iniciando con el prensado y después realizando un agotamiento de la torta con solventes, obteniéndose finalmente dos clases de productos y un rendimiento máximo [1]. Los materiales oleaginosos que más se cultivan en Colombia son el ajonjolí, la soya, el algodón, el girasol, la palma y el coco, como fuentes principales, y también se obtiene a partir del germen de arroz y de maíz que son subproductos de su beneficio [7]. Las características fisicoquímicas (ANEXO J) de los aceites ayudan a establecer un diagnóstico de su estado, pudiéndose detectar algún tipo de impureza o deterioro del producto. Las determinaciones a las que se debe someter el aceite dependen de diferentes intereses. Por ejemplo, los productos destinados como alimento se rigen por las normas establecidas de cada país o si el producto es una materia prima de otro proceso, se pueda garantizar la uniformidad del mismo. Algunas de las pruebas más importantes son las organolépticas, humedad, materias volátiles, impurezas insolubles en éter de petróleo, acidez libre, índice de peróxidos, índice de saponificación, índice de yodo e índice de refracción [7]. Los valores de estas pruebas dan las características del aceite que se relaciona directamente con las series de los ácidos grasos que lo componen, como ya se dijo con anterioridad. En la tabla 4.3 se presenta la composición de ácidos grasos en los aceites vegetales que más se usan. Tabla 4.3. Contenido de ácidos grasos de diferentes aceites y grasas vegetales [1]

Ácido Fórmula Abr. Linaza Algodón Soya Maíz Coco Palma

Butírico

C3H7COOH

4:0

-

-

-

-

-

-

Caproico C5H11COOH 6:0 - - - - - - Caprílico C7H15COOH 8:0 - - - - 8.0 - Cáprico C9H19COOH 10:0 - - - - 7.0 - Láurico C11H23COOH 12:0 - - - - 48.0 - Mirístico C13H27COOH 14:0 - 0.6 - - 17.5 1.8 Miristoleico C13H25COOH 14:1 - - - - - - Palmítico C15H31COOH 16:0 6.5 22.9 8.3 7.5 8.8 43 Palmitoleico C15H29COOH 16:1 - - - - - - Esteárico C17H35COOH 18:0 4.5 2.2 5.4 3.5 2.0 4.2 Oleico C17H33COOH 18:1 20.9 24.7 24.9 46.3 6.0 42 Linoleico C17H31COOH 18:2 17.4 49.6 52.6 42.0 2.5 9 Linolénico C17H29COOH 18:3 50.6 - 7.9 - - - Araquídico C19H39COOH 20:0 - - 0.9 0.5 - - Araquidónico C19H35COOH 20:2 0.1 - - - - - Otros - - - - - - 0.2 -



Descripción del proceso [1] 1. Extracción por técnica combinada de prensado y extracción con solventes

- Almacenamiento de las semillas: esta actividad se debe manejar con cuidado en la industria, ya que unas condiciones inapropiadas de almacenamiento pueden producir deterioro y alteraciones químicas de las semillas. Para disminuir el riesgo, las semillas oleaginosas se deben secar hasta una humedad inferior al 10% [14].

- Eliminación de impurezas: las semillas se someten primero a una operación de

limpieza, para eliminar las impurezas que fueron arrastradas desde la recolección del material oleaginoso. Esta operación es muy importante porque mejora las condiciones de la materia prima, las cuales se ven reflejadas en el producto final. Los equipos utilizados para la limpieza son cribas, ventiladores, máquinas escogedoras, cepilladoras y separadores magnéticos. Si la semilla presenta recubrimiento duro se requiere el uso de un descascarador de barras, que ayuda a liberar la porción carnosa.

- Molienda: las semillas son trituradas antes de someterse al proceso de extracción

para que el aceite tenga una ruta de salida más sencilla, además se evita una sobrepresión del material, previniendo el desprendimiento de compuestos indeseados en el producto. Para la reducción de tamaño de las semillas oleaginosas se emplean generalmente los molinos de rodillos, de disco o de martillo [9].

- Calentamiento: esta operación se realiza para aumentar la temperatura del grano,

la cual ayuda a romper los alvéolos aceitosos facilitando la liberación del aceite que se encuentra dentro de la semilla, también logra coagular las proteínas, precipitar los fosfátidos y destruir el gosipol, que son sustancias indeseables presentes en algunas semillas. Todas las semillas oleaginosas y nueces se someten a este tratamiento excepto los frutos de la palmera [14].

En esta operación, a parte de aumentar la temperatura de la semilla, se pretende elevar un poco la humedad de la misma para facilitar el trabajo de prensado. En la industria primero se aumenta la humedad entre un 12% y 14% y después se reduce entre un 5% y 7%.

Algunos de los equipos usados son: los fluidizadores, que realizan la operación con aire en un calentamiento directo; el autoclave, que pueden manejar calentamiento con vapor directo o indirecto, y las marmitas que manejan un calentamiento indirecto.

- Prensado: es la operación que separa el líquido del sólido mediante la compresión del material oleaginoso a las condiciones que se requieran para que el aceite escape y el sólido quede retenido entre las superficies de compresión.

Las prensas hidráulicas son los equipos usados en extracción por lotes y para procesos en continuo se usan prensas de tornillo mecánica con una o dos barras sinfín que imprimen al material una presión entre 11.7 MPa a 13.8 MPa [1].



- Acondicionamiento del aceite: el aceite extraído por prensado no siempre pasa directamente a la zona de refinación, por eso se hace necesario, antes de almacenarlo realizar una filtración para eliminar algunas de las sustancias que deterioran la calidad el aceite de una forma más rápida.

- Extracción con solventes: industrialmente se usa esta etapa para agotar el

aceite que queda retenido en la torta después del prensado y elevar el rendimiento de extracción general del proceso. Es posible emplear este método porque aún después del prensado, la torta cumple con todos los requerimientos para llevar a cabo una extracción con solvente. El fenómeno principal que ocurre en esta operación es la difusión del solvente hacia el interior de la partícula para ponerse en contacto y solubilizar el material oleaginoso, después difundirse hacia afuera. Por lo tanto el tamaño de la partícula es un parámetro que va en relación inversa a la velocidad de extracción, pues entre más pequeño el tamaño de las partículas, las porciones solubles quedan más accesibles a la acción del solvente lo que hace aumentar la velocidad de extracción [11].

Los numerosos fenómenos que se presentan en este proceso hacen poco práctico y casi imposible aplicar una teoría definida a la acción de esta extracción con solventes, también llamada lixiviación líquido-sólido [5], [11], [12].

2. Refinación del aceite

Se denomina refinación a una serie de operaciones que tienen como objetivo eliminar los defectos de los aceites y las grasas (excesiva acidez, sabor y olor desagradable, coloración inadecuada, turbidez, etc.). Estos defectos deben ser eliminados debido a que aceleran la degradación del producto. Los métodos y la rigurosidad de los mismos dependen del uso final del producto, pues cuando se requieren para propósitos alimenticios se les da un tratamiento especial para que sea apto para el consumo humano y cuando se requieren para otro fin industrial se hace algún tratamiento para eliminar las impurezas específicas que generen interferencia con los otros procesos.

Los tipos de impurezas y las principales etapas que suelen realizarse en el refinado de aceites crudos son los siguientes [10]:

- Partículas insolubles en las grasas: estas impurezas se deben eliminar para

proteger el producto, ya que todos estos fragmentos hacen aumentar la producción de ácidos grasos libres que son los responsables del deterioro del aceite. Las impurezas más comunes son los residuos de semilla, cutículas, mucílago, polvos, material mineral, humedad, entre otros. Los mecanismos de eliminación son medios mecánicos como, sedimentación, filtración o centrifugación.

- Impurezas solubles en las grasas: estas sustancias son las encargadas de

otorgarle sabores y olores desagradables al aceite, presentándose en solución verdadera o en suspensión coloidal. Las clases de impurezas que se pueden encontrar son las proteínas, gomas, resinas, materiales colorantes, hidrocarburos, cetonas, aldehídos; pero también existen otras sustancias que no afectan la calidad del aceite como los esteroles, vitaminas y antioxidantes. La mayoría del material extraño que contamina la grasa proviene de las condiciones de la



extracción. Los métodos de eliminación son: el desgomado, la neutralización, el blanqueo o decoloración y la desodorización [10].

Las características y las formas de cada método de eliminación de impurezas se resumen en:

Desgomado: en esta etapa se elimina el material coloidal del aceite o la grasa, generalmente se efectúa poniendo en contacto el aceite con agua caliente y agitando. Las sustancias se hidratan y sedimentan en forma de floculo, facilitando la separación. Existen también otras vías como en medio ácido, por calor, con adsorbentes, con reactivos especiales, con álcali, entre otros [10].

Neutralización: este proceso se efectúa para eliminar los ácidos grasos libres que le transfieren acidez a los aceites. La neutralización con soluciones de soda cáustica es la más usada, entre otras técnicas, se efectúa saponificando los ácidos grasos [6], [10]. La solución jabonosa que sale de este proceso es denominada soapstock o jabonadura que es utilizada como materia prima en el proceso de producción de jabón, porque reduce las cantidades de álcali que se requieren para el proceso [16].

Blanqueo: algunos aceites presentan demasiada coloración por los pigmentos que proceden de la semilla, tales como carotenos, clorofila, xantofilas y otros, por lo cual es necesario eliminarlos. Los principales métodos de blanqueo son la decoloración por adsorción donde se usan materiales como tierras decolorantes, carbón activado o algún tipo de arcillas, seguido de una filtración. En el blanqueo por acción química los colorantes son destruidos por oxidación logrando que las grasas queden incoloras, y por hidrogenación [9], [10].

Desodorización: finalmente se elimina cualquier sustancia que le comunique olores desagradables como aldehídos, cetonas, hidrocarburos entre otros [7]. La desodorización se realiza por destilación con una corriente de vapor, al vacío y a temperaturas elevadas. Después de esta operación, el aceite debe someterse a un secado para evitar la hidrólisis de los triglicéridos.

4.4 OBTENCIÓN DE GRASAS Y ACEITES DE ORIGEN ANIMAL Las materias primas de origen animal que se usan para la extracción de aceites y grasas son obtenidas de los peces y de los mamíferos. A continuación la información que se tratará está basada para los mamíferos, ya que las diferencias entre ambos, no hace posible la extensión de los procesos y tratamientos. Las grasas que contienen los mamíferos están muy difundidas por todo el cuerpo del animal, concentrándose más en unos sectores que en otros. En realidad no hay tejido alguno que no contenga algo de grasa, claro que cada parte tiene sus diferencias. Por ejemplo la carne muscular contiene aproximadamente el 0.5% de grasa, denominada funcional y no se ve a simple vista, mientras que el tejido adiposo puede contener hasta un 95% de grasa y se denomina de depósito.



La grasa que se extrae a partir de la materia prima animal se compone básicamente por triglicéridos, aunque existen pequeñas concentraciones de otras sustancias que van sujetas a la materia prima. Como ya se mencionó, los ácidos grasos son fundamentales en las características de los productos y las grasas animales no son la excepción. El grupo de ácidos grasos que se pueden encontrar en este tipo de materia prima son prácticamente 10 (tabla 4.4) y los tres que se presentan con más frecuencia son el palmítico y el esteárico (saturados) y el oleico (monoinsaturado) [13]. Las proporciones de cada uno varían de una especie a otra, por eso se hace difícil encontrar concentraciones específicas de los aceites de origen animal.

Tabla 4.4. Contenido de ácidos grasos de algunos tipos de grasas y aceites de origen animal [13]

Serie de ácidos grasos Tipo de grasa 14:0 14:1 16:0 16:1 18:0 18:1 18:2 18:3 20:1 20:3

Sebo de vacuno Sebo interno Sebo externo (sebo Subcutáneo) Sebo del pecho

5 5 4

0.5

3 2

33

30 32

4

12.516.5

23 5 5

32

39 37

2 4 3

0.5

1 -

-

0.5 0.5

Trazas

TrazasTrazas

Grasa de cerdo Grasa interna Grasa externa (tocino)

2 3

0.5 0.5

30 28

3.5 3.5

17 11

39 45

6.5 7

0.5 1

- -

1 1

Grasa de huesos 3 1 23 5 7 58 2 1 - - Las consideraciones que se deben tener con estas materias primas son: tener un manejo cuidadoso, ya que las materias primas se echan a perder con mucha facilidad por el proceso de descomposición que sufren; si el producto que se quiere es con destino comestible, precisa un rápido trabajo, a fin de liberar la humedad y el tejido celular. En el caso de no proceder al trabajo inmediato, debe conservarse en las mejores condiciones posibles, y solamente durante corto tiempo. Descripción del proceso [6]

Limpieza: la materia prima solo se verifica con el tejido adiposo bruto y los huesos. Del primero se separan a mano los tendones y pedazos de carne, y mediante lavado, la sangre. Para la obtención de los aceites y las grasas animales deben rasgarse las células, a fin que sea posible sacar de ellas completamente la grasa, para lo cual debe triturarse la materia bruta.

Trituración: los trozos grandes de materia prima deben cortarse o triturarse hasta

reducirla a partículas de 5mm a 25 mm de tamaño [15], esta operación se debe realizar en maquinas diseñadas para este fin.

Trabajo por fusión: esta operación se puede realizar por dos métodos, fusión en

seco y la fusión húmeda, donde cada una tiene sus características y se explican de la siguiente manera.



Fusión seca: la extracción de aceites por este método se realiza en marmitas o equipos abiertos con agitación continua. El problema que se presenta con la fusión seca es que las condiciones de la fusión tienden a variar mucho, lo que genera deficiencias tanto en la calidad del producto, como en los rendimientos de la extracción. Los procedimientos que se pueden realizar son:

- Fusión seca a fuego directo: es de los procedimientos más antiguos y en la

actualidad se usa en trabajos a pequeña escala, porque presenta deficientes rendimientos de extracción.

- Fusión con vapor indirecto: en este método se utilizan equipos que tienen doble pared (enchaquetados), que proporciona un mejor producto, evitando el quemado en menor grado de la materia prima y se minimiza el desarrollo de olores molestos.

- Fusión con agua caliente: se usan los mismos equipos que en el anterior método, pero en la chaqueta se introduce agua caliente en vez de vapor.

Fusión húmeda: aquí el agua o el vapor de agua son necesarios como ayudantes de la extracción, ya que este hace contacto con la materia prima y logra que el material graso fluya con mayor facilidad. La fusión en húmedo se aplica para el procesamiento de sebo bruto, huesos y en las fábricas de oleomargarina.

Durante la operación hay que tener en cuenta que la temperatura no sea inferior a los 40ºC, para no disminuir el rendimiento, ni exceda los 50ºC, a fin de no influir sobre la calidad del producto, ya que un calentamiento excesivo hace que se produzcan emulsiones no deseadas y el producto adquiera malos olores y sabores . Cuando la fusión ha terminado, se para el agitador y se le adiciona sal (solución concentrada o sólida) para acelerar la separación. A veces también se adiciona algo de sal al comenzar la operación, a fin de evitar el empaste. Cuando la fusión se lleva a cabo en autoclaves (fusión a alta presión) la extracción se vuelve más específica, reportándose por ULLMANN [6] condiciones de operación de aproximadamente 3 atm durante 4 o 5 horas y se deja en reposo de 8 a 10 horas, para lograr la separación del contenido graso.

Clarificación de las grasas: la grasa o el aceite obtenido debe someterse a un

proceso de clarificación para eliminar todo el material sólido y el exceso de agua. Para asegurar una buena separación y clarificación se acostumbra agregar soluciones de sal o esparcimiento de sal sólida en la superficie, dejando en reposo de 12 a 24 horas y luego separando las fases.

Residuos sólidos de la extracción: los sólidos que quedan después de la fusión

pueden contener todavía restos de grasa, lo que hace posible realizar otra extracción para mejorar los rendimientos. Los siguientes métodos podrían ser un prensado y/o una extracción con solventes, donde se aplican los mismos conceptos mencionados en la extracción de aceite de origen vegetal. Los residuos sólidos agotado son adecuados para usarlos como abono o forraje para los animales.



Refinación del aceite: la refinación también se aplica a las grasas y aceites de origen animal, el fin es eliminar los compuestos que generan la degradación del producto a través del tiempo. Los métodos de eliminación son similares a los explicados en los aceites de origen vegetal, a excepción del desgomado que no se requiere para este tipo de producto.

- Partículas insolubles en las grasas: se eliminan por medios mecánicos como,

sedimentación, filtración o centrifugación. - Impurezas solubles en las grasas: en estos aceites también se presentan

compuestos solubles característicos que se deben eliminar, porque colaboran con el deterioro del material graso. Entre ellos esta el olor, que pude llegar a ser muy ofensivo; algunos compuestos, como los carotenos, que le dan un poco de color y los compuestos que le inducen el sabor. Los métodos que se aplican son: la neutralización, el blanqueo y la desodorización. Procesos ya mencionados en la extracción de aceites de origen vegetal. Otros procesos químicos han ayudado a mejorar la presentación y la calidad de grasas y aceite de origen animal son: la hidrogenación, la interesterificación e isomerización.



4.5 DESARROLLO DE LAS PRÁCTICAS EXTRACCIÓN DE ACEITES Y GRASAS DE ORIGEN VEGETAL

Figura 4.2. Prensa hidráulica para la extracción mecánica de aceite vegetal


Material oleaginoso Solventes: Hexano Solución de NaOH

Equipos

Bolsas de lona Molino Prensa hidráulica (ver figura 4.2) Equipo de extracción (ver figura 4.3 (A)) Equipo para la recuperación del solvente (ver figura 4.3 (B))



A B

BalónBalón

Soxhle

t

Condensador

Condensador

Colu

mna

em

pacada

Figura 4.3. (A) Equipo para la extracción de aceites con solvente; (B) Equipo para la

recuperación del solvente PROCEDIMIENTO El diagrama de bloques de la figura 4.4 presenta las etapas de extracción de aceites de origen vegetal que se pueden desarrollar en la práctica. 1. Elección del material graso: la materia prima que se elija debe poseer

características oleaginosas para obtener mejores eficiencia de extracción. Determinar al material el porcentaje de aceite, humedad, densidad y masa1.

2. Limpieza de las semillas: se eliminan las impurezas que contenga la materia prima.

Si la semilla presenta recubrimiento duro se debe descascarar primero manualmente para liberar la porción carnosa. Para limpiar la materia prima se pueden utilizar, según convenga, equipos como tamices, ventiladores y/o cepillos. Determinar porcentaje de impurezas.

1 Ver ANEXOS Ñ, O, R



Materia prima

Limpieza Impureza

Semilla

Molienda

Calentamiento

Prensado

TortaAceite crudo

Refinación

Refinación

Separación de sólidosinsolubles

Desgomado

Neutralización

Caracterización delaceite

Extracción con solvente

Torta agotadaen aceite

Solvente conaceite

Destilación

Recuperacióndel solvente

Aceite crudo

Figura 4.4. Diagrama de bloques para el proceso de extracción de aceites de origen vegetal

3. Molienda: cortar la porción carnosa en hojuelas delgadas (de 0.25 mm a 0.35 mm de

espesor). Para esta operación se usa el molino más conveniente. 4. Calentamiento: antes del exprimido, la materia prima es calentada con vapor directo

en el autoclave, a unas condiciones de 110ºC por un espacio de 20 minutos. Ajustar la humedad para el prensado aproximadamente entre 5% y 7%.

5. Prensado: la materia prima se introduce en bolsas de lona (tela con poros que no

deje pasar el material sólido) pesada previamente. Se somete a compresión empleando la prensa hidráulica, transmitiendo al material una presión aproximada de 11 MPa2. Determinar la masa de la torta final y el aceite crudo extraído.

2 La presión que se le imprime al material es particular para cada materia prima. Por lo tanto, se debe consultar con anterioridad las condiciones de presión requeridas para el material manejado.



El aceite crudo extraído se lleva a refinación y la torta de lleva a la unidad de extracción con solventes.

6. Extracción con solventes: la torta que sale de la operación de prensado se somete a extracción con solventes, para extraer las trazas de aceite que quedan atrapadas en ella, las condiciones de la operación dependen del solvente que se vaya a utilizar; la relación generalmente manejada de solvente a material es de 3:1 (l/kg).

Determinar antes de la extracción: el solvente a utilizar y la cantidad. Después de la extracción: la masa de la torta final y el residual de aceite. Las miscelas que salen de esta operación se someten a destilación para recuperar el solvente y obtener el aceite extraído de la torta. Determinar antes de la destilación: la temperatura de ebullición del solvente. Después de la destilación: el porcentaje de solvente recuperado y el volumen de aceite extraído.

7. Refinación del aceite: llevar el aceite obtenido por prensado y el obtenido por

extracción con solventes a la refinación sin mezclarlos. 8. Sedimentación, filtración y/o centrifugación: se separa el material sólido insoluble

en la grasa o aceite crudo. Determinar la masa, densidad e índice de refracción del aceite después de este paso como se presenta en los ANEXOS N y O.

9. Desgomado por hidratación: el aceite a 50ºC se pone en contacto con agua

hirviendo en una proporción del 2% al 4% (vol. agua/vol. aceite) agitando vigorosamente. Los coloides hidratados se sedimentan y se retiran por filtración3. Determinar la masa, densidad e índice de refracción del aceite después de este paso.

10. Neutralización con NaOH: se realiza una prueba de acidez (ver ANEXO M) para

calcular la cantidad de soda que se requiere para neutralizar los ácidos grasos libres. Se prepara una solución de NaOH a una concentración del 9% o 3 N que contenga 1.75 veces la cantidad obtenida en la prueba de acidez [10]. Primero se calienta el aceite crudo hasta 60ºC manteniendo agitación constante, se inicia la adición de la solución de NaOH que debe estar a 80ºC. Se continúa con la agitación hasta que aparezca la formación de jabón y se deja en reposo durante 5 min -10 min. Se le agrega agua hirviendo en una cantidad del 10% del peso del aceite sin agitar y se deja en reposo durante 2 horas y luego se separa.

11. Lavado: si el aceite queda con residuos de jabón se puede lavar con agua caliente

para eliminarlo, también se puede adicionar sal común como ayudante de la separación. Determinar la masa, índice de acidez, densidad e índice de refracción del aceite después de este paso como se indica en los ANEXOS M, N y O.

12. Blanqueo: si el aceite presenta coloración fuerte se realiza el proceso de blanqueo, si

no se continúa con la etapa siguiente. El método propuesto es por adsorción, donde el

3 Para este proceso también se puede usar cualquiera de las otras técnicas mencionadas en el marco conceptual.



material se pone en contacto con agentes adsorbentes tales como tierras decolorantes, carbón activado o algún tipo de arcillas, seguido de una filtración.

Determinar la masa, densidad e índice de refracción del aceite después de este paso. La refinación sólo se puede desarrollar hasta este paso, ya que las etapas de desodorización e hidrogenación requieren de equipos más especializados.

13. Caracterización del aceite: al aceite extraído se le realizan las pruebas de caracterización como se indica en los ANEXOS K, L, M, N, O.

FORMATO PARA LA TOMA DE DATOS

Cuadro 4.1. Datos para la extracción de aceite de origen vegetal por el método combinado

Materia prima % de aceite: Humedad: Densidad: Masa, M1: Limpieza Masa, M2: Porcentaje de impurezas: Molienda Molino usado: Tamaño medio de las partículas: Calentamiento Temperatura (autoclave): Tiempo (autoclave): Humedad:

Prensado Masa de la lona: Masa de la lona + material, M3: Prensa usada: Presión aplicada: Tiempo del prensado: Área de contacto: Masa de la torta, M4: Masa del aceite crudo, M5: Densidad del aceite crudo: Índice de refracción del aceite crudo: Extracción con solventes Unidad de extracción: Cantidad y tipo de solvente: % de solvente recuperado: Masa de la torta final: Volumen de aceite extraído: Densidad: Índice de refracción:

Cuadro 4.2. Datos del proceso de refinación de aceites de origen vegetales

DATOS

REFINACIÓN Método Masa aceite*

Densidad aceite*

Índice de refracción aceite*

Material insoluble Desgomado Neutralización Blanqueo

* Hace referencia al aceite obtenido después de aplicar cada etapa de refinación.



EXTRACCIÓN DE ACEITES Y GRASAS DE ORIGEN ANIMAL

Vapor

Válvula de alivio

Transductor

Balanza

Condensado

Figura 4.5. Equipo (autoclave) para extracción de aceites de origen animal


Huesos y patas de res Solventes

Equipos

Autoclave (figura 4.5) Prensa (opcional) Equipo de extracción (opcional)

PROCEDIMIENTO El diagrama de bloques de la figura 4.6 presenta las etapas para la extracción de grasas se origen animal que se pueden desarrollar en la práctica.



Materia prima

Limpieza y trituración Impureza

Trabajo de fusión húmeda

TortaClarificación

Refinación

Refinación

Filtración

Neutralización

Caracterización delaceite

Extracción con solvente

Torta agotadaen aceite

Solvente conaceite

Destilación

Recuperacióndel solvente

Aceite crudo

Aceitecrudo Sólidos

Figura 4.6. Diagrama de bloques para el proceso de extracción de grasas y aceites de origen animal

1. Limpieza y trituración: las patas se trituran en trozos pequeños con tamaños de

partículas entre 5mm y 25 mm. Se separan los tendones y pedazos de carne. En el caso que queden partes grandes que no se puedan triturar, se corta la piel con un cuchillo para mejorar la extracción. Realizado el paso anterior, se lavan los trozos con agua, evitando un contacto excesivo. Determinar: masa de materia prima, contenido graso (ANEXO Ñ) y cantidad de agua a utilizar en el trabajo de fusión.

2. Trabajo por fusión húmeda: se cargan las patas trituradas en la autoclave con una

cantidad de agua correspondiente a ¾ de la cantidad de material sólido. Las condiciones de operación son aproximadamente 35 psi, durante 4 ó 5 horas. Cuando la fusión ha terminado, se espera hasta que el equipo se encuentre en condiciones ambiente para abrirlo. Otra alternativa es usar, en vez de agua, vapor directo a las mismas condiciones.

Realizar el seguimiento de: temperatura, presión del autoclave, presión de vapor vivo de caldera, temperatura y peso de condensado cada 15 min. aproximadamente.



3. Separación: sacar la fase líquida por el fondo del equipo y antes de sacar el material sólido se le adiciona agua hirviendo para arrastrar la grasa que haya quedado atrapada. Determinar: volumen de agua adicionada al final, masa de la fase sólida y masa de la fase líquida (agua + aceite).

4. Clarificación de la fase líquida: la mezcla de agua y grasas obtenida de la operación

de fusión se somete a un proceso de clarificación para eliminar parte del material sólido o fibroso y el exceso de agua. En esta operación se adiciona una solución saturada de sal o se esparce de forma sólida en la superficie, dejando en reposo durante 8 horas, para lograr la separación del contenido graso. Terminado el periodo de reposo se puede separar el aceite de la fase acuosa y se inician los tratamientos de refinación. Determinar: volumen total de aceite extraído y volumen de agua.

5. Residuos sólidos de la extracción: los sólidos que quedan después de la fusión

pueden contener aun restos de grasa, lo que hace posible realizar otra extracción para mejorar los rendimientos (esta operación es opcional). Para este caso se aplica una extracción con solventes, donde se aplica el mismo concepto hablado en la extracción de aceite de origen vegetal.

Determinar antes de la extracción: el solvente a utilizar y la cantidad. Después de la extracción masa de la torta final y el residual de aceite. Las miscelas que salen de esta operación se someten a destilación para recuperar el solvente y obtener el aceite extraído de la torta.

Determinar antes de la destilación: la temperatura de ebullición del solvente. Después de la destilación, porcentaje de solvente recuperado, volumen de aceite extraído, masa del sólido sobrante libre de solvente.

6. Refinación: el aceite o grasa obtenida después de la separación se pasan por las

siguiente etapas:

Filtración o centrifugación: la grasa o el aceite obtenido se somete a una filtración al vacío o centrifugación para eliminar todo el material sólido insoluble que contenga. Determinar: la masa, densidad e índice de refracción del aceite después de este paso como se muestra en el los ANEXOS N y O.

Neutralización: este proceso se efectúa de la misma forma explicada en la práctica de extracción de aceites y grasa de origen vegetal. Determinar la masa, índice de acidez, densidad e índice de refracción del aceite después de este paso según lo indicado en los ANEXOS M, N y O.

Blanqueo: por lo general los aceites de origen animal no presentan coloraciones. Se puede poner el aceite en contacto de agentes adsorbentes tales como tierras decolorantes, carbón activado o algún tipo de arcillas, seguido de una filtración. Determinar: la masa, densidad e índice de refracción del aceite después de este paso.

La refinación sólo se puede desarrollar hasta este paso, ya que las etapas de desodorización e hidrogenación requieren de equipos más especializados.



7. Caracterización del aceite: al aceite extraído se le realizan las pruebas de caracterización como se indica en los ANEXOS K, L, M, N, O.

FORMATOS PARA LA TOMA DE DATOS

Cuadro 4.3. Datos para la extracción de aceite de origen animal por el método de fusión húmeda y extracción con solvente

Materia prima Masa: % de aceite: Limpieza Masa: Trabajo de fusión Seguimiento4 de temperatura, presión del autoclave, presión de vapor vivo de caldera, temperatura y peso de condensado. Volumen de agua adicionada al final: Masa de la fase sólida: Masa de la fase líquida (agua + aceite):

Clarificación Volumen total de aceite extraído: Volumen de agua: Extracción con solventes Unidad de extracción: Cantidad y tipo de solvente: % de solvente recuperado: Masa de la torta final: Volumen de aceite extraído: Densidad: Índice de refracción:

Cuadro 4.4. Datos del proceso de refinación de aceites de origen animal

DATOS

REFINACIÓN Método Masa aceite*

Densidad aceite*

Índice de refracción aceite*

Material insoluble Neutralización Blanqueo

* Hace referencia al aceite obtenido después de aplicar cada etapa de refinación.

Cuadro 4.5. Formato para el seguimiento de las variables de la etapa de fusión

Tiempo (min)

Temperatura autoclave

Presión autoclave

Presión de vapor

Temperatura de

condensado Masa de

condensado

4 El cuadro 4.5 indica el formato para el seguimiento de estas variables



Tiempo (min)

Temperatura autoclave

Presión autoclave

Presión de vapor

Temperatura de

condensado Masa de

condensado



BIBLIOGRAFIA 1. AUSTIN, G. T. Manual de Procesos Químicos en la Industria. Tomo II. Editorial

McGraw-Hill. 1988. 2. DOMÍNGUEZ X. A. Química Orgánica Fundamental. Editorial LIMUSA S.A. México

1993. 3. GARCIA, G. Realización de los Balances de Materia y Energía para los Procesos de

Saponificación, Secado y Concentración de Glicerina en HADA S.A. Trabajo de grado de la Universidad Nacional de Colombia sede Manizales. 2003.

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5. OCON, J. y TOJO, G. Problemas de la Ingeniería Química. Editorial ACRIBIA. España 1980.

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Editorial CONTINENTAL S.A. México 1996. 9. MONTOYA, S y OCAMPO, O. L. Diseño y Montaje de una Planta Piloto para la

Obtención de Aceites de Origen Vegetal. Trabajo final de la especialización en ciencia y tecnología de alimentos. Universidad Nacional sede Manizales 1996.

10. ANDERSEN, J. C. y WILLIAMS, P. N. Refinación de Aceites y Grasas Comestibles. Editorial Continental. México 1965.



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16. ESPINOSA, J. C. y ERAZO, M. Producción de Jabones y Detergentes. Bogotá Colombia. 1999. Citada en agosto de 2004. [En línea]. <http://www.procesosvirtuales.com/documentos/archivos/DT-PI01-002.pdf >.

17. BRIONE, J. A.; MULLINS, J. C. Solvent Extraction of Fatty Acids from Natural Oils with Liquid Water at Elevated Temperature and Pressure. Journal of the American Oil Chemists’ Society (JAOCS), Vol. 67, Nº 11. 1990.

18. MEHLENBACHER, V. C. Análisis de grasas y aceites. Enciclopedia de la química industrial, tomo 6. Ediciones Urmo. 1970.


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http://www.agroinformacion.com/home/index.cfm?fuseaction=webpage.render&ID=272&MTID=5&TID=993

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Práctica 5 FABRICACIÓN DE JABÓN Y

RECUPERACIÓN DE GLICERINA 5.1 OBJETIVOS DE LA PRÁCTICA Objetivo General Obtener jabón por medio del proceso de saponificación a partir de una grasa o aceite Objetivos Específicos 1. Recuperar la glicerina como subproducto del proceso 2. Estudiar las variables del proceso 3. Realizar los balances de materia y energía del proceso 4. Determinar el rendimiento del proceso 5.2 MARCO CONCEPTUAL Reseña histórica Uno de los primero pueblos que desarrollaron la manufactura del jabón fueron las tribus germanas, que hervían el cebo de cabra con las cenizas de madera para obtener un producto que se usaba para dar color y brillo al cabello, mas no como agente de limpieza [1]. Más adelante, en el siglo II D.C. se mencionó por primera vez al jabón como agente de limpieza y se le consideró también como medicamento por su potencial curativo de muchas enfermedades de la piel. En 1783, el químico sueco Carl Wilhelm Scheele simuló de forma accidental la reacción que se da en el proceso de hervido para la fabricación del jabón. Esto sucedió cuando hirvió el aceite de oliva con óxido de plomo para producir una sustancia que él denominó Ölsüss, que hoy se conoce como glicerina. El descubrimiento de Scheele permitió al químico francés Michel Eugéne Chevreul investigar la naturaleza química de las grasas y los aceites que se usaban en el proceso del jabón, descubriendo para 1823 que las grasas simples no se combinan con el álcali para formar el jabón, sino que se descomponen antes para formar ácidos grasos y glicerina [2]. Por otro lado, en 1791, el químico francés Nicolas Leblanc inventó un proceso para la obtención de carbonato de sodio o sosa, utilizando sal ordinaria, que revolucionó la fabricación del jabón más

Oscar Andrés Prado


adelante; el desarrollo del químico belga Solvay con el proceso de amonio, redujo aun más el costo de la sosa y al mismo tiempo mejoró tanto la calidad como la cantidad de este material el cual fue vital para el crecimiento de la industria del jabón. Para los últimos años del siglo XIX, se introdujo el calentamiento con vapor y el batido con transmisión mecánica, lo que logró un trabajo más rápido y seguro, además se implementaron las máquinas de cortar y prensar, que le dio un aspecto uniforme y agradable a los productos. El desarrollo del jabón fino se debe principalmente a las nuevas tecnologías [3]. Generalidades El jabón, químicamente, es la sal de sodio o potasio de un ácido graso no volátil que se forma por la reacción de grasas y aceites con una solución acuosa de un álcali, en un proceso denominado saponificación [4]. Los jabones no se encuentran en combinaciones químicas específicas definidas, sino en composiciones regularmente complicadas. Los jabones se pueden clasificar en duros y blandos1 para los que se emplean en su producción soda cáustica (NaOH) y potasa (KOH), respectivamente. Entre los jabones existen muchas variedades que se diferencian entre sí por su mayor o menor contenido en jabón, rellenos y alcalinidad. Las reacciones fundamentales en la fabricación de jabón son las siguientes: [5]

R-COOH

R-COOH

KOH R-COOK H O2

H O2NaOH R-COONa

+

+

+

+Ácido graso

Ácido graso

Hidróxido

Hidróxido

Sal potásica

Sal sódica Las grasas generalmente no se presentan en forma de ácidos grasos puros sino como ésteres, que corresponden a las sales orgánicas formadas entre los ácidos grasos y la glicerina. Para transformar estos ésteres en jabón es preciso, en primer lugar, desdoblarlos en ácidos grasos y glicerina. No obstante, en esta reacción el ácido graso se combina inmediatamente con el potasio o sodio para formar la sal respectiva, y se libera la glicerina.

(R-COOH) C H3 3 5

(R-COOH) C H3 3 5

3KOH

3NaOH

3R-COOK

3R-COONa

+

+

+

+Éster del ácido

Éster del ácido

Hidróxido

Hidróxido

Sal potásica Glicerina

GlicerinaSal sódica

C H (OH)3 5 3

C H (OH)3 5 3

1 El jabón blando producido con potasa, es líquido en las condiciones corrientes debido a que su punto de fusión es más bajo y tiene mayor solubilidad que el producido con sosa cáustica.


Fabricación de Jabón y Recuperación de Glicerina

Durante el proceso de la saponificación se llevan a cabo tres etapas, así como se puede observar en la figura 5.1 [6]: 1. Etapa inicial: la reacción en esta etapa es lenta debido a la baja solubilidad entre los

reactantes; las interacciones solo ocurren en la interfase de ellos. Esta etapa puede mejorarse si se usa una emulsión de grasa con agua, para promover un mejor mezclado de las materias primas.

2. Etapa de autocatálisis: en este punto existe una mezcla homogénea de los reactantes

en la solución con las primeras partículas de jabón formado, lo que genera la reacción. Este fenómeno se puede aplicar en la primera etapa de reacción, mezclando inicialmente los reactivos con una solución de jabón.

3. Etapa final: se presenta una disminución en la rata de producción de jabón debido a

las bajas de concentraciones del material graso presente en la solución homogénea. Es recomendable interrumpir la reacción al inicio de esta etapa con el fin de no perder tiempo en el proceso de producción.

Saponific

ació

n

Tiempo

1

2

3

Figura 5.1. Etapas de la saponificación

Características de los jabones La principal característica de los jabones es reducir la tensión superficial del agua, permitiendo que ésta penetre a través de la suciedad y la desprenda. Esto es posible porque puede considerarse que la estructura del jabón está formada por dos partes [4]: a. Una cadena hidrocarbonada unida por enlaces covalentes, por lo tanto no es soluble

en agua (hidrofóbica), pero tiene afinidad con las grasas. b. Un grupo carboxilo, de carácter iónico que tiende a disolverse en agua (hidrofílica) [7].



Las moléculas hidrofóbicas empujan las moléculas de agua rompiendo los enlaces de hidrógeno tanto de las moléculas de agua como de sí mismas. Por lo tanto, la estructura esférica de las gotas de agua se deforma generando un desequilibrio que reduce la tensión superficial. Al agregar jabón al agua dura, las sales de calcio y magnesio (que forman la dureza) son precipitadas y se consumen el jabón antes de que éste se incorpore a la solución, por lo tanto se requerirá adicionar más jabón para obtener una concentración adecuada para el lavado [4]. Factores que intervienen en el proceso En el proceso de la fabricación de jabón, se deben tener en cuenta las variables que contribuyen de manera directa en el proceso de saponificación, pues estas determinan en gran medida las características finales del producto. Entre las variables que tienen mayor influencia están las siguientes: Temperatura: se debe tener control de la temperatura en la mayoría de las etapas del proceso y así evitar el calentamiento excesivo que, a su vez, acelera la degradación de la materia prima en presencia del aire [8]. Una vez iniciado el proceso, la temperatura para la saponificación debe permanecer en el rango de 85ºC a 92ºC con el fin de que la reacción se lleve a cabo de una forma rápida y eficiente. Calidad de las grasas y aceites: la selección de las materias primas para la fabricación de jabón debe tener en cuenta la composición de la carga de grasa, ya que debe contener la proporción adecuada de ácidos grasos saturados e insaturados, al igual que de ácidos grasos de cadena larga y corta que se requieren para lograr la suficiente estabilidad, formación de espuma, dureza y acción limpiadora del producto final [4]. Álcali: la selección del álcali va sujeta a las características que se quieren presentar en el producto final; con hidróxido de sodio el jabón es sólido y con hidróxido de potasio el jabón se presenta de forma cremosa2. Electrolito: el porcentaje de electrolito en la masa jabonosa es de vital importancia durante cada una de las etapas del proceso, ya que permite insolubilizar el jabón en el agua. Esta propiedad de los electrolitos se conoce como “efecto de graneado” [8]. La cantidad de electrolito presente provoca una separación entre el jabón formado y la lejía. El jabón queda en la superficie de la lejía en forma sólida granulada y la lejía contiene un exceso de álcali, electrolito y glicerina [5]. Un electrolito adecuado permite una separación efectiva y rápida al momento de dejar la masa en reposo. Dentro de los electrolitos más usados están el NaCl (sal común) y el Na2O, los cuales presentan buenas eficiencias de graneado.

2 Este tipo de jabones no deben confundirse con los actuales jabones líquidos, ya que estos son sistemas detergentes en colores y presentaciones atractivas.



Glicerina La glicerina es un trialcohol ( ) incoloro y viscoso que tiene muchas aplicaciones en la industria, los métodos de producción son variados y depende de la materia prima usada, entre algunos se pueden mencionar los siguientes:

353 )(OHHC

Hidrólisis de las grasas: es un proceso que se lleva a cabo a altas presiones y

temperaturas generando la descomposición de las grasa en ácidos grasos y glicerina. Saponificación de las grasas: esta reacción requiere de materias primas las grasas y

soluciones de álcali para producir jabón y las lejías agotadas contienen la glicerina en compañía del agua, la sal y otras impurezas.

Transeseterificación de las grasas: la reacción se da en presencia de metanol y metóxido de sodio como reactivos para producir ésteres metílicos y glicerina.

Proceso Dow: la glicerina sintética se produce por esta vía [13]. Recuperación de glicerina a partir de la lejía del jabón La lejía del jabón es una de las primeras materias primas más usadas en la industria para la recuperación de la glicerina, ya que es un coproducto de las reacciones de saponificación generadas a partir de las grasas o los aceites. La fase líquida que sale del jabón es la llamada lejía y contiene generalmente entre 10% y 30% de glicerina, su recuperación preliminar consta de diversas etapas como se nombran a continuación: 1. Desnatado: esta operación se realiza para separar las porciones de grasas de la lejía

de jabón provenientes del proceso anterior. 2. Variación del pH: la lejía desnatada se somete a diferentes cambios de pH, primero

acidificando hasta un pH de 4.6 a 6.8 y luego basificado a un pH de 9, estos cambios producen flóculos que decantan y luego son separados por filtración.

3. Clarificación: se adiciona un agente coagulante para eliminar los sólidos solubles que no precipitaron en la etapa anterior y se realiza una filtración. Generalmente se usa el cloruro férrico y el sulfato de aluminio como coagulantes.

4. Evaporación: en esta etapa las lejías clarificadas son concentradas entre un 80% y 88% de glicerina, la operación se lleva a cabo en evaporadores de múltiple efecto para obtener mejores rendimientos en la concentración.

5. Manejo de la sal: a medida que ocurre la evaporación, la solución se satura de sal y comienzan a formarse cristales que se depositan el fondo de los evaporadores, estos cristales se extraen por medio de un eyector.

La purificación de la glicerina se realiza por medio de destilación con vapor a condiciones de alto vacío (0.116 psia) y elevadas temperaturas (165ºC), obteniéndose un producto con una concentración mayor del 90%. Luego se pasa a una unidad desodorizadora donde se eliminan los componentes que causan olores indeseados y residuos de humedad, finalmente se hace circular a través de lechos de carbón activado donde se eliminan trazas de color y olor. La refinación de la glicerina es detallada en el proceso Crow Iron Works [3].



5.3 DESARROLLO DE LA PRÁCTICA PROCESAMIENTO DEL JABÓN

Figura 5.2. Equipo para el proceso de saponificación MATERIALES Y EQUIPOS Materias primas

Aceite o grasa Álcalis. (NaOH ó KOH) Sal (NaCl)

Equipos

Marmita de 30 gal con calentamiento a vapor Agitador eléctrico Dosificador de solución álcali Termómetro digital Papel indicador de pH Baldes Filtros de tela Moldes para el producto



PROCEDIMIENTO El procedimiento se plantea según lo establecido en la experiencia que se ha venido realizando en el laboratorio de procesos productivos de la Universidad Nacional de Colombia Sede Manizales. El diagrama de bloques de la práctica se muestra en la figura 5.3. 1. Elección de la materia prima: elegir el aceite o grasa a utilizar como materia prima

para la producción del jabón, durante esta elección evitar materias primas sin refinar para minimizar reacciones colaterales con las impurezas.

2. Caracterización de la materia prima: dentro de la caracterización se deben realizar

las siguientes pruebas: índice de saponificación, índice de yodo, índice de acidez, índice de refracción y medida de la densidad de la grasa o aceite elegido3.

3. Preparación de la solución de álcali: con la cantidad de reactivo que indique el

índice de saponificación en relación a la cantidad de grasa o aceite a utilizar, se prepara una solución acuosa al 30% peso/volumen. Tener en cuenta que el reactivo a utilizar no es puro, por tanto se debe realizar la corrección correspondiente. Para realizar la saponificación se puede emplear soluciones de KOH ó NaOH, la equivalencia másica entre ambas, necesaria para hacer la conversión, se plantea en el ANEXO Q.

4. Verificación del equipo para la práctica: comprobar que las conexiones de las

líneas y los equipos adicionales que van en la marmita se encuentren del modo indicado (ver figura 5.2). Tener en cuenta que:

a. La línea de vapor de agua debe ser purgada antes de conectarla a la marmita b. La balanza que mide el vapor de agua condensada, esté tarada al iniciar el

calentamiento.

5. Carga de reactivos: cargar el equipo dosificador de álcali con la solución que se preparó en el paso 3 y cargar en la marmita la cantidad de grasa o aceite que se va a usar.

6. Calentamiento del material graso: con el material cargado, iniciar el calentamiento

con vapor, verificando la temperatura con un termómetro digital hasta que alcance una temperatura cercana a los 80ºC. Evitar el recalentamiento de la marmita para prevenir daños de la materia prima. Mantener la temperatura entre de 85 y 92ºC durante todo el desarrollo de la reacción.

7. Adición de la solución de álcali: la adición del reactivo debe ser con un goteo lento y

agitación constante para que se presente una mezcla emulsionada4. Al mismo tiempo

3 Los procedimientos de estos parámetros se encuentran descritos en los ANEXOS K, L, M, N y O. 4 Para mejorar la etapa inicial de la reacción se puede adicionar una solución jabonosa o recortes pequeños de jabón terminado.



se inicia el seguimiento del pH con papel indicador durante el tiempo de reacción, evitando que este valor exceda un pH > 10.

Elegir la materia prima

Caracterizar el material graso

Preparar la solución de álcali

Cargar el material graso a la marmita

Calentar la materia prima(85-92ºC)

Adicionar gota a gota lasolución alcalina

Adicionar la solución del electrolito(solución saturada de NaCl)

Dejar en reposo

Separar las fases formadas

Jabón

Lavar

Caracterizar el jabón

Adicionar rellenos

Ajustar el pH

Moldear

Si la fase sólidapresenta

residuos grasos

Terminada la reacción

Legía

Procedimientoglicerina

Figura 5.3. Diagrama de bloques para la fabricación de jabón



8. Adición del electrolito: terminada la reacción5 se adiciona una solución saturada de NaCl (sal común). La adición de la salmuera tiene como propósito separar el grano de la lejía, esto se lleva a cabo a la misma temperatura del proceso y se debe agregar lentamente para evitar cambios drásticos en las fases por las que atraviesa el proceso.

9. Separación de fases: la mezcla se deja reposar durante 12 horas para dar espacio a

la formación de las capas. Luego se separan extrayendo la lejía por el fondo de la marmita o sacando el jabón por encima. La lejía se guarda para realizar la recuperación de la glicerina, que se explica en el procesamiento de la glicerina. Separadas las fases se debe pesar tanto el jabón como la lejía para la realización de los balances de materia.

10. Lavado: con esto se busca eliminar el álcali libre y el glicerol del jabón base. Se le suministra vapor a la chaqueta de la marmita y se va agitando el jabón, cuando éste alcanza los 90ºC, se adiciona agua lentamente para evitar que se baje demasiado la temperatura, se deja hervir durante 10 minutos y se pone en reposo. Cuando se haya enfriado se retira de nuevo la lejía que se haya separado. Se toma de nuevo la masa de las dos fases.

11. Caracterización del jabón: determinar al jabón el índice de saponificación, de yodo y de acidez, siguiendo los mismos procedimientos realizados para la materia prima.

12. Adición de rellenos: la adición de los rellenos se realiza a una temperatura de 35ºC.

Coloreado: para realizar la coloración del jabón se adiciona una mezcla de colorante, carbonato de sodio y agua. El carbonato de sodio es el encargado de difundir uniformemente el color en la mezcla de jabón. Perfume: se adiciona la esencia de olor que se desee y se hace lentamente para facilitar la incorporación uniforme en todo el jabón. Silicato de sodio: esta adición se hace con el fin de rendir la masa y prevenir la descomposición de los ácidos grasos que queden en el jabón y además ayuda al endurecimiento.

13. Ajuste de pH: se toma la medida del pH: si este se torna alcalino se debe realizar el ajuste necesario para neutralizarlo. La neutralización se realiza con ácido cítrico. La cantidad de ácido que se requiere se determina mediante el procedimiento del ANEXO P.

14. Moldeado: el jabón se funde y se van llenando los moldes donde, por enfriamiento

lento (al ambiente), se solidifica formando la pasta de jabón. Por último, el jabón se empaca y se presenta una muestra del producto obtenido.

5 La prueba de la espátula da un criterio aproximado para determinar la finalización de la reacción. En ese momento la masa jabonosa fluye en hilos cuando se deja caer desde la espátula.



FORMATO PARA LA TOMA DE DATOS Caracterización de la materia prima

Cuadro 5.1. Datos de la determinación del índice de saponificación

G muestra (g)

V1, HCl blanco (ml)

V2, HCl muestra

(ml)

N, HCl (Normalidad)

Índice de saponificación

Muestra 1 Réplica de M

Banco 1 - - Réplica de B - -

Cuadro 5.2. Datos de la determinación del índice de yodo

G muestra (g)

V1, S2O3Na2(ml)

V2, S2O3Na2(ml)

N, S2O3Na2(Normalidad)

Índice de yodo



Cuadro 5.3. Datos de la determinación del índice de acidez

G muestra

(g) V, KOH

(ml) N, KOH

(Normalidad) Índice de acidez


Índice de refracción - Temperatura de medida: - Corrección: Densidad - Temperatura de medida: - Corrección:

Solución de álcali - Masa de KOH ó NaOH: - Volumen de agua: - Concentración:

Materia prima - Masa de la carga inicial de grasa o aceite:



Solución de electrolito - Masa de la sal utilizada: - Volumen de agua: Separación de fases

Cuadro 5.4. Datos para la etapa de separación

PRIMERA SEPARACIÓN (Después de la saponificación)

SEGUNADA SEPARACIÓN (Después del lavado)

Masa del jabón Masa de la lejía Masa del jabón Masa de la lejía

Caracterización del Jabón

- Porcentaje de humedad:

Cuadro 5.5. Datos para la determinación del índice de saponificación

G muestra (g)

V1, HCl blanco

(ml)

V2, HCl muestra

(ml)

N, HCl (Normalidad)

Índice de saponificación



Cuadro 5.6. Datos para la determinación del índice de yodo

G muestra

(g) V1, S2O3Na2

(ml) V2, S2O3Na2

(ml) N, S2O3Na2

(Normalidad) Índice de

yodo Muestra 1

Réplica de M Banco 1 - -

Réplica de B - -

Cuadro 5.7. Datos para la determinación del índice de acidez

G muestra (g)

V, KOH (ml)

N, KOH (Normalidad) Índice de acidez


Aditivos - Aditivos utilizados: - Peso de cada aditivo:



Ajuste de pH - pH inicial: - Cantidad de ácido cítrico utilizado: - pH final: En el siguiente cuadro se muestran las variables a las cuales hay que realizarle seguimiento cada 10 min.

Cuadro 5.8. Formato para seguimiento de variables durante el procesamiento del jabón

Tiempo

(min) pHsistemaTsistema (ºC)

Pvvc (psig)

Tcondensado (ºC)

Mcondensado (kg)

T: temperatura M: masa P: presión



PROCESAMIENTO DE LA GLICERINA MATERIALES Y EQUIPOS Materias primas

Fase líquida obtenida en el procesamiento del jabón Ácido clorhídrico o ácido sulfúrico Solución de sulfato de aluminio o cloruro férrico

Equipos

Marmita de 30 gal con calentamiento a vapor Papel indicador de pH Floculador Baldes Filtros de tela Moldes para el producto Estufa Viandas

PROCEDIMIENTO El procedimiento se apoya en la experiencia del Laboratorio de Procesos Productivos de la Universidad Nacional de Colombia Sede Manizales y lo reportado por GARCIA [3]. El diagrama de bloques correspondiente a la recuperación de glicerina se muestra en la figura 5.4. 1. Recolección de la lejía: la recolección se realiza cuando en el proceso de

saponificación se separan las dos fases, se toma la fase líquida que se ubica en la parte inferior.

2. Reducción del volumen: con el fin de concentrar la lejía de jabón, se realiza una

evaporación en la marmita hasta reducir la mitad del volumen inicial. 3. Acidificación: la lejía que sale del proceso del jabón tiene un pH entre 9 y 12 el cual

se debe reducir a un pH entre 4.6 y 6.8 con ácido sulfúrico o clorhídrico. La reacción de la lejía con el ácido en este tratamiento es:

H O2NaOH HCl a NaCl ++

Se recomienda utilizar el ácido clorhídrico aunque es un reactivo de alto costo. El ácido sulfúrico interfiere un poco en el tratamiento, ya que los sulfatos pueden aumentar la recuperación de la sal.

4. Clarificación: se adiciona un coagulante para retirar el material orgánico residual y los sólidos suspendidos de la lejía de jabón. Usando el mecanismo generado por la coagulación y floculación, se puede obtener una decantación de los precipitados insolubles. Los coagulantes que usualmente se usan son el sulfato de aluminio o el cloruro férrico.



Figura 5.4. Diagrama de bloques para la recuperación de glicerina 5. Filtración 1: la lejía de jabón se filtra para retirar los precipitados insolubles producto

de la clarificación. 6. Adición de álcali: en este punto se debe aumentar de nuevo el pH hasta 9

adicionando soda cáustica en solución, con el fin de producir una leve alcalinidad en el producto.

7. Filtración 2: si en el paso anterior se genera alguna clase de precipitado debe

realizarse la filtración.



8. Evaporación: realizar un calentamiento en un recipiente adecuado para continuar con la reducción del volumen. Al ir disminuyendo el volumen, la sal (NaCl), se va solidificando y depositando en el fondo.

9. Filtración 3: al irse acumulando la sal se debe realizar una filtración para eliminarla,

hasta lograr la mayor extracción posible. Este procedimiento puede repetirse varias veces hasta obtener en el producto unas características similares a la glicerina.

10. Tomar propiedades: densidad, índice de refracción, describir olor y color. Comparar

con los encontrados en la bibliografía. FORMATO PARA LA TOMA DE DATOS Acidificación - Ácido utilizado: - Cantidad de ácido requerido: Clarificación - Coagulante utilizado: - Cantidad de coagulante: - pH final: Adición de álcali - Tipo de álcali utilizado: - Cantidad de álcali: Características de la glicerina - Cantidad final de glicerina obtenida: - Densidad: - Índice de refracción: - Olor: - Color:



BIBLIOGRAFÍA 1. UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO. Preparación de un Jabón por

Saponificación de un Aceite Vegetal. Citada en julio de 2004. [En línea]. <http://tenoch.pquim.unam.mx/academico/qo/soap/jabon.htm>.

2. CAGLIANI, M. A. Historia de la Fabricación del Jabón. Citada en agosto de 2004. [En línea]. <http://webs.sinectis.com.ar/mcagliani/hjabon.htm>.

3. GARCIA, G. Realización de los Balances de Materia y Energía para los Procesos de Saponificación, Secado y Concentración de Glicerina en HADA S.A. Trabajo de grado de la Universidad Nacional de Colombia Sede Manizales. 2003.

4. ESPINOSA, J. C.; ERAZO, M. Producción de Jabones y Detergentes. Bogotá Colombia. 1999. Citada en agosto de 2004. [En línea]. <http://www.procesosvirtuales.com/documentos/archivos/DT-PI01-002.pdf>.

5. MEJIA, M. Proceso de Elaboración de Jabón. Citada en julio de 2004. [En línea] <http://www.procesosvirtuales.com/descripcion.asp?id=45>.

6. BEJARANO, J; PEREZ, S. Diseño de un Estándar de Fabricación de Jabón de Óptima Calidad. Trabajo de grado de la Universidad del Valle. Cali, Colombia 1994.

7. RODRIGUEZ, I. Grasas, Aceites y Jabones. Citada en agosto de 2004. [En línea]. <http://www.monografias.com/trabajos/grasas/grasas.shtml. 1997>.

8. BARRAGAN, C. E.; ESCOBAR, P. L. Mejoramiento y Normalización del Proceso de Fabricación de Jabón en Paila. Trabajo de grado de la Universidad del Valle. Cali, Colombia. 1997.

9. MEHLENBACHER, V. C. Análisis de Grasas y Aceites. Enciclopedia de la Química Industrial, tomo 6. Ediciones Urmo. 1970.

10. HART, F. L.; FISHER, H. J. Análisis Moderno de los Alimentos. Editorial ACRIBIA, S.A. 1991.

11. BERNAL, I. Análisis de Alimentos. Academia Colombiana de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales. Editorial Guadalupe. Colombia 1993.

12. BARRERO, M. V.; GONZALES, E. P. Extracción y Caracterización Fisicoquímica del Aceite de Nuez de Macadamia credo. Trabajo de grado de la Universidad Nacional de Colombia Sede Manizales. 1998.

13. SPITZ, L. Soap and Detergents a Theoretical and Practical Review. Editorial AOCS PRESS. 1996.


Práctica 6 SECADO DE SÓLIDOS

6.1 OBJETIVOS DE LA PRÁCTICA Objetivo General Disminuir el contenido de humedad de un producto utilizando un secador de bandejas Objetivos Específicos 1. Reconocer la instrumentación, el método de adquisición de datos y la forma de control

automático del equipo de secado. 2. Realizar los balances de materia y energía del proceso 3. Construir las curvas típicas de secado para la operación 4. Determinar a partir de los datos experimentales el tiempo para cada periodo de la

operación. 6.2 MARCO CONCEPTUAL

Generalidades [2], [10] El secado ha sido definido como la transferencia de un líquido contenido en un sólido hacia una fase gaseosa no saturada. El proceso de secado puede ser visto de forma análoga al de humidificación, añadiendo la influencia que ejercen los sólidos sobre la transferencia de calor y masa, mecánica de fluidos, química de superficies y la estructura del material. Los materiales que usualmente se someten al proceso de secado pueden clasificarse en dos grupos principales:

El primer grupo está constituido por aquellos sólidos cristalinos o granulares que retienen la humedad en los intersticios entre partículas o en poros abiertos superficiales. En estos materiales el flujo de humedad se puede considerar ininterrumpido debido a la acción mutua de fuerzas capilares y de tensión superficial que hacen que la presencia de líquido no afecte de manera significativa la operación de secado; por tanto, el contenido de humedad en equilibrio es muy cercano a cero. En este grupo se encuentran productos generalmente inorgánicos como rocas trituradas, cromatos de plomo, catalizadores, sulfatos monohidratados, fosfatos de sodio, polímeros, resinas y cerámicas.

Oscar Andrés Prado

Manual de Practicas para el Laboratorio de Operaciones Unitarias III

El segundo grupo lo conforman sólidos orgánicos amorfos, fibrosos o coloidales que retienen la humedad como parte integral de su estructura. Para estos materiales el flujo de humedad es lento y el contenido de humedad en equilibrio es generalmente alto, lo que refleja que una cantidad de agua es retenida dentro de la estructura del sólido. Algunos materiales que conforman este grupo son alimentos, detergentes, pegamentos, maderas, entre otros.

La operación de secado es ampliamente aplicada en este grupo a materiales biológicos con el fin de lograr un mayor grado de preservación de sus propiedades organolépticas, nutricionales y biológicamente activas. El bajo contenido de humedad alcanzado después de la operación genera:

1. Inhibición del crecimiento de microorganismos 2. Desactivación de muchas enzimas 3. Inhibición de reacciones químicas

Se debe asociar el término seco al material que ha sido sometido a una reducción en su contenido de humedad y cuando no hay humedad residual se considera que se tiene un producto totalmente seco. El contenido final de líquido dentro del sólido varía de un material a otro; por ejemplo, la sal de cocina posee 0.5% de humedad, el carbón 4%, y en general los alimentos no superan un 5%. Definición del proceso Algunos términos importantes para recordar que se emplean en la descripción del contenido de humedad se muestran en la figura 6.1, donde un gas con humedad relativa A se pone en contacto con un sólido de humedad X:

1. Contenido de humedad en base húmeda: a menos que se mencione, el contenido de humedad de los materiales se expresa en base húmeda. Este se define como la cantidad de líquido por la masa total de sustancia.

2. Contenido de humedad en base seca: se define como la cantidad de humedad por la masa de sólido seco.

3. Humedad relativa: relación entre la presión parcial del vapor y la presión parcial del mismo en condiciones de saturación.

4. Volumen molar húmedo: es el volumen ocupado por una cantidad de gas seco más su vapor asociado.

5. Calor molar húmedo: calor requerido para incrementar un diferencial de temperatura una cantidad de gas seco y su vapor asociado.

6. Humedad de equilibrio: es el contenido de humedad de un material que se encuentra en equilibrio con una presión parcial del vapor dada, en otras palabras, es la porción de líquido que se encuentra en el sólido húmedo que no puede ser separada por la corriente gaseosa que entra debido la humedad de ésta.

7. Humedad ligada: es aquella humedad que ejerce una presión de vapor en equilibrio menor a la del líquido puro a la misma temperatura, debido a que es la menor concentración de líquido que se puede encontrar en equilibrio con el gas saturado. A las sustancias que albergan agua ligada se les conoce como higroscópicas.


Secado de Sólidos

8. Humedad no ligada: se define como la humedad que ejerce una presión de vapor igual a la del líquido puro a la misma temperatura.

9. Humedad libre: es la cantidad de líquido contenido en el material en exceso de la humedad de equilibrio. Por evaporación solo puede ser removida la humedad libre; y su contenido depende de la concentración del vapor en el gas.

0

Hu

me

da

dre

lativa

de

lg

as

Contenido de humedad Kg humedad

Kg sólido seco

1

A

X* X

( (

Humedad Humedad no

Humedad enel equilibrio Humedad libre

Ligada Ligada

Figura 6.1. Curva de humedad en el equilibrio en el secado [3] Existen diversos tópicos para clasificar la operación de secado, que son: [1], [3].

Método de operación: el secado de sólidos puede ser llevado a cabo tanto en continuo como por lotes.

Naturaleza de la sustancia a secar: es uno de los factores más influyentes al momento de seleccionar equipos para el secado, ya que el material puede estar como un sólido granular, una masa de cristales, pasta o lodo ligero, una solución, escamas, polvo, láminas continuas, entre otros.

Método de obtención de calor: se dividen en dos tipos. El primero se da cuando el calor es transferido por el contacto directo del sólido con un gas, se llama secado directo o adiabático. El segundo tipo se genera por la transferencia de calor desde un medio externo a través del contacto del sólido con una superficie metálica, por lo general, vapor que condensa; se llama secado indirecto o no adiabático. En algunas ocasiones se combina en un mismo equipo el secado adiabático y no adiabático, al cual se le denomina secador directo-indirecto.

Interacción gas-sólidos en secadores [1] En los secadores adiabáticos, los sólidos entran en contacto con la corriente gaseosa por alguno de los siguientes mecanismos: (Ver figura 6.2)

1. El gas fluye sobre una o las dos caras de una lámina de sólido. Se le llama secado con circulación superficial (A).



2. El gas atraviesa el lecho formado por las partículas que se encuentran soportadas por una rejilla. Para este caso la velocidad del gas debe ser muy pequeña para evitar el arrastre de partículas. Se le llama secado con circulación a través (B).

3. Las partículas del material descienden en forma de lluvia a través de la corriente gaseosa, en ocasiones se presenta arrastre de partículas (C).

4. La corriente gaseosa atraviesa un lecho de partículas a suficiente velocidad como para mantenerlo fluidizado. De forma inevitable se presenta arrastre de partículas (D).

5. Los sólidos son arrastrados por la corriente gaseosa, que fluye a elevadas velocidades (E).

A B

C D E

Figura 6.2. Modelos de interacción gas-sólido en secadores [1]

Temperaturas de saturación adiabática y bulbo húmedo [1], [2], [10] La temperatura de saturación adiabática se alcanza cuando se pone en contacto una gran cantidad de agua con un gas de entrada y se logra el estado estacionario, es decir, que el gas adquiere su estado de saturación bajo condiciones adiabáticas. Por otro lado, la temperatura de bulbo húmedo es la temperatura estado estacionario y no de equilibrio que se alcanza cuando se pone en contacto una pequeña cantidad de agua con una corriente continua de gas en condiciones adiabáticas, debido a que la cantidad de agua es pequeña la temperatura y la humedad del gas no cambian; contrario a lo que sucede para el caso de saturación adiabática, en donde estos dos parámetros si varían. Para medir la temperatura de bulbo húmedo se cubre un termómetro con un trozo de tela húmeda, el conjunto se introduce en la corriente gaseosa. Cuando se alcanza el estado estacionario, el agua se evapora incorporándose al flujo gaseoso, por tanto la tela y el termómetro se enfrían hasta alcanzar una temperatura constante Tbh. El calor latente es balanceado por el calor convectivo que fluye desde la corriente gaseosa [2].


Secado de Sólidos

Si se realiza los balances de materia y energía a un proceso de saturación adiabática se obtiene la siguiente ecuación:

)()( satasatasatsa YYTTC −=− λ (6.1)

Donde saC : calor húmedo del gas, calculado para las condiciones de entrada

satT : temperatura de saturación adiabática

aT : temperatura del gas a la entrada

satλ : calor latente de vaporización, calculado a la temperatura de saturación adiabática

aY : contenido de humedad en base húmeda de la corriente de entrada

satY : contenido de humedad en base húmeda de saturación Para el termómetro que mide la temperatura de bulbo húmedo se plantea que el calor sensible que fluye hacia el termómetro es igual al calor latente necesario para vaporizar el líquido, obteniéndose:

)( abhc

bhybha YY

hk

TT −=−λ

(6.2)

Donde

bhT : temperatura de bulbo húmedo

yk : coeficiente convectivo de transferencia de masa en la fase gaseosa

ch : coeficiente convectivo para la transferencia de calor hacia el bulbo

bhY : contenido de humedad en base húmeda en la superficie del termómetro, calculada a . bhT Lewis W. K. encontró que para la mezcla aire-vapor de agua el calor húmedo es aproximadamente igual a la relación de coeficientes convectivos de transferencia , debido a la similitud entre los números adimensionales de Prandtl y Schmidt indicando que las difusividades en la transferencia de masa y energía son casi iguales.

yc kh /

Teniendo en cuenta la relación de Lewis, si se comparan las ecuaciones 6.1 y 6.2 se puede notar que son iguales, por tal motivo la temperatura de bulbo húmedo y de saturación adiabática para la mezcla aire-vapor de agua son iguales. FUNDAMENTOS DEL SECADO Las alternativas que existen en cuanto forma y tamaños de los materiales, humedad de equilibrio, mecanismos de flujo a través del sólido y forma de transmisión de calor hacen que no se pueda plantear una teoría unificada para la descripción de la operación de



secado. Sin embargo, se han planteado modelos semicualitativos que permiten representar el secado. Modelos de temperatura La manera en que varía la temperatura interior de un equipo de secado se ve influenciada por la naturaleza y cantidad de humedad del material, la temperatura del medio de calefacción, tiempo de la operación y temperatura final que puede ser tolerada por el material. Empero, se puede representar de una manera general el perfil de temperatura por esquemas como los mostrados en la figura 6.3. Para el caso A se tiene un secador discontinuo con un medio de calefacción que permanece a una temperatura constante. Inicialmente el material se calienta desde la temperatura hasta la temperatura de vaporización 1

saT vT . La mayor parte del secado se lleva a cabo a temperatura constante y al final se incrementa su valor hasta . sbT

A B

Tem

pera

tura

Tem

pera

tura

Tiempo % longitud del secador

Medio de calefaccción

Gas

Sólidos Sólidos

Tv Tv

Tsb Tsb

Th

Thb

Tha

Tsa Tsa

10000

Figura 6.3. Modelos de temperatura en secaderos [1]

En caso B se representa un secador continuo adiabático en contracorriente que opera en estado estacionario. El perfil de temperatura de los sólidos es el mismo que para el caso anterior; mientras tanto el gas entra al equipo a y un contenido de humedad bajo, a lo largo del equipo la corriente gana humedad y su temperatura disminuye hasta .

haT

hbT Transferencia de calor en secadores Generalmente al momento de diseñar un equipo para el secado de materiales se tiene en cuenta solo el fenómeno se transferencia de calor, aunque los fenómenos de

1 Para secado adiabático corresponde a la temperatura de bulbo húmedo y para secado no adiabático es la temperatura de vaporización del líquido a la presión del sistema.


Secado de Sólidos

transferencia de masa se encuentren presentes. Por ejemplo, difusión de la humedad al interior del sólido o a través de una corriente gaseosa. En el diseño de secadores, y en especial de secadores adiabáticos, la transferencia de materia es muy compleja. Por tal motivo no se analizan los fenómenos de transporte de calor y materia simultáneamente. En un secador, en general, se transfiere calor con los siguientes fines:

1. Calentar el material húmedo hasta la temperatura de vaporización 2. Vaporizar el líquido 3. Calentar el material seco hasta su temperatura de salida 4. Calentar el vapor hasta su temperatura final

De las etapas mencionadas la que mayor cantidad de energía requiere es la segunda, siendo en algunas ocasiones despreciables las demás. Aplicando un balance de energía a los sólidos en un secador adiabático, se tiene [1]:

+−+−+−= λ)()()( basablasasbss

T XXTTCpXTTCpmQ

)()()( bvbvbabsblb TTCpXXTTCpX −−+−+ (6.3) Donde

TQ : calor total transferido

sm : masa de sólidos secos

aX : humedad inicial del sólido en base seca

bX : humedad final del sólido en base seca

vls CpCpCp ,, : calores específicos del sólido, líquido y vapor

saT : temperatura de los sólidos en la alimentación

sbT : temperatura final de los sólidos

bT : temperatura de bulbo húmedo de la corriente gaseosa

vbT : temperatura final del vapor, igual a la del flujo gaseoso de salida λ : calor latente de vaporización del líquido La ecuación 6.3 propone una forma rápida pero no muy acertada para determinar el calor necesario en la operación de secado, debido a las suposiciones de propiedades termodinámicas constantes para las tres fases ( y pC λ ) y operación a temperatura constante. Para el caso de un secador adiabático, el calor suministrado al material proviene exclusivamente de la corriente gaseosa. El balance de energía para la corriente gaseosa sería [1]:



tTTCHmQ hbhasaagT )()1( −+= & (6.4) Donde t : tiempo de la operación

gm& : velocidad másica del gas seco

aH : humedad del gas a la entrada

saC : calor específico húmedo del gas, correspondiente a la humedad de entrada

haT : temperatura del gas a la entrada

hbT : temperatura del gas a la salida El calor específico de la mezcla aire-vapor de agua para operaciones donde los intervalos de temperatura son bajos (0ºC a 90ºC, aproximadamente), se puede determinar a partir de las capacidades caloríficas medias para el aire y el vapor de agua, así [6]:

vasa YCpCpC += (6.5) Donde

aCp : capacidad calorífica promedio para el aire seco Y : humedad absoluta del gas

vCp : capacidad calorífica promedio del vapor del agua Transferencia de materia en secadores En los equipos de secado directo el flujo de materia se da, de una manera rigurosa, por tres mecanismos diferentes:

- Difusión al interior de los poros del sólido hasta la superficie - Transferencia de materia desde la superficie del material hacia la corriente

gaseosa. - Difusión en el seno del flujo gaseoso

Por ende, la predicción del las velocidades específicas de transferencia de materia se complican debido a que se debe conocer el mecanismo de difusión del líquido y el vapor a través del sólido así como también el equilibrio entre el sólido y la corriente gaseosa húmeda. En secadores de circulación sobre tablas, láminas o lechos de sólidos la resistencia a la transferencia de materia es la etapa controlante [1]. A pesar de lo anterior, se puede plantear un balance de material global para determinar el flujo total de líquido desde el sólido hacia el gas. Desde el punto de vista del material se tiene:

)( basv XXmm −= (6.6) Donde

vm : masa de líquido removido


Secado de Sólidos

Para determinar el balance de materia para la corriente gaseosa se plantean diversas metodologías:

Aplicando un balance de materia a la corriente gaseosa, suponiendo que toda la masa perdida por el material pasa al flujo de gas, se puede estimar la humedad de la corriente gaseosa a la salida del equipo de la siguiente manera:

)( bag

sab XX

tmm

HH −+=&

(6.7)

Donde bH : humedad del gas a la salida

Para utilizar este balance, debe conocerse la humedad del aire que entra a la operación.

Otra metodología para determinar la humedad del aire en el secador es utilizando la temperatura de bulbo húmedo [6]. La operación de secado se maneja de forma análoga a una humidificación adiabática en donde son válidas las siguientes ecuaciones:

21

12221

)(

fg

afg

hhTTCphY

Y−

−+= (6.8)

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−

=sT

ss PP

PY2918

(6.9)

Donde

1Y : humedad absoluta del aire :2Y humedad absoluta a 2T2fgh : cambio entálpico de vaporización a la temperatura de saturación

(bulbo húmedo). aCp : capacidad calorífica del aire seco

1T : temperatura de bulbo seco

2T : temperatura de bulbo húmedo

1gh : entalpía del vapor a la temperatura de bulbo seco

2fh : entalpía de líquido a la temperatura de bulbo húmedo

sY : humedad absoluta a )( ss TP

sP : presión parcial del vapor de agua

TP : presión total del sistema



Para calcular se requiere conocer la temperatura tanto de bulbo húmedo como de bulbo seco de la corriente, además de la presión del sistema. De las tablas de vapor, se determinan los cambios entálpicos y las presiones de vapor para las temperaturas de bulbo húmedo y seco. Utilizando los datos anteriores de la ecuación 6.9 se determina y posteriormente de la ecuación 6.8 la humedad . En ocasiones los resultados del balance deben presentarse en forma de humedad relativa, para esto se utiliza de nuevo la ecuación 6.9 con la intención de determinar a las condiciones de

humedad . La humedad relativa

1Y

2Y 1Y

sP

1Y HR se expresa como:

100*T

s

PP

HR = (6.10)

Una ecuación semiempírica es propuesta por Carrier. Esta permite encontrar

directamente la presión parcial del vapor en la corriente gaseosa, y posteriormente conocer la humedad relativa [6].

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−

−−−=

2

21

2800))((

TTTPP

PP sTsv (6.11)

Donde

vP : presión de vapor (psi)

sP : presión de saturación a la temperatura de bulbo húmedo

TP : presión total del sistema

1T : temperatura de bulbo seco (ºF)

2T : temperatura de bulbo húmedo Utilizando la ecuación de Carrier los resultados son muy parecidos a los arrojados por el método anterior.

Una manera práctica para estimar el contenido de humedad de una corriente gaseosa es utilizando una carta de humedad o psicrométrica elaborada para el sistema aire-vapor de agua y la presión de operación del equipo. Conociendo las temperaturas de bulbo seco y húmedo de la corriente gaseosa se puede leer directamente la humedad absoluta y relativa. La carta psicrométrica para la presión de Manizales (0.78 bar) elaborada a partir de una ecuación de estado se muestra en la figura 6.4 [11].

PAVÓN-MELENDEZ et al., proponen un análisis dimensional detallado para las ecuaciones de transferencia de calor y masa que se dan durante el proceso de secado controlado por la convección de calor en la interfase material-gas y la difusión de agua dentro del material [4].


Secado de Sólidos

10

20

30

40

50

60

70

80

90

0

0.0

2

0.0

4

0.0

6

0.0

8

0.1

0.1

2

0.1

4

0.1

6

0.1

8

0.2

100%90%80%

70%

60%

50%

40%

30%

20%

10%

2.5%

5% 1%

Tem

pera

tura

de

bulb

oseco

(ºC

)

HumedadabsolutaKgdeHO

Kgdeaireseco2

((

Humedadrelativa

Curv

ade

satu

ració

nadia

bática

Figura 6.4. Carta psicrométrica para aire-vapor de agua a P = 0.78 bar Curvas de velocidad de secado Como se mencionó anteriormente, los modelos que describen los mecanismos del secado de materiales son demasiado complejos y en ocasiones no suministran la información necesaria para la realización de un diseño, por tanto, es necesario recurrir a mediciones experimentales del fenómeno. Generalmente, las pruebas que permiten la determinación



de la velocidad de secado y el tiempo requerido para la operación se realizan en un secador adiabático de bandejas. En una prueba de secado debe tenerse en cuenta que las condiciones de operación a nivel de planta piloto deben ser lo más parecidas a las condiciones, según se prevé, se manejarán a nivel industrial con el fin de que ser representativos los resultados; entre los aspectos que deben tenerse en cuenta están [3]:

1. La bandeja o estructura de soporte 2. La distribución de la muestra sobre la bandeja 3. Relación entre la superficie que se expone al gas y la aislada 4. Profundidad del lecho. 5. Condiciones constantes de temperatura, velocidad y humedad del aire2

Los resultados que se obtienen experimentalmente se pueden representar gráficamente como se ilustra en la figura 6.5.

0 0Contenido de humedad

Velo

cid

ad

de

secado

X

Tiempo (h)Kg humedad

Kg

eva

po

rad

os

Kg

hum

edad

Kg sólido seco

Mm

s2

Kg

sólid

oseco

X*

AB

C

D

E

A’

A

BC

D

EX* Xc

A’

(

(

(

(

(

(Movimientointerno delos controladoresde humedad

Secado de la superficie

Rapidez de descenso Rapidez constanteAjusteinicial

no saturada

Figura 6.5. Curvas típicas de secado a condiciones constantes [2], [3] En la figura 6.5 se observan las diferentes etapas del secado, las cuales con:

Periodo de ajuste inicial: en el tiempo cero el sólido contiene una humedad representada por el punto A, a medida que se calienta su humedad disminuye y la velocidad de secado comienza a aumentar. En ocasiones el material está muy caliente y la operación puede comenzar en el punto A’. La etapa de ajuste, la cual se da en estado no estacionario, suele durar un periodo de tiempo muy corto que en general no se tiene en cuenta para el análisis de tiempos de secado.

Periodo de velocidad constante: una vez el sólido húmedo ha alcanzado una

temperatura constante, se supone que la transferencia de masa se da desde la 2 Esta situación se conoce como condiciones constantes de secado.


Secado de Sólidos

superficie del material. La velocidad con la que ocurre la transferencia entre fases se puede describir en función del coeficiente de transferencia de masa del gas

, humedad entre el gas y la superficie líquida yK sY 3 y humedad de la corriente principal Y , de la siguiente manera:

)( YYKN syc −= (6.12)

Mientras se mantengan las condiciones de velocidad y dirección de flujo gaseoso el coeficiente de transferencia de masa permanecerá constante; además si la temperatura permanece invariante la humedad de saturación también lo será. Los intersticios del sólido permanecen llenos de líquido y pueden proveer a la superficie del material una película continua de líquido a medida que se va evaporando, gracias a esto Y permanece constante. Debido a lo anterior, de la ecuación 6.12 se deduce que en el periodo representado por la recta BC la velocidad de secado será constante. La etapa de velocidad constante se mantendrá mientras la velocidad de flujo de líquido hacia la superficie sea igual a la velocidad de evaporación del mismo.

Periodo de velocidad decreciente: cuando la humedad promedio del sólido alcanza un valor correspondiente a su contenido crítico de humedad4 la película de líquido que se encuentra en la superficie se reduce hasta el punto de desaparecer, produciéndose zonas secas sobre la superficie del material. Debido a la reducción de área, la velocidad de secado comienza a disminuir dándose lugar a la primera fase de velocidad decreciente mostrada por la curva CD, llamada secado superficial no saturado.

Cuando la capa superficial de líquido haya desaparecido totalmente, la velocidad de remoción de líquido al interior del sólido se convierte en la etapa controlante; debido al incremento de la resistencia a la transferencia de materia la velocidad de secado decrece de una manera más abrupta como se ve en la curva DE. En el punto E, la humedad ha descendido hasta su valor de equilibrio *X para la condición de humedad del aire y la operación se da por terminada.

Determinación de los tiempos de secado Para definir la operación de secado el factor más importante es el tiempo requerido para llevar un material desde una humedad inicial hasta una final , ya que este parámetro determina el tamaño del equipo. Para cada periodo de secado se presentan diferentes alternativas para el cálculo del tiempo de operación.

1X 2X

1. Periodo de velocidad constante: para determinar el tiempo que tarda este periodo

se proponen tres metodologías: 3 Corresponde a la humedad de saturación evaluada a la temperatura superficial del líquido 4 El contenido de humedad crítico depende del espesor del material y de la velocidad del flujo gaseoso, por tanto, no es una propiedad característica del material [1].



- Método de la curva de secado [2]: consiste en obtener datos experimentales bajo condiciones determinadas de alimentación, área superficial relativa expuesta, flujo gaseoso, temperatura y humedad del gas. A partir de los datos reales se construye la curva de humedad del sólido contra tiempo y se lee directamente de la gráfica el tiempo de ésta fase. En la curva construida no puede ser muy evidente los momentos exactos en donde hay cambios de pendiente, por tanto, no se recomienda para los casos donde la curva de secado no se encuentre bien definida.

- Método de la curva de velocidad de secado [1], [2]: de manera análoga al método

anterior se realiza experimentalmente la operación, pero se construye a partir de los datos reales la curva de velocidad de secado. Por definición se tiene que5:

dtdX

Am

Adtdm

R ss −=−= (6.13)

∫=1

2

X

X

s

RdX

Am

t (6.14)

Donde R : velocidad específica de secado

sm : masa de sólidos secos X : humedad en base seca (1 es la condición del punto crítico) A : área de secado Despreciando el tiempo requerido para el periodo de ajuste inicial y considerando para esta etapa R constante, integrando la ecuación 6.14 se obtiene6:

( 21 XXARm

tc

sc −= )

(6.15)

De la experiencia y la curva de velocidad de secado se pueden conocer todos los parámetros requeridos en la ecuación 6.15. Este método es el más usado al momento de determinar tiempos de secado.

- Método de coeficientes de transferencia: para el periodo de velocidad constante, la capa húmeda que se forma en la superficie del material hace que, bajo ciertas condiciones del gas, la velocidad de transferencia de materia sea independiente del tipo del sólido, es decir, que la velocidad de evaporación es casi idéntica a la de un líquido puro bajo iguales condiciones, pudiendose obtener el tiempo de la operación. El algoritmo detallado para realizar este cálculo es mostrado por GEANKOPLIS [2].

2. Periodo de velocidad decreciente: la determinación del tiempo del periodo de

velocidad decreciente es más complicado que el caso anterior, debido a que la etapa

5 Válido para todos los periodos de secado 6 El subíndice c indica que aplica solo para el periodo de velocidad constante de secado


Secado de Sólidos

controlante viene a ser la difusión al interior del sólido. Se presentan dos metodologías para su cálculo basadas en la curva de velocidad de secado:

- Método de integración gráfica: se utiliza este método cuando el comportamiento de la curva para el periodo de velocidad decreciente no es lineal. En la ecuación 6.14 se observa que para resolver la integral es necesario conocer la variación de la velocidad de secado R en función de la humedad X , el método gráfico propone construir una curva de X contra R1 y determinar de ella el área bajo la curva que representa la resolución de la integral7.

- Método de variación lineal: una simplificación que permite resolver analíticamente la

ecuación 6.14 es plantear una variación lineal de la velocidad de secado con respecto a la humedad, así:

baXR += (6.16)

De lo anterior se deduce que adXdR = ; entonces realizando un cambio de variables a la ecuación 6.14 se llega a:

∫=1

2

R

R

s

RdR

aAm

t (6.17)

La constante corresponde a la pendiente de la recta que pasa por el punto crítico y las condiciones finales de humedad y velocidad de secado. Por tanto, se tiene:

a

21

21

XXRR

a−−

= (6.18)

Remplazando la ecuación 6.18 en la 6.17 y resolviendo la integral se deduce que:

2

1

21

21 ln)()(

RR

RRAXXm

t sd −

−= (6.19)

La ecuación 6.19 se puede reducir aún más si se considera que la recta pasa por el punto crítico y el origen. Entonces se tiene:

1

1

XR

a = y 2

1

2

1

XX

RR

= (6.20)

2

1

1

1 lnXX

ARXm

t sd = (6.21)

7 La humedad se representa en las abscisas y el inverso de la velocidad en las ordenadas.



Bien se utilice la ecuación 6.19 o la 6.21, los parámetros requeridos se obtienen de los datos experimentales del secado.


Cono

para

contro

lde

flujo

Resis

tencia

s

Cám

ara

de

secado

Table

rode

contro

l

Galg

aT

T

Term

óm

etro

Figura 6.6. Secador de bandejas piloto


Secado de Sólidos

MATERIALES Y EQUIPOS8

Materia prima

Producto a secar Equipos

Secador directo de bandejas: se muestra en la figura 6.6. Está compuesto por una cámara de secado con seis bandejas uniformemente distribuidas. El caudal de aire que ingresa al equipo es controlado variando el área transversal del conducto de entrada empleando para esto un cono. La dirección de la corriente de aire en el interior de la cámara de secado puede ser modificada ajustando cada una de las compuertas ubicadas tanto en la entrada de la cámara como en la chimenea de salida. Para calentar el aire se utilizan cuatro resistencias; el calor transferido al flujo de aire es controlado por el sistema automático del equipo. El sistema de adquisición de datos registra el peso de una de las bandejas, la temperatura del aire que entra a la cámara de secado y la temperatura de salida del aire del equipo9.

Dos termómetros de bulbo de mercurio Desecador infrarrojo: Equipo Mettler LP11. (Disponible en el laboratorio de suelos) Balanza Cronómetro Flexómetro Anemómetro

PROCEDIMIENTO El procedimiento se plantea según lo establecido en la experiencia que se ha venido realizando en el laboratorio de procesos productivos de la Universidad Nacional de Colombia Sede Manizales.

El diagrama de bloques para la operación de secado se muestra en la figura 6.7. 1. Selección de la materia prima: con el fin de comparar los datos que se obtengan en

el laboratorio con unos realizados en otro lugar para un equipo de secado de bandejas, la selección de la materia prima está ligada al hecho de encontrar una publicación en donde se reporte las condiciones de operación del equipo como la velocidad de flujo y la temperatura del aire, condiciones del material y la curva de secado.

2. Adecuación del material: según lo reportado en la publicación se debe disponer el

material. El factor más importante es el tamaño y forma a dársele a la materia prima, debido a que de esto depende en gran parte la reproducibilidad de la experiencia.

8 Con anterioridad a la experiencia se debe consultar si los materiales y equipos se encuentran disponibles en el laboratorio. 9 Las temperaturas que registra el sistema de control corresponden a bulbo seco



Selección de la materia prima

Adecuación del material

Pretratamiento

Determinación de la humedad inicial

Arranque del equipo de secado

Ajustar la configuración de la entrada de aire

Iniciar el software de adquisición de datos y control del equipo

Estabilización del equipo Pesar las bandejas

Distribución del material

Arranque de la operación

Seguimiento de la operación

Culminación de la operación

Figura 6.7. Diagrama de bloques para el secado de sólidos

3. Pretratamiento: en algunas ocasiones para incrementar la eficiencia del secado se realiza algún tipo de tratamiento, el más común es la deshidratación osmótica. Es importante realizarlo si se encuentra reportado, de otra forma no. De llevarse a cabo el pretratamiento hay que reportar la humedad removida en la operación10.

4. Determinación de la humedad inicial: a la materia prima después de realizarle la

adecuación o pretratamiento, se le establece el contenido de humedad inicial, es importante que la muestra sea representativa del material (ver ANEXO R).

5. Arranque del equipo: inicialmente se realizan las conexiones eléctricas necesarias

para el funcionamiento del equipo y el sistema de adquisición de datos11. Seguidamente, se cierra el circuito eléctrico del motor para permitir el paso de aire a través del secador.

10 El procedimiento es mostrado en el ANEXO R. 11 Se requiere el manejo del sistema de adquisición de datos si se encuentra en funcionamiento el control automático del equipo.


Secado de Sólidos

6. Configuración del flujo de entrada de aire: dependiendo de la disposición de las bandejas en la cámara principal del equipo, se debe escoger una configuración para las compuertas que se encuentran ubicadas tanto a la entrada como a la salida de la cámara de secado. Reportar la configuración escogida.

7. Arranque del sistema de control del equipo (opcional): de encontrarse disponible

el sistema de control del equipo, desde el computador se pone en funcionamiento el software de adquisición de datos, se debe configurar el archivo donde se almacenará la información. Se fija la temperatura de operación.

8. Estabilización del equipo: se debe esperar a que las condiciones de temperatura y

velocidad de flujo alcancen valores constantes y que sean los establecidos para la experiencia.

9. Pesar las bandejas: cada una de las bandejas debe ser limpiada y pesada. En esta

instancia corroborar que el peso registrado de la bandeja de control en el sistema de adquisición de datos se aproxime al valor real (opcional).

10. Distribución del material: la materia prima se distribuye lo más uniformemente en

cada una de las bandejas, procurando que en cada bandeja quede una porción equitativa del material. Se pesan de nuevo y se reporta el valor obtenido.

11. Arranque de la operación: cuando se estabiliza el equipo, las bandejas cargadas son

introducidas en la cámara de secado y el cronómetro es iniciado. 12. Seguimiento de la operación: cada 15 min se deben tomar la temperatura de bulbo

seco y húmedo tanto a la entrada como a la salida de la cámara de secado, velocidad del flujo de aire y el peso de una de las bandejas (diferente a la bandeja de control)12. Continuamente se debe guardar la información que registra el sistema de adquisición de datos.

13. Culminación de la operación: después de que el peso de la bandeja que se le está

realizando seguimiento permanezca constante en el tiempo, copiar el archivo de datos desde el computador, abrir el circuito eléctrico de las resistencias. Esperar a que la temperatura del secador disminuya hasta una temperatura cercana a la ambiente y abrir el circuito eléctrico del motor del ventilador. Cerrar el computador. Cada bandeja debe ser pesada nuevamente.

FORMATO PARA LA TOMA DE DATOS - Área de la chimenea: - Largo de las bandejas: - Ancho de las bandejas: - Materia prima: - Pretratamiento (Opcional): - Condiciones del pretratamiento: 12 Ver el formato para la toma de datos.



- Adecuación del material (Tamaño): - Temperatura del aire a utilizar (Reportado): - Velocidad de flujo de aire (Reportado): - Humedad inicial del material: - Configuración de flujo en la cámara de secado:

Cuadro 6.1. Formato para la toma de pesos de las bandejas

Número de

bandeja*

Peso bandeja

vacía (kg)

Peso bandeja llena t=0

(kg)

Peso del material t=0 (kg)

Peso bandeja después del secado (kg)

Peso material después

del secado (kg)

1 2 3 4 5 6

*Tener en cuenta cual es la bandeja de control.

Cuadro 6.2. Variables para el seguimiento*

Tiempo (min)

Ttbs-in

(°C) Tc

bs-in (°C)

Tbh-in (°C)

Ttbs-out

(°C) Tc

bs-out (°C)

Tbh-out (°C)

Vaire(m/s)

W (kg)


Secado de Sólidos

*Notación:

Tiempo (min)

Ttbs-in

(°C) Tc

bs-in (°C)

Tbh-in (°C)

Ttbs-out

(°C) Tc

bs-out (°C)

Tbh-out (°C)

Vaire(m/s)

W (kg)

Ttbs

T: Temperatura de bulbo seco medido por termómetro análogo

cbs: Temperatura de bulbo seco arrojado por el computador (opcional)

Tbh: Temperatura de bulbo húmedo medido por termómetro análogo Vaire: Velocidad del aire medida a la salida W: Peso de la bandeja de seguimiento %Hliberada: Porcentaje de humedad liberada



BIBLIOGRAFÍA




4. PAVÓN-MELENDEZ, G et al. Dimensionless Análisis of the Simultaneous Heat and Mass Transfer in Food Drying. Jounal of Food Engineering; Vol (51), pp. 347-353. 2002.

5. IBARZ, A. et al. Métodos Experimentales en la ingeniería Alimentaria. Editorial ACRIBIA, S.A. 2000.

6. VALENCIA, B. H. Balance de Energía. Vol. 1. Publicación de la Universidad Nacional de Colombia sede Manizales. 1996.

7. WALLACE, B. V. y VAN ARSDEL, B. S. Food Dehydration Vol. II: Products and Technology. The AVI Publishing Company, Inc. U.S.A. 1964.

8. KNEULE, F. El Secado. Ediciones URMO. Edición traducida del alemán.1966. 9. SHARMA, S. K.; MULVONEY, S. J.; RIZVI, S. S. Food Process Engineering: Theory

and Laboratory Experiments. Wiley Interscience, Jhon Wiley & Sons, Inc. Publication. New York. 2000.

10. FOUST, A. et al. Principios de Operaciones Unitarias. Compañía editorial Continental S.A. Quinta impresión en español. 1972.

11. HERNANDEZ, O.D. Aproximación de una Carta Psicrométrica por Medio de una Ecuación de Estado. Revista de Ingeniería Química, Universidad Nacional de Colombia Sede Manizales; Punto Crítico No.2 [Sin publicar]. 2004.


Práctica 7 SECADO POR ASPERSIÓN

7.1 OBJETIVOS DE LA PRÁCTICA Objetivo General Disminuir el contenido de humedad de un producto utilizando secado por aspersión Objetivos Específicos 1. Reconocer el equipo de secado 2. Realizar los balances de materia y energía del proceso 3. Calcular la humedad perdida por el producto a secar 4. Determinar las eficiencias de evaporación y global de la operación

7.2 MARCO CONCEPTUAL Reseña histórica [1] El secado por aspersión tuvo mayor impacto en las industrias lechera y de detergentes en 1920. Sin embargo, el concepto de este secado ya se conocía en algunas patentes donde solo se presentaba una idea de la operación. La primera vez que se nombró el secado por aspersión fue en 1865. No obstante, Samuel Percy se consideró como la primera persona que describió con detalle la metodología de la operación; en general, su trabajo no contenía diagramas del proceso, pero presentaba claramente la idea. Su patente fue publicada en 1872 donde incluía el secado y concentración de sustancias líquidas por atomización. En 1888 Bassler propuso atomizar un líquido con una boquilla desde la parte superior de una cámara sobre una corriente de aire tibio. Este procedimiento lo aplicó para la concentración de jugos de caña, glucosa, leche, entre otros. Trufood Ltda. reconoció los avances de la preconcentración en 1896 y sugirió emplearla antes del secado por aspersión de la leche para lograr un polvo más soluble. Luego, en 1901, se inicia la comercialización de equipos de secado por aspersión en la industria lechera y Stauff patentó un secador por aspersión para sangre.

Oscar Andrés Prado


Después de la primera guerra mundial se propuso utilizar un aspersor de disco rotatorio para atomizar la alimentación. El método fue llamado Kraus y Kestner, por ser los inventores, y fue sobresaliente ya que lograba una distribución del flujo más uniforme. Durante los primeros años del siglo XX no hubo cambios significativos y la operación de secado se restringió a soluciones de baja viscosidad. Después de la segunda guerra mundial se inició el estudio del mecanismo de la atomización gracias a las microfotografías que permitían ver la forma de la gota y su influencia en la operación. También se implementaron unidades de un solo paso que fueron más económicas, operaban en continuo y usaban bombas para la alimentación. Generalidades

Los productos secados por atomización presentan características propias, en sí, los productos en polvo exhiben ciertas ventajas como la disminución los costos de embalaje, almacenamiento y transporte, conservan con mayor fidelidad el sabor y el aroma comparado con los procesos convencionales de secado y poseen mayor tiempo de conservación ya que es menos propenso, debido a la baja actividad del agua, a desarrollar reacciones químicas degenerativas y a contaminación por microorganismos [4].

Disminuir el contenido de humedad de un material resulta relativamente sencillo, aunque si no se toman precauciones especiales antes y durante la operación de deshidratación pueden producirse cambios importantes en la calidad del producto. Esto es más relevante en los alimentos sometidos a los métodos tradicionales de secado, que a pesar de ser aceptados como alimentos, en sentido estricto conservan poco parecido con los productos frescos de los que fueron preparados. Por otra parte, el objetivo de los sistemas modernos de deshidratación consiste en obtener productos que al rehidratarse posean características similares a la de los materiales frescos originales.

Definición del proceso [1], [2], [3], [7], [13]

El secado por aspersión1 es la transformación de un fluido en estado semilíquido a una llovizna de elementos más o menos finos, que se colocan en contacto con un medio secante caliente con el fin de obtener un producto seco particulado. La alimentación se puede encontrar en solución, suspensión o pasta. El resultado es un producto seco conformado por polvo, gránulos y aglomerados, la forma depende de las propiedades fisicoquímicas de la alimentación y del diseño del secador. El esquema básico de un equipo para secado por atomización se ilustra en la figura 7.1. El secado por aspersión está dividido en cuatro etapas: atomización de la alimentación en la cámara de aspersión, contacto del aire con la aspersión, secado de la aspersión y separación del producto seco del aire. Cada etapa varía dependiendo del diseño y operación del secador, además de las propiedades de la alimentación. 1 También conocido como secado por atomización, pulverización o de bruma [2], [8].


Secado por Aspersión

Cámara desecado

Ciclón

Colector delproducto

Filtro

AlimentoIntercambiadorde calor

Salidade aire

Entradade aire

Figura 7.1. Esquema del equipo para secado por aspersión en circuito abierto y flujo en paralelo

El secado por aspersión está dividido en cuatro etapas de proceso: atomización de la alimentación en la cámara de aspersión, contacto de aire con la aspersión, secado de la aspersión y separación del producto seco del aire. Cada etapa varía dependiendo del diseño y operación del secador, además de las propiedades de la alimentación. 1. Atomización de la alimentación en la cámara de aspersión: la atomización y el

contacto de la aspersión con el aire caliente son las características básicas presentes en el secado por atomización. Al seleccionar el atomizador se debe tener en cuenta que este no solo determina la energía necesaria para la operación, sino también el tamaño, velocidad y dirección de las gotas; además, la división de la alimentación en una aspersión genera una gran superficie para la transferencia de materia y energía influyendo tanto en la consecución del secado como en la morfología del producto final. La selección del equipo adecuado depende de la naturaleza de la alimentación y de las características que se desean para el producto seco.

Los atomizadores que se aplican con mayor frecuencia poseen las siguientes características:

Atomizadores rotatorios: realizan su función utilizando la fuerza centrifuga, la cual

hace deslizar el flujo de alimentación hacia la periferia del atomizador logrando desintegrar el líquido en finas gotas dentro de la cámara generando la aspersión. Estos sistemas rotatorios se encuentran en dos presentaciones: atomizadores de disco y de rueda, ambos ofrecen beneficios como operar a baja presión, generar una aspersión homogénea y crear tamaños de partícula entre 30µm y 120µm. Para estos tipos de atomizadores el tamaño de la gota es directamente proporcional a la velocidad y viscosidad de la alimentación e inversamente proporcional a la velocidad y el diámetro de la rueda o el disco.

Atomizadores de boquilla: demandan altas presiones para su funcionamiento,

debido a que se requiere generar una película con alta velocidad que produzca la



desintegración del líquido. Este sistema es bueno para generar polvos finos con tamaños de partículas entre 120µm - 250µm y cuando las velocidades de alimentación son bajas, pues al incrementarse la aspersión pierde homogeneidad y las características del producto final se ven afectadas. Estos atomizadores utilizan el arreglo de varias boquillas para aumentar la velocidad de alimentación sin afectar el producto final, utilizando presiones de 30 a 70 atm.

2. Contacto del aire con la aspersión: la forma como la aspersión hace contacto con el

aire secante es un factor importante para el diseño de estos secadores. Este contacto es determinado por la posición del atomizador y la entrada del aire que puede ir en diferentes arreglos según las propiedades de la corriente de alimentación.

Arreglo en paralelo2: tiene la ventaja de realizar una evaporación rápida, por eso

es usado cuando los productos que se manejan son sensibles a la degradación térmica. La temperatura del producto se mantiene aproximadamente a la de bulbo húmedo.

Arreglo de flujo en contracorriente: este arreglo hace un mejor uso del calor, pero

el producto puede estar sujeto a un sobresecado. Se utiliza para productos que no sean sensibles al calor y se requieran en forma granulada.

Arreglos mixtos: también se pueden encontrar diseños que manejan ambos

arreglos, llamados secadores de flujo mixto. Con estos diseños se pueden obtener polvos de tamaños pequeños, sujetos a alcanzar altas temperaturas de partícula.

3. Secado de la aspersión: la evaporación se lleva a cabo en dos periodos. En el primer

periodo de secado llamado también periodo de velocidad constante las gotas hacen contacto con el aire y la evaporación se da en la superficie como una película de vapor saturado, la difusión de la humedad hacia la superficie mantiene unas condiciones de saturación y velocidad de evaporación constantes. La temperatura de la superficie de la gota es de aproximadamente la temperatura de bulbo húmedo del aire caliente. El segundo periodo de secado o periodo de velocidad descendiente comienza cuando se alcanza el punto crítico donde el bajo contenido de humedad no permite mantener las condiciones de saturación y se forma una capa seca en la superficie de la gota. En este punto la evaporación depende de la velocidad de difusión de humedad a través de la capa seca que va aumentando su espesor con el tiempo causando un descenso en la velocidad de evaporación.

El diseño de la cámara de secado y la velocidad del flujo de aire determinan el tiempo de residencia de la partícula. Suele ocurrir que la partícula alcance temperaturas superiores a la del aire de salida antes de abandonar la cámara de secado, provocándose daños térmicos en el producto.

Durante el secado las partículas secas adoptan diferentes características morfológicas, pudiéndose expandir, colapsar, fracturar o desintegrar, tomar una forma irregular, o mantener su forma esférica y compacta. Todos estos cambios en la forma

2 La aspersión y el aire van en la misma dirección hacia abajo.



de la partícula tienen una conexión directa con la velocidad de secado y el diseño de la cámara de secado.

4. Separación de producto del aire: el producto que se encuentra suspendido en la

corriente gaseosa es separado cuando concluyen las etapas del secado. Para la separación del producto se emplean dos configuraciones. La primera recolecta la mayor parte del producto en la base de la cámara de secado y las partículas de menor tamaño que son arrastradas por la corriente gaseosa se recuperan con equipos de separación como ciclones, bolsas filtrantes, precipitadotes electrostáticos, entre otros. En la segunda configuración la totalidad del producto se recoge en el equipo de separación, es muy importante tener en cuenta que el equipo utilizado debe presentar una alta eficiencia de separación.

En la separación también se debe tener cuidado con el producto terminado pues una excesiva manipulación mecánica puede influenciar sobre las propiedades del mismo o generar un alto porcentaje de partículas finas.

La figura 7.2 presenta un resumen general de las etapas que presenta un proceso de este tipo, en la actualidad existen diversos arreglos dependiendo de la operación que se desee realizar.

Alimentación AtomizaciónContacto

aire-aspersión Secado

Separación

del producto

Atomizadorrotatorio

Atomizadorde boquilla

Rueda Disco Presión Sónico Neumático

Flujo enparalelo

Flujo encontracorriente

Flujomixto

Secadorvertical

Secadorvertical

Secadorvertical

Secadorhorizontal

Basecónica

Basecónica

Basecónica

Baserecta

Baserecta

Baserecta

Producto descargado desde la cámarade secado y la unidad de separación

Producto descargado desdela unidad de separación

Separaciónprimaria

Separaciónsecundaria

Caída desde la seccióncónica de la base

Barrido desde elfondo de la cámara

Ciclón FiltroPrecipitadorelectrotático

Figura 7.2. Características de las etapas involucradas en el secado por aspersión



Configuraciones de la operación Todos los secadores por aspersión pueden tener diferentes arreglos según los compuestos que se usen o las características que se desean del producto. Su clasificación se presenta en la tabla 7.1.

Tabla 7.1 Arreglos utilizados para el secado por aspersión

Arreglo Medio de secado Calor Aplicación

Ciclo abierto Aire Directo Es el arreglo general usando aire atmosférico.

Ciclo cerrado Gas inerte Indirecto

Para operaciones con recuperación de solventes. Prevenir emisiones de vapores contaminantes o tóxicos. Disminuir el riesgo de explosiones o generaciones de fuego.

Semi-cerrado (recirculación) Semi-cerrado (estandar) Semi-cerrado (inerte)

Aire

Aire

Aire con concentraciones

de O2 bajas

Directo

Indirecto

Directo

Mejorar la eficiencia térmica. Manejo de materiales olorosos. Eliminar emisiones a la atmósfera. Manejo de productos que tengan características explosivas. Eliminar las emisiones de polvo y olores.

Doble etapa (múltiples etapas)

Cualquiera de los mencionados

Mejorar las propiedades del polvo, mejorar la eficiencia térmica

Ventajas y desventajas del secado por aspersión [1], [4], [8], [15]

Las principales ventajas del este tipo de secado son:

- Operación en forma continúa - El tiempo de secado es corto - Fácil automatización - El producto final posee una buena solubilidad y velocidad de rehidratación - Permite el almacenamiento y transporte económico de grandes cantidades de extracto

seco. - Permite una mejor y más prolongada conservación de productos, evitando su deterioro

por reacciones bioquímicas o microbiológicas indeseadas. - Granulación uniforme, adaptable a forma esférica, helicoidal, fina, aglomerada, etc. - Humedad final y densidad volumétrica constante. - La energía necesaria en la operación es comparable con otros sistemas de secado

Algunas desventajas que presenta el secado por aspersión son:

- Altos costos de instalación



- Grandes requerimientos de espacio - Se presenta, en ocasiones, arrastre del material - El producto pierde parte de su contenido volátil - El tejido celular puede ser parcialmente destruido - Difícil control del tamaño final de partícula

Factores que afectan la operación de secado [1], [5], [8]

Los factores que tienen influencia sobre la operación del secado por atomización y las características del producto terminado son las siguientes: 1. La energía empleada para la atomización: al incrementar la energía a disipar en la

atomización de la alimentación el tamaño de las gotas disminuye para condiciones de operación constantes, lo que se refleja en un aumento de la eficiencia del secado.

2. La depresión de la temperatura del bulbo húmedo y seco: si la depresión del aire es cero, el aire está saturado y no puede darse el secado. Empero, si la depresión es grande el aire está lejos de la saturación, entonces el potencial de secado es mayor y la velocidad de secado inicial se encuentra en su máximo valor.

3. La temperatura del aire: cuanto mayor sea la diferencia de temperatura entre el medio de calentamiento y el material a secar, mayor será la velocidad de transferencia de calor, proporcionando la fuerza guía para la eliminación de la humedad. No obstante, no se debe tener un incremento de temperatura excesivo, ya que esto provocaría reacciones de pardeamiento, formación de costras superficiales, gelatinización de los productos que presentan alto contenido de almidones, pérdidas de compuestos volátiles, entre otros. La temperatura a la cual se presenta el deterioro térmico depende de características inherentes a cada producto.

4. La velocidad del aire: el aire en movimiento además de recoger humedad barre la superficie del alimento, evitando la creación de una atmósfera saturada estática en cercanías a la superficie del material la cual disminuye la velocidad de eliminación de humedad. Por otro lado, el flujo de aire controla el tiempo de residencia del producto en la cámara de secado, para caudales muy grandes comienza a disminuir la remoción de humedad. Las velocidades más convenientes de aire varían entre 1.5m/s y 5m/s, para valores superiores los costos se incrementan.

5. La presión atmosférica: a medida que disminuye la presión la energía requerida para la evaporación es menor. Si se mantiene una temperatura constante a medida que se reduce la presión, la ebullición prosigue a una velocidad más rápida. Esto significa que si se coloca un alimento en una cámara caliente bajo vacío, se puede eliminar la humedad del alimento a una temperatura más baja que a condiciones atmosféricas. Esta técnica es recomendada para secar materiales termosensibles.

6. Velocidad de alimentación: al aumentar el flujo de alimentación, en condiciones constantes de operación, se afecta la uniformidad de las gotas y por ende la del producto.

7. Contenido de sólidos en la alimentación: cuando se incrementa el contenido de sólidos en el flujo de alimentación (50% o más) se obtienen reducciones sustanciales en el calor requerido para la operación de secado.

8. El diseño del equipo: deben tenerse en cuenta parámetros como la altura y diámetro de la cámara de secado, aislamiento, tipo de atomizador, entre otros, debido a que influyen directamente en la eficiencia de la operación.



Aplicaciones del secado por aspersión [1], [5]

El secado por atomización es usado principalmente en la industria de alimentos. Sin embargo, se aplica también en la industria química, farmacéutica y biotecnológica. Entre los productos que se secan utilizando esta metodología se encuentran: los jugos de frutas, purés de vegetales, extracto de café, jarabes, leche y sus derivados, comida para bebes, cremas, plásticos, resinas, proteínas animales y vegetales, microorganismos, etc.

FUNDAMENTOS DEL SECADO

Los conceptos que enmarcan una operación de secado en general se cumplen de igual manera para el secado por atomización. Las particularidades de este proceso se mencionan a continuación3.

Modelo de temperatura La evolución de la operación de secado por atomización para el caso de una alimentación con 50% de humedad que se pone en contacto con un flujo de aire caliente se muestra en la figura 7.3 [1]. La variación de la temperatura y de la presión de vapor de la gota se muestra contra el contenido de humedad. Durante el periodo de velocidad constante de secado la temperatura y la presión de vapor permanecen invariantes, cuando la gota alcanza el contenido de humedad crítico la velocidad de secado comienza a disminuir, la temperatura aumenta hasta alcanzar un valor máximo y la presión de vapor decrece hasta llegar a la presión de vapor de salida del aire. Transferencia de masa en el secador La transferencia de materia en un secado por atomización esta regido por los mismos principios de transferencia mencionados para el secado de sólidos. Para un equipo de secado que opera en estado estacionario, el balance de materia se puede expresar de forma global como la perdida de humedad del material, así:

( ) vbas mXXm =− (7.1) Donde

sm : masa de sólidos secos

aX : humedad inicial del sólido en base seca

bX : humedad final del sólido en base seca

vm : masa de líquido removido, ganada por la corriente gaseosa La ecuación 7.1 puede ser expresada en términos de flujo si es necesario.

3 Ver la práctica de secado de sólidos.



Tem

peratu

ra

Contenido de humedad del producto

Presió

nd

evap

or

Humedad residuala la salida

Humedad deequilibrio

Humedad de laalimentación

Presión de vapor de la humedaden aire de salida del equipo

Punto

crí

tico

Periodo de velocidad constate de secadoPeriodo de velocidaddecreciente

Temperatura desalida

Figura 7.3. Comportamiento de las gotas durante el secado por aspersión Transferencia de calor en el secador Para el caso de secado por atomización, la transferencia de calor se origina desde la corriente gaseosa hacia la aspersión del material al interior de la cámara de secado con el fin de: 1. Calentar la aspersión hasta la temperatura de vaporización de su humedad 2. Vaporizar su humedad 3. Calentar las partículas secas hasta su temperatura de salida 4. Calentar el vapor removido hasta su temperatura final Aplicando un balance de energía, para una operación en estado estacionario, se tiene:

Lbggbssaggass Qhmhmhmhm ++=+ )()()()( &&&& (7.2)

Donde sm& : flujo másico de sólidos secos en la alimentación

gm& : flujo másico de la corriente gaseosa

sh : entalpía del alimento

gh : entalpía de la corriente gaseosa

LQ : flujo de energía perdido en la cámara de secado ba, : corresponde a las condiciones de entrada y salida respectivamente



La entalpía del material (tanto a la entrada como a la salida) está constituida por la contribución del sólido seco y de la humedad que lo acompaña. Puede ser determinada utilizando diversas metodologías, la más usada y simple es suponiendo capacidades caloríficas constantes para ambos constituyentes [1], [10]:

)()( TXCpTCph wss ∆+∆= (7.3) Donde

sCp : capacidad calorífica promedio del sólido seco

wCp : capacidad calorífica del agua T∆ : diferencia de temperatura entre el material y un estado de referencia

La entalpía de la corriente gaseosa se puede determinar, de manera análoga al anterior caso, de la siguiente manera:

λHTCh sgg +∆= )( (7.4) Donde

sgC : calor específico húmedo del gas H : humedad de la corriente gaseosa λ : calor latente de vaporización del agua El calor específico húmedo del gas puede ser calculado suponiendo capacidades caloríficas medias para el aire y el vapor de agua [11]:

vasa HCpCpC += (7.5) Donde

aCp : capacidad calorífica promedio para el aire seco

vCp : capacidad calorífica promedio del vapor del agua. Las pérdidas de calor en la cámara para cada operación varían dependiendo de la forma de operar el equipo, tres casos comunes son:

Operación adiabática: si la cámara de secado se puede considerar aislada, las pérdidas energéticas son muy cercanas a cero.

Operación refrigerada: en algunas situaciones la cámara de secado debe ser refrigerada para evitar que ciertos componentes, por lo general azúcares, se adhieran a la superficie de la cámara. Conociendo, para este caso, las propiedades del refrigerante y sus condiciones de operación se puede determinar el calor removido del equipo.

Operación sin aislamiento: cuando la cámara de secado no posee ningún aislamiento, las pérdidas de calor pueden llegar a ser representativas dependiendo del tamaño del equipo. Si el tamaño es considerable, las pérdidas térmicas se pueden determinar usando la ecuación general de Fourier para transferencia de calor en estado estable [12]:



TUAQL ∆= (7.6) Donde U : coeficiente total de transferencia de calor A : área total de transferencia de calor T∆ : diferencia de temperatura entre las dos corrientes

Eficiencia térmica de la operación La eficiencia térmica en el secado por aspersión se define como el calor requerido para producir una unidad de peso de producto a las condiciones de humedad deseadas [1]. El diseño para los equipos de secado va encaminado a obtener un producto seco que posea las propiedades deseadas logrando las mayores eficiencias. La eficiencia térmica se incrementa al aumentar la temperatura del gas a la entrada de la cámara de secado y utilizando unas condiciones de operación que permitan mantener la temperatura de salida lo más baja posible. Los niveles de temperatura que se pueden emplear están limitados por las pérdidas de calidad en el producto y los costos que implica un calentamiento extra. La eficiencia térmica en general depende de las temperaturas de operación, y viene definida por la relación:

Calor usado en la evaporación Calor de entrada

Para el caso en donde la corriente gaseosa secante se calienta desde la temperatura ambiente hasta la temperatura y después de la operación sale a una temperatura

, la eficiencia térmica del secado puede ser expresada de dos maneras: 0T 1T

2T 1. Eficiencia térmica global: se define como la fracción de calor suministrado al equipo

que se utiliza solo para la evaporación del la humedad presente. Para una operación adiabática se tiene [1], [10].

10001

21⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−−

=TTTT

globalη (7.7)

2. Eficiencia térmica de evaporación: es definida como la relación entre la capacidad real

de evaporación y la capacidad obtenida para el caso en donde la corriente gaseosa saliera saturada del equipo. Se determina a partir de la siguiente expresión.

1001

21

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

−−

=sat

TTTT

evapη (7.8)

Donde satT : temperatura de saturación adiabática




1

2

3

6

7

8

Figura 7.4. Equipo para secado por aspersión. MATERIALES Y EQUIPOS

Materia prima a secar Secador por atomización BUCHI-B 191 (ver figura 7.4): este usa un atomizador

neumático de dos fluidos y realiza el secado por convección de manera continua. La configuración de flujo en la cámara de secado entre el flujo de aire y la aspersión de la alimentación es en paralelo. Está constituido por las siguientes partes [8]:

1. Cámara cilíndrica de secado (elaborada de vidrio refractario) 2. Bomba peristáltica para la alimentación a la cámara 3. Boquilla con diámetro muy reducido de dos fluidos; debe mantenerse refrigerada 4. Un dispersor de aire caliente de varios orificios colocados de manera concéntrica

alrededor de la boquilla. 5. Dos sensores PT-100 de platino de resistencia variable que detectan la

temperatura de entrada y salida del aire. 6. Un recipiente de vidrio colocado en la parte inferior de la cámara para recoger el

producto seco que no arrastra el aire.



7. Ciclón de vidrio refractario para separar el producto de la corriente de aire 8. Un vaso de vidrio que es colocado en la parte inferior del ciclón para almacenar el

producto. 9. Otros: deshumidificador, calentador eléctrico, turbina y filtro

Balanza Equipo para extracción (opcional) Cronómetro pHmetro

PROCEDIMIENTO ROBAYO [8] y BERNAL et al. [14] proponen un esquema básico para la utilización del equipo de secado por aspersión que se ilustra en la figura 7.5. 1. Elección de la materia prima y aditivos: el secado por aspersión se puede utilizar

para un amplio rango de materiales, como se mencionó anteriormente. La materia prima puede ser líquida por ejemplo leche y extracto de café, o sólida como frutas y vegetales. Dependiendo del material seleccionado variará la adecuación de la alimentación, los aditivos a utilizar y sus concentraciones, las condiciones de operación, entre otros. Los aditivos más utilizados son [8], [14]:

- Maltodextrina - Sacarosa - Dextrina - Goma Arábiga - Dióxido de sílice (SYLOID) - Celulosa microcristalína (AVICEL) - Carboximetilcelulosa

2. Selección de las condiciones de operación: de acuerdo a la materia prima

seleccionada, se deben tener antecedentes de parámetros como la temperatura de entrada del aire, flujo de alimentación, flujo del aire y presión de aspiración. El factor más importante a tener en cuenta es la degradación térmica del material que puede generar un mal funcionamiento del equipo. Cuando el contenido de azúcares en el material elegido es elevado, se recomienda refrigerar las paredes de la cámara de secado y el ciclón o disminuir el flujo de alimentación.

3. Adecuación de la materia prima: se tienen dos alternativas:

Para un material líquido: debe asegurarse que el material esté libre de partículas sólidas suspendidas, ya que pueden generar obstrucciones en las tuberías del equipo de secado.

Para materiales sólidos: es necesario obtener el extracto fluido para poder

alimentarlo al equipo. En primer lugar, se limpia manualmente las hojas, semillas, cáscaras o cualquier otro agente ajeno al material. Luego se prosigue con un lavado utilizando agua destilada. Se continúa con la extracción mecánica del



material soluble. Para el extracto hay que tener en cuenta la misma recomendación mencionada para materiales líquidos4.

Elección de la materia prima y aditivos

Selección de las condiciones de operación

Adecuación de la materia prima

Estandarización de la alimentación

Incorporación de los aditivos

Arranque del equipo

Secado por atomización

Caracterización del producto

Material líquido Material sólido

Limpieza

Extracción

Eliminación de los sólidos suspendidos

Figura 7.5. Diagrama de bloques para el secado por aspersión 4. Estandarización de la alimentación: al material fluido se le determina el pH y la

cantidad de sólidos solubles5. 5. Incorporación de los aditivos: de ser necesario la utilización de aditivos, se agregan

al material en las concentraciones reportadas en la literatura y se mezclan hasta lograr una disolución completa.

4 Cuando se utiliza extracto de frutas se emplea una filtración para eliminar sólidos suspendidos. De no ser suficiente, se recomienda diluir el extracto. 5 El procedimiento es mostrado en el ANEXO S.



6. Arranque del equipo: para iniciar la operación del equipo se realiza el siguiente procedimiento:

- Inicialmente se verifica que todas las conexiones estén en orden y las partes del

equipo se encuentren aseguradas. - Se abre la línea de aire, comprobando que halla flujo - Se enciende el equipo - La primera variable que se fija es el flujo de aire - Seguidamente, se fijan en tablero de control la velocidad de la bomba de

alimentación, la aspiración y la temperatura de entrada. - Se enciende cada uno de los parámetros anteriormente fijados utilizando agua

como alimentación. - Cuando se alcancen las condiciones de operación se suspende la alimentación de

agua y se deja secar el equipo. 7. Operación: cuando el equipo se encuentre en estado estable y seco se cambia la

alimentación de agua por la del material seleccionado. De ser necesario, se golpea suavemente las paredes de la cámara de secado y del ciclón con un mazo de goma, con el fin de evitar que las partículas que se fijan en las paredes tengan un mayor tiempo de residencia.

En el caso de presentarse un taponamiento en cualquier sección del equipo se suspende en primera instancia el calentamiento del aire de entrada y la bomba de alimentación. Luego se apaga el equipo para ser limpiado.

8. Suspensión de la operación: en primera instancia, se apaga el calentador del aire.

Cuando la temperatura del aire de entrada sea inferior a los 150ºC se apaga la bomba de alimentación y luego de los 80ºC el atomizador.

9. Caracterización del producto: la variable más importante que se le determina al

producto es la humedad6. FORMATO PARA LA TOMA DE DATOS Materia prima - Material seleccionado: - Cantidad (peso): - Aditivos seleccionados: - Concentración de los aditivos a utilizar: Condiciones de operación - Temperatura de entrada del aire: - Flujo de alimentación:

6 El procedimiento es mostrado en el ANEXO R.



- Flujo de aspersión: - Presión de aspiración: - Flujo del refrigerante (opcional): Adecuación de la materia prima - Masa del material después de la adecuación: - pH: - Sólidos solubles (%): Pretratamiento - Tratamiento utilizado: - pH después del tratamiento: - Sólidos solubles (%): Producto - Humedad:



BIBLIOGRAFÍA

1. MASTER, K. Spray Drying Handbook. Wiley Interscience, Jhon Wiley & Sons, Inc. Publication. New York. Thrid Edition 1979.

2. KNEULE, F. El Secado. Ediciones URMO. Edición traducida del alemán.1966. 3. McCABE, W.; SMITH, J.; HARRIOTT, P. Operaciones Unitarias en Ingeniería

Química. Cuarta edición. Mc Graw Hill. 1991. 4. SANCHEZ. Concentración y Deshidratación: Secado por Atomización. Citada en

agosto de 2004. [En línea]. <http://www.alimentosnet.com.ar>. 5. BUCKTON, G.; CHIDAVAENZI, O.; KOOSHA, F. The effect of Spray Drying Feed

Temperature and Subsecuent Cristallization Condition on the Physical Form of Lactose. APPS Pharmscitech. Vol 3, Nº 2, 2002. Citada en agosto de 2004. [En línea]. <http://www.aapspharmscitech.org>.

6. SCHUCK, P. Spray Drying of Dairy Products: State of the Art. INRA,EDP Science, Lait (82). 2002. Citada en septiembre de 2004. [En línea]. <http://www.edpsciences.org>.


8. ROBAYO, M. O. Extracción y Secado por Atomización del Colorante de la Mora de Castilla (Rubus Glaucus). Trabajo de grado de Ingeniería Química. Universidad Nacional de Colombia Sede Manizales. 2000.

9. GUZMAN, S. Secado por Atomización de Jugos de Caña. Trabajo de grado de Ingeniería Química. Universidad Nacional de Colombia Sede Manizales. 2000.



12. KERN, D. Procesos de Transferencia de Calor. Trigésima segunda reimpresión. Editorial Continental CECSA. 2001.

13. DITTMAN, F. W.; COOK, E. M. Establishing th Parameters for a Spray Dryer. Chemical Engineering; Vol (17), pp. 108-112. 1977.

14. BERNAL, J.; RAMÍREZ, A.; CASTAÑO, J. Obtención de Solubles de Piña Variedad Cayena Lisa, por el Método de Atomización. CENICAFÉ (Colombia); 47(4), pág. 199-204. 1996.

15. SHARMA, S. K.; MULVONEY, S. J.; RIZVI, S. S. Food Process Engineering: Theory and Laboratory Experiments. Wiley Interscience, Jhon Wiley & Sons, Inc. Publication. New York. 2000.


http://www.alimentosnet.com.ar/trabajos/sanchez edwards/concentracion, secado, atomizacion de alimentos..doc

Práctica 8 EXTRACCIÓN DEL MATERIAL

SOLUBLE DEL CAFÉ

8.1 OBJETIVOS DE LA PRÁCTICA Objetivo General Obtener el material soluble del grano de café utilizando el proceso de extracción sólido-líquido. Objetivos Específicos 1. Identificar los equipos necesarios para realizar el proceso 2. Evaluar la influencia del tamaño de partícula sobre el proceso de extracción 3. Establecer el rendimiento de la extracción 4. Determinar los coeficientes volumétricos de transferencia de materia 5. Realizar el balance de energía para el proceso de extracción


Reseña histórica En realidad, es incierto el momento histórico en donde se comenzó a fabricar bebidas a partir del grano de café y han surgido numerosas leyendas en torno a sus orígenes. Se menciona que tal vez los primeros néctares de los granos de café fueron utilizados por antiguas tribus en África en el año 500 A.C., en donde se combinaban con grasas para su posterior fermentación y elaboración de vino [1]. Empero, existen registros de que en regiones como Etiopía, Abisinia y Arabia se cultivaba la planta de café y se le conocían sus propiedades estimulantes [2], [4]. En la cercanía del año 1000 de la era cristiana, los árabes tomaban bebida caliente del extracto de café [2]. El grano de café se comenzó a difundir por Europa en el siglo XVII y rápidamente su bebida se volvió muy popular en todo el viejo continente. Se hace referencia que el arbusto de café llega a América en el siglo XVIII y su siembra comenzó en la isla Martinica debido a la permanencia en este lugar de colonias francesas.

Oscar Andrés Prado


El café fue introducido a Colombia por los colonos españoles, quienes comenzaron su siembra en la región del Orinoco, unos años después de su llegada a América. Gracias a las condiciones climáticas ideales para la producción del grano de café se logró su propagación por todo el país. Generalidades El café es un arbusto de la familia de las Rubiáceas, del género coffea. Esta planta puede alcanzar unos 12 m de altura y desde su primer año comienza a producir fruto, pero solo hasta los 5 años se encuentra en óptimas condiciones para que su recolección sea rentable. Entre las especies más difundidas se encuentran la Coffea arábiga, la Liberica, la Canephora, llamada también Robusta; Blue Mountain (Jamaica), Chanchamayo (Perú), Surinam, Bourbon, Moka, Excelsa, Santa Domingo (R. Dominicana), Hamar (Etiopía), Mysore (India), entre otras. Cuando se habla de café se hace alusión a sus formas o estados, como por ejemplo, pergamino, verde, tostado, molido, descafeinado, liofilizado, líquido y soluble. El café se caracteriza por cuatro propiedades que son: el sabor, el cuerpo, la acidez y el aroma.

Antecedentes económicos

El café es producido en 79 países y se estima que la producción mundial de café para el año 2002, según la Organización de las Naciones Unidas para la Agricultura y la Alimentación (FAO), fue de 7’580.949 toneladas [4]. En el cuadro 8.1 se muestran los principales productores del grano en el mundo.

El grano de café verde se comercializa en tres mercados principales: Nueva York, Alemania y Francia; a su vez Estados Unidos, Alemania, Japón, Italia, Francia y España son los principales exportadores. Actualmente, Colombia presenta una tasa decreciente de exportaciones del 4.34% [4]. El 75% del mercado internacional del café verde se encuentra en manos de aproximadamente 20 multinacionales. Las mayores comercializadoras de café son: NEUMAN KAFEE (Alemania), VOLCAFE (Suiza), CARGILL (USA), ESTEVE (Brasil-Suiza), ARON (USA), ED&F MAN (Reino Unido), DREYFUS (Francia) y MITSUBICH (Japón). En cuanto al café tostado, son solo cuatro multinacionales dominantes: KRAFT, PROCTER AND GAMBLE, NESTLE y SARA LEE. En Colombia el gremio más grande es la Federación Nacional de Cafeteros, creada en 1927 y cuyos miembros constituyen cerca del 80% de los productores del país. La Federación cuenta con un centro de investigación (CENICAFÉ) ubicado en el municipio de Chinchiná (Caldas).


Extracción del Material Soluble del Café

Cuadro 8.1. Productores de café en el mundo [4]

Producción (Toneladas) Puesto País1

1990 2002 Acumulado 1998 - 2002 Part.2 Crecim.3

Área Cultivada

Ha. kg/Ha4

1 Brasil 1.464.8562.390.390 9.520.860 27,1% 4,9% 2.367.510 1.0102 Vietnam 92.000 850.000 3.415.500 9,7% 21,3% 420.000 2.0243 Colombia 845.000 660.000 3.265.140 9,3% -4,3% 805.000 8204 Indonesia 412.767 376.800 2.240.000 6,4% -0,4% 891.000 4235 México 440.000 319.835 1.540.860 4,4% -1,0% 783.619 4086 India 118.100 300.600 1.386.800 4,0% 5,9% 310.000 9707 Guatemala 202.400 235.000 1.351.300 3,9% 3,3% 273.000 8618 Etiopía 0 235.000 1.140.410 3,2% 87,1% 250.000 9409 Costa de Marfil 286.164 198.000 1.062.273 3,0% 1,9% 850.000 23310 Uganda 128.747 197.410 995.232 2,8% 3,4% 264.000 74811 Honduras 119.784 190.000 919.035 2,6% 6,4% 220.000 86412 Costa Rica 151.100 155.200 836.575 2,4% 0,5% 103.500 1.50013 Perú 81.142 158.979 743.573 2,1% 7,0% 228.500 69614 Filipinas 134.074 132.078 629.337 1,8% -0,5% 137.037 96415 El Salvador 147.200 112.201 616.485 1,8% -3,0% 162.190 69216 Ecuador 134.980 148.000 608.936 1,7% -1,7% 375.000 39517 Camerún 100.980 82.800 462.332 1,3% 0,3% 300.000 27618 Kenia 103.900 75.000 374.615 1,1% -1,2% 165.000 45519 Nicaragua 27.996 68.182 374.010 1,1% 6,0% 107.865 63220 Nueva Guinea 60.000 62.500 371.980 1,1% 3,1% 66.000 94721 Venezuela 76.412 69.000 350.400 1,0% 0,4% 220.000 314 Otros (58) 935.216 563.974 2.884.541 8,2% 1.344.819 Mundo 6.062.8187.580.949 35.090.194100,0% 2,4% 10.644.040

Fuente: FAO. Cálculos Observatorio Agrocadenas 1. Se han seleccionado aquellos países cuya participación en el acumulado está por encima del 1% 2. Part (%): Indica la participación del respectivo país en el acumulado 1998 - 2002 3. Crec (%): Tasa de crecimiento logarítmica durante toda la década 4. Producción másica por hectárea cultivada

Composición del café [3], [5], [7] BOTERO [3] menciona que hasta el momento se han identificado más de 600 compuestos químicos que hacen parte del material soluble del café, y que aun mezclándolos en las cantidades encontradas no se logra duplicar las características organolépticas de una taza de café. Algunos de los compuestos forman parte de los solubles que se extraen con agua y otros quedan como residuos formando lo que se conoce como borra del café. Las sustancias que forman el café torrefactado (tostado) son las siguientes: a. Proteínas: se encuentran en un 9% en el café. Al calentar los granos de café en

presencia de carbohidratos las proteínas sufren alteraciones, traducidas en cambios de perfil de aminoácidos.



b. Carbohidratos: el café contiene preferencialmente compuestos insolubles como la

celulosa; además contiene otros compuestos como manosa, galactosa y arabinosa. c. Lípidos: la fracción lípida solo experimenta cambios durante la torrefacción, entre los

ácidos grasos predominan el linoleico seguido por el palmítico. d. Ácidos: entre los ácidos volátiles prevalecen los ácidos fórmico y acético; entre los no

volátiles se encuentran el láctico, tartárico, pirúvico y cítrico. e. Cafeína (1,3,7 trimetilxantina): es la sustancia nitrogenada contenida en el café más

conocida debido a sus efectos farmacológicos. El café crudo contiene entre 0.8% y 2% de cafeína y en la torrefacción el nivel de cafeína se reduce muy poco. La cafeína es un polvo cristalino blanco y brillante. Este alcaloide tomado con moderación estimula el sistema nervioso central, acelera la actividad cardiaca, dilata los vasos sanguíneos, mantiene la vigilia y favorece la actividad secretora de los riñones. Tomada en dosis mayores puede ser un producto nocivo para la salud [1].

f. Trigonelina (ácido nicotínico): la trigonelina se encuentra en el café crudo en cuantía de un 0.6% y en el tostado se reduce en un 50%.

g. Sustancias volátiles: existen más de 500 compuestos identificados como volátiles del café. Sin embargo, ninguno confiere por sí solo el aroma típico del café.

h. Minerales: los principales son potasio, calcio y magnesio, además de fosfatos y sulfatos.

i. Otros componentes: en la fracción soluble de café tostado se encuentran compuestos pardos, melanoidinas y sólidos solubles.

En las tablas 8.1 y 8.2 se muestra un análisis cuantitativo realizado al grano tostado de café y al extracto del mismo, respectivamente.

Tabla 8.1. Composición del café tostado [5]

COMPONENTE CANTIDAD (%) Agua 2.5 Proteína 9 Polisacáridos insolubles en agua 24 Polisacáridos solubles en agua 6 Glucosa, fructosa y arabinosa 0.2 Sacarosa 0.1 Lípidos 13 Ácido fórmico 0.1 Ácido acético 0.25 Ácidos no volátiles 0.4 Ácidos clorogénicos 3.7 Cafeína 1.2 Trigonelina 0.4 Ácido nicotínico 0.02 Aromáticos volátiles 0.1 Minerales (cenizas) 4 Sin identificar 35



Tabla 8.2. Composición del café como bebida [5]

COMPONENTE CANTIDAD (%) Proteínas 6 Polisacáridos 24 Monosacáridos 0.4 Sacarosa 0.8 Lípidos 0.8 Ácidos volátiles 0.4 Ácidos no volátiles 1.6 Ácidos clorogénicos 14.8 Cafeína 1.2 Trigonelina 1.6 Ácido nicotínico 0.08 Aromáticos volátiles 0.4 Minerales 14 Sin identificar 29.4

Métodos convencionales de extracción Antes de comenzar el proceso de extracción del material soluble del grano de café hay que realizar los siguientes procesos [5], [6]: 1. Beneficio del café: después de recogerse el fruto se despoja de su envoltura, se lava

y seca para obtener el grano comercial. 2. Trilla: el objetivo de esta operación es separar la almendra de la cascarilla que la

envuelve, sin llegar a dañar el grano.

En la figura 8.1 se muestra el diagrama de flujo para la obtención del extracto de café a partir del grano verde [6].

Para la extracción del material soluble del grano de café se realizan los siguientes procesos:

3. Torrefacción: consiste en tostar el grano de café provocando inicialmente la pérdida

de humedad seguido por reacciones de oxidación, reducción, hidrólisis, polimerización y descarboxilación. Las condiciones de temperatura y tiempo de operación de este proceso son las que determinan las características de color, sabor y aroma del café.

4. Molienda: mediante esta operación se reduce el tamaño del grano con el fin de aumentar la superficie específica para la extracción, incrementando la tasa de transferencia de masa en la interfase. La molienda se ve afectada por el grado de tostión, humedad del grano y condiciones del equipo.



RECIBO E INSPECCIÓN DEL CAFÉ VERDE

ALMACENAMIENTO EN SILOS

TORREFACCIÓN

MOLIENDA

EXTRACCIÓN

FILTRACIÓN Y CLARIFICACIÓN DELEXTRACTO

EXTRACTO DILUIDO

Figura 8.1. Proceso para la extracción industrial de café [6]

5. Extracción: una vez se tienen las partículas porosas tostadas se inicia el proceso de extracción como tal, constituido por las siguientes etapas:

Humectación: las partículas de café se saturan con agua caliente; se ha

determinado que el grano puede adsorber hasta el doble de su peso [6]. Esta saturación contribuye a la posterior extracción del material soluble del café.

Extracción de solubles: el agua que ha sido adsorbida, debido al gradiente de

concentraciones, comienza a extraer el material soluble contenido en la partícula dando como resultado concentraciones más altas en el agua. Para maximizar la eficiencia de la extracción la diferencia de concentraciones entre la partícula y el agua caliente debe ser lo más grande posible, por lo que la operación se lleva a cabo a contracorriente.

Hidrólisis: el proceso de extracción no es totalmente físico ya que durante toda la

extracción se da el rompimiento de algunas cadenas carbonadas lo que hace que cambien algunas propiedades del extracto como lo son el pH, acidez, viscosidad, color, etc.

En condiciones normales de ebullición del agua los rendimientos de la extracción

del material soluble del café tostado oscilan entre 25% y 30% en peso, aun cuando a temperaturas cercanas a los 180ºC, altas presiones y dependiendo del grado de tostación del grano, tipo de café utilizado, contenido de hemicelulosas, celulosas, pectinas, mananos y otros compuestos insolubles, el rendimiento de la extracción



se incrementa hasta un 60% debido a la hidrólisis de muchos de los compuestos anteriormente nombrados. De la experiencia se sabe que el tipo de café Robusta genera mejores resultados en la extracción [3], [6].

El tamaño de la partícula de café tostado influye mucho sobre el rendimiento de la

extracción, incrementando este a medida que el tamaño es menor, pero la reducción del tamaño esta limitada por acrecentar la caída de presión en la columna y generar taponamiento de los conductos.

Como un proceso adicional a la hidrólisis convencional, en algunas ocasiones se

realiza una hidrólisis ácida con el fin de elevar el rendimiento de la extracción. Este proceso consiste en agregar en un tanque agitado el grano agotado en un 25% aprox. de su contenido soluble y un poco de ácido fosfórico hasta obtener un pH de 1.5 a 2. Después de estar trabajando en continuo durante una hora el grano es prensado para obtener el licor, que será neutralizado luego con óxido de calcio hasta un pH de 5.5 a 7. Este licor es mezclado con el extracto primario en relaciones de 3 ó 4 a 1.

Comparando los dos métodos de extracción mencionados, el resultado salta a la

vista: el segundo método ofrece mucho más beneficios desde la óptica de rendimiento que el primero.

Procesos de extracción Inicialmente el proceso de extracción se realizaba en recipientes abiertos y operaban a condiciones relativamente suaves de presión y temperatura. BALCERO [5] reporta, que en la década de 1940 aparecen equipos que utilizan condiciones diferentes más agresivas tanto de la presión como de la temperatura obteniéndose mayores rendimientos en las extracciones. A mediados de los años 50 aparecen los primeros extractores continuos a presión atmosférica y en los 60 estos mismos equipos ya operaban a condiciones de alta presión. Actualmente en la industria se emplean dos mecanismos para extraer el material soluble del grano de café: a. Extracción semicontinua: usualmente se utilizan de 5 a 8 columnas conectadas en

serie mediante tubos; una columna típica puede tener 5 m de altura y 0.5 m de diámetro y operar a 15 atm y 180ºC. El café es cargado en la primera columna y el agua se carga por la última, es decir, se opera a contracorriente. El rendimiento de la operación es controlado por los perfiles de temperatura en las columnas, la concentración del extracto de salida y el tiempo de residencia del grano en el equipo.

b. Extracción continua: el equipo de extracción es una sola columna, donde el café es cargado por la parte inferior y el agua se carga por la cima. Con este método se obtienen altas eficiencias en la extracción a condiciones controladas y con buenas calidades del extracto. En ocasiones se usan dos cámaras diferentes, la primera opera a temperaturas inferiores a 100ºC y presión atmosférica en la que se extraen la mayor parte de los compuestos aromáticos con rendimientos del 20%. El café agotado se conduce a la segunda cámara, donde se extraen algunos sólidos solubles adicionales,



a temperaturas cercanas a 190ºC, por el efecto de la hidrólisis; se logran rendimientos cercanos al 20%.

La principal ventaja que presenta la extracción continua sobre la semicontinua es el mayor control sobre las variables del proceso, la automatización, menor mano de obra y el alto rendimiento obtenido, aunque presenta la desventaja de una gran inversión inicial requerida, aproximadamente un 40% más. Durante todo el proceso de extracción las variables que determinan su eficiencia son: la calidad del café, el equipo y grado de tostación, el enfriamiento, la molienda, la carga, el tiempo de inundación, la calidad del agua de extracción, el perfil de temperatura, la caída de presión, el tiempo de ciclo y la cantidad del extracto retirado por ciclo [6]. Alternativas de proceso Como una nueva alternativa para incrementar los rendimientos en la extracción propone BOTERO et al. [3], la utilización de enzimas hidrolíticas; a pesar de que este proyecto se encuentra solo a nivel laboratorio, la intención es implantarlo industrialmente. Rendimiento de la extracción [9] El rendimiento de la extracción está definido por el contenido de sólidos solubles de la bebida de café, y se determina a través de la siguiente ecuación:

100)(

% xP

PSSR

C

E= (8.1)

Donde:

R% : rendimiento de la extracción (porcentaje) SS : fracción de sólidos solubles contenidos en el extracto de café

EP : peso total del extracto obtenido

CP : peso de la muestra de café utilizada para la extracción MODELO MATEMÁTICO: Determinación del coeficiente volumétrico de transferencia de materia en el proceso discontinuo [8]. El siguiente modelo matemático se aplica para la extracción sólido-líquido donde la etapa controlante sea la transferencia de materia desde la superficie de las partículas hasta el seno del solvente. Las partículas de café forman un lecho de volumen con una sección transversal constante y una altura .

LVS z

El sistema consta de una masa inicial de café M con una concentración inicial de material soluble (kg/kg) que se pone en contacto con un volumen V de solvente que

posee una concentración inicial de soluto (kg/mSIC

DIC 3). Al terminar el proceso de



extracción la concentración de soluto en las partículas de café será (kg/kg), mientras el solvente adquiere una concentración (kg/m

SFC

DFC 3). Realizando un balance global de soluto ( es la cantidad de soluto transferido): sm

(Soluto perdido por el sólido) = (Soluto ganado por el solvente)

sDFDISFSI mCCVCCM =−−=− )()( (8.2) En un instante determinado el caudal de soluto transferido puede considerarse como:

)()( DSVDSss CCVKaSzCCkSNw −=−== (8.3) Donde:

:Sw caudal de soluto transferido :SN densidad de flujo de materia

:k coeficiente de transferencia de materia :SC concentración de soluto en el sólido :DC concentración de soluto en el solvente

:a superficie específica de la partícula :VK coeficiente volumétrico de transferencia de materia

El balance de soluto para cualquier instante vendrá dado por la ecuación 8.4:

)()(

DSVDD CCVK

dtdC

Vdt

VCd−== (8.4)

La integración de la ecuación anterior permite determinar el soluto transferido, pero antes hay que conocer la relación entre y . Para tal fin se plantea el siguiente balance: SC DC

(Soluto en el sólido) = (Soluto inicial en el sólido)-(Soluto en el solvente)

DSIS VCMCMC −= (8.5)

De donde:

DSIS CMVCC −= (8.6)

Si se reemplaza la ecuación 8.6 en la 8.4, se obtiene la siguiente ecuación:

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ +−= DSIV

D CMVCK

dtdC

1 (8.7)



Teniendo las condiciones límite y resolviendo la ecuación 8.7: - Para 0=t DID CC =- Para tt = DFD CC =

tKBCCBCC

VDISI

DFSI −=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−−

ln ; MVB +=1 (8.8)

La ecuación anterior puede simplificarse sabiendo que 0≈DIC .

tKC

BCCV

SI

DFSI −=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ −ln (8.9)

De la ecuación 8.9 podemos conocer el valor del coeficiente volumétrico de transferencia de materia si conocemos la concentración inicial de material soluble en el grano de café, la masa cargada de café al equipo, el volumen del solvente utilizado, la concentración final de sólidos solubles en el extracto y el tiempo del proceso. Experimentalmente se puede determinar todas las variables nombradas a excepción de la cantidad del material soluble contenido en el grano de café, pues este es producto de una gran variedad de reacciones químicas como se explicó anteriormente. Sin embargo, con fines académicos se puede considerar que todo el material del que está compuesto el grano es apto para extraerse. Requisitos que deben cumplir los extractos de café Un extracto de café se define como el producto obtenido de los granos de café tostado y molido empleando únicamente agua como solvente. Los requisitos generales que debe cumplir los extractos de café según la Norma Técnica Colombiana NTC-4675 [13] son: 1. Los extractos solubles de café se deben elaborar a partir de solo granos de café. 2. El agua empleada para la extracción debe ser potable según lo establecido en la

legislación vigente. 3. Los extractos de café no deben presentar olor ni sabor diferente a los característicos

del producto. En caso de aromatización, los extractos solubles de café deben cumplir lo establecido en la legislación vigente.

4. Los extractos solubles de café sólidos o en pasta no deben contener sustancias diferentes a las derivadas de su extracción.

5. El límite de plaguicidas en los extractos debe cumplir con lo indicado las NTC. Además de lo anterior se deben cumplir los requisitos especificados en la tabla 8.3. Si se desea obtener una bebida equilibrada se ha identificado, por el Coffee Brewing Center (EE.UU), que factores como el rendimiento, la concentración de sólidos solubles y la relación entre fuerza y atracción influyen sobre el producto1. 1 Los resultados de los estudios realizados se muestran en el ANEXO U.



Tabla 8.3. Requisitos fisicoquímicos para los extractos solubles de café

Requisitos Mínimo Máximo

Contenido de materia seca de café, % (m/m) - Pasta de extractos solubles de café - Extracto de café concentrado - Extracto de café diluido

55 25 15

85

<55 <25

Contenido de cafeína, % (m/m) en base seca - Para extractos solubles sin descafeinar, mínimo - Para extractos solubles descafeinados, máximo

2.2 -

-

0.3 pH - Extractos crioconcentrados o evaporados - Extractos neutralizados o semineutralizados2

4.6

<5.2

5.2 7.5

Sólidos solubles - 100 mg/kg

2 Los extractos semineutralizados son aquellos a los que solo se les ha modificado el pH, sin llegar a neutralizarlo.




Vapor

Válvula de alivio

Transductor

Balanza

Condensado

Figura 8.2. Equipo (autoclave) para la extracción3 del material soluble del café MATERIALES Y EQUIPOS4

Materia prima

Café tostado Equipos

Autoclave: en este equipo se realiza la extracción ya está diseñado para el manejo de altas condiciones de temperatura y presión. Posee una chaqueta para la transferencia de calor para lo que se aprovecha el vapor vivo de caldera con tal propósito. Está construido en acero inoxidable 316, con una capacidad de 30 litros. El aislante de la chaqueta es de fibra de vidrio.

Báscula Termopar y transductor Baldes Molino Filtro de tela Serie de Tamices Tyler

3 Es importante que antes de empezar la práctica se realice el reconocimiento del equipo. 4 Con anterioridad a la experiencia se debe constatar que los materiales y equipos se encuentren disponibles en el laboratorio.



Maquina tamizadora del tipo Tyler Ro-Tap Balanza analítica Equipo de filtración Cronómetro Balanza pHmetro (potenciómetro)

El equipo para realizar la extracción del material soluble del café consta de la autoclave conectado a una caneca para almacenar el condensado de la chaqueta. La figura 8.2 resume el esquema requerido. PROCEDIMIENTO El procedimiento se plantea según los trabajos reportados por BALCERO [5] y LOPES [6], adaptándolos a los recursos con los que cuenta la Universidad Nacional de Colombia, Sede Manizales. El diagrama de bloques para el proceso se muestra en la figura 8.3.

Figura 8.3. Diagrama de bloques para la extracción del material soluble del café



1. Selección de la materia prima: para comenzar la práctica se debe partir de 2 kg de

grano de café tostado. El grado de tostación es elegido por el grupo de trabajo. Luego se determina la humedad de la muestra5.

2. Molienda: la materia prima se somete a un proceso de reducción de tamaño con el fin

de mejorar las condiciones para la extracción. La muestra se divide en dos porciones siguiendo las indicaciones de la NTC 2441 y 35346.

3. Lavado del equipo: para alimentar la materia prima a la autoclave es necesario en

primera estancia, lavar muy bien el equipo debido a que en él se realizan otros procesos con sustancias muy agresivas y nocivas para la salud. Se recomienda inyectar vapor vivo de caldera o agua caliente para terminar el lavado y generar un grado de esterilidad en el equipo.

4. Carga de la materia prima: cada una de las porciones de materia prima se introduce

en el equipo y se agrega agua como solvente en una cantidad que sea aproximadamente 2 veces superior a la masa de la materia prima; el volumen de agua utilizada debe reportarse. Se sella el equipo de tal manera que quede herméticamente cerrado.

5. Purga del equipo: el contenido de aire encerrado en el equipo debe evacuarse, para

esta tarea se inyecta vapor vivo de caldera a la chaqueta manteniendo la válvula de alivio abierta hasta que comience a salir vapor, ocurrido esto se cierra la válvula de alivio.

6. Regulación del proceso: en este momento comienza la toma de datos7. La válvula

de alimentación de vapor debe regularse con la finalidad de mantener el proceso a presiones no superiores a 40 psig y temperaturas entre 120ºC y 140ºC.

7. Extracción del material soluble: el proceso de extracción debe mantenerse durante

30 min, manteniendo las condiciones de operación mencionadas en el paso anterior. 8. Suspensión del proceso: transcurrido el tiempo estipulado, se cierra la válvula que

alimenta el vapor vivo a la chaqueta y se suspende la toma de datos. Con el fin de que en el extracto permanezcan los compuestos volátiles que hacen parte fundamental del color, sabor y aroma de la bebida se debe esperar a que las condiciones del equipo sean aproximadamente la presión atmosférica y temperaturas inferiores a 70ºC.

9. Separación del extracto: el extracto se remueve del equipo utilizando la válvula que

se encuentra en el fondo. 10. Clarificación del extracto: el extracto de café es clarificado utilizando una filtración.

Ocasionalmente se requiere una filtración rigurosa, por lo tanto se puede utilizar un

5 El procedimiento se muestra en el ANEXO R. 6 El procedimiento se muestra en el ANEXO T. 7 Observar la sección de formato para la toma de datos para conocer las variables a las que hay que realizarles seguimiento.



trozo de tela de poro fino para realizar esta tarea. La masa del extracto debe determinarse.

11. Caracterización del extracto obtenido: finalmente, al extracto se le cuantifica la

cantidad de sólidos solubles para evaluar el rendimiento de la extracción8. Además se le determina el pH9.

Para la segunda porción de materia prima se repite el procedimiento desde la carga del material al equipo. FORMATO PARA LA TOMA DE DATOS - Masa inicial de café: - Humedad de la materia prima (%):

Cuadro 8.2. Análisis granulométrico de la molienda de café

Malla (Serie Tyler) Dp nominal (mm)* Fracción retenida 12 1.41 16 1.00 24 0.707 32 0.500 42 0.354 60 0.250

Colector - * Dp: diámetro de partícula - Masa de la primera porción de café: - Denominación granulométrica cualitativa de la primera porción: - Masa de la segunda porción de café: - Denominación granulométrica cualitativa de la segunda porción: - Volumen de agua para la primera extracción: - Volumen de agua para la segunda extracción: - Masa del primer extracto de café: - Masa del segundo extracto de café: - Concentración de sólidos solubles en el primer extracto: - Concentración de sólidos solubles en el segundo extracto: - pH del primer extracto: - pH del segundo extracto: Cada 15 min hay que realizarle seguimiento a las variables que se muestran en el siguiente cuadro.

8 El procedimiento se muestra en el ANEXO S. 9 Se prepara en un vaso de precipitado una solución al 1% de sólidos solubles en agua destilada y se realiza la medición a una temperatura aproximada de 20ºC.



Cuadro 8.3. Formato para seguimiento de variables

Tiempo

(min) Psistema (psig) Tsistema (ºC)

Pin vapor (psig)

Tcondensado (ºC)

Mcondensado (kg)

sistemaP : Presión del sistema

sistemaT : Temperatura del sistema

invaporP : Presión de entrada del vapor vivo de caldera a la chaqueta

.condT : Temperatura del vapor condensado

.condM : Masa acumulada de vapor condensado



BIBLIOGRAFÍA

1. CIBERJOB. Historia del Café. Citada en junio de 2004. [En línea].

<http://www.ciberjob.org/cocina/historia/CAFETE/CAFE3.HTML>. 2. COFFE CONSULTING. Introducción al Café. [En línea].

<http://www.coffeeconsulting.es/cafe.htm#inicio>. 3. BOTERO, A. F.; RIAÑO, C. E.; OROZCO, G. L. Utilización de Enzimas Hidrolíticas y

Métodos Combinados para la Extracción de Café. Revista del centro de investigación de CENICAFÉ (Chinchiná). Vol. 54, Nº 1, pp. 310. 2001.

4. ROLDAN, D.; GONZALES, F.; SALAZAR, M. La Cadena de Café en Colombia. Ministerio de Agricultura y Desarrollo Rural y Observatorio de Agrocadenas Colombia. Abril de 2003. Bogotá, Colombia. Citada en junio de 2004. [En línea]. <http://www.agrocadenas.gov.co/cafe/documentos/caracterizacion_cafe.pdf>.

5. BALCERO, H. Extracción Industrial de Café y el Rendimiento del Proceso. Trabajo de grado de Ingeniería Química. Universidad Nacional de Colombia Sede Bogotá.

6. LOPES, P. Mejoramiento del Rendimiento en el Proceso de Extracción de Café de la Empresa DECAFE S.A. Trabajo de Grado de Ingeniería Química. Universidad Nacional de Colombia Sede Manizales. 2003.

7. SUAREZ, I. Extracción y Recuperación de Volátiles de Café para Mejorar las Cualidades Organolépticas del Soluble. Trabajo de grado de Ingeniería Química. Universidad Nacional de Colombia Sede Manizales. 1999.


9. CASTAÑO, J.; QUINTERO, G.; VARGAS, R. Caracterización del Rendimiento de Extracción y Contenido de Sólidos Solubles de la Bebida de Café. Revista del centro de investigación de CENICAFÉ (Chinchiná). Vol. 51, Nº 3, pp. 185. 2000.

10. INSTITUTO COLOMBIANO DE NORMAS TÉCNICAS (ICONTEC). Café Tostado y Molido (Primera Actualización). NTC 3534.

11. INSTITUTO COLOMBIANO DE NORMAS TÉCNICAS (ICONTEC). Café Tostado y Molido: Determinación de la Pérdida de Masa por Secado. NTC C15.123/88.

12. INSTITUTO COLOMBIANO DE NORMAS TÉCNICAS (ICONTEC). Café Instantáneo: Determinación de la Pérdida de Masa a 70ºC Bajo Presión Reducida. NTC 2737.

13. INSTITUTO COLOMBIANO DE NORMAS TÉCNICAS (ICONTEC). Extractos Solubles de Café. NTC 4675.

14. INSTITUTO COLOMBIANO DE NORMAS TÉCNICAS (ICONTEC). Determinación del Rendimiento de la Extracción y de los Sólidos Solubles en la Bebida de Café. NTC 4602-1 y NTC 4602-2.


Práctica 9 LIOFILIZACIÓN DEL

EXTRACTO DE CAFÉ 9.1 OBJETIVOS DE LA PRÁCTICA

Objetivo General Secar el extracto de café soluble utilizando el proceso de liofilización Objetivos Específicos 1. Identificar los equipos e instrumentos involucrados en el proceso 2. Identificar las variables del proceso 3. Obtener los perfiles experimentales de temperatura y peso del material 4. Simular la variación de peso del material y velocidad de secado, identificando las

diferentes etapas del proceso. 5. Comparar los resultados experimentales con los simulados 9.2 MARCO CONCEPTUAL Reseña histórica La necesidad de implementar formas cada vez más efectivas de preservar microorganismos motivó numerosas investigaciones en el transcurso del siglo XIX, esto se originó debido al auge que por esa época tuvo el estudio del material biológicamente activo. Los primeros intentos de preservar el material vivo se llevaron a cabo utilizando temperaturas extremadamente bajas lo que generó pérdidas en la actividad del organismo y en ocasiones la destrucción del mismo. El primer indicio funcional del uso de secado a bajas temperaturas y presiones se le atribuye a Altman en 1890 [1], quien reportó el logro de obtener tejido seco a estas condiciones. Sin embargo, ahora se conoce que el secado por congelamiento nace en la región del Altiplano Inca, donde esta cultura secó carne congelada utilizando la radiación del sol. Se reporta en 1905 por Benedict y Manning el siguiente avance en la técnica de secar tejido a presiones inferiores a 1 atm, aunque el equipo desarrollado no era muy efectivo.

Oscar Andrés Prado


El gran salto en el mejoramiento del secado por congelación fue dado gracias a los experimentos realizados por Shackell a principios del siglo XX [1], quien mejoró el equipo diseñado por Benedict y Manning, y presentó a la comunidad científica una nueva técnica para estabilizar sustancias biológicas. El dispositivo propuesto por Shackell está compuesto por los mismos elementos básicos que constituyen los secadores por congelación actualmente usados para generar productos liofilizados. Después de Shackell, muchos investigadores comenzaron a utilizar el método de secado por congelación, pero solo fue hacia 1920 que se le llamó liofilización a la técnica de estabilización de material biológico. Según JENNINGS [1], la primera patente norteamericana que hace referencia al secado de materiales congelados bajo condiciones de vacío fue expuesta por Tival (U.S. Patent No. 1’630,485). Empero, no fue hasta 1939 que Greaves [2] publica un documento en donde se explica el uso de refrigeración mecánica en un equipo de secado. La ciencia que se encuentra ligada al proceso de liofilización ha logrado grandes avances desde la década de los 50 gracias a los esfuerzos de Rey, Merymann, entre otros [2]. Pero aún en nuestros días, la teoría detrás del proceso de liofilización encierra cierto misticismo no solo debido a la complejidad de la técnica sino también a los principios detrás de ella. Generalidades En la literatura se presenta una confusión referente a los términos liofilización y secado por congelación (Freeze-drying). Aunque en ocasiones son equiparados; se menciona que el segundo es más general, ya que se refiere a la remoción de humedad tanto de sistemas acuosos como no acuosos. El nombre liofilización se le atribuye a Flosdorf et al. [2], quien explica que la raíz griega Lyophile que significa “como el solvente”, indica la rápida readsorción del solvente y la recuperación del estado original del producto. Definición del proceso Liofilización se define como el proceso de estabilización en donde un material (sólido, líquido, pasta, emulsión, etc.) es congelado y por sublimación el solvente es removido. En el mercado la cantidad de productos liofilizados va en crecimiento debido a que se previene el daño térmico conservando las propiedades nutricionales, organolépticas y biológicamente activas del material [3], [4]. Las principales diferencias entre la deshidratación convencional y la liofilización se muestran en la tabla 9.1. En el proceso de liofilización, la sublimación de los cristales se logra entregando el calor de sublimación utilizando un gradiente presentándose dos alternativas de proceso:

1. Liofilización a vacío: El gradiente es generado por la disminución de la presión total del sistema. En estos momentos es el método más utilizado industrialmente, y el que se maneja en la sede de la Universidad.


Liofilización del Extracto de Café

2. Liofilización a presión atmosférica: Esta técnica maneja un gradiente de presión parcial de vapor de agua haciendo circular aire seco o empleando un adsorbente. Según MATTEO et al. [3], aunque la metodología se encuentra en desarrollo promete ser más asequible económicamente, y permitirá introducir al mercado mayor número de productos liofilizados.

El proceso de liofilización consta de las siguientes etapas:

Preparación del material: esta etapa previa debe realizarse con mucho cuidado con el fin de mantener las propiedades fundamentales del producto.

Tabla 9.1 Diferencias entre la deshidratación convencional y la liofilización [10]

Deshidratación convencional Liofilización

Eficaz para alimentos fácilmente deshidratables como verduras y granos

Eficaz para la mayor parte de los alimentos

Inadecuado para carnes Eficaz para carnes crudas o cocidas Rango de temperatura: 37ºC - 93ºC Temperaturas inferiores a las del punto de

congelación Presión atmosférica Presiones de vacío Evaporación del agua desde la superficie del alimento

El agua sublima desde el frente congelado

Migración de solutos Migración de solutos mínima El estrés generado provoca daños estructurales y retracción

Cambios estructurales y retracción mínimos

Rehidratación lenta e incompleta Rápida y completa rehidratación El material gana densidad El alimento deshidratado posee menor

densidad que el alimento original Frecuentes olores y aromas anormales Olores y aromas generalmente normales Color, generalmente, más oscuro Color generalmente normal Se pierde valor nutritivo Pérdidas de nutrientes mínimas Económico Hasta cuatro veces más costoso que la

deshidratación convencional

Periodo de congelado: El material es solidificado utilizando bajas temperaturas.

Durante esta fase los fluidos presentes se llevan a su forma cristalina; para el caso específico del agua, se forma una red compleja de cristales de hielo con límites bien definidos permitiendo confinar al soluto dentro de las regiones intersticiales formadas entre los cristales de hielo. Otro fenómeno que se lleva a cabo es la expansión volumétrica del sistema, el cual induce un estrés mecánico que mejora la concentración de los fluidos. La temperatura necesaria para lograr el congelamiento depende de la naturaleza del solvente y otros constituyentes del material.

Etapa de sublimación o secado primario: Una vez se ha congelado el material, bajo condiciones de vacío, se suministra calor con el fin de entregar la energía suficiente para lograr la sublimación de los cristales de hielo (calor de sublimación). Durante este



periodo se llevan en paralelo los fenómenos de transferencia de calor (calentamiento) y transferencia de masa (sublimación), los cuales deben ser balanceados con el fin de evitar reacciones desfavorables como lo son la fusión, dilatación o colapso del material. A medida que los cristales se subliman, la interfase gas-sólido retrocede al interior de la torta, la cual opone una resistencia importante a la transferencia tanto de calor como de masa. El calor es transferido usualmente por conducción o por radiación. El vapor de agua es removido de la cámara de secado y posteriormente condensado. La temperatura y la presión del vapor deben mantenerse por debajo del punto triple de la solución que penetra el producto, para el caso del agua como solvente las condiciones del punto triple son una temperatura de 0ºC y una presión de 4.5 mm Hg [6]. En específico, para los alimentos líquidos congelados se debe mantener la temperatura del producto en fase sólida por debajo de la temperatura eutéctica de la solución, pues si se sobrepasa esta se fundiría y se arruinaría el producto. El secado primario termina cuando todos los cristales de hielo han sido removidos del material y el volumen ocupado por la torta es equivalente al de la matriz congelada.

Etapa de desorción o secado secundario: Una vez sublimados los cristales de hielo, dentro de la torta aún se encuentra agua adsorbida (o ligada); esta humedad, dependiendo del material, es aproximadamente del 5% al 10% en peso del producto seco. La estabilidad del material es lograda mediante la disminución de la humedad sin llegar a reducir el volumen de la torta. El proceso se lleva a cabo por la desorción del solvente atrapado dentro del sólido otorgando una cantidad de energía (calor de desorción), seguido por la difusión a través los poros creados por la sublimación del hielo. La desorción del agua remanente va acompañada por el aumento de la temperatura del material y la disminución de la presión parcial del vapor en el recipiente. Para cada producto debe definirse la humedad residual con el fin de otorgar las condiciones de presión y temperatura apropiadas para lograr tal fin.

Etapa de reconstitución: Aunque el proceso de liofilización termina en la etapa anterior, es importante considerar la forma en que el material recupera su estado original. La humedad deseada puede ser alcanzada utilizando agua, soluciones salinas o cualquier otro solvente. Dependiendo del material hay procedimientos especiales para realizar esta operación. Durante todo el proceso la variable más importante es la presión, ya que su incremento mejora la transferencia de calor a expensas de una mayor resistencia a la transferencia de masa [5]. En la figura 9.1 se representa la velocidad de sublimación contra tiempo, se pueden distinguir tres fases [6].



Figura 9.1 Curva de velocidad de secado contra tiempo para la liofilización1

1. Fase 1 o inicial: Corresponde a la etapa cuando comienza el calentamiento, la

velocidad de sublimación crece rápidamente hasta alcanzar un valor máximo; durante el corto tiempo que dura esta fase se efectúa la mayor remoción de agua (entre un 75% - 90%). La transferencia de calor se da primordialmente por conducción [6].

2. Fase 2 o difusiva: La velocidad de sublimación decrece debido a la resistencia a la transferencia tanto de calor como de masa ofrecida por la capa porosa formada a medida que la interfase de sublimación se aleja de la superficie del material.

3. Fase 3 o de desorción: La velocidad de sublimación continúa disminuyendo hasta aproximarse a cero, esto se debe a que la energía necesaria para retirar el agua adsorbida es mucho mayor a la requerida para la sublimación.

Ventajas y desventajas del proceso: Las ventajas del proceso son: - La gran estabilidad del producto, la cual se ve reflejada en el tiempo de preservación - Inhibición de reacciones químicas, crecimiento microbiano o degradación enzimática

en el producto debido a las bajas temperaturas de operación y contenido residual de humedad en el material.

- La rápida velocidad de reconstitución del material gracias a la porosidad de la torta - Las propiedades del material, como lo son: conservación de la actividad biológica,

conservación de las propiedades organolépticas y nutricionales, además de su excelente presentación.

- En la mayoría de los casos, los productos liofilizados no requieren refrigeración y pueden ser almacenados a temperatura ambiente.

La principal desventaja de esta técnica radica en sus elevados costos fijos y de operación. Esto se debe a la serie de operaciones involucradas en el proceso: congelado, calentamiento a bajas temperaturas para inducir la sublimación, condensación de los vapores de agua y la energía requerida para mantener las condiciones de vacío; se le

1 La fase difusiva y de desorción ocurren de forma simultánea durante el secado secundario.



añade a lo anterior los costos requeridos para operar un equipo que trabaja por lotes en condiciones de vacío. Campos de aplicación 1. Industria del cuidado de la salud: esta es la industria que más utiliza la técnica de

liofilización en estos momentos, se usa para la estabilización de fármacos, componentes químicos, vacunas, entre otros. Dentro del campo para el cuidado de la salud se incluye los productos biotecnológicos principalmente las proteínas.

2. Veterinaria: se considera como la segunda industria que más emplea la liofilización, aplicándola para la preservación de vacunas de animales. Este mercado es importante ya que maneja grandes volúmenes.

3. Industria de los alimentos: el producto más ampliamente liofilizado es el extracto de café, aunque utilizando esta técnica se deshidratan frutas, carnes, hierbas, vegetales, cereales, etc.

4. Otras aplicaciones: la liofilización se utiliza para la preservación de flores, tejidos animales, recuperación de manuscritos, y en general en todo el mundo se aplica en diversos campos de la ciencia.

Liofilización del extracto de café La industria del café soluble data de 1906, pero solo fue hacia la década de 1960 que desarrolló la técnica de producción de café soluble liofilizado. El café soluble, no importando la metodología de deshidratación, es un producto que contiene un bajo contenido de humedad y por tanto hay que mantenerlos herméticamente almacenados para evitar su rehidratación debido a que es altamente higroscópico [9]. Previo al proceso de liofilización se llevan a cabo las siguientes operaciones, las cuales se explican con mayor detalle en la experiencia de extracción del material soluble del café:

Tueste del grano de café Molienda Extracción del material soluble del café Clarificación del extracto

El proceso de secado por liofilización del extracto de café le otorga cualidades organolépticas que lo hacen muy apetecido en el mercado internacional. En el mundo están disponibles más de 200 tipos de café soluble, y una de las industrias con mayor cobertura es NESTLÉ, que por cierto, fue una de las primeras que incorporó el café liofilizado al mercado.



MODELO MATEMÁTICO

El modelo matemático se plantea según el trabajo realizado por BARBOSA G. [13], [14], y reportado por PAMPLONA et al. [7]. El modelo URIF (Uniformly Retreating Ice Front) se aplica a una geometría de bloque que se seca por las dos caras.

Frentes de sublimación

Capa congelada

Capa porosa

a

Figura 9.2 Aplicación del modelo URIF a una geometría de bloque para la transferencia de masa en liofilización [14]

Considerando que la presión parcial del vapor de agua en la superficie del condensador ( ), es igual a la de la superficie del producto ( ) y no hay fugas en la cámara, el flujo de vapor de agua por unidad de área se puede expresar como:

CP OP

zPPK

zPPK

G CFPOFPS

)()( −=

−= (9.1)

Por otra parte:

dtdzG

O

FOS ⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+−

=τττ

ρ1

(9.2)

La transferencia de masa y energía están relacionadas utilizando el calor de sublimación así:

SS HGQ = (9.3)

El calor necesario para la sublimación corresponde al flujo de calor a través de la capa seca:

zTTK

Q FSt )( −= (9.4)



Las ecuaciones que muestran la dependencia reciproca que hay entre la transferencia de materia y energía se obtienen igualando las ecuaciones 9.1, 9.3 y 9.4 o utilizando la relación de Clausius-Clapeyron [7]:

)( FSSP

tOF TT

HKK

PP −−=− (9.5)

TPLn 1.61539526.30

13332277.0−=⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛ (9.6)

Igualando las ecuaciones 9.2 y 9.3, resolviendo la diferencial y remplazando la relación 9.5 se obtiene la función que nos define el tiempo de liofilización:

))(1(2)( 2

FSOt

SFO

TTKaH

t−+

−=

τττρ

(9.7)

La posición de la interfase, se deduce de la ecuación que nos define el flujo de vapor desde la interfase:

dtdz

dtdM

AG SS )(1 ρρ −=−= (9.8)

)()()( ρρ −+= SO AtzMtM (9.9)

Donde:

:SG flujo específico de vapor desde la interfase [kg/m2s] :PK constante relacionada con la permeabilidad de la capa seca [kg/smPa] :FP presión del vapor del agua en el frente de sublimación [Pa] :)(tz espesor de la capa seca [m]

:ρ densidad del producto congelado [kg/m3] :Oτ fracción inicial de humedad (en base seca) :Fτ fracción final de humedad (en base seca)

:t tiempo [s] :SH calor latente de sublimación medio [J/kg] :tK conductividad térmica de la capa seca [W/mK] :ST temperatura de la superficie de la lámina [K] :FT temperatura del frente de sublimación [K].

:P presión de la interfase [Pa] :T temperatura de la interfase [K]

:Sρ densidad de la capa seca [kg/m3] :A área de sublimación [m2]



:OM masa inicial de la muestra [kg] :)(tM masa de la muestra con en el tiempo [kg]

La simulación del proceso utilizando Matlab® se presenta en el trabajo desarrollado por PAMPLONA [7]. Requisitos que debe cumplir el café soluble [16] Según la Norma Técnica Colombiana NTC 4159 el café soluble debe cumplir los siguientes requisitos generales: 1. El café soluble se debe elaborar a partir de 100% café en grano 2. El café soluble se puede aromatizar con aromas naturales de café 3. El café soluble debe estar libre de partículas objetables o sustancias extrañas a este,

ya sean de origen vegetal, animal o mineral. 4. El límite máximo de pesticidas debe estar de acuerdo con lo indicado en el Codex

Alimentarius. Además de lo anterior se deben cumplir los siguientes requisitos específicos:

Tabla 9.2 Requisitos fisicoquímicos del café soluble

Liofilizado Requisitos Mínimo Máximo Humedad, % (m/m) - 3.5 Cafeína, % (m/m) en base seca - Café soluble - Café soluble descafeinado

2.2 -

-

0.3




Sistema de registroy control

Cámara de secado

Placa calefactora

Baño refrigerante

Bomba de vacío

Figura 9.3 Equipo de liofilización piloto. MATERIALES Y EQUIPOS Materia prima

Extracto de café Equipos

Liofilizador piloto: Está constituido por una cámara congelación y secado, bomba de vacío y un condensador, además de la instrumentación requerida para controlar y registrar la evolución del proceso; el equipo se muestra en la figura 9.3.

Porta-muestra Balanza Refractómetro Recipientes plásticos Espátula Viandas



Café soluble Picnómetro Termómetro Disquete de 3½ pulgadas (nuevo) para almacenar los datos de la experiencia

El equipo para generar productos liofilizados que tiene la Universidad Nacional Sede Manizales alcanza los siguientes valores de operación una vez estabilizado el sistema sin carga [7]:

Alimentación de corriente: 110 V Vacío último: 0.6 mbar Enfriamiento máximo: -80 ºC Calentamiento máximo: 70 ºC

Variables controladas o fijas para la liofilización de café:

Presión: 1.5 mbar Temperatura del condensador: -40ºC Área de los recipientes porta-muestra: 0.0113 m2 Velocidad o rata de calentamiento de los platos: 2.6ºC/min Temperatura de congelación de las muestras: -40ºC Almacenamiento de los datos: 1 min Conductividad térmica del material: 0.42 W/mK Conductividad térmica del vapor: 0.0235 W/mK Calor de sublimación: 2.8384x106 J/kg

Variables independientes que cambian con el tiempo:

Masa de la muestra Temperatura de la muestra, condensador y placa calefactora

PROCEDIMIENTO

El procedimiento se plantea basándose en los trabajos de PAMPLONA [7], [11] y BARBOSA [13], [14]. Cabe recalcar, que en este equipo se pueden liofilizar tanto alimentos como sus extractos; para la experiencia se escogió el extracto de café ya que sus propiedades fisicoquímicas son conocidas, además de su importancia en la economía de la región. El diagrama de bloques se muestra en la figura 9.4. 1. Preparación de la materia prima: Utilizando el café soluble se preparan 100 ml de

extracto al 40% en peso. A la solución se le determina su densidad y contenido de sólidos solubles2.

2. Encender el baño refrigerante: Se pone en funcionamiento el baño refrigerante

primero encendiendo el interruptor main seguido del interruptor refrigeration y se espera a que este alcance una temperatura de -40ºC.

2El procedimiento se muestra en el ANEXO S.



3. Adecuación de la muestra: Se lava, seca y pesa el porta-muestras del equipo. La solución de café se agrega al porta-muestras hasta alcanzar una altura de 0.5 cm, se pesa.

4. Iniciar el programa de control: Al llegar el baño a la temperatura deseada se activa

el interruptor del equipo de liofilización ubicado en el panel frontal. Una vez realizado esto se inicia el programa de control y registro de variables3.

5. Introducción de la muestra: El porta-muestras es introducido en la cámara de

secado del equipo (parte inferior del condensador). Se sujeta una termocupla al porta-muestras, los datos de temperatura son registrados por el programa de inicio.

Preparar la materia prima

Encender el baño refrigerante y graduar la temperaturade control

Acondicionamiento de la muestra

Arrancar el sistema de registro y control,ajustando tiempo y temperatura.

Introducir la muestra al equipo y ubicarla en laplaca calefactora

Iniciar el vacío de la cámara

Iniciar el calentamiento de la muestra una vezse alcance la presión de trabajo

Suspensión del proceso

Figura 9.4 Diagrama de bloques para la liofilización de extracto de café

6. Iniciar el vacío: Cuando se alcance la temperatura más baja (congelamiento de la

muestra), se ubica el porta-muestras sobre la placa calefactora. El control de vacío se conecta colocando el set point del controlador en “0”. Se enciende entonces la bomba de vacío.

3 El procedimiento detallado para realizar esta operación es mostrado en el ANEXO V.



7. Calentamiento de la muestra: Una vez se alcance el vacío requerido, se enciende el interruptor para comenzar el calentamiento de las placas ubicado en el panel principal de la interfase de control del computador. Hay que indicar la ruta para el almacenamiento de los datos.

8. Suspensión del proceso: Transcurridas 5 horas, se suspende el calentamiento y

despresuriza la cámara apagando la bomba y controlando la válvula desde el set point; luego se apagan el equipo de congelamiento utilizando la secuencia inversa al encendido. La muestra se retira del equipo y se le determina la humedad4.

FORMATO PARA LA TOMA DE DATOS Determinación de la humedad inicial. - Porcentaje de humedad inicial: - Grados Brix de la muestra: Determinación de la humedad final. - Porcentaje de humedad en la muestra: Datos requeridos para la simulación: - Masa del extracto a liofilizar: - Volumen del extracto: - Densidad del extracto: - Altura de la muestra: - Temperatura ambiente: - Presión de trabajo: - Temperatura a la presión de trabajo:

4 El procedimiento para realizar la prueba se muestra en el ANEXO R.



BIBLIOGRAFÍA

1. JENNINGS, T. Lyophilization: Introduction and Basic Principles. Interpharm/CRC. 1999.

2. REY, L. y MAY, J. Freeze-Drying/Lyophilization of Pharmaceutical and Biological Products. Drug and the Pharmaceutical Sciences; Vol. 96. Marcel Dekker Inc. 1999.

3. MATEO, P.; DONSI, G.; FERRARI, G. The Role of Heat and Mass Transfer Phenomena in Atmospheric Freeze-drying of Foods in a Fluidized Bed. Journal of Food Engineering; 59 (2003), pp. 267-275.

4. RIVERA, S. y CASTAÑO, J. Determinación de los Parámetros en la Producción de Deshidratado de Guanábana por Liofilización. CENICAFÉ (Colombia); 46(1), pp. 32-44. 1995.

5. ORREGO, C. y QUINTANA, I. Un Modelo Matemático de Liofilización 1. NOOS No. 4, marzo 1998, pp. 65-74.

6. QUINTANA, I. Diseño de una Cámara de Secado y un Condensador para un Equipo Piloto de Liofilización. Trabajo de grado de Ingeniería Química. Universidad Nacional de Colombia Sede Manizales. 1998.

7. PAMPLONA, F. Montaje y Puesta en Marcha de un Liofilizador a Nivel de Planta Piloto. Trabajo de grado de Ingeniería Química. Universidad Nacional de Colombia Sede Manizales. 2001.

8. LABCONCO LABORATORIES. A Guide to Freeze Drying for the Laboratory. Citada en junio de 2004. [En línea]. <http://www.labconco.com/pdf/freeze_dry/guide_fd.pdf>.

9. ANDILA M. Fabricación de Café Liofilizado. Federación Española de Café. Citada en junio de 2004. [En línea]. <http://www.forum-cafe.com/documents/136.pdf>.

10. FELLOWS, P. Tecnología del Procesado de los Alimentos: Principios y Prácticas. Editorial ACRIBIA, S.A. 1994.

11. PAMPLONA, F. Guía de Prácticas de LP III. Línea de Profundización en Alimentos. Universidad Nacional de Colombia Sede Manizales. 2004. [Sin publicar].

12. TELLO, J. Instrumentación y Control de una Cámara de Secado y de un Condensador para un Equipo de Liofilización. Trabajo de grado de Ingeniería Electrónica. Universidad Nacional de Colombia Sede Manizales. 2000.



15. LÓPES, P. Mejoramiento del Rendimiento en el Proceso de Extracción de Café de la Empresa DECAFE S.A. Trabajo de Grado de Ingeniería Química. Universidad Nacional de Colombia Sede Manizales. 2003.

16. INSTITUTO COLOMBIANO DE NORMAS TÉCNICAS (ICONTEC). Café Soluble. NTC 4159.


Práctica 10 PRODUCCIÓN DE UNA BEBIDA LÁCTEA

FERMENTADA DE TIPO YOGUR 10.1 OBJETIVOS DE LA PRÁCTICA Objetivo General Obtener una bebida láctea de tipo yogur a partir de la fermentación de la lactosa contenida en la leche. Objetivos Específicos 1. Conocer e identificar el proceso de fermentación para la producción de yogur 2. Determinar y analizar las características de las materias prima y el producto obtenido,

con relación a las publicadas por las leyes colombianas 3. Evaluar la cinética de aparición de producto (ácido láctico) hasta las condiciones

sugeridas para el yogur. 4. Realizar los balances de materia y de energía 10.2 MARCO CONCEPTUAL Reseña histórica [1], [2], [3] Yogur es una palabra turca que significa “leche espesa” y está dentro del grupo de los alimentos lácteos fermentados. Algunas fuentes históricas señalan que fueron los búlgaros, nómadas de Asia, quienes llevaron el yogur a Europa, en la segunda mitad del siglo VII. Se cree que el consumo del yogur empezó cuando los pueblos nómadas transportaban la leche fresca en sacos de piel animal; el calor y el contacto de la leche con la piel del saco generaban unas condiciones propicias para la multiplicación de las bacterias que fermentan la leche, convirtiéndola en una masa semisólida y coagulada y una vez consumido el fermento lácteo, los sacos se volvían a llenar de leche fresca que se transformaba nuevamente en leche fermentada gracias a los microorganismos remanentes. Existen registros históricos sobre la creencia de los beneficios de la leche fermentada en comparación con la leche natural. Unos siglos más tarde, gracias a los estudios que realizó el biólogo ruso Ilya Metchnikoff1, se demostró que el yogur contenía 1 Premio Nobel de Medicina en 1908 por hallar los efectos del yogur en la flora intestinal.

Oscar Andrés Prado


bacterias capaces de convertir el azúcar de la leche (lactosa) en ácido láctico, el cual hacía imposible el desarrollo de bacterias dañinas en el intestino; además determinó la enorme cantidad de vitaminas del grupo B que contiene este producto. Posteriormente, Metchnikoff logró el aislamiento de los bacilos necesario para la producción de yogur y desde entonces se dispone de una técnica apropiada para la producción industrial de este alimento. Actualmente, la fabricación de productos lácteos fermentados está posesionada en el mercado global gracias a los diferentes cultivos iniciadores que han contribuido de forma integral en el desarrollo pleno de esta industria y su relevancia queda reflejada en el valor económico de los productos finales. Generalidades La fermentación incorpora dentro de su definición a muchos productos que se obtienen mediante este proceso. Distinguiendo a cada uno, tanto por las diferencias que se presentan desde el sustrato y los microorganismos usados, como las condiciones de operación que controlan el proceso. Para ampliar un poco el concepto de la fermentación remítase al marco conceptual planteado para la práctica de fermentación para la obtención de etanol. Los avances de la biotecnología han permitido mejorar los productos obtenidos por vía fermentativa, adquiriendo cada día un mayor auge de estos procesos en la industria. Para el caso específico de los productos lácteos fermentados se han logrado especificar los microorganismos que confieren mejores características al producto y que son aceptados por los consumidores gracias a los beneficios que se adquieren al ingerirlos. El yogur es uno de estos productos lácteos fermentados que por sus características específicas, como el proveer más nutrientes que otros productos similares, permite que todos sus nutrientes sean más aprovechados y asimilados por el organismo humano. El yogur como producto posee muchas definiciones, pero de forma generalizada se puede nombrar como el producto lácteo coagulado obtenido mediante fermentación láctica por la acción de las bacterias Streptococus thermophilus y Lactobacillus bulgaricus sobre la leche con adición de otros ingredientes o sin ella. Los microorganismos que posea el producto final deben ser viables y abundantes. Sin embargo hay países donde la presencia de la flora viable en el yogur no es obligatoria, pero el producto debe llamarse postre o debe llevar la indicación en el envase [12]. Tipos de yogur [3], [12] Entre las producciones de yogur se pueden encontrar diferentes clases de producto, que se distinguen por la composición química, el método de fabricación, las características organolépticas y el proceso de post-incubación. Aunque muchos yogures producidos en cada región del mundo se vuelven típicos, los que más se comercializan son:

Yogur batido o tradicional: es aquel que se acidula hasta las condiciones indicadas para el proceso y antes del envasado, se bate con el fin de destruir el coágulo que se produce, generando un producto de consistencia espesa y suave. Este tipo de yogur


Producción de una bebida Láctea Fermentada Tipo yogur

es comercializado en la presentación natural, con adición de frutas o de aromatizantes [3].

Yogur líquido: el proceso de producción para este tipo de yogur es el mismo que el nombrado anteriormente, pero al final del proceso, el yogur es mezclado con agua o procesado inicialmente con leche descremada para obtener un producto de baja viscosidad.

Yogur dietético: este producto ha tomado fuerza por las tendencias de los consumidores al contenido bajo de calorías, grasa y lactosa. Por lo general, se procesa con leches semidescremada o descremada y se usan compuestos edulcorantes de pocas calorías. Otro proceso utilizado es tomar parte de la lactosa e hidrolizarla en glucosa y galactosa, que son compuestos que confieren un sabor dulce sin aumentar su contenido en calorías2.

Yogur como postres: la presentación de este producto generalmente es el yogur con frutas, pero sin mezclarlos. La mezcla la hace el consumidor antes de ingerir el producto.

Aspectos microbiológicos y fermentativos Todos los grupos de bacterias ácido lácticas se consideran dentro un conjunto de microorganismos benignos, dotados de propiedades similares y donde el producto final obtenido por fermentación es el ácido láctico. Todas estas bacterias se encuentran en grandes cantidades en la naturaleza; el ejemplo más claro es el grupo de bacterias que se ubican en el aparato digestivo humano. La acción de estas bacterias desencadena un proceso microbiano por el cual la lactosa (el azúcar de la leche) se transforma en ácido láctico. Los elementos derivados de las bacterias ácido-lácticas producen a menudo otros sabores o aromas característicos [13]. Los microorganismos lácticos mantienen sus ciclos vitales con la energía que adquieren mediante la fermentación de los hidratos de carbono. Primero la lactosa es transformada en glucosa y galactosa por hidrólisis. Luego, la glucosa es metabolizada hasta ácido pirúvico el cual posteriormente es convertido en ácido láctico por la ruta metabólica de Embden-Meyerhof-Parnas3 [12]. La figura 10.1 ilustra la secuencia de reacciones producida por los microorganismos durante la fermentación y aunque el proceso global es complejo se puede simplificarse de la siguiente manera [4]:

→+ OHOHC 2112212 →61262 OHC COOHCHOHCH −−34

Lactosa Glucosa Ácido láctico La generación de ácido láctico representa el proceso químico más importante durante la fabricación de yogur, pues este compuesto ayuda a desestabilizar las micelas de caseína que generan la coagulación de la proteína láctea y la formación del gel.

2 TAMINE [3] reporta que el poder edulcorante relativo de la lactosa y de los monosacáridos resultantes de su hidrólisis en comparación con la sacarosa (=1) es de 0.4 para la lactosa, 0.6 para la galactosa y 0.7 para la glucosa. 3 Este mecanismo se explica con mayor detalle en la práctica fermentación para la obtención de etanol (práctica 1).



La reacción de las bacterias pueden producir distintos isómeros del ácido láctico, L(+), D(-) y D(+) [3]. En los cultivos iniciadores para el yogur, el S. thermophilus produce principalmente ácido láctico L(+), mientras que el L. bulgaricus produce ácido láctico D(-). Esto permite valorar predominancia de los microorganismos según la cantidad de ácido láctico L(+) y/o D(-) que muestre el análisis.

Figura 10.1. Secuencia de las reacciones producidas durante la fermentación de la

lactosa hasta ácido láctico [12] Durante la fermentación también se desarrollan compuestos aromáticos que le confieren sabor y aroma al producto, entre ellos se encuentran los compuestos carbonílicos, acetaldehído, acetona, acetoína y diacetilo. El más importante es el acetaldehído cuya presencia es alta en el yogur, debido a la relación simbiótica que existe entre los cultivos iniciadores durante el proceso fermentativo [12]. La teoría de la simbiosis explica por qué la producción de ácido láctico es mayor cuando se utilizan cultivos mixtos que cuando se usan cultivos únicos de cualquier microorganismo (figura 10.2). Esto es debido a que los cultivos iniciadores liberan compuestos estimulantes durante el periodo de incubación que ayudan al crecimiento los diversos microorganismos de una forma más efectiva. Un caso específico es cuando el L. bulgaricus aporta nutrientes esenciales como péptidos y aminoácidos que estimulan el crecimiento de la bacteria S. thermophillus, y ésta a su vez produce compuestos como el ácido fórmico que ayudan al desarrollo del L. bulgaricus (Ver figura 10.3). La actividad metabólica que adquiere un microorganismo indica en cierta medida su velocidad de crecimiento y para el caso de las bacterias ácido lácticas el desarrollo de la acidez en el medio de cultivo permite realizar el seguimiento de los cultivos iniciadores.



0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

2 4 6 8Tiempo de incubación (h)

Ve

locid

ad

de

de

sa

rro

llod

ela

acid

ez

(%d

eá

cid

olá

ctico

) Cultivo mixto

S. Thermophilus

L. Bulgaricus

Figura 10.2. Comportamiento de las cepas puras y mixtas de cultivos de yogur sembrados e incubados a 40ºC y con un 2 % de cultivo [3]

Figura 10.3. Metabolismo de crecimiento simbiótico de S. thermophilus y L. bulgaricus en leche [12]

Factores que intervienen en el proceso [2], [3], [4] 1. Calidad de la leche: la leche como materia prima del proceso tiene mucha influencia

sobre las características finales del producto como el sabor, el aroma, la consistencia y la producción de ácido. Por lo tanto, la leche usada para este fin debe ser de alta calidad y estar exenta de sustancias inhibidoras [12]. El concepto de la calidad para la leche abarca varios requisitos, entre ellos: la cantidad de microorganismos debe ser baja, debe estar exenta de gérmenes patógenos, debe presentar una composición normal, debe ser pura, libre de remedios residuales como



antibióticos, pesticidas y detergentes, debe ser refrigerada en el menor tiempo posible después del ordeño, entre otros. Con los requisitos anteriores, lo más recomendado es realizar los análisis respectivos antes de procesarla, incluyendo como mínimo las pruebas de extracto seco total, grasa, antibióticos, reducción de colorantes, contaminantes [3].

Según el Ministerio de Salud de Colombia, la leche para consumo humano y por ende como materia prima de otros productos debe presentar las características indicadas en la tabla 10.1.

2. Cultivos lácticos iniciadores: los cultivos lácticos son los microorganismos

seleccionados para la elaboración de productos lácteos fermentados, en el caso del yogur se usan microorganismos que tienen la particularidad ser homofermentivos, es decir, que generan un solo producto el cual es el ácido láctico.

Tabla 10.1. Características de la leche estipuladas por el Ministerio de Salud de Colombia [6]

PROPIEDADES LECHE CRUDA LECHE HIGIENIZADA

LECHE SEMIDESCREMADA

LECHE DESCREMADA

Densidad a 15/15'C

1.0300 – 1.0330

1.0300 – 1.0330

1.0310 – 1.0335

1.0340 – 1.0360

Materia Grasa (m/m) Mínimo 3.0% Mínimo 3.0% 1.5% a 200 m/ m 0.1 – 0.5%

Extracto seco total mínimo (m/m) 11.3% 11.3% 9.8% 8.7%

Extracto seco desengrasado mínimo (m/m)

8.3% 8.3% 8.3% 8.6%

Acidez expresada como ácido láctico (%)

0.14 – 0.19 0.14 – 0.19 0.14 – 0.19 0.14 – 0.19

Índice crioscópico 0.54'C :t 0.01'C 0.54'C :t 0.01'C 0.54'C :t 0.01'C 0.54'C :t 0.01'C Índice de refracción mínimo n20 D 1.3420 n20 D 1.3420 N20 D 1.3420 N20 D 1.3420

Las características morfológicas, fisiológicas y bioquímicas de las especies más relevantes y comunes se describen a continuación:

Streptococcus thermophilus: son células inmóviles, esféricas u ovoides, de 0.7µm a 0.9µm de diámetro, aparece en pares o cadenas y son Gram positivas. La morfología de este organismo se ve influenciada por el sustrato y la temperatura de crecimiento. Se caracteriza por tener un amplio rango en su temperatura de crecimiento con un óptimo entre 40ºC y 45ºC, un mínimo de 20ºC y un máximo de 50ºC. Es anaerobio facultativo y sensible a la presencia de sustancias inhibidoras, particularmente antibióticos [14].



Lactobacillus bulgaricus: son células inmóviles con forma de delgados bastones que tienen de 0.8µm a 1.0µm de ancho por 4µm a 6µm de largo y son Gram positivas. También se caracterizan por ser termófilos con un óptimo de 40ºC a 43ºC, un mínimo de 22ºC y un máximo de 52ºC. Estas cepas tienen gran interés en la elaboración del yogur de alta capacidad de conservación, es más resistente a los antibióticos que la bacteria S. Thermophilus y logra producir hasta 1.7% de ácido láctico [14].

Cultivos especiales: existen otras clases de microorganismos que tienen la

capacidad de ser cultivos lácticos iniciadores como el Lactobacillus acidophilus y el B. bifidum (bífidobacterias) que han logrado una mayor demanda de consumo en los últimos años, gracias a los beneficios que tienen sobre el aparato digestivo de los humanos [12].

En general, para este género de productos fermentados se acepta la denominación de probióticos, que se define como un producto con suplementos alimenticios debido al contenido de microorganismos vivos que mejoran el equilibrio microbiano en el intestino de las personas o animales. Los cultivos especiales, ya nombrados, se usan como aditivos para la fabricación de yogur y se presentan en combinación con otras especies lácticas logrando un incremento de la acción probiótica del producto [5]. Las presentaciones de comercialización para los cultivos lácticos iniciadores son variadas en el mercado y su elección depende de la industria lechera, entre las más comunes se encuentran las siguientes [14]: - Cultivos líquidos frescos: estos cultivos son poco usados como inóculos primarios,

ya que la producción excesiva de ácido provoca la inhibición de los microorganismos. Se emplean generalmente en la producción casera de yogur.

- Cultivos liofilizados: este método de conservación es de los más eficientes y usados en la actualidad, presenta ventajas como facilidad en le transporte, debido a que su volumen es pequeño, y el producto mantiene unas características más uniformes y constantes. La desventaja que presenta es que para poderlos utilizar se debe realizar como mínimo 2 inoculaciones al nivel de laboratorio para poder regenerar la actividad de los microorganismos. Estas etapas son llamadas cultivo madre, cultivo intermedio y cultivo industrial.

- Cultivos concentrados (cultivos “Redi – Set” D.V.S. direct vat set): la presentación de este tipo de cultivos es congelada o liofilizada. El consumo de los cultivos concentrados se está incrementando en la industria por las ventajas que tiene frente a otras presentaciones de cultivos iniciadores, debido a la facilidad de manejo para la incubación, ya que se puede realizar de forma directa sin necesidad de activaciones intermedias que generalmente están sujetas a contaminaciones.

3. Temperatura de operación: el crecimiento celular de los cultivos iniciadores se ve

influenciado por la temperatura debido a que sus bacterias tienen características termofílicas; por lo tanto, su crecimiento se beneficia con una temperatura entre 37ºC y 45ºC logrando en este rango un desarrollo normal de la acidez. El efecto de la temperatura sobre la velocidad de crecimiento celular puede ser descrito por la ecuación de Arrhenius.



4. Acidez: el ácido láctico que se genera durante la fermentación es el que confiere la acidez al producto final. Una correcta acidificación en el proceso permite obtener un producto de alta calidad y de mayor aceptación por los consumidores. Por lo tanto, se hace necesario realizar un control constante durante el tiempo de fermentación.

Para el yogur se especifican concentraciones límites de acidez, aunque depende netamente de los consumidores de cada país, la legislación colombiana estipula unas características para esta clase de producto presentadas en la tabla 10.2. El rango de acidez manejado en Colombia está entre 0.7% y 1.5% de ácido láctico [7]. Existen varias formas de expresar la acidez4, la más común es el porcentaje en ácido láctico y la determinación se explica en el ANEXO Z.

Tabla 10.2. Características para el yogur, estipuladas por el Ministerio de Salud de Colombia [7]

CARACTERISTICAS FISICOQUÍMICAS ENTERO SEMIDESCREMADO DESCREMADO

Materia grasa % (m/m)

Mín.2.5

Mín.1.5

Máx.0.8

Sólidos lácteos no grasas % (m/m) mínimo 7.0 7.0 7.0

Acidez como ácido láctico % (m/m) 0.70-1.50 0.70-1.50 070-1.50

MICROBIOLOGICAS N m M c NMP Coliformes totales/g 3 20 93 1 NMP Coliformes fecales/g 3 <3 - 0 Hongos y lévaduras/g 3 200 500 1

n = Número de muestras a examinar m = Índice máximo permisible para identificar nivel de buena calidad. M = Índice máximo permisible para identificar nivel aceptable de calidad c = Número máximo de muestras permisibles con resultados entre m y M < = Léase menor de Descripción general del proceso [3] El método que tradicionalmente se usaba para producir leches fermentadas era dejar que la leche se acidificará espontáneamente, pero un mal control generaba efectos colaterales no deseados y la calidad del producto final variaba ampliamente. No obstante, el método de elaboración de yogur ha cambiado poco a lo largo de los años y aunque se han introducido algunas mejoras, especialmente en el campo biotecnológico, los pasos básicos son los siguientes: 1. Estandarización o normalización de la leche: este tratamiento consiste en adecuar

el nivel de grasa de la leche con el fin de esté dentro de los parámetros legales exigidos en cada país, dependiendo del producto final que se quiere obtener. Por lo general la leche natural presenta un exceso de grasa la cual se disminuye con un desnatado utilizando centrífugas que facilitan la separación.

4 Ver anexo AA, que presenta diferentes formas de expresar la acidez.



2. Aumento del extracto seco total de la leche: el extracto seco total son los sólidos solubles que se encuentran disueltos en la leche. Este parámetro contribuye con las propiedades físicas finales del yogur, como mayor consistencia y viscosidad. TAMINE A. et al. reporta que las concentraciones de extracto seco total idóneas para la fabricación de yogur se encuentran entre 16% y 20% [3].

El contenido en extracto seco de la leche puede incrementarse aplicando alguno de los siguientes métodos:

a. Proceso tradicional: consiste en mantener la leche en ebullición a presión atmosférica hasta evaporar del volumen inicial de la leche. 3/1

b. Adición de leche en polvo: en la industria es muy frecuente utilizar leche en polvo, entera o desnatada, para el enriquecimiento de la leche destinada a la elaboración de yogur de consistencia espesa y suave. Los equipos que se usan son mezcladores que garantizan una dispersión completa de los productos deshidratados en la fase acuosa.

Se reportan otras técnicas como la adición de mazada en polvo, de suero de leche en polvo, de caseína en polvo y concentración con membranas (ultrafiltración y osmosis inversa).

3. Homogeneización: los homogeneizadores (bomba de presión o válvula de homogeneización) se utilizan para lograr una emulsión estable entre la grasa y el agua que contiene la leche con el fin de evitar la separación de estas fases en el yogur. Este proceso se lleva a cabo a temperaturas entre 50ºC y 70ºC, y a presiones entre 100kgf/m2 y 200 kgf/m2.

4. Tratamiento térmico: este tratamiento ayuda a eliminar los microorganismos

patógenos e indeseables y a generar unas condiciones aptas para los cultivos iniciadores. En la práctica se usan diferentes tratamientos térmicos indicados en la tabla 10.3, la selección del tratamiento más adecuado depende de cada planta.

TABLA 10.3. Combinación de temperatura – tiempo utilizadas para el tratamiento de

la leche para la elaboración de yogur [3]

Tiempo Temperatura Tratamiento Observación

30 minutos 65ºC Baja temperatura – tiempo prolongado (mantenimiento)

15 segundos 72ºC Alta temperatura, tiempo breve

Permite la destrucción de aproximadamente el 99% de las forma vegetativas.

30 minutos

85ºC

Alta temperatura, tiempo prolongado

5 minutos 90-95ºC Temperatura muy alta, tiempo breve

20 minutos

110-115ºC

Esterilización convencional en botellas

Destruye todas las formas vegetativas y probablemente algunas esporas. Igual que el anterior, pero permite la destrucción de casi todas las esporas.

3 segundos

115ºC

UHT a baja temperatura

16segundos 135ºC UNT tiempo prolongado 1 – 2 segundos 140ºC UHT 0.8 segundos 150ºC Tratamiento UHT francés

Destruye los microorganismos, incluyendo las esporas, excepto los tratamientos de UHT de baja temperatura



5. Proceso de fermentación: después del tratamiento térmico, se enfría la leche hasta la temperatura de incubación del cultivo iniciador; la fermentación se lleva a cabo a una temperatura entre 40ºC y 45ºC. En algunos casos el periodo de incubación puede ser de solo 2 horas y media para cultivos iniciadores activos a concentraciones del 3% con una relación bacilos/cocos adecuada. No obstante, pueden tenerse tiempos de incubación largos a 30ºC durante aproximadamente 18 horas. Para esta parte del proceso se utilizan equipos donde se mantenga la temperatura uniforme y posibilite un seguimiento del pH. La fermentación normalmente termina cuando se alcanza un valor de pH entre 4.2 y 4.6 o cuando el producto alcance la acidez deseada.

6. Enfriamiento y ruptura del coágulo: al ser la fabricación de yogur un proceso

biológico, la refrigeración es uno de los métodos tradicionales más empleados para controlar la actividad metabólica de los cultivos iniciadores y sus enzimas. El enfriamiento del coágulo comienza inmediatamente después de alcanzar la acidez óptima del producto. El objetivo es disminuir la temperatura a menos de 10ºC lo más rápido posible para evitar que se afecten las propiedades del producto. Esto se puede obtener con refrigeradores normales o con equipos multiusos que son diseñados para realizar varias de las etapas del proceso.

La ruptura del coágulo se realiza con agitación vigorosa y durante un corto tiempo, hasta conseguir una masa homogénea, si el producto no ha alcanzado el pH y la acidez adecuada el coágulo no debe batirse, ya que causaría desuerado y una consistencia débil.

7. Adición de aromatizantes y colorantes: el aumento del consumo de yogur es

debido a la diversidad de presentaciones que tiene el producto. Normalmente al yogur se le adicionan agentes aromatizantes artificiales y naturales como frutas en forma de confituras, conservas, purés, jarabes y mermeladas que sean aptos para este tipo de productos.

8. Envasado: el envase es una forma de asegurar la calidad del producto a condiciones

adecuadas. En general, los materiales de envasado que tienen contacto directo con el producto deben ser atóxicos y químicamente inertes, por estas razones los plásticos son ampliamente usados en la industria láctea y el material más adecuado para las tapas es la lámina de aluminio.

9. Almacenamiento: el producto debe mantenerse bajo refrigeración para conservar las

características fisicoquímicas.




Figura 10.4. Equipo para la fermentación de la leche en el proceso de yogur

MATERIALES Y EQUIPOS

Materias primas Leche Azúcar Cultivo láctico (para la práctica se pueden usar cultivos iniciadores líquidos, que son

de fácil adquisición, o gestionar la consecución de cultivos iniciadores directos).

Equipos Recipiente para la fermentación con tapa Marmita o equipo apto para controlar la temperatura del baño de agua (figura 10.4) Termómetro digital pHmetro (potenciómetro) Termopar y transductor Equipo para titulación Recipientes para envasar el producto

PROCEDIMIENTO El procedimiento se plantea basándose en los trabajos de VELEZ [10] y HENAO [11]. El diagrama de bloques se muestra en la figura 10.5.



Figura 10.5. Diagrama de bloques para la producción de yogur 1. Lavado y esterilización del material: antes de iniciar la práctica se lava la marmita y

el recipiente para la fermentación, evitando que queden residuos jabonosos. Luego, se esterilizan, para asegurar la supervivencia de los microorganismos, sometiéndolas a calentamiento directo con vapor de agua durante mínimo 30 min manteniendo la tapa cerrada durante la operación.

2. Tratamiento de la leche: poner a calentar la leche5 en una marmita (la cantidad varía

según como lo decida el grupo) y mantenerla en ebullición hasta reducir el volumen a 2/3 del valor inicial6.

3. Homogeneización: someter a agitación fuerte la leche para generar una emulsión

homogénea entre el agua y la grasa que contenga. 4. Adición de azúcar: se sugiere que el azúcar se agregue en este punto para mejorar

la incorporación en la leche y eliminar los posibles microorganismos que contenga aprovechando el tratamiento térmico posterior. La cantidad a agregar depende del consumidor, pero se puede aproximar a 100 gramos de azúcar por cada litro de leche a fermentar.

5 Si la materia prima es una leche estandarizada y homogeneizada se omiten los dos pasos 1 y 2 del procedimiento. 6 Según TAMINE, este procedimiento es para aumentar y estandarizar el extracto seco total de la leche, la cual mejora notablemente la consistencia y viscosidad del coágulo en el producto final.



5. Tratamiento térmico de la leche: tomar la materia prima, llevar hasta 85ºC

manteniendo esta temperatura por un tiempo entre 10 min y 30 min, mientas tanto, mantener una agitación suave y constante. Se pueden utilizar los tratamientos alternativos mostrados en la tabla 10.3.

6. Caracterización de la materia prima: a la leche se le realiza el análisis fisicoquímico,

como se indica en los ANEXOS V, W, X y Y. En el caso que no cumpla con alguno de los parámetros se debe hacer la adecuación.

7. Inoculación e incubación: la leche ya tratada térmicamente se vierte en el recipiente

para la fermentación y se lleva hasta 38ºC. A continuación usando agitación, se adiciona a la leche el cultivo iniciador líquido requerido para alcanzar una concentración de 2% (v/v); para el caso de contar con un cultivo concentrado se agrega en la proporción indicada por el fabricante. Luego se tapa y se deja en reposo manteniendo la temperatura con el baño de agua durante toda la incubación. Cada 15 minutos se realiza el seguimiento de la temperatura, la acidez, masa y temperatura de condensado (cuadro 10.1). El procedimiento para determinar la acidez se presenta en el ANEXO Z.

El punto final de la fermentación se logra cuando el pH alcance un valor de aproximadamente 4,6 o una concentración de ácido láctico del 0.9%.

8. Enfriamiento-batido: después de alcanzar las condiciones esperadas, se baja la

temperatura del baño de agua hasta aproximadamente 15ºC, cuando el sistema alcance la temperatura deseada se realiza el batido para romper el coágulo y homogeneizar el yogur. Este batido se ejecuta manualmente para evitar un trabajo mecánico excesivo que pueda afectar la textura del producto final.

9. Aditivos: se adiciona azúcar en el caso que se desee más dulce o no se haya

adicionado en el paso 3, también se puede hacer uso de edulcorantes sustitutos de la sacarosa; se adicionan saborizantes y colorantes naturales o artificiales, y en general cualquier otro tipo de acompañante deseado.

10. Envasado: el producto se envasa en recipientes estériles que sean aptos para su

conservación, teniendo en cuenta que no vaya a tener reacción con el producto o le trasmita cualquier tipo de sabor que afecte la calidad final. El producto luego debe ser refrigerado a 4ºC. De allí se toman las muestras para el análisis fisicoquímico (viscosidad, acidez y pH).

FORMATO PARA LA TOMA DE DATOS Tratamiento de la leche - Volumen inicial de leche: - Volumen final de leche tratada: Adición de azúcar - Masa del azúcar adicionado:



Tratamiento térmico de la leche - Tratamiento usado: - Temperatura de la operación: - Tiempo de la operación: Fermentación - Tipo de cultivo: - Cantidad de cultivo requerido: - Concentración de la inoculación: - Temperatura de inoculación: - Acidez final: - pH final: Aditivos - Tipo y cantidades de aditivos usados:

Cuadro 10.1. Formato para el seguimiento de variables durante la fermentación

Tiempo (min)

Temperatura (oC) pH

Acidez (% ácido láctico)

Masa de condensado

(kg)

Temperatura de condensado

(ºC)



BIBLIOGRAFÍA 1. COPYRIGHT MONTAGUD EDITORES, S.A. Breve historia del yogur. Citada en agosto de

2004. [En línea]. <http://www.apicius.es/tecnicas/yogour/#Anchor-BREVE-11481>. Barcelona (España).

2. ROBINSON, R. K. Microbiología Lactológica Vol. II, Editorial ACRIBIA, S.A. 3. TAMINE A. Y., ROBINSON R. K. Yogur, Ciencia y Tecnología. Zaragoza: Editorial.

Acribia, 1991. 4. ALAIS, C. Ciencia de la leche: Principios de la Técnica Lechera. Editorial Reverté, S.A.

1985. 5. MAZZA, G. Alimentos funcionales, aspectos bioquímicos y de procesado. Zaragoza.

Editorial Acribia, 1998. 6. MINISTERIO DE SALUD. Resolución 2437 de 1983. 7. MINISTERIO DE SALUD. Resolución 2310 de 1986. 8. MADRID, V. Métodos Oficiales de Análisis de los Alimentos. Editorial AMV EDICIONES

MUNDI-PRENSA, 1994. 9. HART, F. L. y FISHER, H. J. Análisis moderno de los alimentos. Editorial ACRIBIA, S.A.

1991. 10. VELEZ, L. C. Desarrollo de una bebida láctea tipo yogur con edulcorante no calórico.

Trabajo de grado (especialización) Universidad Nacional de Colombia sede Manizales 2002

11. HENAO, P. Diseño y desarrollo de una bebida láctea, tipo yogurt, con sabor a café. Trabajo de grado (especialización) Universidad Nacional de Colombia sede Manizales 2002.

12. ORGANIZACIÓN DE LOS ESTADOS AMERICANOS, AGENCIA DE COOPERACIÓN INTERNACIONAL, UNIVERSIDAD AUSTRAL DE CHILE. Curso Internacional de Tecnología de Leches y Productos Lácteos. 1993.

13. EUROPEAN FOOD INFORMATION COUNCIL (EUFIC). Las bacterias ácido lácticas y su uso en la alimentación. 2004. Citada en junio de 2004. [En línea]. <http://www.eufic.org/sp/food/pag/food18/food184.htm#top>.

14. EQUIPO REGIONAL DE FOMENTO Y CAPACITACION EN LECHERIA DE FAO PARA AMERICA LATINA. Tecnología y control de calidad de productos lácteos. Chile 1983.

15. SALGADO, M.T. Texto guía sobre análisis fisicoquímico de leches - microbiológico de alimentos. Corporación Universidad Católica de Manizales 1992.


http://www.montagud.com/

Práctica 11 FABRICACIÓN DE PAPEL

11.1 OBJETIVOS DE LA PRÁCTICA Objetivo General Obtener papel a partir de un recurso fibroso en planta piloto Objetivos Específicos 1. Conocer el proceso de fabricación de papel y el manejo del equipo a utilizar 2. Analizar las variables del proceso de producción de papel y su efecto sobre el mismo 3. Obtener pulpa de papel por medio del proceso Kraft 4. Realizar los balances de materia y energía para el proceso de fabricación de papel 5. Determinar el rendimiento del proceso de fabricación de papel 11.2 MARCO CONCEPTUAL

Reseña histórica A través del tiempo, el papel ha sido el material más empleado por los hombres para dibujar y escribir, dos rasgos diferenciales del grado de civilización del ser humano con respecto al resto de componentes de la naturaleza. La aparición del papel se vio forzada por la necesidad de un nuevo soporte para la transmisión de información de fácil obtención, manejo y almacenamiento; ventajas indudables que el papel presenta sobre otros materiales como eran anteriormente lajas de piedra, superficies de edificios, tablillas de madera, entre otros [1]. La fecha y lugar donde se comenzó a utilizar el papel no se ha esclarecido totalmente, existen varios posibles orígenes. El primero se le atribuye a los egipcios en el 3000 A.C. quienes obtenían hojas a partir de fibra rudimentaria, las cuales podían ser empleadas para la escritura. Estas hojas estaban confeccionadas a partir de una planta que crecía a la orilla del río Nilo, el papiro. Otros proponen que el papel fue inventado en China, hacia el año 200 A.C., quienes lo fabricaban a partir de fibras de seda y lino, pero la pobre calidad para la escritura hizo que fueran utilizados principalmente para envolver [1]. Durante los mismos períodos históricos, se descubrieron técnicas similares de confección de papel (de modo similar al conocido hoy) en otras culturas de Centroamérica, el Himalaya, Sudeste asiático, entre otras; aunque existen discrepancias sobre si éstos materiales podrían denominarse papel tal y como lo entendemos hoy [2].

Oscar Andrés Prado


A pesar de todo, la invención del papel se atribuye a Ts'ai Lun, en el año 105 A.C. Ts'ai Lun fue el primero en organizar la producción del papel a gran escala, además poseía las patentes exclusivas para hacerlo [3]. El papel fue introducido a Europa debido a la invasión de los Moros hacia el año 700 D.C. Se destacan países como España e Italia por su vertiginoso crecimiento en la industria papelera. La producción de papel fue introducida por primera vez hacia el interior de América por los españoles cerca de la ciudad de México alrededor de 1580. En nuestros días los métodos de obtención de papel no han sido modificados sustancialmente, pero sí la eficiencia, costo y el respeto al medio ambiente, gracias a los avances tanto en materiales como en optimización de procesos (recuperación energética, recuperación de reactivos, cogeneración, etc.). Los campos de investigación en estos momentos se basan en la posibilidad de mejorar los procesos ya existentes y en la diversificación de materias primas [2]. Generalidades El papel se podría definir como un material compuesto por el entrecruzamiento de fibras. La siguiente figura muestra la clasificación de las materias primas utilizadas para fabricar papel:

RecursoFibroso

Vegetal

Animal (Pergamino de pieles, fibras de seda)

Sintéticos

Maderables

No maderables

Reciclables

Fibra larga (Pino)

Fibra corta (Eucalipto)

Fibra larga (Algodón)

Fibra corta (Bagazo)99%

0.6%

0.4%

Figura 11.1. Origen de las fibras utilizadas en la manufactura del papel

Los papeles sintéticos no son muy conocidos, éstos se producen a partir de polímeros obtenidos de hidrocarburos mezclados con fibras especiales. La mayor desventaja que presentan los papeles sintéticos es su elevado costo de fabricación [4].


Fabricación de Papel

En el país se fabrican cartones y papeles a partir de plantas fibrosas como: las coníferas, maderas mixtas latifoliadas, fibras de lino y fique, bagazo de caña y desperdicios de papel y cartón [8].

Características de las fibras Las fibras son estructuras unidimensionales, largas y delgadas. Se doblan con facilidad y su propósito principal es la creación de tejidos. Los polímeros útiles como fibras son los que tienen un alto grado de cristalinidad y fuerte interacción de cadenas adyacentes, lo que incrementa su tensión superficial. Las fibras vegetales requeridas para la producción de papel están compuestas por cadenas de celulosa que a su vez son repeticiones de celobiosa. La unidad fundamental de la celobiosa es la glucosa, por ende, la celulosa se puede representar como

. La mayoría de las fibras poseen entre 600 y 1500 unidades o grado de polimerización (GP).

nOHC )( 5126

Las fibras celulósicas se disponen en el interior de la madera unidas entre sí, ordenadamente, formando regiones cristalinas. Dichos aglomerados cristalinos se unen a su vez entre sí por medio de fibras sobresalientes, creando entonces zonas amorfas de unión y zonas cristalinas [6]. Las propiedades que hacen de la fibra celulósica el material idóneo para la confección del papel son las siguientes:

- Gran resistencia mecánica a la tensión - Buena flexibilidad, natural y adquirida - Resistencia a la deformación plástica - Insolubilidad en agua - Amplio rango de dimensiones - Facilidad inherente a enlazarse - Facilidad para absorber aditivos modificantes - Estable químicamente - Relativamente incolora

La composición de la madera se muestra en la figura 11.2. En la estructura de la madera también aparece otro tipo de fibras basadas en polisacáridos, denominadas hemicelulosa; las unidades que la conforman son la glucosa, manosa, galactosa, xylosa y arabinosa, dependiendo de la planta considerada. Las fibras de celulosa y hemicelulosa están unidas entre sí por una sustancia polimérica de estructura amorfa denominada lignina, ésta otorga consistencia y rigidez a la planta. La lignina forma una capa externa alrededor de las fibras ligándose por medio de enlaces covalentes y puentes de hidrógeno. La estructura química de la lignina es extremadamente complicada, pero se basa en la unión tridimensional de unidades de fenilpropano, cuyos sustituyentes varían en función de la planta considerada. Las uniones



entre los monómeros deben ser rotas para poder separar las fibras celulósicas necesarias en la obtención de la pulpa [9].

Madera

Lignina Carbohidratos Extractivo

Celulosa Hemicelulosa

25% Maderas suaves21% Maderas duras

2-8%

45% 35% Maderas duras25% Maderas suaves

Glucosa GlucosaManosaGalactosaXylosaArabinosa

TerpenosÁcidos resínicosÁcidos grasosFenolesInsaponificables

Figura 11.2. Composición química de la madera1

Las materias primas utilizadas para la elaboración de papel se diferencian, entre otras propiedades, por el tamaño de sus fibras. En la tabla 11.1 se mencionan los tamaños de algunas de ellas. Las fibras tienen una longitud muy superior a su diámetro y poseen gran cohesión molecular, lo cual hace que sean más fuertes que los plásticos [5]. Los papeles que se utilizan para escribir e imprimir son producidos a partir de una mezcla de fibras cortas y largas, la proporción en la que van mezclados los tamaños de la fibra afecta las propiedades del producto. Lo anterior se ve reflejado en la tabla 11.2. PROCESOS PARA LA PRODUCCIÓN DE PULPA [3], [4], [5], [9] A nivel industrial se manejan tres métodos para separar las fibras de todos los componentes que constituyen la madera:

Proceso mecánico: la separación se da gracias a la aplicación de fuerzas mecánicas de compresión y cizalladura. Utilizando este método se obtienen elevados rendimientos, empero, las propiedades del papel obtenido no son muy buenas; un ejemplo es el papel periódico.

Proceso químico: la lignina y otros componentes resinosos son separados utilizando la acción de productos químicos. Está compuesto por dos etapas: la digestión y el

1 La diferencia entre maderas duras y suaves se halla en la estructura interna de la madera, sobre todo por la densidad y la longitud de fibra.



blanqueo. Mediante el proceso químico se producen papeles de muy alta calidad pero su rendimiento es bajo; los papeles para impresión son producidos por esta vía.

Proceso semi-químico: es la combinación de las dos técnicas anteriores, produciendo una pulpa mecánica a la cual se le realiza un tratamiento químico. La calidad obtenida del papel es mayor que utilizando el primer proceso pero inferior al segundo.

Tabla 11.1. Longitudes de las fibras según el recurso fibroso [4]

Recurso Fibroso Longitud promedio de la fibra (mm)

Bagazo 1.5-2.2 Bambú 2.7-4.0 Algodón 25.0 Crotalaria 3.7 Esparto 1.5 Knaf 2.6 Tamo de arroz 0.5-1.0 Fique (Cabuya) 3.0

No maderables

Tamo de trigo 1.5 Pino (Coníferas) 2.7-4.6 Mezcla de maderas tropicales 0.7-3.0 Maderables Eucalipto 0.7-1.3

Tabla 11.2. Efecto de la longitud de las fibras sobre las propiedades del papel [7]

Cantidad de la fibra larga Propiedad del papel Incrementa Decrece

Resistencia al reventamiento por presión Incrementa Decrece Resistencia al plegado Incrementa Decrece Resistencia a la tensión Incrementa Decrece Resistencia al rasgado Incrementa Decrece Rigidez Decrece Incrementa Uniformidad superficial Decrece Incrementa Formación Peor formación Mejor formación Lisura Peor Mejor Calidad de impresión Peor Mejor

Los procesos más utilizados para la producción de pulpa virgen2 son los químicos; éstos pueden ser empleados tanto en continuo como en discontinuo, y son: 1. Proceso al sulfito: fue propuesto por B.C. Tilman, quien trató maderas a condiciones

elevadas de presión y temperatura con ácido sulfuroso ( ) y bisulfito cálcico ( ). Gracias a este primer tratamiento químico se elevaron los rendimientos del proceso de obtención de pulpa, además de disminuir los costos de reactivos y

32SOH

23 )(HSOCa

2 Pulpa virgen corresponde a una pulpa obtenida de materias primas puras, es decir, no recicladas



mejorar el blanqueo de la pulpa. Sin embargo, las maderas que pueden ser tratadas con el proceso químico al sulfito son muy pocas, por ejemplo las coníferas.

El proceso se lleva a cabo mezclando la madera con el licor de digestión3, una vez

terminada la cocción, el licor agotado y la madera son separados. El licor se regenera para ser utilizado en próximos ciclos y pulpa es cernida para retirarle sólidos residuales.

El licor de cocción se prepara quemando azufre para producir , luego se enfría y

mezcla con una solución acuosa que contenga alguna sal básica como carbonatos, hidróxidos o sulfitos de metales alcalinos.

2SO

2. Proceso a la soda: en este proceso se tratan las fibras vegetales con un licor que

contiene soda cáustica y carbonato de sodio. Se aplica con éxito cuando la materia prima posee niveles moderados de lignina, por ejemplo el bagazo de la caña de azúcar. El tratamiento químico con soda genera fibras sin olor y disminuye la utilización de tratamientos especiales.

Para dar inicio al proceso se alimenta la materia prima y la soda a los digestores, el

calentamiento se da inyectando vapor vivo de caldera al sistema. El licor agotado se separa de la pulpa mediante lavados.

El licor agotado es enviado a una sección de recuperación, en donde se queman la

lignina y otros compuestos retirados de la materia prima para retornar el licor al proceso. La combustión del material extraído genera grandes cantidades de calor que se utiliza para la generación de energía eléctrica dentro de las plantas.

3. Proceso al sulfato o Kraft: fue propuesto por Dalh en 1879, es llamado Kraft del

alemán que significa fuerte. Rápidamente este proceso desplazó al método del sulfito y en estos momentos es el más utilizado en el mundo ya que las fibras producidas son sumamente resistentes, sobretodo cuando el contenido de lignina se conserva en un nivel relativamente elevado en la pulpa. Los agentes activos del licor son el hidróxido de sodio, carbonato de sodio y el sulfuro de sodio. Una gran ventaja que presenta el proceso al sulfato sobre el anterior es que no es tan corrosivo haciendo que los costos de instalación y mantenimiento de los equipos sean menores.

El proceso Kraft ofrece las siguientes ventajas sobre los dos procesos químicos de

obtención de pulpa anteriores:

Puede utilizarse en cualquier especie de materia prima, dando gran flexibilidad al proceso.

En la madera puede tolerarse una cantidad alta de astillas

3 Se mencionan tres tipos de licores en la industria papelera: - Licor verde: es la mezcla de agua con el licor débil generado en la recuperación de productos químicos - Licor blanco: corresponde a los licores hechos causificando los licores verdes, estos son lo que se adicionan al digestor. - Licor negro: corresponde a los licores agotados que salen del proceso de digestión



Las velocidades de reacción son elevadas haciendo que los tiempos de cocción sean pequeños.

La resistencia de la pulpa en muy buena El rendimiento del proceso es alto

El diagrama de flujo para la producción de papel utilizando el método al sulfato se muestra en la figura 11.3.

Figura 11.3. Diagrama esquemático del proceso Kraft [3] El proceso comienza cuando se carga la materia prima al digestor junto con el licor blanco en forma intermitente o continua, el desempeño del proceso depende de la relación entre el licor y la madera. El digestor se calienta a temperaturas cercanas a los 180ºC durante el tiempo necesario para alcanzar el grado de cocción deseado; en esta etapa se remueve hasta un 90% de lignina. Terminada la digestión el licor negro, la pulpa y las astillas son separadas. Las astillas retornan al digestor; la pulpa es lavada y almacenada. El licor agotado se lleva a un evaporador de múltiple efecto en donde se reduce su humedad hasta valores menores al 40% (peso). Usualmente se agrega sulfato de sodio al licor negro concentrado y se incinera para así producir además de una gran cantidad de energía en forma de calor, una ceniza fundida que contiene carbonato de sodio y sulfuro de sodio. El fundido se disuelve y clarifica, luego es caustificado con cal apagada; después se elimina el carbonato de calcio por precipitación en un segundo clarificador para ser quemado y recuperar la cal, la cual retorna al proceso.



Reacciones químicas durante la digestión Kraft Durante el proceso de digestión se llevan a cado diversas reacciones entre los productos químicos, la lignina y carbohidratos del recurso fibroso; estas reacciones son muy complejas y aún no se han identificado claramente. Se conoce que la presencia de sulfuro en el proceso Kraft acelera la disolución de lignina sin que aumente la degradación de la celulosa, debido a que el azufre reacciona con la lignina quedando químicamente ligado y heterogéneamente distribuido. El rompimiento de enlaces en la lignina aumenta la separación de este compuesto, la combinación de iones hidrosulfuro y sulfuro actúan como agentes nucleofílicos muy fuertes que generan el rompimiento de ciertos tipos de enlaces durante la digestión. Las reacciones que se dan a cabo en la cocción de la madera se ven obstaculizadas por los carbaniones formados en la degradación de la lignina que compiten por los aniones nucleofílicos ( , y

). El sulfuro nuevamente desempeña un papel importante, ya que inhibe las reacciones de condensación promoviendo la degradación de la lignina [9].

2−S −SH−OH

Las reacciones de los carbohidratos de la madera (celulosa y hemicelulosa) con los licores de cocción son de naturaleza compleja y afectan principalmente el consumo de álcali, rendimiento del proceso y propiedades de la pulpa; además estas reacciones son casi independientes de la presencia de azufre en el licor. Los polisacáridos de la madera durante la digestión pueden disolverse en el licor, degradarse para formar productos solubles de bajo peso molecular o permanecer en la fibra. Una vez obtenida la pulpa virgen, independientemente del proceso utilizado, se debe realizar una serie de procesos y operaciones para convertirla en papel, los cuales son:

Blanqueo de la pulpa: originalmente la pulpa no posee el color deseado para el papel, por tanto se requiere de este proceso sobre todo cuando el producto es para escritura e impresión. El color que posee la pulpa es ocasionado por la presencia de grupos cromóforos de la lignina, resinas, ácidos grasos, esteres de ácidos grasos y otros extractivos [9]. El blanqueo tradicional de una pulpa Kraft consta de las siguientes etapas:

- Etapa de clorinación: se adiciona cloro elemental en medio ácido, seguida de un

lavado. - Etapa de extracción alcalina: se añade soda para solubilizar la lignina oxidada en

la etapa anterior, se lava el efluente alcalino. - Etapa de dióxido de cloro: en medio ácido se da una reacción selectiva con la

lignina, el efluente ácido es lavado. - Etapa de extracción alcalina: en esta segunda fase alcalina se remueve la lignina

de la etapa anterior, se lava el efluente alcalino. - Etapa de dióxido de cloro: una segunda adición de este producto elimina la lignina

residual, se lava el efluente ácido. En la actualidad se han desarrollado nuevas técnicas para el blanqueo utilizando

productos como el ozono, peróxido de hidrógeno o sodio, enzimas y biodispersantes [12].



Preparación de la pasta: la adición de compuestos químicos es necesaria para que

el papel adquiera las características deseadas. Por ejemplo, los compuestos minerales mejoran las propiedades ópticas y de impresión, los colorantes otorgan la presentación requerida, los agentes encolantes controlan la penetración de los líquidos, los bactericidas inhiben el crecimiento de bacterias y hongos, las resinas controlan la humedad y los antioxidantes retardan la degeneración del papel, entre otros [11].

De la gama de aditivos mencionados tal vez el más importante es el almidón que es

un encolante natural, pero no es añadido en esta etapa del proceso.

Conformación de la hoja (laminación): una vez obtenida la pulpa de papel en condiciones adecuadas para la confección de la hoja, se prepara una suspensión acuosa con fibras para consolidar las laminas de papel; éstas poseen unas dimensiones estipuladas y una resistencia mecánica predefinida, medida en términos de resistencia al rasgado, al doblez y al rozamiento [6].

La maquina que produce la hoja de papel opera en continuo, reduciendo la humedad

de la suspensión acuosa de fibras de un 99% hasta una humedad menor al 4%. En esta etapa del proceso se añade el almidón, algunos adhesivos y pigmentos que mejoran la uniformidad y calidad final del papel.

Impacto ambiental de la producción de papel El consumo de fibras vegetales, en particular de madera, para fabricar pastas de papel es uno de los costos más notables generados por la industria papelera. Cada año se pierden en el mundo 11 millones de hectáreas de superficie forestal, lo que equivale a la desaparición de un campo de fútbol cada 2 segundos. Las descargas líquidas más contaminantes son las de los licores de cocción, pero gracias a los procesos de recuperación su cantidad es muy pequeña y controlable, sin embargo los efluentes de la sección de blanqueo son más peligrosos debido a su cantidad y contenido contaminante. La fuente de desperdicios orgánicos son principalmente la cloración y las primeras etapas de extracción alcalina. La DBO de los vertimientos no es el problema principal que se tiene, es imperativa la remoción de algunas de las sustancias utilizadas en el blanqueo que pueden tener efectos cancerigenos o mutagénicos. Las descargas gaseosas son de menor escala que los vertimientos líquidos, pero no menos importantes. Entre los gases que salen del proceso se distinguen el cloro, dióxido de cloro y el dióxido de azufre, y todos son muy tóxicos [9]. Aspectos económicos La industria papelera en el año 2000 produjo alrededor de 207’000.000 toneladas de pulpa; el 74% se hizo por la vía química, el 22% utilizando el proceso mecánico y el 4% por medios semi-químicos. De la producción mundial 10’000.000 de toneladas se produjeron en Latinoamérica, y solo el 4% de esa cantidad en Colombia [4], [8].



En la siguiente tabla se muestra la producción mundial de pulpa distribuida por zonas geográficas:

Tabla 11.3. Producción mundial de pulpa (2000)

Productor Porcentaje (%) Estados Unidos 35 Latinoamérica 5 China 7 Europa oriental 6 Japón 7 Escandinavia 13 Canadá 14 Resto del mundo 13




Vapor

Válvula de alivio

Transductor

Balanza

Condensado

Figura 11.4. Equipo para la digestión (autoclave4) MATERIALES Y EQUIPOS5

Materia prima y reactivos

Recurso fibroso Licor blanco de cocción: NaOH, Na2CO3, Na2S Agente de blanqueo: NaClO, Ca(ClO)2 Material de relleno: talco, almidón, pegamento hidrosoluble, colorantes, CaCO3,

CaSO4 Equipos

Autoclave: es el equipo donde se lleva a cabo la digestión y está diseñado para el manejo de altas condiciones de temperatura y presión. Posee una chaqueta para albergar vapor vivo. Está construido en acero inoxidable 316, con una capacidad de 30 litros. El aislante de la chaqueta es de fibra de vidrio.

Licuadora Báscula Cronómetro Termopar y trasductor

4 Es importante que antes de empezar la práctica se realice el reconocimiento del equipo. 5 No todos los materiales y equipos se encuentran en el laboratorio, revisar cuales deben ser aportados por

los grupos de trabajo.



Guantes Baldes Marcos de madera con malla fina Equipo de filtración al vacío Estufa Desecador Balanza analítica Agitador Artesa Equipo auxiliar (agitadores, espátulas, material de vidrio)

La figura 11.4 resume el esquema requerido del equipo para llevar a cabo la digestión del recurso fibroso. PROCEDIMIENTO El procedimiento se plantea según lo establecido en la experiencia que se ha venido realizando en el laboratorio de procesos productivos de la Universidad Nacional de Colombia sede Manizales. El diagrama de bloques para la fabricación de papel se muestra en la figura 11.5. 1. Acondicionamiento de la materia prima: al recurso fibroso seleccionado se le

determina la humedad y el porcentaje de celulosa6; con la humedad se estima la cantidad requerida de recurso fibroso seco que posea un tamaño pequeño7 y evitando el contenido de astillas.

2. Preparación del licor blanco: la relación másica entre el licor de cocción y la materia

prima es de 3-5:1. Para preparar el licor blanco se requiere de los siguientes reactivos referidos al peso en base seca de la materia prima: del 40% al 60%, (sulfuro de sodio) del 8% al 15% y del 12% al 20% (carbonato de calcio), realizando la dilución con para alcanzar el volumen requerido [10].

NaOH SNa2

3CaCOOH 2

Al momento de combinar los reactivos, hay que tener en cuenta la agresividad de los mismos, pues son altamente exotérmicos en la mezcla.

3. Alimentación: se lava el equipo, entonces la materia prima y el licor blanco se introducen, si el licor no cubre todo el material se agrega más agua; luego se cierra el equipo de manera que quede herméticamente sellado8.

4. Purga del equipo: el contenido de aire que permanezca en el equipo debe ser removido, para esto se conecta la línea de vapor manteniendo la válvula de alivio abierta hasta que comience a salir vapor, luego se cierra.

6 Los procedimientos son mostrados en los ANEXOS Q y AA respectivamente 7 De ser necesario se debe picar o recortar la materia prima 8 Para cerrar la tapa del equipo los tornillos opuestos se deben ajustar simultáneamente



Figura 11.5. Diagrama de bloques para la fabricación de papel 5. Regulación del proceso: según el material a trabajar se escogen las condiciones

para digestión teniendo en cuenta que la presión máxima permisible para el vapor vivo de caldera es 40psig. Se comienzan a tomar datos. El tiempo de cocción varia dependiendo de la materia prima entre 1h y 4h (en ocasiones puede ser mayor).

6. Suspensión del proceso: una vez transcurrido el tiempo escogido se suspende la alimentación de vapor y se debe esperar a que los vapores tóxicos se condensen, lo que se da a presiones cercanas a la atmosférica y temperaturas menores a 70ºC.

7. Separación de la pulpa y el licor: utilizando un tamiz o un costal se separa la pulpa

café del licor agotado. Se mide el peso del licor negro y la pulpa se lava con agua caliente (40ºC) para eliminar residuos del licor de cocción, luego se determina el peso,



porcentaje de celulosa y humedad de la pulpa. Para la manipulación de la pulpa se recomienda utilizar guantes.

8. Primer blanqueo: se prepara una solución en agua caliente de hipoclorito de sodio al

10% referida al peso de la pulpa, el volumen de la solución debe ser el suficiente como para permitir un buen contacto entre las fibras y el blanqueador. Se deja reaccionar durante aproximadamente 1 hora manteniendo una buena agitación. En ocasiones se hace necesario incrementar el contenido de blanqueador.

9. Lavado de la pulpa: la pulpa es lavada con agua caliente para eliminar los residuos

de hipoclorito, esta operación se puede facilitar con la ayuda de un costal. 10. Segundo blanqueo: este paso no siempre es requerido, de serlo, se prepara una

solución de hipoclorito de calcio o ácido oxálico al 10% (peso) en caliente. Se deja reaccionar durante un tiempo prudencial con buena agitación.

11. Lavado de la pulpa: nuevamente se lava la pulpa con agua caliente. Después de los

blanqueos se le determina a la pulpa la humedad y el porcentaje de celulosa. 12. Homogeneización de la pulpa: utilizando la licuadora se reduce el tamaño de las

fibras homogenizando la dispersión. 13. Dilución de la pulpa: utilizando una artesa, se diluye parte de la pulpa hasta una

concentración aproximada del 1%. 14. Dilución de los aditivos: los aditivos se escogen de acuerdo a las características del

papel deseado, como mínimo se deben obtener dos tipos de papel. La cantidad de aditivo debe ser aproximadamente del 10% (peso) referida a la pulpa.

15. Laminación: para formar las hojas de papel se utiliza un marco de madera con una

malla fina, para una mejor laminación la dispersión debe estar lo más homogénea posible. Hay que esperar que el agua drene a través de la malla y luego que la hoja se seque hasta el punto de poder retirarla del marco. Para acelerar el secado de la hoja de papel puede utilizarse una plancha una vez se haya separado del marco.

FORMATO PARA LA TOMA DE DATOS Antes de la digestión - Peso del recuso fibroso a utilizar: - Porcentaje de humedad de la materia prima: - Porcentaje de celulosa de la materia prima: - Peso de cada reactivo de digestión: Después de la digestión - Peso del licor negro: - Peso de la pulpa café: - Humedad de la pulpa café: - Porcentaje de celulosa de la pulpa café:



Después del proceso de blanqueo - Humedad de la pulpa: - Contenido de celulosa: Aditivos - Aditivos utilizados: - Peso de cada aditivo: En el siguiente cuadro se muestran las variables a las cuales hay que realizarle seguimiento cada 15 min.

Cuadro 11.1. Formato para seguimiento de variables

Tiempo (min) Psistema (psig) Tsistema

(ºC) Pin vapor (psig)

Tcondensado (ºC)

Mcondensado (kg)



BIBLIOGRAFÍA

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3. GUTIERREZ, M. PROPAL Productora de Papeles S.A. Manufactura del Papel. Enero 1998. Carta Técnica Nº 39.

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11. GUTIERREZ, M. (PROPAL Productora de Papeles S.A.). Manufactura del Papel. Carta Técnica Nº 39.1998.

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13. LIBBY, C. E. Ciencia y Tecnología sobre Pulpa y Papel. Tomo 2. Editorial Continental S.A.


Práctica 12 PRODUCCIÓN DE ACETATO DE

ETILO POR ESTERIFICACIÓN DE FISHER 12.1 OBJETIVOS DE LA PRÁCTICA General Producir acetato de etilo a partir de la esterificación de Fisher Específicos 1. Estudiar los conceptos básicos del proceso de esterificación 2. Establecer las características fisicoquímicas principales que identifican un producto de

buena calidad. 3. Realizar y analizar el avance de la reacción química 4. Utilizar estudios termodinámicos como criterios en la selección de condiciones de

operación. 5. Realizar balances de materia y energía en un reactor-separador en serie 6. Determinar la constante de equilibrio de los resultados obtenidos de las mediciones en

el reactor-separador. 7. Evaluar el funcionamiento del sistema de control automático


Generalidades Los ésteres son compuestos orgánicos conocidos desde hace mucho tiempo. La mayoría de éstos constituyen una parte importante en la naturaleza ya que sus agradables olores y sabores se encuentran muy difundidos en todas las frutas y flores. La presentación de la mayoría de los ésteres naturales es líquida debido a que son compuestos de bajo peso molecular. Los ésteres derivados de alcoholes monooxhidrílicos son característicos de los naturales, como el acetato de amilo (olor a plátano), el butirato de amilo (olor a durazno) y el acetato de etilo (olor a piña), entre otros como las grasas, aceites y ceras que son de cadenas más largas [4]. Los ésteres se pueden sintetizar en el laboratorio, combinando un ácido carboxílico y un alcohol por medio de un proceso llamado esterificación. Existen muchas razones que justifican la preferencia de usar los ésteres artificiales a los naturales, debido a que los saborizantes naturales contienen otras sustancias que encubren su sabor original cuando se calientan, lo cual los hacen menos apropiados para

Oscar Andrés Prado


productos que deban ser sometidos a temperaturas un poco elevadas. También se tiene que los saborizantes naturales son más susceptibles a descomponerse en largos periodos de tiempo, pero los ésteres artificiales no siempre tienen el aroma y sabor idéntico al natural, ya que las frutas y flores de donde proceden contiene un conjunto de sustancias naturales que los hacen irreproducibles. La esterificación es una reacción que se lleva a cabo de forma lenta, necesitando de amplios rangos de tiempo para alcanzar rendimientos máximos con respecto al éster, esto es debido a que es una reacción de equilibrio. El agua como coproducto de la esterificación hace que la reacción llegue a su punto de equilibrio con la reacción inversa de hidrólisis [1]. Para lograr mayores rendimientos en el producto deseado se encuentran diversas formas y modificaciones que hacen mejorar la reacción. Por ejemplo incrementar la concentración de uno de los reactivos, aumentar la temperatura de sistema, retirar el producto a medida que se produce y/o hacer uso de catalizadores, todo con el fin de aplicar el principio de LeChatelier donde se hace desplazar el equilibrio hacia una mayor formación del éster. La forma común de obtener un mayor rendimiento de la reacción es modificando el equilibrio por la remoción de uno de los productos formados, dividiéndose en [3]:

Ésteres de alta volatilidad (acetato de metilo, formiatos de metilo y etilo), donde el punto de ebullición del éster es menor que los reactivo, por lo tanto se puede remover rápidamente del sistema reaccionante.

Ésteres de volatilidad media (formiatos de propilo, butilo y amilo, acetato de etilo,

propilo, butilo y alilo), donde el agua puede ser removida por destilación, aunque en algunos casos se forman mezclas ternarias de alcohol, éster y agua.

Ésteres de baja volatilidad (ésteres de alcohol butílico y amílico), en este caso el agua

es removida con una mezcla binaria con el alcohol. Mediante estudios se ha encontrado que la velocidad y el rendimiento de las esterificaciones dependen de la estructura del ácido y el alcohol que lo componen, teniendo que los alcoholes primarios se esterifican más fácilmente que los secundarios y éstos mejor que los terciarios. Procesos de obtención de acetato de etilo Este tipo de producto presenta una gran variedad de rutas para llevar a cabo el proceso, entre los más relevantes se encuentran: 1. Esterificación directa de etanol con ácido acético: con esta clase de proceso se

encuentran tres formas diferentes para la obtención del mismo producto.

− Reacción en fase líquida con catalizador liquido. Por lo general el catalizador usado es ácido sulfúrico, ácido fosfórico, ácido sulfónico o ácido p-toluensulfónico. La desventaja de usar este tipo de sustancias es el alto grado de corrosión que genera en los reactores.


Producción de Acetato de Etilo por Esterificación de Fisher

− Reacción en fase líquida con catalizador sólido. Los catalizadores que se usan, son las resinas de intercambio catiónico, ya que las de intercambio iónico presentan debilidad en la transferencia de calor que provoca una disminución en la actividad catalítica [9].

− Reacción en fase de vapor con catalizadores heteropoliácidos (generalmente

inorgánicos). Los catalizadores de este género presentan muy buenas características en cuanto la reacción, pero tienen la desventaja de requerir reactores relativamente grandes además de generar en algunos casos reacciones secundarias debido a las altas temperaturas de operación. Otra clase de reacción que maneja la producción de acetato de etilo es a partir de la oxidación del etanol, también en fase de vapor. El estudio reportado por GÓMEZ y CARBALLO [7], hace referencia a este tipo de ruta, donde realizan la evaluación de diferentes catalizadores y la cinética de la reacción.

2. Esterificación directa de etileno y ácido acético en fase de vapor: esta reacción

se puede llevar a cabo con diferentes catalizadores, entre algunos están las resinas de intercambio iónico, sales de cesio, álcalis o hierro del ácido tungstofosfórico.

3. Otros procesos: las siguientes rutas son menos conocidas pero son las técnicas más

modernas. Entre ellas están:

− La deshidrogenación catalítica del etanol, donde se produce acetato de etilo e hidrógeno. El producto deseado se purifica retirando inicialmente la mayor cantidad de hidrógeno posible y luego se pasa por una serie de columnas de destilación [8].

− Los procesos que incorporan columnas de destilación reactiva catalítica. Estos se han incrementado año tras año, por sus cualidades en cuanto la selectividad que se obtiene del producto. Además el sistema manejado representa un reto para la simulación de los modelos termodinámicos [10].

Esterificación de Fisher para la producción de acetato de etilo La esterificación del ácido acético con etanol es una reacción ampliamente estudiada desde el tiempo de Berthelot y St. Gilles quienes primero determinaron la constante de equilibrio para la reacción. Esta ruta se desarrolla de forma directa usando un ácido carboxílico (ácido acético) y un alcohol (alcohol etílico) en presencia de un ácido mineral como catalizador. La reacción efectúa una deshidratación intermolecular para generar el éster (acetato de etilo), llevándose a cabo los siguientes esquemas. Esquema general para la esterificación:

RCOOH R'OH RCOOR' H O2+ ++

H

Esquema para la producción de acetato de etilo:



Expresión de velocidad de reacción. Las cinéticas reportadas en la bibliografía no son muy numerosas, pero han sido utilizados por muchos autores quienes las referencian en sus artículos de simulación y otros. La expresión de velocidad propuesta por ALEJSKI [6], para la reacción catalizada con ácido sulfúrico esta dada por:

C

DCBA k

CCkCCkr 1

1 −= (12.3)

TeCk6500

1 )018815.0105.4(−

+⋅= (12.4)

TkC ⋅−= 12.0558.7 (12.5) Donde

iC : concentración del componente i (A, B, C O D) [mol / m3] T : temperatura del sistema [K] r : velocidad de reacción [mol / m3.s] Modelos termodinámicos En la fase líquida se presenta, para el sistema acetato, etanol, ácido y agua, una comparación de diferentes modelos termodinámicos como; NRTL, UNIQUAC, UNIFAC (DORTMUND), UNIFAC (LYNGBY) y el modelo de SUZUKI destacado por hacer una mejor representación del sistema [11], [12]. Equilibrio químico Como todo sistema en equilibrio, la reacción es regida por la ecuación de Van’t Hoff que relaciona el efecto de la temperatura sobre la constante de equilibrio.

2RTH

dT)K(lnd °

=∆ (12.6)

De acuerdo a los datos reportados en toda la bibliografía, se sabe que el sistema manejado es endotérmico, por lo tanto la conversión puede mejorarse con el aumento de la temperatura, teniendo en cuenta que estará limitada por el punto de ebullición del alcohol o del ácido si el reactor opera en condiciones atmosféricas.



Para la constante de equilibrio de este sistema en fase líquida, se han generado algunas expresiones empíricas reportadas por ALEJSKI [6]. Expresión sin dependencia de la temperatura (ecuación 12.7).

9431.32

1 =kk

(12.7)

Expresión con dependencia de la temperatura (ecuación 12.5).




Figura 12.1. Diagrama del reactor multipropósito




Ácido acético glacial Etanol 96ºGL Ácido sulfúrico concentrado. Soluciones de NaOH (ANEXO AC)

Equipos

Reactor multipropósito Equipo de titulación

PROCEDIMIENTO

Para mejor comprensión de los pasos a seguir, ver el esquema del reactor multipropósito que se encuentra en la figura 12.1. El diagrama de bloques para el proceso de esterificación se muestra en la figura 12.2. 1. Reconocimiento y verificación del equipo: identificar la ubicación de las válvulas

tanto en el equipo como en el tablero de control. Además, revisar que el equipo se encuentre limpio, en caso de no estarlo proceder a su limpieza.

2. Encender el panel de control: se realiza directamente del interruptor principal 3. Verificación de las válvulas manuales: para iniciar la práctica las válvulas del fondo

del reactor, el fondo de la columna y del fondo de los vasos separadores deben estar cerradas.

4. Verificación de la presión en la línea de aire: este aire va conectado a los

conversores I/P que manejan una presión entre 3psi y 15 psi. 5. Verificación de las válvulas automáticas: desde el panel de control verificar que las

válvulas solenoides VS1, VS3, VS4 y VS5 estén cerradas. Estas válvulas están ubicadas en la línea de flujo que conecta el tanque de alimentación con el reactor, el reactor con la torre de destilación, el reflujo proveniente de la torre de destilación con el reactor y el vapor vivo de caldera directamente con el reactor, respectivamente. Esto se hace para asegurar que el reactor se aísle completamente mientras este se carga.

6. Carga del etanol al reactor: se abre la válvula manual de alimentación al reactor.

Con un embudo y con las normas de seguridad apropiadas, realizar la carga del etanol. Para esto, se debe disponer previamente del material y reactivos necesarios. Cerrar la válvula de alimentación y encender desde el panel de control la perilla manual del agitador.



Reconocimiento y verificación del equipo

Encender el panel de control

Verificación de lalínea de aire

Verificación de lasválvulas manuales

Verificación de lasválvulas automáticas

Carga del etanol

Calentamiento del reactor

Purga y recolección del condensado

Carga del ácido acético y sulfúrico al reactor

Seguimiento de variables durante la reacción

Separación

Configurar el reflujoal reactor

Configurar el reflujoa la columna

Seguimiento de variables durante la separación

Recolección del producto

Cerrar las válvulas

Purga del condensado

Almacenamiento del producto

Disposición del residuo del reactor

Finalización de la práctica

Lavar el equipo

Apagar el panel de control

Figura 12.2. Diagrama de bloques para el proceso de esterificación



7. Calentamiento del reactor: abrir la válvula solenoide VS2 para permitir el paso del vapor vivo de caldera a la chaqueta del reactor. Tener en cuenta que las líneas de vapor deben ser purgadas con anterioridad. Conectar la línea de vapor al equipo (acople rápido) e iniciar la apertura de la válvula manual que alimenta el vapor. Con la ayuda del juego de válvulas de la tubería de vapor, el manómetro de presión y el regulador de presión, suministrar vapor a 4 psig.

8. Purga y recolección del condensado: abrir la válvula manual del by-pass de la

válvula de control neumática para permitir la salida de los condensados retenidos en las líneas de vapor. Purgada la manguera, cerrar el by pass de la válvula de control. Luego de la purga de condensados, introducir la manguera de condensado, de la chaqueta del reactor, en una caneca de recolección y llevar el conjunto a una balanza. En el microcontrolador de temperatura del reactor (tablero principal*) se fija la temperatura de referencia (en este caso 65ºC y con los parámetros de sintonización por defecto) y se pasa de control manual a control automático.

9. Carga del ácido acético y el ácido sulfúrico: cuando se alcance y regule la

temperatura, adicionar el ácido acético glacial y el H2SO4 (teniendo las precauciones de seguridad: guantes, respirador y casco) lo más rápido posible. Incrementar la temperatura a 70ºC (cambio en el set point del microcontrolador), sacar unos 200 o 300 ml de mezcla reaccionante del fondo del reactor y reinyectarlos al mismo. Poner en marcha el cronómetro y tomar la muestra de tiempo cero.

10. Seguimiento de variables durante la reacción: realizar la toma de datos de acuerdo

a los cuadros 12.2, 12.3 y 12.4. La toma de las muestras se realiza en tubos de ensayo previamente lavados, secos y rotulados; cada muestra es de aproximadamente 2 ml que se extraen por la parte inferior del reactor con la ayuda de un embudo. Para este paso debe garantizarse la seguridad del estudiante (guantes, gafas y mascara). El muestreo se hará cada minuto durante los primeros 5 min, luego cada 2 min durante los siguientes 15 min y finalmente cada 5 min. El análisis de las muestras se realiza de dos formas diferentes, por valoración volumétrica y por cromatografía de gases. Por lo tanto, la muestra recolectada debe dividirse en dos alícuotas (0.5 ml para análisis cromatográfico y 1.5 ml para análisis volumétrico). Para detener el avance de la reacción, las muestras deben refrigerarse en el menor tiempo posible, para esto se dispone de una nevera de icopor que contiene en su interior una gradilla para mantener los tubos de ensayo en posición vertical y alrededor hielo con sal. Una vez alcanzado el equilibrio aumentar la temperatura del reactor de cinco en cinco grados hasta 90ºC. Abrir la válvula manual de la línea de agua de enfriamiento. Abrir la válvula solenoide VS3 para permitir el paso de los vapores formados en el reactor a la columna de destilación.

11. Separación: para el reflujo del reactor, cerrar la válvula manual del by-pass y abrir la

válvula solenoide VS4 para permitir el paso del reflujo de la torre de destilación al reactor, y poderla operar desde el tablero principal de control. Verificar que la válvula



manual de la línea de alivio del vaso separador esté abierta para purgar el aire que se encuentra en la columna.

12. Reflujo de la columna: cerrar la válvula manual de la línea que purga el reflujo a la

columna, ajustar las válvulas manuales para que el reflujo pase a través del rotámetro y abrir completamente la válvula de control VC29 para permitir el paso de flujo proveniente del vaso separador desde el microcontrolador y así permitir reflujo completo. Vigilar la temperatura de cima de la columna y cuando se presente un cambio brusco en la temperatura, abrir las válvulas solenoides VS26 y VS30 para permitir el paso del agua de enfriamiento y así, evitar un sobrecalentamiento. Cerrar la válvula manual de la línea de alivio del vaso separador.

13. Seguimiento de variable durante la separación: una vez la torre de separación esté

en funcionamiento, además de los datos tomados para el reactor, medir las temperaturas del condensador en el selector de temperaturas así:

Botón 6 - Salida del vapor condensado de la torre (T12) Botón 4 - Entrada del vapor de la torre (T11) Botón 3 - Entrada agua de enfriamiento (TI3) Botón 5 - Salida agua de enfriamiento (TI4) Botón 1 - Vapores formados dentro del reactor (T08) Botón 2 - Temperatura de cima de la torre (TI0)

14. Recolección del producto: abrir las válvulas VS27 y VS33 para recoger el producto

en el vaso recolector # 9. Para cada uno de los cortes de destilación, medir la cantidad de producto obtenido, retirarlo del tanque de almacenamiento y verificar su pureza (por medio de refractometría).

Cuando se acabe el proceso: 15. Cerrar las válvulas: para evitar el paso de vapor vivo de caldera al reactor y permitir

que el equipo se enfríe, se cierra la válvula VS2 y la válvula manual de alimentación de vapor.

16. Purga de condensado: purgar manualmente el condensado retenido en la línea

colocando las mangueras de vapor vivo de caldera y de condensado en el desagüe. 17. Almacenamiento del producto: el acetato de etilo se envasa en un recipiente de

vidrio con tapa y se entrega al responsable del laboratorio. 18. Disposición de residuo del reactor: detener la agitación con el botón rojo de paro en

el tablero general y con cuidado se almacena el residuo en un recipiente de vidrio con tapa. Entregar al responsable del laboratorio.

19. Finalización de la práctica: esperar a que no haya más formación de condensado

para cerrar el flujo de fluido de servicio mediante las válvulas solenoides VS30 y VS26 y evitar que se desperdicie agua.



20. Lavar el equipo: esta tarea debe ser dirigida por la persona responsable de la práctica, con la ayuda de varios estudiantes.

21. Apagar el panel de control FORMATO PARA LA TOMA DE DATOS

Cuadro 12.1. Datos iniciales de los reactivos

Reactivos Cantidad (ml) Pureza Densidad IR* Etanol Ácido acético H2SO4

* Índice de refracción

Cuadro 12.2. Datos a reportar durante la etapa de reacción

Tiempo (min)

Pv (psig)

Tcond. (ºC)

Treactor (ºC)

Preactor (psi)

T1(ºC)

T2(ºC)

T3(ºC)

T4(ºC)

T5(ºC)

T6(ºC)

mcond. (kg)

0 1 2 3 4 6 8

11 14 17 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80

T1 = Temperatura de los gases del reactor T2 = Temperatura de cima T3 = Temperatura de salida del agua de enfriamiento T4 = Temperatura de entrada al condensador T5 = Temperatura de la alimentación del agua de enfriamiento T6 = Temperatura de salida de condensador Pv = Presión del vapor vivo de caldera



Cuadro 12.3. Datos de titulación para el seguimiento de la reacción

Tiempo (min)

Volumen de NaOH gastado (ml)

Concentración del NaOH (N)

Concentración de ácido acético (N)

1 2 3 4 5 7 9

11 13 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80

Cuadro 12.4. Caudal del agua de servicio

Tiempo

(min) Tiempo

(seg) Volumen

(ml) Caudal

(m3/seg) Caudal

Promedio 1 2 3 4 5 7 9

11 13 15 20 25 30 35 40



45 50 55 60 65 70 75 80

Cuadro 12.5. Datos del producto final

Productos Cantidad (ml) Densidad IR Acetato de etilo

Agua

Cuadro 12.6. Datos de cromatografía para el seguimiento de la reacción

Composición másica Tiempo

(min) Etanol Ácido acético Acetato de etilo Agua 1 2 3 4 5 7 9

11 13 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 80



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Práctica 13 CURTIDO DE PIELES


Objetivo General Obtener cuero utilizando el curtido de pieles de animales Objetivos Específicos 1. Evaluar cualitativamente el estado de la piel 2. Valorar la piel durante cada etapa del proceso 3. Realizar el balance de materia global sobre la piel 4. Describir las propiedades del cuero obtenido 13.2 MARCO CONCEPTUAL Reseña histórica El curtido de las pieles es uno de los oficios más antiguos de la humanidad y tuvo origen cuando el hombre primitivo se dio cuenta que los animales ofrecían algo más que alimento; desde entonces empezaron a utilizar las pieles de los grandes mamíferos como prendas de abrigo que los protegían de las condiciones climáticas. Empero, si no se aplicaba algún tratamiento, las pieles empezaban a deteriorarse con rapidez, a descomponerse y a desprender malos olores [1]. Así pues, por obra del azar, y de sencillos mecanismos de tanteo, el hombre primitivo aprendió lentamente algunas técnicas para preservar durante cierto tiempo las pieles de los animales. Algunas de las técnicas usadas para el curtido de las pieles a través de la historia son las siguientes: 1. Curado por salazón: este fue uno de los primeros tratamientos que surgió, gracias a

los asentamientos establecidos cerca del mar, donde las pieles que habían sido abandonadas sobre la playa, presentaban endurecimiento y no mostraban indicios de descomposición después de varios días.

2. Curado por secado: esta clase de tratamiento se debe a la exposición directa de las pieles con el aire, que tras el secado natural mostraron una mayor resistencia.

Oscar Andrés Prado


3. Curado por ahumado: este se dio durante las ceremonias que se realizaba en presencia del fuego, descubriendo así que el humo ayudaba a preservaba las pieles [2].

4. Curtido vegetal o natural: este proceso surgió cuando las pieles se dejaban varias semanas en contacto directo con la corteza de los árboles, o si se sumergían en aguas pantanosas; este hecho hacía que las pieles adquirieran una mayor consistencia y al mismo tiempo fueran más maleables. El milagro aparente obedecía en realidad a la acción de una sustancia natural, el tanino, cuya fermentación da lugar a un fenómeno químico caracterizado por la destrucción de la queratina de la epidermis y la caída de los pelos de la piel. En síntesis, el tanino origina el curtido de la piel y su transformación en cuero [2].

Durante la Edad Media, las curtiembres se organizaron de forma estratégica, ubicándose en áreas específicas, donde las materias primas (pieles y acceso al agua) abundaban. Durante muchos siglos no se produjeron demasiados cambios en los procesos de transformación de la piel, sin embargo, los avances en la química del siglo XIX resultaron vitales para el desarrollo de esta industria, especialmente el curtido con cromo, el uso de enzimas y muchos otros productos. En un primer momento, la ciencia del curtido de la piel tuvo un carácter accidental, pero en la actualidad, la investigación y el desarrollo constituyen de forma importante en el crecimiento de esta actividad, al mismo tiempo busca minimizar el impacto sobre el medio ambiente incorporando tecnologías limpias e innovadoras que aporten soluciones a los desafíos ecológicos, estéticos, de seguridad y rendimiento de gran complejidad [1]. Generalidades La palabra piel viene del latín pellis, y su definición más común es: "capa de tejido resistente y flexible que recubre el cuerpo de los animales". Por otra parte la definición de la palabra cuero, del latín curium, es: "piel de los animales que es sometida al proceso de curtición” [2]. El curtido es un proceso que pretende estabilizar las propiedades de la piel del animal sin que sufra cambios naturales de descomposición y putrefacción. La técnica y el proceso del curtido varía según el uso o destino de los cueros haciéndolos más o menos impermeables, rígidos, blandos, etc. [3]. El curtido mantiene las propiedades más deseadas de la piel: resistencia al desgaste, a la humedad, flexibilidad y aspecto exterior agradable al tacto y a la vista. La piel tratada por curtición rara vez produce intolerancias de tipo alérgico. De ocurrir estas alergias suele ser a causa de los tintes que se usan en las pieles ya curtidas. El proceso de curtido se inicia limpiando la piel y eliminando la "carnaza". La piel extraída del animal se lava, se hierve y se pasa por sustancias alcalinas (cal) para eliminar los pelos, la grasa y las glándulas anexas. Posteriormente, se neutraliza el exceso de álcali y comienza entonces el curtido propiamente dicho. Con ella se desnaturalizan las proteínas de la piel (albúminas) y se dota de mayor consistencia.


Curtido de Pieles

En la actualidad las pieles, generalmente de origen vacuno o caprino, se utilizan para la fabricación de calzado y otros productos [4]. Características de la piel [5], [6] La piel es el revestimiento de los animales superiores que se constituye de una sustancia heterogénea formada por varias capas y generalmente se encuentra cubierta de pelos o lana. La piel refleja muchas características importantes y específicas del animal tales como: edad, sexo, dieta, medio ambiente y estado de salud. Se debe tener en cuenta que dentro de una misma especie, todas las pieles no tienen estructuras idénticas y pueden presentar diferencias por múltiples factores como raza, región de procedencia, condiciones de crianza del animal. Sin embargo, a pesar de las diferencias, la estructura de la piel es fundamentalmente similar para los bovinos, ovinos y equinos. La piel es la materia prima fundamental en la fabricación del cuero, puede tener un espesor entre 5 - 10 mm [10]. Presenta aspectos diferentes en sus caras, la parte externa o “lado flor” está cubierta de pelos o lana y es utilizada para la fabricación de cueros finos, y la parte interna o “lado carne” recibe el nombre de carnaza y es utilizada para fabricar cuero de menor calidad o distribuido como materia prima de otros procesos. Dentro de la clasificación de las pieles para curtir existen tres grandes zonas (ver figura 13.1) utilizadas en el proceso, que se caracterizan por el espesor y las propiedades presentes en cada una de ellas.

Figura 13.1. División superficie de la piel [5] La piel está constituida por tres capas sucesivas, que van desde la superficie hasta la más profunda (figura 13.2): 1. Epidermis (lado del pelo): es la parte más superficial o externa de la piel y sirve de

revestimiento. Aproximadamente representa el 1% del espesor total de la piel en bruto. Durante la fabricación del cuero se elimina en la operación de pelambre.



2. Dermis o corium: es la parte primordial para el curtidor porque es la que se transforma en cuero. Representa aproximadamente un 85% del espesor de la piel en bruto. En términos comerciales la dermis es denominada como piel en tripa y en la curtición como flor. Se encuentra situada inmediatamente por debajo de la epidermis y está separada de ella por la membrana hialina. La dermis presenta 2 regiones, funcional y metabólicamente distintas: dermis papilar y dermis reticular. Una capa papilar con fibras elásticas, vasos sanguíneos, terminaciones nerviosas

y fibras de colágeno final, orientadas preferentemente según un eje perpendicular. Una capa reticular con células conjuntivas y fibras de colágeno oblicuas y más

gruesas que las de la capa anterior.

Figura 13.2. Estructura de la piel [10]

3. Tejido subcutáneo o endodermis (lado de la carne): constituye aproximadamente

el 15% del espesor total de la piel en bruta y se elimina durante la operación de descarnado. Es la parte de la piel que asegura la unión con el cuerpo del animal. Es un tejido constituido por grandes lóbulos de tejido graso limitados por tabiques de fibras colágenas delgadas y escasas fibras elásticas.

Presentación de las pieles empleadas en el curtido [10] Debido a que la piel recién separada del animal entra rápidamente en putrefacción, se hace necesario utilizar alguna de las técnicas de conservación para poder facilitar el transporte de las pieles a las curtiembres; es así, que para el curtido se pueden adquirir las pieles en diversas formas:


Curtido de Pieles

a. Pieles verdes o frescas: son las separadas recientemente del animal y solo son sometidas a un lavado para limpiarlas.

b. Pieles saladas frescas: son pieles saladas por el lado de la carne y permanecen apiladas por un cierto tiempo.

c. Pieles saladas y desecadas: son pieles que después de la saladura se extienden al sol por un periodo adecuado.

d. Pieles secas: son pieles que estuvieron expuestas a la acción combinada del sol y el viento presentando ciertas deficiencias, por eso es más recomendable realizar el secado a temperaturas bajas y con buena circulación de aire.

Características del Cuero: un cuero curtido debe cumplir las siguientes condiciones: a) Resistencia hidrotérmica: es decir, el cuero debe soportar en una temperatura mayor

que el colágeno crudo, utilizando agua en ebullición. b) El colágeno curtido en condiciones húmedas, debe resistir el ataque de las enzimas. c) Debe tener una estabilidad química tal, que los cueros no sufran deterioro bajo

condiciones de uso o almacenamiento. d) Debe retener las propiedades físicas de la estructura fibrosa de la piel natural

Clases de curtidos En términos generales, la curtición se puede dividir según el tipo de sustancia curtiente. De acuerdo a ello se hace la siguiente división:

Tabla 13.1. Tipos de curtidos [8]

Curtición con productos inorgánicos

Sales de Cromo Sales de Aluminio Sales de Hierro Sales de Circonio Sílice Polifosfatos

Curtición con productos orgánicos

Curtientes vegetales Curtientes sintéticos Derivados lingosulfónicos

Otros curtientes orgánicos

Aldehídos Parafinas sulfocloradas Resinas Aceites

Curtición al cromo: este método presenta más ventajas en cuanto a producción que

las otras técnicas de curtición, pues se obtienen productos de alta calidad con producciones a costos racionales y se pueden lograr mejores acabados. Las sales más importantes en la industria del curtido de pieles son el alumbre básico de cromo y el sulfato básico de pieles de cromo, que se combinan con otras sustancias para formar los líquidos curtientes o licores de cromo.



El curtido de pieles con sales de cromo representa el 80% de la producción total de cueros en el mundo. Teniendo en cuenta que hay artículos que deben ir libres de cromo, por lo tanto se deben utilizar otras técnicas de curtición para lograr el producto deseado [8].

Curtición al aluminio: las pieles curtidas con estas sales presentan un color blanco

opaco y se obtiene un producto suave al tacto, se emplean en la producción de pieles con pelo o pieles de reptiles. Sin embargo, dada su inestabilidad, la aplicación se realiza en combinación con otras sustancias curtientes como extractos vegetales, sales de cromo, aldehídos, etc.

Curtición al circonio: los curtientes de circonio son incoloros y posibilitan la

fabricación de cuero blando, con buena resistencia a la luz y al lavado. Por estas características los cueros obtenidos con esta técnica facilitan el teñido con colorantes iónicos en tonos especialmente limpios y brillantes, resistentes al envejecimiento.

Curtición con polifosfatos: la utilización de polifosfatos se debe a que a pH bajos se

forman ácidos polifosfóricos que tienen poder curtiente. Se utilizan con el fin de conseguir pieles de flor fina, compactas, cerradas y algo duras, con la capacidad de recibir altas cantidades de productos recurtientes vegetales, sintéticos, resinas, etc.; sin que ello afecte su finura.

Curtición al azufre: la utilización del azufre no es propiamente una técnica de

curtición sino que es un producto como otros, que se impregnan en la piel para que se incorporen en ella y conserven mejor el cuero. Esta práctica se desarrolla en el proceso de piquelado donde el azufre de forma coloidal se deposita entre las fibras del cuero, dándole características diferentes de elasticidad y tenacidad.

Curtición vegetal: esta técnica de curtido fue la principal en la producción de cueros

hasta que se inició la industria del curtido al cromo. El componente fundamental de los extractos curtientes es el tanino que es capaz de transformar las pieles en cuero. Los taninos son compuestos polifenólicos de gran complejidad que pueden tener composiciones y estructuras muy diferentes dependiendo de su procedencia.

Curtición sintética: la técnica es la misma utilizada en curtición vegetal, la diferencia

radica en que se usan taninos sintéticos de molécula más pequeña que penetran más y con mayor rapidez, a diferencia de los taninos naturales que están formados por coloides de estructura más grande. Los taninos sintéticos son más utilizados como precurtientes, porque abren el camino y favorecen la penetración de los compuestos curtientes.

Curtición con aldehídos: los cueros tratados con aldehídos son más resistentes a los

álcalis y tienen una menor afinidad por los colorantes y grasas aniónicas que las pieles curtidas al cromo. Generalmente, los compuestos utilizados son el formaldehído, el glutardialdehído y el almidón dialdehído.

Curtición con resina: se entiende por curtición con resinas cuando se aplican a la

piel compuestos sintéticos de moléculas grandes. Algunas veces se incorporan a la piel los monómeros y luego se polimerizan. El objetivo primordial es aumentar la


Curtido de Pieles

plenitud y firmeza del cuero. Los agentes curtientes de resina tienen la ventaja de ser incoloros y estables a la luz y se pueden aplicar para una gran variedad de cueros. Sin embargo, su uso no está muy difundido.

Curtición al aceite: la curtición al aceite es el sistema más antiguo de transformar la

piel en cuero. Aquellas pieles curtidas al aceite son las que reciben el nombre genérico de gamuzas y son cueros livianos, suaves, permeables al agua y resistentes al lavado con jabón. El principal uso de estas gamuzas es para limpieza de cristales porque pueden llegar a absorber hasta 6 veces su peso en agua y después liberar la mayor parte por escurrido. Los agentes curtientes utilizados para esta técnica son los aceites de pescado (grasas insaturadas).

El curtido se produce por el contacto con el aire que ejerce una acción oxidante sobre el aceite de pescado y durante el proceso se produce una polimerización del aceite que se caracteriza por la liberación de calor y disminución del índice de yodo. La piel toma un color amarillo pardusco típico de la curtición al aceite.

Proceso para el curtido de pieles [4] 1. Recepción y clasificación de las pieles: las pieles se clasifican por peso, grosor y

defectos en la flor. Generalmente se agrupan por defectos que existen en los animales que se produjeron durante su vida y defectos causados en un mal desuello o mala conservación de la piel [10].

2. Ribera: es una serie de operaciones que se deben realizar antes del curtido [9].

a) Se efectúa un lavado para eliminar la sal, la tierra, la sangre, el estiércol, etc., que estén adheridas al cuero.

b) El remojo o reverdecimiento de las pieles secas es para retornarle la humedad a la piel y que se tornen de nuevo flácidas. Este paso dura entre 24h y 48h a una temperatura entre 18ºC y 22ºC. Es conveniente que al agua utilizada se le adicione ácido o álcalis como ayudantes de la operación.

c) El pelambre y encalado son para destruir o ablandar la epidermis y provocar la caída del pelo, para esta operación se utiliza una solución de cal apagada y sulfuro de sodio. Se reporta también el uso de sulfhidrato de sodio y aminas como productos depilantes e hidróxido de sodio y cloruro cálcico como productos encalantes [11].

d) El pelado consiste en quitarle el pelo a la piel, esta operación se puede hacer manualmente o con una máquina especial.

3. Descarnado: la piel generalmente queda con trozos de carne (músculos) y/o tejido

adiposo que deben ser eliminados. Esta operación se realiza manualmente o con una máquina descarnadora que elimina todo el tejido subcutáneo.

4. Desencalado: las bases adicionadas en la operación de encalado deben ser

eliminadas inicialmente por medio de lavados y luego se hace químicamente mediante el empleo de ácidos (clorhídrico, acético o láctico), de sales amoniacales (sulfato de amonio o cloruro de amonio), o de sales ácidas (bisulfito de sodio). La operación de



lleva a cabo a 32ºC y el tiempo del tratamiento es generalmente de 30 min. pero depende del espesor de la piel [10]. El objeto de este proceso es:

a) Eliminar la cal adherida o absorbida por la piel en sus partes exteriores b) Eliminar la cal de los espacios interfibriales c) Eliminar en algunos casos la cal combinada con el colágeno d) Deshinchar la piel dándole morbidez e) Ajustar en 8 el pH de la piel para la realización del proceso de purga enzimática

5. Purga enzimática: es el proceso donde las pieles son tratadas con enzimas pancreáticas en solución amoniacal, con este tratamiento se promueve el aflojamiento de las fibras de colágeno, deshinchamiento de las pieles y disocia una gran parte de las grasas naturales [11].

6. Piquelado: consiste en acidificar la piel, tratándose primero con un baño de agua y sal

(cloruro de sodio o sulfato de sodio) para prevenir la hidratación de la piel, con una adición posterior del ácido mineral (ácido sulfúrico, fórmico o clorhídrico).

La razón por la cual se píquela es efectuar un ajuste del pH, pues en la purga se trabaja con un valor de 8 y para curtir se debe llegar de 2.8 a 3.5, para que el agente curtiente tenga una mejor reacción con las fibras de colágeno [9].

7. Precurtición y curtido: una vez piqueladas las pieles se puede vaciar la mitad del baño y curtir sobre él o realizar la operación en un baño nuevo. La curtición consiste en la estabilización de la proteína de la piel por el tratamiento con un agente curtiente. La reacción química irreversible con el colágeno produce reticulación, es decir, uniones transversales entre cadenas peptídicas vecinas, siempre cuando se den las condiciones de penetración que se derivan del tamaño molecular y capacidad difusora en medio acuoso1.

8. Escurrido: al salir de los tambores o recipientes de curtido2, los cueros se pasan por

prensas o máquinas de escurrir, para eliminar parte de la humedad antes de ir al secado y acabado [10].

9. Rebajado: esta operación permite igualar el espesor de los cueros, por medio de una

máquina especializada. 10. Recurtido: el recutido puede realizarse en este punto u omitirla del proceso,

generalmente se realiza para obtener unas mejores características del producto final como firmeza de la flor, tacto suave y mayor resistencia entre otras cualidades.

La recurtición puede efectuarse con los mismos u otros agentes curtientes, teniendo en cuenta que si se realiza con sales de cromo, se puede efectuar antes de la neutralización o si se efectúa con taninos sintéticos o naturales, se realiza luego del neutralizado y en un baño nuevo.

1 En esta operación se efectúa cualquiera de las clases de curtición mencionadas en páginas anteriores. 2 El cuero en este punto es llamado wet-blue, cuando la curtición se realiza al cromo.


Curtido de Pieles

11. Neutralizado: el neutralizado consiste en tratar el cuero con formiato de calcio y bicarbonato de sodio durante un tiempo determinado, con el objeto de reducir la acidez del cuero y estabilizar el cambio que se genera sobre el complejo cromo-colágeno, modificando del puente isoeléctrico del colágeno.

Esta operación se realiza a unos 30ºC y durante 30 min. Posteriormente se vuelven a lavar los cueros en agua tibia.

12. Teñido: el teñido tiene por objeto conferir al cuero una coloración determinada en su superficie y en gran parte de su espesor, por medio de un colorante. Se pueden clasificar en solubles en agua, solubles en grasa, solubles en disolventes o en sulfuros alcalinos.

El teñido se efectúa generalmente en tambores rotatorios a una temperatura de 52ºC y con una duración de 30 minutos. Al finalizar el teñido se adiciona ácido acético, sulfúrico o fórmico para proporcionar una absorción y fijación uniforme de la anilina.

13. Engrase: el trabajo de Engrase, consiste en la lubricación de las fibras del cuero con licores de engrase, en el cual un aceite insoluble en el agua, se transforma en emulsionable, sea por modificación química de la molécula, o por incorporación de un agente emulsionable. La estabilidad del licor de engrase debe ajustarse al tipo de cuero y a las condiciones en que va a efectuarse el engrase, y su estabilidad debe ser tal, que la emulsión pueda penetrar en el cuero en un período de tiempo técnicamente aceptable. El objeto del engrase es dar flexibilidad al cuero, resistencia a la flor, mejorar sus propiedades mecánicas y favorecer la absorción de la terminación.

14. Secado y humectado: el secado se realiza en máquinas con regulación de

temperatura o por acción del aire libre que es el método más sencillo. La operación se realiza hasta conseguir que el cuero tenga un 14% de humedad. Luego se rehumedece uniformemente la superficie hasta alcanzar un 34% de humedad [11].

15. Ablandado: los cueros después de la operación anterior quedan tiesos y acartonados,

por esta razón se ablandan colocándolos en una máquina rotativa de cilindros con aletas que estiran y ablandan el cuero.

16. Recorte: el cuero se ajusta periféricamente, recortando los extremos u orillas inútiles,

para dar la presentación al cuero. 17. Medición: se realiza con la máquina electrónica que imprime en el dorso del cuero la

medida en pies o metros cuadrados. 18. Raspado: esta operación da una mejor apariencia al cuero por el lado de la carne,

presentando un espesor uniforme y una terminación afelpada. Se hace en un tambor rotativo que sostiene una cinta esmeril intercambiable.

19. Pintura: esta operación va de acuerdo con requerimientos de producto terminado. Se

utilizan pigmentos, anilinas y emulsiones acrílicas, que además de dar el color cubre eventuales defectos de la flor. Para realizar una correcta aplicación del producto se utilizan máquina de pintar con cabezal de vaivén, pistolas atomizadoras o cabinas de



pintura. La fijación del color final se efectúa con soluciones de nitrocelulosa y otros productos que continuamente se incorporan al mercado respondiendo a las permanentes exigencias de la moda.

20. Planchado: se utilizan máquinas distintas según el tipo de terminación. Pueden ser

rotativas, de mesa o de prensado. Esta operación otorga brillo o satina el cuero. 21. Clasificación: terminada la operación del planchado, los cueros se clasifican por

tamaño y calidad.


Curtido de Pieles



Piel fresca Hidróxido de sodio, o sulfuro de sodio, o cloruro de calcio Ácido clorhídrico Sulfato de amonio o cloruro de amonio Bisulfito de sodio Indicador, fenoftaleína Solución amoniacal Enzimas pancreáticas Sal, cloruro de sodio o sulfato de sodio Sal de cromo, sulfato de cromo Ácido sulfúrico Indicador, verde de bromocresol Formiato de calcio Bicarbonato de sodio Aceite emulsificado

Equipos y accesorios

Cuchillo Marmita Baldes Balanza Agitador de palo Tableros de madera Puntillas Lija

PROCEDIMIENTO El procedimiento se plantea basándose en los datos obtenidos de toda la bibliografía y algunos antecedentes que se realizaron en el laboratorio de procesos productivos de la universidad. El diagrama de bloques se muestra en la figura 13.3. 1. Recepción y clasificación de las pieles: reportar los defectos que tenga la piel. 2. Lavado: la piel se lava con agua a 30ºC hasta eliminar toda la tierra, sangre, sal, etc.

En el caso de que se use piel seca se debe poner en remojo hasta que recobre la elasticidad de la piel fresca.

3. Encalado: preparar una solución que contenga 5% de hidróxido de sodio y 5% de

sulfuro de sodio. Se remoja la piel en la solución durante varias horas hasta que el pelo depile fácilmente.

4. Pelambre: manualmente se retira el pelo de la piel



5. Descarnado: si la piel tiene pedazos de carne o grasa adherida, se retiran con el

cuchillo con la mayor precaución posible para evitar daños de la piel. Luego se lava.

Selección de la materia prima

Lavado

EncaladoDescarnado

Descarnado

Desencalado

Purga enzimática

Piquelado

Curtido

Escurrir

Neutralizado

Lavado

Engrase

Secado

Ablandado

Pelambre

Cuero deseado con pelo Cuero deseado sin pelo

Figura 13.3. Diagrama de bloques para el proceso de curtido de pieles.

6. Desencalado: se lava la piel con agua hasta retirar la soda. Preparar una solución, suficiente para cubrir toda la piel, que contenga 2% de sulfato de amonio y 0.4% de bisulfuro de sodio. Remojar la piel en la solución a 30ºC durante 30 minutos. La prueba que indica la finalización es realizar un corte pequeño y adicionar fenoftaleína, cuando el corte sea incoloro, la piel esta lista para el siguiente paso. En el caso que tome coloración rosa se adiciona a la solución más sulfato de amonio y la piel se deja


Curtido de Pieles

en remojo hasta que el corte sea incoloro. El pH de la piel se debe ajustar a un valor aproximadamente de 8.

7. Purga enzimática: en una solución amoniacal se adicionan 0.2% de enzimas.

Remojar la piel durante 1 hora y lavar con agua después del tratamiento enzimático. 8. Piquelado: la piel se trata con un baño de agua con sal común (NaCl), luego se

acidifica la piel usando una solución de ácido sulfúrico o clorhídrico hasta reducir el pH a un valor entre 2.8 y 3.5.

9. Curtido: se prepara una solución que contenga 5% de sal de cromo y 1.3% de ácido

sulfúrico teniendo en cuenta que el pH final sea cercano a 3. Se remoja la piel durante 1 hora, el punto de finalización se realiza haciendo un corte en la piel y adicionar indicador verde de bromocresol que debe dar una coloración amarilla. Luego la piel se escurre y se prepara otra solución de cromo al 5% y se remoja la piel durante otra hora.

10. Escurrido: la piel se lava y se escurre con el fin de eliminar la mayor cantidad del

baño de cromo y reducir la humedad. 11. Neutralizado: se prepara una solución que contenga 5% de formiato de calcio y 5%

de bicarbonato de sodio. Se remoja el cuero en la solución a 30ºC durante 30 minutos. Transcurrido el tiempo, el cuero se lava con agua tibia.

12. Engrase: mezclar 50ml de aceite y un emulsificante hasta lograr una emulsión

completa. Adicionar la emulsión sobre la superficie contraria al pelo. 13. Secado: esta operación se realiza por la acción del aire libre. Se toma el cuero, el

marco de madera y las puntillas, y se estira el cuero para evitar la contracción durante el secado.

14. Ablandado: el cuero acartonado se somete a doblado y estirado hasta lograr un cuero

suave. FORMATO PARA LA TOMA DE DATOS Materia prima - Tipo de piel usada: - Defectos de la piel: - Peso de la piel: Encalado - Cantidad de NaOH usado: - Cantidad de Na2S: - Tiempo de remojo: Desencalado - Cantidad de sulfato de amonio: - Cantidad de bisulfuro de sodio:



- Valor del pH final de esta etapa: Purga enzimática - Tipo de enzima usada: - Cantidad de enzimas: - Tiempo de remojo: Piquelado - Cantidad de sal usada: - Tipo y cantidad de ácido usado: - Valor del pH final de esta etapa: Curtido - Tipo de sal de cromo usada: - Cantidad total de sal de cromo usada: - Cantidad de ácido usado: - Tiempo total de remojo: Neutralizado - Cantidad de formiato de calcio usado: - Cantidad de bicarbonato usado: - Temperatura del remojo: - Tiempo de remojo: Engrase - Volumen de aceite usado: - Tipo de emulsificante usado: Secado - Tiempo de secado: Producto final - Peso del cuero: - Características del cuero:


Curtido de Pieles

BIBLIOGRAFIA 1. COTANCE. Ciencia y Tecnología en la Industria del Cuero, Contribución al desarrollo

sostenible de los curtidores europeos. Citada en agosto de 2004. [En línea]. <http://www.euroleather.com/spanish_brochure.htm>.

2. ROMERA E. Historia de las pieles. Citada en septiembre de 2004. [En línea]. <http://www.cueronet.com/menuhis.htm>.

3. ARGEMTO. Curtido de pieles. Citada en septiembre de 2004. [En línea]. <http://www.argemto.com.ar/curtidos.htm>.

4. PODO-ORTOSIS. Curtición de la piel. Citada en agosto de 2004. [En línea]. <http://www.podoortosis.com/b_caracteristicas/b04.htm>.

5. CUERONET. La piel. Citada en septiembre de 2004. [En línea]. <http://www.cueronet.com/tecnica/lapiel.htm>.

6. CAPRA. La comercialización y clasificación de los cueros de cabra en argentina. Citada en agosto de 2004. [En línea]. <http://capraproyecto.iespana.es/capraproyecto/cueros/comerclas.htm#DEFINICIÓN>.

7. ADZET J.M. Características y aplicaciones del cuero. 2002. Citada en septiembre de 2004. [En línea]. <http://www.euroleather.com/doc/Adzettan.pdf>.

8. CUERONET. Curtido. Citada en septiembre de 2004. [En línea]. <http://www.cueronet.com/flujograma/curtido2.htm>.

9. CAPRA. Procesos para el curtido de cueros de cabras. Citada en septiembre de 2004. [En línea]. <http://capraproyecto.iespana.es/capraproyecto/cueros/proceso.htm>.

10. EDITORIAL PAIDOTRIBO. Introducción a la anatomía regional. Citada en septiembre de 2004. [En línea]. <http://www.paidotribo.com/pdfs/656/656.0.pdf>.


CONCLUSIONES

Como resultado del estudio teórico y del desarrollo experimental de las prácticas: secado de sólidos, fabricación de jabón y recuperación de glicerina, fabricación de papel, fermentación para la obtención de etanol, destilación continua y destilación discontinua, tradicionalmente realizadas en la asignatura Laboratorio de Operaciones Unitarias III de la Universidad Nacional de Colombia Sede Manizales, se logró reajustar y/o actualizar los procedimientos, condiciones de proceso, ensayos de laboratorio y pruebas de calidad para cada una de ellas.

El estudio teórico de las prácticas: extracción del material soluble del café, liofilización de extracto de café, secado por aspersión, extracción de grasas y aceites, producción de una bebida láctea fermentada de tipo yogur y curtido de pieles; permitió reconocer la viabilidad técnica de implementar estas experiencias dentro de la asignatura mencionada anteriormente.

Con el fin de alcanzar mayor veracidad en el estudio de factibilidad para las prácticas: extracción del material soluble del café, liofilización de extracto de café, secado por aspersión, extracción de grasas y aceites de origen vegetal, producción de una bebida láctea fermentada de tipo yogur y curtido de pieles; se realizó el desarrollo experimental de las experiencias, permitiendo materializar el estudio teórico planteado y a su vez ajustar los procesos a los recursos disponibles en el Laboratorio de Procesos Productivos de la sede de la Universidad.

La evaluación de los recursos físicos a disposición del Laboratorio de Procesos Productivos de la sede de la Universidad generó un diagnóstico de los equipos necesarios para el desarrollo de las prácticas. Dicho diagnóstico sirvió como punto de partida para realizar un plan de adquisición y mantenimiento de recursos donde se muestra las necesidades que requiere solventar el laboratorio.

El estudio total realizado en éste proyecto refleja que en el Laboratorio de Procesos Productivos de la Universidad Nacional de Colombia Sede Manizales pueden desarrollarse una gran variedad de procesos a nivel de planta piloto, diferentes a los estudiados, que permitan diversificar el uso que se les está dando a las instalaciones físicas que están disponibles.

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RECOMENDACIONES

La filosofía que maneja la asignatura Laboratorios de Operaciones Unitarias III puede ser ampliada dándose la oportunidad de crear continuamente nuevos proyectos, como el desarrollado en éste trabajo, que permitan renovar cada vez más los procesos elaborados y al mismo tiempo aprovechar los recursos con los que cuenta la sede de la Universidad.

Para darle continuidad y mayor estructura a las prácticas nuevas a implementar, se recomienda realizar las experiencias con más frecuencia y con un grado superior de rigurosidad.

Para permitir una optimización de los procesos a desarrollarse dentro de la asignatura, se pueden platear en cada semestre lectivo diseños experimentales que generen una construcción colectiva de las mejores condiciones de operación para cada práctica y a su vez se inculque un carácter investigativo dentro del laboratorio.

Se sugiere gestionar los recursos necesarios para seguir las recomendaciones indicadas el plan de adquisición de recursos desarrollado en éste trabajo.

Dentro del marco conceptual de algunas prácticas se plantean las alternativas del proceso que a futuro pueden llegar a ser implementadas.

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ANEXO 1 Ensayos de laboratorio y pruebas de calidad

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Anexo 1: Ensayos de Laboratorio y Pruebas de Calidad

ANEXO A. Determinación de la masa y la densidad del sustrato (melaza) Determinación de la masa: La masa se debe tomar a cada uno de los bultos de melaza cerrados. Después de disolver la melaza en el agua, tratar de que el empaque no quede con melaza pegada para evitar pérdidas de materia prima, lavar los empaques y pesarlos; esa masa se le resta a la masa inicial de los bultos con melaza. Determinación de la densidad: Debido a que la melaza es una materia prima muy viscosa, los elementos para medir la densidad no son funcionales, entonces se aplica el concepto básico de densidad, como se expresa en la ecuación 1.

Vm

=ρ (1)

Se toma un recipiente con marcación graduada, lo más precisa posible1; tomar la masa inicial (vacío), depositar la melaza en el recipiente teniendo la precaución de que no se pegue en las paredes, pues esto influye a errores en la medida. Deje reposar por un tiempo para que la melaza tome la forma del recipiente y pueda dar una lectura más aproximada del volumen. Luego tome la masa del recipiente con la melaza y reste la masa del recipiente. Reporte de datos: - Masa del recipiente vacío: - Masa del recipiente y la melaza: - Volumen ocupado por la melaza: - Masa neta de la melaza: - Densidad de la melaza: ANEXO B. Corrección de la densidad del mosto por temperatura La densidad de las diluciones de melaza provenientes de jugos azucarados agotados varía con la temperatura. Experimentalmente se ha correlacionado la variación de este parámetro para jugos derivados de la remolacha, pero se puede realizar la extensión para jugos de caña de azúcar debido a que sus propiedades reológicas son similares2. Ejemplo para el manejo de la tabla B1: Supóngase que el jugo tiene una temperatura de 30ºC y tiene una densidad de 1.084. La corrección se le realiza a las cifras significativas 8.4 con el valor leído a 30ºC en la tabla correspondiente a un valor de 0.4, por lo tanto: 8.4 + 0.4 = 8.8 La densidad real será 1.088 g/ml 1 Se sugiere usar un recipiente con un volumen menor o igual a 1 litro 2 PALACIO, H. Fabricación de Alcohol. Salvat Editores, S.A. Barcelona. 1956



Tabla B1. Datos para la corrección de la densidad del jugo de remolacha cuando su determinación se realiza a temperatura distinta de 15ºC

Temperatura de la determinación

Correlación sobre el grado regio

Temperatura de la determinación

Correlación sobre el grado regio

restar Sumar 0 0.2 20 0.12 1 0.19 21 0.15 2 0.18 22 0.17 3 0.17 23 0.20 4 0.16 24 0.22 5 0.15 25 0.25 6 0.14 26 0.28 7 0.13 27 0.31 8 0.12 28 0.34 9 0.11 29 0.37

10 0.10 30 0.40 11 0.09 31 0.43 12 0.07 32 0.46 13 0.05 33 0.49 14 0.02 34 0.52 15 0 35 0.55

Sumar 36 0.60 16 0.02 37 0.64 17 0.05 38 0.67 18 0.07 39 0.70 19 0.10 40 0.74

ANEXO C. Determinación de la concentración de azúcares reductores por el método de Lane-Eynon La determinación de los azúcares reductores está relacionada con la valoración del sustrato que posee el mosto, con el cual se puede realizar el seguimiento durante el proceso fermentativo. Los métodos químicos usados para la determinación de los azúcares reductores están basados en la propiedad que posee ésta clase de azúcares de reducir, en soluciones alcalinas, el cobre del estado cúprico al cuproso. Teniendo en cuenta que la cantidad de cobre reducido es directamente proporcional a la cantidad de azúcares reductores presentes. En la figura C1 se muestra la diferencia entre azúcares reductores y los que no lo son. Reactivos - Solución azucarada - Fehling A - Fehling B - Indicador, azul de metileno Equipos - Placa calefactora con agitación magnética - Equipo de titulación, con bureta de 25 ml



- 2 pipetas de 5 ml - 1 pipeta de 10 ml - Erlenmeyer 250 ml - Cronómetro

O

O

O

H

H

H

H

H

H

H

H

OH

OH

OH

OH

OH

CH OH2

CH OH2

Glucosa

Sacarosa

Fructosa

H

H

OH

OH

O

O

HH

H

H

H

OH

OH

OH

OH

OH

OH

CH OH2

CH OH2

CH OH2

CH OH2

Reductor Reductor

Azúcaresreductores

Azúcar noreductor

Figura C1. Esquema de azucares reductores y no reductores

Preparación de la solución de Fehling A: se disuelven 138.6 g de sulfato de cobre (CuSO4) en 2 litros de agua. En el caso de hacer menor volumen se hace el escalado respectivo.

Preparación de la solución de Fehling B: se disuelven 200 g de NaOH y 692 g de

tartrato de sodio y potasio en 2 litros de agua.

Preparación de la solución azucarada: del mosto de fermentación se toma una alícuota3 y se afora con agua destilada en un balón de mayor capacidad. Ésta dilución del mosto se realiza para que el volumen de la titulación en la determinación de los azúcares reductores quede dentro del rango de valores que se tienen en el cuadro C1, que son proporcionados por el método. Siempre se debe tener en cuenta el factor de dilución que se usa para cada determinación.

Procedimiento: poner en calentamiento un erlenmeyer que contenga 5 ml de la solución de Fehling A, 5 ml de Fehling B, 15 ml de agua destilada y 4 ml de a solución azucarada que se adicionan directamente de la bureta que fue cargada con anterioridad. Cuando se alcance el punto de ebullición de la mezcla, se adicionan de 3 a 4 gotas del indicador (azul de metileno) y se mantiene la ebullición durante 2 minutos. Transcurrido este tiempo, se inicia la titulación con la solución azucarada hasta que la coloración azul desaparezca

3 En la fermentación, para los primeros datos que se toman de azúcares reductores, se recomienda realizar una solución con un factor de dilución de 10 (10 ml de mosto y se aforan en un balón de 100 ml). Cuando los volúmenes gastados de solución azucarada en la bureta se acerquen a 20 ml el factor de dilución se debe aumentar, debido al rango que maneja el método.



completamente. Se debe mantener la agitación durante toda la determinación y la titulación no debe sobrepasar un minuto. Con el volumen final de la titulación (teniendo en cuenta los 4 ml iniciales) y el cuadro de Lane-Eynon, se determina la concentración del sustrato dados en gramos de azúcares reductores por cada 100 ml de solución. Este dato experimental debe ser corregido con la ecuación 2, reportada por BETANCOURT4.

0666.10945.1 XY = (2) Donde Y : valor real de la concentración de azúcares reductores de la dilución X : valor experimental de la concentración de azúcares reductores de la dilución Después de realizada la corrección el valor de la concentración de azúcares reductores debe ser multiplicada por el factor de dilución y así obtener la concentración del mosto. Cuadro C1. Determinación de la concentración de azúcares reductores por el método de Lane–Eynon

Volumen de solución

azucarada .0 .1 .2 .3 .4 .5 .6 .7 .8 .9

2 2.37 2.24 2.12 2.03 1.95 1.87 1.80 1.73 1.67 1.61 3 1.56 1.52 1.47 1.43 1.39 1.35 1.31 1.27 1.24 1.21 4 1.17 1.14 1.11 1.08 1.05 1.03 1.01 0.99 0.97 0.95 5 0.93 0.91 0.90 0.88 0.86 0.85 0.84 0.82 0.80 0.79 6 0.78 0.76 0.75 0.74 0.73 0.72 0.71 0.70 0.69 0.68 7 0.67 0.66 0.65 0.64 0.63 0.63 0.62 0.61 0.60 0.60 8 0.59 0.58 0.57 0.56 0.56 0.55 0.54 0.54 0.53 0.53 9 0.52 0.51 0.51 0.50 0.50 0.49 0.49 0.48 0.48 0.47

10 0.47 0.46 0.46 0.45 0.45 0.44 0.44 0.43 0.43 0.43 11 0.42 0.42 0.42 0.41 0.41 0.41 0.40 0.40 0.40 0.39 12 0.39 0.39 0.38 0.38 0.38 0.37 0.37 0.37 0.37 0.36 13 0.36 0.36 0.35 0.35 0.35 0.35 0.34 0.34 0.34 0.34 14 0.33 0.33 0.33 0.33 0.32 0.32 0.32 0.32 0.32 0.31 15 0.31 0.31 0.31 0.31 0.30 0.30 0.30 0.30 0.30 0.29 16 0.29 0.29 0.29 0.29 0.29 0.28 0.28 0.28 0.28 0.28 17 0.28 0.27 0.27 0.27 0.27 0.27 0.27 0.26 0.26 0.26 18 0.26 0.26 0.26 0.26 0.25 0.25 0.25 0.25 0.25 0.25 19 0.25 0.25 0.24 0.24 0.24 0.24 0.24 0.24 0.24 0.24 20 0.23 0.23 0.23 0.23 0.23 0.23 0.23 0.23 0.23 0.22

4 BETANCOURT, R. Guías para El laboratorio de Operaciones Unitarias III, Difusividad-fabricación de alcohol. Centro de publicaciones de la Universidad Nacional de Colombia Sede Manizales. 2001.



ANEXO D. Determinación de la concentración de biomasa El método usado para realizar esta determinación es por gravimetría. Este dato permite realizar un seguimiento al crecimiento de la levadura durante la fermentación. Materiales y equipos - Estufa (hornilla) - Tubos de ensayo - Beakers - Papel filtro de poro fino - Equipo de filtración al vacío - Estufa a 100ºC - Vidrio reloj Procedimiento: tomar un volumen conocido de mosto y someterlo a calentamiento (hasta ebullición) durante unos minutos para detener el crecimiento de la levadura. Luego se procede a realizar una filtración al vacío, sin olvidar tomar el peso del papel filtro con anterioridad. Terminada la filtración se lleva el papel con la muestra a una estufa a 100ºC durante 1 hora, se deja en el desecador mientras baja a temperatura ambiente, se toma el peso y se lleva de nuevo a la estufa (100ºC) durante 10 min. Repetir el procedimiento hasta obtener peso constante. El dato de biomasa se determina con la masa retenida sobre el papel filtro, sin tenerlo en cuenta, y el volumen de mosto filtrado. ANEXO E. Determinación de los grados alcohólicos del mosto final Materiales y equipos - Equipo de destilación (simple) - Termómetro de bulbo - Estufa - Refractómetro - Perlas de ebullición

Figura E1. Montaje para la destilación diferencial



Destilación diferencial Se toma entre 500 ml y 1000 ml del mosto final y se someten a destilación hasta que el termómetro se estabilice en una temperatura entre 90ºC y 92ºC, lo que indica que las sustancias volátiles se evaporaron. Anotar el volumen de destilado y determinar el índice de refracción y el grado alcohólico con la ayuda de la tabla E1 ó E2. Para calcular la concentración del alcohol en el mosto, se reemplazan los datos anteriores en las siguientes ecuaciones. Grados GAY-LUSSAC.

MUESTRA

DDMOSTO V

VGLGL ⋅°=° (3)

Donde :GLMOSTO° grados Gay – Lussac del mosto final

:GLD° grados Gay – Lussac del alcohol obtenido en la destilación diferencial :VD volumen de alcohol obtenido en la destilación diferencial

:VMUESTRA volumen de mosto que se toma para la destilación diferencial Tabla E1. Índice de refracción de líquidos alcohólicos con relación a la raya D del sodio a una temperatura de 17.5ºC

ρ )/( mlg

Índice de refracción

ρ )/( mlg


ρ )/( mlg


Agua Destilada 1.33320 0.3200 1.35560 0.6650 1.365840.0103 1.33381 0.3404 1.35689 0.6900 1.365840.0203 1.33443 0.3600 1.35786 0.7017 1.365770.0400 1.33570 0.3800 1.35880 0.7200 1.365520.0600 1.33705 0.4004 1.35970 0.7406 1.365070.0800 1.33847 0.4200 1.36049 0.7600 1.364390.1002 1.33999 0.4405 1.36127 0.7802 1.363300.1202 1.34151 0.4600 1.36195 0.7900 1.362550.1402 1.34302 0.4800 1.36259 0.7910 1.362480.1602 1.34452 0.5006 1.36319 0.7914 1.362450.1800 1.34601 0.5200 1.36369 0.7919 1.362410.2000 1.34754 0.5408 1.36418 0.7924 1.362380.2200 1.34910 0.6500 1.36457 0.7929 1.362340.2400 1.35058 0.5811 1.36496 0.7934 1.362310.2600 1.35201 0.6000 1.36524 0.7936 1.362290.2800 1.35338 0.6217 1.36552 0.3000 1.35465 0.6400 1.36570



Tabla E2. Índice de refracción con relación a la concentración de etanol5

% en masa de etanol Índice de refracción 0 1.33345

10 1.43020 20 1.34778 30 1.35470 40 1.35948 46 1.36170 50 1.36290 55 1.36405 60 1.36505 65 1.36586 70 1.36645 75 1.36676 80 1.36690 85 1.36678 90 1.36626 95 1.36518

100 1.36332 %masa=gramos de etanol por 100 gramos de mezcla

Composición másica

( ) ⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡⋅°−+⎟

⎠

⎞⎜⎝

⎛ ⋅°

⋅°

=

100100

100

1002OH

MOSTOETOHMOSTO

ETOHMOSTO

ETOH

GLGL

GL

Wρρ

ρ (4)

Donde :WETOH composición másica del mosto

:GLMOSTO° grados Gay-Lussac del mosto final :ETOHρ densidad del etanol

:OH2ρ densidad del agua Composición molar.

( )015.18

1069.46

069.46ETOHETOH

ETOH

ETOH WW

W

X−

+= (5)

Donde :XETOH composición molar del mosto :WETOH composición másica del mosto

5 WEST, C.J. y HULL, C. International Critical Tables of Numerical Data, Physics, Chemistry and Technology. United States of America. Vol. 7.McGraw Hill Books Company.1933.



ANEXO F. Gráfica y regresión de la calibración del rotámetro del reflujo en la cima



ANEXO G. Corrección de los grados alcohólicos por temperatura6

6 PALACIO, H. Fabricación de Alcohol. Salvat Editores, S.A. Barcelona. 1956.



ANEXO H. Determinación del reflujo variable por el método de McCABE-THIELE

Parámetros conocidos:- Número de etapas teóricas de la columna N.- Composición del destilado (deseado).x

x

x

x

D

D

W

W

Determinar experimentalmente en el tiempo tla composición en el rehervidor

Se supone un valor de reflujo finito.R

Utilizando los valores de , y trazar la líneade operación del método McCABE-THIELE.

R

Estimar el diagrama de equilibrio para elsistema etanol-agua.

xy

Se trazan los escalones que representan las etapasteóricas partiendo desde la composición del destilado.

.

Comparo el valor de la composición del rehervidor obtenidacon la determinada experimentalmente.

Aceptando un grado de tolerancia, ¿Son iguales?.

Si No

El reflujo asumido es el requerido.

ANEXO I. Prueba de metanol Método químico Reactivos Los reactivos deben ser de grado analítico y el agua debe entenderse como agua destilada. - Disolución acuosa de ácido fosfórico 1:20 - Disolución acuosa de permanganato de potasio 1:20



- Disolución acuosa de bisulfito de sodio (NaHSO3) 1:20 - Disolución de ácido cromotrópico - Ácido sulfúrico concentrado - Bisulfito de sodio - Disolución acuosa al 5% de la sal sódica del ácido cromotrópico. Debe filtrarse si

presenta turbiedad y prepararse por lo menos cada semana. - Disolución de permanganato de potasio en ácido fosfórico - Alcohol etílico bidestilado Preparación de las soluciones

Disolución de permanganato de potasio en ácido fosfórico: disolver 3 g de permanganato de potasio con 15 cm3 de ácido fosfórico en un matraz aforado de 100 cm3, llevar al aforo con agua. Esta disolución se debe preparar por lo menos cada mes.

Disolución de ácido cromotrópico: Disolver 50 mg de ácido cromotrópico o de su sal de

sodio en 100 cm3 de ácido sulfúrico al 75%.

Alcohol etílico bidestilado: por destilación simple, eliminando el 15% de cabezas en cada una de las destilaciones y recolectando el 50%. Estas destilaciones deben efectuarse a una velocidad aproximada de 250 cm3/30 min.

Materiales y equipos - Matraz de destilación de 500 cm3 - Refrigerante tipo liebig de 40 cm a 60 cm de longitud con el extremo inferior terminado

en tubo y con la punta cortada en bisel. - Trampa de vapor - Matraces aforados de 50 ml - Pipetas volumétricas de 1 ml y 2 ml - Termómetro graduado de 0ºC a 100ºC - Baño maría con regulador de temperatura - Baño de hielo - Espectrofotómetro - Equipo común de laboratorio Preparación de la muestra Cuando el extracto seco de la muestra exceda de 0,7 g/l o ésta presente coloración, destilar como se indica en la técnica de % de alcohol en volumen. Diluir la muestra a una concentración de alcohol entre 5% y 6% en volumen y usar para la prueba. Procedimiento Método cualitativo (identificación del alcohol metílico) En un tubo de ensayo poner dos gotas de la muestra, agregar una gota de disolución de ácido fosfórico (1:20) y una gota de disolución de permanganato de potasio (1:20),



mezclar cuidadosamente y dejar reposar la mezcla durante un minuto que el color violeta del permanganato de potasio desaparezca. Si la mezcla toma coloración café agregar una gota de disolución acuosa de ácido fosfórico (1:20), a la disolución incolora resultante, agregar 5 cm3 de disolución de ácido cromotrópico recientemente preparado y calentar la mezcla en baño maría a 60ºC durante diez minutos. En presencia de metanol se observa una coloración violeta, si la reacción cualitativa es positiva, procédase a cuantificar el metanol. Método cuantitativo Poner 2 cm3 de la disolución de permanganato de potasio en ácido fosfórico en un matraz aforado de 50 cm3 colocándolo en un baño de hielo, adicionar 1 cm3 de la muestra diluida fría y dejar reposar 30 min en el baño de hielo. Decolorar con un poco de bisulfito de sodio sólido y agregar 1 cm3 de disolución de ácido cromotrópico al 5%. Agregar lentamente, gota a gota, 15 cm3 de ácido sulfúrico concentrado, dejándolo escurrir por las paredes del matraz, agitando constantemente y colocar en baño maría entre 60ºC y 73ºC durante 15 min. Enfriar y adicionar con agitación agua hasta un volumen próximo al aforo, enfriar a temperatura ambiente y llevar al aforo con agua, homogeneizar y reposar durante 5 min. Preparar un blanco con alcohol etílico al 5,5% en volumen una solución patrón conteniendo 0,025% en volumen de metanol en alcohol etílico al 5,5% en volumen, tratar de igual manera que la muestra diluida, leer la absorbancia de la solución patrón y de la muestra a 575 nm utilizando el blanco para el ajuste del espectrofotómetro. Expresión de resultados El contenido de metanol expresado en mg/100 cm3 de alcohol anhidro, se calcula con la siguiente fórmula:

M

A

Ax=′

x% Alc. Vol.

0 025, (6)

FD X 0,790x 100

x 100

Donde M : el metanol expresado en mg por 100 cm3 de alcohol anhidro

ol .0 :

de la disolución entre el volumen de la muestra empleada en la

en volumen de la muestra a 20ºC, determinado de cuerdo

790. : la densidad del metanol expresado en g/cm3.

A : la absorbancia de la muestra 'A : la absorbancia de la disolución patrón de metan025 el porcentaje de metanol en la solución patrón

FD : el volumen totaldilución.

% el porcentaje de alcohol : con la técnica descrita.

0



Repetibilidad del método

r de 5% del promedio de los mismos. En caso ontrario repetir las determinaciones.

eproducibilidad del método

nidas por laboratorios diferentes no debe xceder del 15% del promedio de las mismas.

NEXO J. Características fisicoquímicas de los aceites y grasas

abla J1. Características fisicoquímicas de algunos aceites y grasas

Aceites y grasas Densidad re n saponificÍndice de acidez*

Índice de

La diferencia entre dos resultados sucesivos, obtenidos en las mismas condiciones, por un mismo analista, no debe excedec R La diferencia entre dos determinaciones obtee A T

Índice de fracció25 oC

Índice de ación yodo

Aceite de coco 0.919– 0.917 1.450– 1.448 250 – 264 VO 4; NVO 0.6 7.5 – 10.5Aceite de soya 0.924– 0.917 1.476– 1.472 195 – 198 0.6 120 – 141Aceite de maíz 0.920– 0.917 1.474– 1.470 187 – 193 VO 4; NVO 0.6 103 – 128Aceite de ajonjolí 0.921– 0.916 1.474– 1.470 188 – 195 VO 4; NVO 0.6

VO 10;NVO 0.6

VO 6.6

VO 4; NVO 0.6 125 – 136

o 1.450– 1.458 1.453– 1.458

do 1.458– 1.461

Ace 185 – 194 - 110 – 135

103 – 116Aceite de algodón 0.918– 0.916 1.472– 1.468 189 – 198 0.6 99 – 113 Aceite de palma 0.918– 0.910 1.456– 1.453 195 – 205 44 – 54 Aceite de maní 0.915– 0.909 1.470– 1.467 188 – 195 - 84 – 100 Aceite de oliva 0.915– 0.909 1.469– 1.471 188 – 195 80 – 88 Aceite de arroz 0.921– 0.916 1.473– 1.470 181 – 194 - 92 – 109 Aceite de girasol 0.918– 0.915 1.475– 1.471 188 – 194 Aceite de palmiste 0.913– 0.900 1.452– 1.499 245 – 255 - - Manteca de caca 188 – 200 - 35 – 40 Aceite de ricino - - 200 – 209 - 81 – 91 Manteca de vaca - - 210 – 233 - 26 – 42 Grasa de huesos - - 186 – 198 - 48 – 56 Aceite de gallina - - 194 – 204 - 64 – 76 Manteca de cer - 190 – 202 - 52 – 77 Aceite de pata - - 190 – 199 - 69 – 76

ite de ballena - - * VO: Aceite virgen. NVO: Aceite no virgen.

NEXO K. Determinación del índice de saponificación

de potasio (KOH) necesarios para saponificar por ompleto un gramo de grasa o aceite.

ación de muestras desconocidas y la estimación de la composición de mezclas grasas.

A El índice de saponificación o número de Koettstorfer, es una medida de la cantidad de álcali requerido para saponificar un determinado peso de grasa y viene expresado como el número de miligramos de hidróxidoc El índice de saponificación es un dato muy útil en el análisis de grasas o aceites, ya que está relacionado con el peso molecular medio del material graso y es una constante que sirve para la identific



Indicadores de una saponificación completa: Puesto que no hay certeza que la reacción ha sido total, un indicador parcial de una saponificación completa es observar que la solución mantenga una claridad y homogeneidad total. En caso de duda se deben realizar otros ensayos de prueba. Método colorimétrico de valoración Materiales - Equipos de reflujo (balón y condensador esmerilados) - Estufa eléctrica - Pipeta volumétrica de 25 ml - Equipo de titulación (Soporte universal, bureta de 25 ml, pinza par bureta, agitador

magnético). Reactivos - Indicador: fenoftaleína al 1% en alcohol etílico - Solución estandarizada de HCl (ácido clorhídrico) - Solución alcohólica de KOH

Purificación del alcohol etílico: poner de 5 a 10 g de KOH en un matraz de 2 l, añadir de 1.2 a 1.5 l de alcohol etílico al 95% y adicionar gránulos u hojas de Aluminio. Hervir la mezcla a reflujo durante 30 o 60 minutos. Dejar enfriar un poco y hacer la adaptación del equipo para destilar, en la destilación descarte los primeros 50 ml y recoja alrededor de 1 l. Las colas de la destilación deben ser dispuestas en los recipientes de residuos químicos.

Preparación de la solución de KOH alcohólico: se toma 1 l del alcohol purificado y se

adicionan 40 g de KOH, en la disolución mantener la temperatura por debajo de 15ºC. Esta solución debe quedar clara, la presencia de oscurecimiento de la solución es debido a la presencia de aldehídos en el alcohol, en este caso el alcohol etílico debe ser purificado como se explicó en la parte superior.

Determinación El procedimiento se realiza para la grasa o aceites y para el blanco7 por duplicado. 1. Preparación de la muestra: derretir la muestra si no fuese líquida, pero sin que la

temperatura exceda de 15ºC el punto de fusión de la muestra. Si el aceite o grasa presentan impurezas, se filtra a través de papel filtro para eliminar los sólidos y trazas de humedad.

2. Pesar la muestra: pesar8 entre 2 y 2,5 g de la grasa o aceite en el balón donde se vaya a realizar el reflujo.

3. Adición de la solución alcohólica de KOH: con una pipeta adicionar 25ml de la solución alcohólica que se preparó al iniciar la prueba.

4. Reflujo: la muestra y el blanco deben permanecer en reflujo constante durante 40 minutos.

7 Al blanco se le realizan exactamente los mismos pasos seguidos para la muestra 8 Anotar exactamente la masa de la muestra para realizar los cálculos posteriores



5. Titulación del exceso de KOH: utilizando como indicador fenoftaleína, titular la muestra con una solución estandarizada de HCl9.

6. Cálculo del índice de saponificación: por medio de la siguiente ecuación se calcula el I.S.

GNVV

IS*)(1056.56 21 −= (7)

Donde IS : índice de saponificación de la muestra

1V : volumen de HCl gastados en la valoración del blanco <ml>

2V : volumen de HCl gastados en la valoración de la muestra <ml> G : masa exacta de la muestra <g> N : concentración del HCl empleado en la valoración <Normalidad>

Método del doble indicador Con este método el blanco se elimina, pero se sigue el mismo procedimiento como el método explicado anteriormente y cambia en el punto de la titulación de la siguiente manera: Saponificada la muestra se titula con HCl y fenoftaleína como indicador hasta que se produzca el viraje de rosa a transparente, se anota el volumen gastado de ácido. Luego se adiciona unas gotas de bromofenol 0.010M (indicador) y 10 ml de benceno y continuar la titulación con el mismo HCl, hasta la aparición de un color vede que indica el punto final10. El ácido requerido en la valoración desde el primero hasta el segundo punto final, es equivalente al álcali que reacciona con la muestra y es el que se debe tener en cuenta para los cálculos. Método potenciométrico de valoración Este método es utilizado cuando la muestra a analizar presenta alta coloración y no deja percibir el punto final, tales como resinas, algunas grasas y sebos. El procedimiento es el mismo que para la valoración colorimétrica, pero permite suprimir el blanco, pues trazando una gráfica entre el pH y la cantidad de ácido gastado se obtiene dos máximos, de los que uno representa la neutralización del exceso de álcali y el otro señala el punto en el que el jabón está completamente desdoblado. La diferencia entre los dos máximos representa el equivalente del álcali de la grasa saponificada. La figura presenta un gráfico típico que muestra los dos máximos citados.

9 La concentración indicada para el ácido clorhídrico es de 0,5N. 10 La solución es claramente azul una o dos gotas antes del punto final y claramente amarilla una o dos gotas después.



Después de saponificada la muestra, pasar el contenido a un beacker, con un agitador magnético ajustar una velocidad con agitación fuerte pero evitando la salpicadura, colocar el electrodo del potenciómetro (previamente calibrado) de forma que esté cubierto con la solución. Valora con HCl adicionándolo en porciones de 1 ml y anotar el pH indicado, cuando el cambio del pH sea de 0,3 unidades, las porciones de ácido se disminuyen a 0,1 ml hasta que haya pasado el punto final. Este hecho se nota con una disminución significativa en el cambio del pH con la adición de 0,1 ml de ácido. Continuar la valoración con porciones de 1 ml hasta que se vea claro el punto de inflexión (punto final). La representación gráfica se realiza llevando los valores de pH contra los ml de ácido gastados.

0

200

400

600

800

30 40 50 60

E/

mla

ml de HCl 0.5N

Figura K1. Curva de valoración potenciométrica ANEXO L. Determinación del índice de yodo La determinación del índice de yodo se realiza para hallar el valor de los enlaces dobles aislados que contiene la grasa o aceite (insaturaciones). Como agentes de halogenación se usan comúnmente el yodo, el monocloruro o el monobromuro de yodo, aunque los resultados se expresan en términos de yodo independiente del halógeno o combinación de halógenos empleada. El índice de yodo se define como el número de gramos de yodo absorbidos por 100 gramos de aceite o grasa, o cantidad de yodo absorbido por gramo de grasa o aceite. Para su determinación se han propuesto muchos métodos, sin embargo los más conocidos y usados son los métodos de Hanus y el de Wijs. El segundo es más usado para el análisis de grasas que solamente contienen enlaces dobles aislados, porque los resultados obtenidos son muy próximos a los valores teóricos.



Método de Hanus Materiales - Frascos winkler - Estufa eléctrica - Pipeta volumétrica de 25 ml - Equipo de titulación (soporte universal, bureta de 25 ml, pinza para bureta, agitador

magnético). Reactivos - Indicador: almidón - Solución estandarizada de tiosulfato de sodio (S2O3Na2) - Reactivo de Hanus - Cloroformo - Solución de yoduro de potasio KI al 15%

Preparación del reactivo de Hanus: disolver 13,2 g de yodo11 en 1 l de ácido acético glacial (del 99,5%), para facilitar la disolución puede calentarse a 30ºC. Pero para adicionar 3 ml de bromo después de que se disuelva bien el yodo, la solución debe enfriarse. Después de la preparación anterior, la solución se debe valorar con tiosulfato de sodio (S2O3Na2) estandarizado 0.1 N.

Determinación El procedimiento se realiza para la grasa o aceites y para el blanco12 por duplicado. 1. Preparación de la muestra: derretir la muestra si no fuese líquida, pero sin que la


2. Pesar la muestra: pesar13 directamente en un frasco winkler, la cantidad de muestra requerida según la tabla L1.

Tabla L1. Tamaño de la muestra según el I.Y. esperado

Valor de Índice de Yodo esperado Gramos de muestra

3 10.58 – 8.46 10 3.17 – 2.5 14 1.59 – 1.27 40 0.79 – 0.63 80 0.40 – 0.32

120 0.26 – 0.21 160 0.20 – 0.16 200 0.16 – 0.13

11 Es necesario pulverizar el yodo y adicionarlo por pequeñas porciones el ácido acético hasta que se disuelva. 12 Al blanco se le realizan exactamente los mismos pasos seguidos para la muestra 13 Anotar exactamente la masa de la muestra para realizar los cálculos posteriores



3. Adición de reactivos 1: en el mismo frasco que contiene la muestra se adicionan: - 5 ml de cloroformo - 12.5 ml de reactivo de Hanus

4. Reposo de la mezcla: dejar reposar en un sitio oscuro durante 30 min, agitando a intervalos de 5 min.

5. Adición de reactivos 2: cumplido el tiempo. Con la tapa inclinada sin destapar del todo se adicionan:

- 5 ml de solución de KI al 15% y se agita intensamente para recoger los vapores de yodo.

- Adicionar 50 ml de agua destilada, enjuagando el tapón y las paredes del frasco.

7. Titulación del yodo: con solución de tiosulfato de sodio estandarizado se inicia la titulación, teniendo en cuenta una agitación fuerte para evitar la separación de las fases. Se adiciona tiosulfato hasta la desaparición total del color amarillo que tiene inicialmente la muestra, luego adicionar 1 ml de solución indicadora de almidón14 y continuar con la titulación hasta que haya desaparecido totalmente el color azul. Cuando este próximo la finalización de la titulación, tapar el frasco y agitar vigorosamente para extraer las trazas de yodo que pudieran permanecer en la fase del cloroformo. Anotar la cantidad de tiosulfato de sodio gastado en total.

8. Cálculo del índice de yodo: por medio de la siguiente ecuación se calcula el I.Y.

GNVV

IY*)(*6905.12 21 −= (8)

Donde IY : índice de yodo

1V : volumen de S2O3Na2 gastado para el blanco <ml>

2V : volumen de S2O3Na2 gastado para la muestra <ml> N : concentración del S2O3Na2 <Normalidad> G : masa exacta de la muestra <g>

Método de Wijs

Preparación del reactivo de Wijs: este reactivo es empleando monoclururo de yodo.

Solución concentrada: adicionar 317.0 g de monocloruro de yodo a 1 l de ácido acético glacial y filtrar sobre un frasco de vidrio oscuro. La filtración debe ser rápida para evitar la contaminación con la humedad. Conservar en sitio fresco. Si se forma un precipitado después de reposar, desechar esta solución.

Solución de Wijs: adicionar 117.0 ml de la solución concentrada, a un frasco patrón “de

cinco libras” de ácido acético glacial y agitar a fondo para mezclar bien. Conservar en sitio oscuro y frío.

14 Si se añade el indicador de almidón cuando hay mucho yodo, se forman grumos y la titulación no es exacta.



Procedimiento: preparar la muestra como ya se ha explicado para los otros procedimientos, pesar la cantidad de muestra según se dispone en la tabla L1, poner en un frasco winkler 20 ml de cloroformo y 25 ml de la solución de Wijs. Tapar el frasco y agitar para asegurar la mezcla. Guardar el frasco en un lugar oscuro durante un tiempo de 30 a 60 minutos. Después de transcurrido el tiempo, retirar los frasco y adicionar a cada uno 20 ml de solución de yoduro de potasio al 15% para reducir el halógeno en exceso, seguido de la adición de 100 ml de agua destilada. La valoración se hace siguiendo los mismos pasos descritos para el método de Hanus e igual su determinación. ANEXO M. Determinación del índice de acidez La acidez libre en las grasas (ácido grasos no combinados) es el resultado de la hidrólisis de los triglicéridos. Este parámetro en una grasa puede expresarse de varias formas. Para aceites y grasas comestibles se expresa en por ciento de ácidos libres, mientras que el índice de acidez o índice de neutralización es más conveniente para ácidos grasos y jabones comerciales. Se entiende por índice de acidez, o valor acidez, los miligramos de KOH necesarios para saturar los ácidos grasos libres contenidos en un gramo de muestra. El resultado de la titulación con álcali en presencia de fenoftaleína se puede expresar también como porcentaje de ácido oléico (C18H34O2). Otra expresión de la acidez son los grados Koettstorfer que representan los ml de KOH 1N, necesarios para neutralizar la acidez libre de 100 g de sustancia grasa. Para la tomar un tamaño adecuado de muestra, se debe tener en cuenta el valor de acidez esperado. Por lo tanto la tabla siguiente muestra las relaciones entre cantidad de muestra y reactivos para la determinación. Materiales: - Erlenmeyer 250 ml o Beaker de similar tamaño - Placa calefactora con agitación - Pipeta volumétrica de 25 ml - Equipo de titulación (soporte universal, bureta de 25 ml, pinza para bureta, agitador

magnético). Reactivos: - Indicador: fenoftaleína el 1% en alcohol - Solución estandarizada de hidróxido de potasio KOH 0.05 N - Alcohol etílico neutralizado Determinación El procedimiento se realiza por duplicado para el material. 1. Preparación de la muestra: derretir la muestra si no fuese líquida, pero sin que la




2. Pesar la muestra: Se pesan15 directamente en un erlenmeyer, la cantidad de muestra como se indica en la tabla M1.

Tabla M1. Cantidad de muestra, alcohol y concentración requeridos para la determinación de ácidos grasos libres16

Ácidos grasos

libres (%) Cantidad de muestra (g)

Cantidad de alcohol (ml)

Concentración de álcali (N)

0.0 – 0.2 56.4 ± 0.2 50 0.1 0.2 – 1.0 28.2 ± 0.2 50 0.1 1.0 – 30 7.05 ±0.05 75 0.25 30 – 50 7.05 ± 0.05 100 0.25 ó 1.0

50 – 100 3.525 ± 0.001 100 1.0 3. Adición de reactivos: en el mismo erlenmeyer que contiene la muestra se adicionan:

- La cantidad determinada de alcohol etílico neutralizado, caliente - Unas gotas de fenoftaleína

4. Calentamiento de la mezcla: calentar con agitación en la placa calefactora o al baño de maría, para disolver los ácidos grasos.

5. Titulación: con solución de hidróxido de potasio KOH estandarizado y con una concentración cercana a la indicada en la tabla M1, se titula la muestra hasta la aparición del color rosa tenue, que indica el punto final de la titulación.

6. Cálculo del índice de acidez: por medio de la siguiente ecuación se calcula el I.A.

GN*V*.A.I 105656

= (9)

Donde

IA : índice de acidez V : volumen de solución de KOH gastado para la titulación <ml> N : normalidad del KOH G : masa exacta de la muestra <g>

ANEXO N. Determinación del índice de refracción El índice de refracción es una constante adimensional que es de gran utilidad para la identificación y el análisis cuantitativo de la sustancia examinada. Esta constante va definida con una relación de composición a una temperatura y una longitud de la onda determinada. Las temperaturas a que se acostumbra informar son 25ºC en el caso de los aceites y 40ºC para las grasas sólidas.

15 Anotar exactamente la masa de la muestra para realizar los cálculos posteriores. 16 MEHLENBACHER, V. C. Análisis de grasas y aceites. Enciclopedia de la química industrial, tomo 6. Ediciones Urmo. 1970.



Determinación Este parámetro se determina con un refractómetro Abbé a 20ºC o 25ºC. La muestra debe filtrarse para disminuir interferencias. Si la lectura está a una temperatura superior o inferior, debe corregirse en 0.000365 por cada grado, recordando que el índice de refracción aumenta a medida que disminuye la temperatura. ANEXO Ñ. Determinación del contenido oleaginoso Reactivos - Solvente (hexano, éter etílico, éter de petróleo, triclorotrifluoroetano) Equipos - Extractor Soxhlet (ver figura Ñ2) - Equipo de destilación - Estufa - Vidrio reloj - Papeles filtro de 15cm Preparación de la muestra Retirar las impurezas de la materia prima y triturarla hasta obtener una cantidad representativa de partículas finas teniendo en cuenta la naturaleza del material; la trituración debe hacerse sin calentamiento y sin pérdida apreciable de humedad. En el caso de tener materias primas que no puedan triturarse sin pérdidas de aceite debe hacerse manualmente. Procedimiento Se toma una muestra de 6g a 10g del material triturado y se somete a una reducción de humedad como se presenta en el ANEXO R, método 2. Luego, se pesan con exactitud de 4g a 5g de material seco y se envuelve en dos papeles filtro como se enseña en la figura Ñ1. Se introduce la muestra en el equipo de extracción Soxhlet ilustrado en la figura Ñ2. El balón se tara y se carga con 30ml del solvente seleccionado o con la capacidad que tenga el equipo de extracción, luego se acopla al Soxhlet. Se inicia el calentamiento manteniendo una velocidad entre 10 y 15 ciclos/hora durante 4 horas. Se deja enfriar el equipo y se retira el balón. Con sumo cuidado evaporar el solvente utilizando un baño maría a temperaturas moderadas hasta que no se perciba olor del disolvente. Enfriar a temperatura ambiente y remover cuidadosamente cualquier suciedad que tenga el balón y pesarlo, se repite el calentamiento hasta alcanzar un peso constante.



Figura Ñ1. Forma de doblar el papel de filtro para extracciones cuantitativas de aceite

Figura Ñ2. Extractor Soxhlet



El contenido oleaginoso de la muestra se determina con la siguiente expresión:

( )( ) 100% xmm

O r= (10)

Donde

O% : contenido de grasas o aceites de la muestra (porcentaje) rm : masa remanente en el balón

m : masa de la muestra seca ANEXO O. Determinación de la densidad o peso específico Esta en una constante que no varía mucho para un aceite determinado cuando está puro y fresco, pero es afectada por la edad, rancidez y cualquier tratamiento especial que se le haga al aceite, por lo tanto cambia con el peso molecular y el grado de insaturación de los ácidos grasos. La siguiente ecuación muestra una relación entre el peso específico y otras características:

IYISPe 00014.0003.08475.0 ++= (11) Donde Pe : peso específico IS : índice de saponificación IY : índice de yodo Determinación: la densidad se determina por medio del picnómetro a 25ºC; si la muestra es una grasa se calienta hasta que funda, se determina el pero específico y se corrige, aumentando o disminuyendo 0.00064 por cada grado de diferencia entre la temperatura de la determinación y 25ºC, según la fórmula.

)25(00064.0' −+= TGG (12) Donde G : densidad corregida

'G : densidad tomada con el picnómetro T : temperatura a la que se toma la densidad ANEXO P. Procedimiento para el ajuste de pH del jabón Reactivos - Ácido cítrico Equipos - Equipo de titulación - pHmetro



Preparación de la solución de ácido: se hace una solución con ácido cítrico, donde se tenga en cuenta la cantidad de ácido sólido utilizado.

Procedimiento: se toma una muestra de jabón de 0.5 g y se diluye en un poco de agua con el fin de disolver la masa de jabón. Se carga la bureta con la solución de ácido cítrico y se titula la solución jabonosa usando el potenciómetro para indicar el punto final. Se registra la cantidad de ácido que se requiere para neutralizar el jabón (hasta pH = 7) y con ese dato se escala a toda la cantidad de jabón que obtuvo en el proceso. Para facilitar la disolución del ácido cítrico se puede disolver la menor cantidad de agua. Durante la adición del ácido se hace la toma del pH con papel indicador para verificar la neutralización. ANEXO Q. Determinación de la equivalencia másica entre el KOH y el NaOH Este dato se requiere si se desea realizar el proceso con NaOH, ya que el índice de saponificación está referido a la cantidad de KOH requerido para la reacción. Con el índice de saponificación y la cantidad del material graso que se va a manejar se determina la cantidad de KOH que se requiere. Para realizar el cambio de gramos de KOH por gramos de NaOH, se parte del principio que:

Los equivalentes gramo de KOH = Los equivalente gramo de NaOH Por lo tanto se llega a la ecuación:

NM 7129.0= (13) Donde M : gramos de álcali que se requieren en NaOH N : gramos de álcali que se requieren en KOH Dependiendo del reactivo que se vaya a utilizar se toma su correspondiente equivalencia. Se debe tener en cuenta en el momento de preparar la solución la pureza del reactivo a utilizar, ya que los cálculos anteriores son para un reactivo puro. ANEXO R: Determinación del contenido de humedad

Método 1 Equipo - Desecador infrarrojo

Procedimiento 1. Se toma una muestra de peso conocido del material 2. Se introduce la muestra en el desecador infrarrojo y se inicia la operación. 3. Esperar a que el peso no varíe con tiempo. 4. Se determina la humedad por diferencia de pesos



Método 2 Equipos - Estufa de laboratorio - Vidrio de reloj - Desecador Procedimiento 1. Se toma una muestra de peso conocido del material (aprox. 2.5g) 2. La muestra se introduce en la estufa a 105ºC durante 1 hora 3. Después del tiempo requerido se pesa constantemente la muestra hasta que se

alcance peso constante 4. Se deja enfriar en el desecador y se pesa 5. La humedad es determinada por diferencia de pesos ANEXO S. Determinación de los sólidos solubles en extractos17 Equipos - Refractómetro

Procedimiento 1. Tomar una alícuota del extracto al cual se le va a realizar la prueba 2. Se limpia el refractómetro con agua destilada 3. Se agrega una gota de la muestra en el prisma 4. Se lee el valor de grados Brix 5. Se limpia el prisma

Los grados Brix o índice refractométrico (IR) se ha convenido llamarle al porcentaje de materias secas solubles contenidas en una solución. ANEXO T. Análisis del tamaño de partícula en el café tostado y molido (Según NTC 2441 y 3534)18

Equipos - Balanza analítica - Cronómetro - Maquina tamizadora del tipo Tyler Ro-Tap - Serie de tamices Tyler Procedimiento 1. Se pesan 2000 g de la muestra de grano tostado de café 2. Se ensamblan los tamices en orden decreciente de abertura de maya desde arriba

hacia abajo, colocando el plato receptor en el fondo. Los tamices a utilizar son: 12, 16, 24, 32, 42, 60.

17 INSTITUTO COLOMBIANO DE NORMAS TÉCNICAS (ICONTEC). Determinación del Rendimiento de la Extracción y de los Sólidos Solubles en la Bebida de Café. NTC 4602-1 y NTC 4602-2. 18 INSTITUTO COLOMBIANO DE NORMAS TÉCNICAS (ICONTEC). Café Tostado y Molido (Primera Actualización). NTC 3534.



3. Se deposita la muestra en el tamiz superior y se cubre con la tapa 4. El conjunto se coloca en la máquina tamizadora y se asegura 5. Se enciende la máquina tamizadora durante 5 min 6. Se recogen y pesan las fracciones retenidas en cada tamiz y en el fondo 7. Se reporta la fracción másica retenida en cada tamiz La denominación granulométrica del café tostado y molido está determinada por el tamaño efectivo de partícula obtenido, así: - Si el tamaño efectivo está entre 701 µm – 900 µm la denominación es gruesa - Si el tamaño efectivo está entre 501 µm – 700 µm la denominación es media - Si el tamaño efectivo está entre 350 µm – 500 µm la denominación es fina ANEXO U. Principios básicos para obtener una taza de café equilibrada En varios estudios realizados por el Coffee Brewing Center (E.E.U.U) se identificaron tres principios básicos para lograr un balance adecuado entre la fuerza y la extracción de la bebida, lo cual es fundamental al momento de generar una taza equilibrada. Ellos son: 1. Los valores óptimos de extracción de los compuestos que aportan mejores

características en sabor y aroma de café se encuentran entre 18% y un 22%. Con extracciones que presenten rendimientos inferiores al 18% se presentan en la bebida sabores herbales y con gusto a maní, y son denominados sabores subextraídos. Con rendimientos superiores al 22% aparecen sabores astringentes y amargos los cuales son desagradables, se les llama sabores sobreextraídos.

2. La bebida de café con una concentración de sólidos solubles por debajo de 1.15% es considerada débil, esto se ve reflejado en que la intensidad del sabor ocasionada por los compuestos solubles es baja. Para concentraciones por encima de 1.35% se considera fuerte, debido a que los compuestos responsables del sabor otorgan características muy intensas. Para una persona promedio una concentración entre 1.15% y 1.35% es la que brinda una bebida equilibrada.

3. Para que se alcance un sabor óptimo debe existir una adecuada relación entre la fuerza y la extracción. Para alcanzar éste balance las fórmulas de preparación de la bebida deben estar entre un rango de 50 g/l a 60 g/l, teniendo en cuenta las variables que afecten el rendimiento y la concentración de la bebida.

ANEXO V. Arranque del sistema de registro y control del liofilizador piloto19 El programa principal se llama “Liofilizador.vip”. Una vez que la ventana de trabajo se halla desplegado seguir los siguientes pasos: 1. Buscar los canales de entrada y corregir el cero 2. Fijar los valores de temperaturas de trabajo (valores a controlar) 3. Dar las rutas para guardar los archivos con extensión txt que contienen la variación de

peso y temperaturas con el tiempo. Las temperaturas reportadas son la de la muestra, el condensador y la placa calefactora.

19 PAMPLONA, F. Montaje y Puesta en Marcha de un Liofilizador a Nivel de Planta Piloto. Trabajo de grado de Ingeniería Química. Universidad Nacional de Colombia Sede Manizales. 2001.



4. En el menú principal desplegar la opción “Windows” y abrir show diagrams 5. Buscar los iconos “control array” y “control temperatura”, hacer doble clic en cada uno

de ellos. En las ventanas que aparezcan entrar los datos solicitados. 6. Una vez completado el paso anterior, empezar a correr el software pulsando el botón

“run” en la ventana principal. ANEXO W. Determinación de la densidad de la leche20 Materiales y equipos - Probetas de 1000 ml y 500 ml - Lactodensímetro - Espátula - Baño térmico Procedimiento: envase la muestra de leche en un frasco con tapa de 1000 ml de capacidad. Introducir el frasco con la leche en un baño con agua a 40ºC, cuando la leche alcance la temperatura se agita fuerte para homogeneizar. A continuación se sumerge en un baño de agua fría hasta que la temperatura de la muestra sea 20ºC. Se vierte el contenido del envase en una probeta raspando las paredes del mismo con la espátula, para que la grasa no quede adherida. Se trasvasa el producto a una probeta de 500 ml, hasta que rebose y se introduce el lactodensímetro. Efectuar la medida de la densidad a 15ºC la temperatura sugerida por el equipo. Observaciones: el lactodensímetro tiene dos escalas, una de temperatura y otra de densidad graduada en milésimas. Si la temperatura de la muestra sobrepasa los 15ºC, se corrige la lectura en una milésima por cada 5ºC, hasta un máximo de 25ºC. ANEXO X. Determinación de la materia grasa. Método Gerber21 Reactivos - Ácido sulfúrico (de densidad 1.82 a 20ºC) - Alcohol amílico (de densidad 0.815 a 20ºC) - Muestra de leche a 20ºC Materiales y equipos - Butirómetro para leche con su respectivo tapón - Pipetas volumétricas de 11, 10 y 1 ml - Baño maría a 60ºC - Centrífuga Gerber. Procedimiento: Transferir al butirómetro de leche, 10 ml u 11 ml de ácido sulfúrico, cuidando de no humedecer el cuello en su parte interna. Se adicionan 11 ml de leche y luego 1 ml de alcohol amílico. Sellar el butirómetro con su tapón y agitar vigorosamente durante 20 segundos hasta lograr la disolución completa de la muestra. Tener la

20 HART, F. L. y FISHER, H. J. Análisis moderno de los alimentos. Editorial ACRIBIA, S.A. 1991. 21 SALGADO, M.T. Texto guía sobre análisis fisicoquímico de leches - microbiológico de alimentos. Corporación Universidad Católica de Manizales 1992.



precaución de tomar el butirómetro con una toalla pues la reacción es exotérmica. Llevar la mezcla a baño de maría (60ºC) durante 3 minutos con la tapa invertida. Luego se centrifuga durante 5 min. Llevar de nuevo al baño de agua durante 5 min. Realizar la lectura de la columna de grasa, tomando las partes inferiores de los meniscos. Se debe ajustar la tapa para que la columna corresponda al 0 de la escala. La lectura se debe realizar lo más rápido posible para evitar contracción de la grasa por la disminución de la temperatura. El resultado se reporta como % de MG. Si la diferencia entre la parte grasa y el líquido carbonizado no es nítida volver a calentar por 5 minutos al baño de maría. ANEXO Y. Determinación del extracto seco total o sólidos totales Se entiende por contenido en extracto seco de la leche el residuo, expresado en porcentaje en peso, obtenido después de efectuada la desecación de la leche tratada con el siguiente procedimiento: 1. Método por pérdida de peso

Materiales y equipos - Balanza analítica - Desecador - Estufa de desecación a una temperatura aproximada a 102ºC - Cápsula metálica o de porcelana de 2cm de altura y de 6cm a 8cm de diámetro,

aproximadamente. - Baño de agua

Preparación de la muestra: antes del análisis, poner la muestra a 20ºC y mezclar cuidadosamente. Si no se obtiene una buena repartición de la materia grasa, calentar lentamente a 40ºC, mezclar y enfriar a 20ºC.

Procedimiento: secar la cápsula a 102ºC durante 30 minutos. Colocar la cápsula en un desecador, dejarla enfriar a la temperatura ambiente y pesarla. Poner aproximadamente 3 ml de la muestra en la cápsula y pesarla. Poner la cápsula en baño de agua durante 30 minutos y después pasarla a la estufa de desecación a 102ºC, durante 2 horas. Transcurrido el tiempo ponerla en el desecador hasta que alcance la temperatura ambiente y pesarla. Repetir la desecación hasta que la diferencia entre dos pesadas consecutivas no sea mayor a 0.5 mg. Cálculo: contenido de extracto seco:

100'%PPE = (14)

Donde: E% : contenido de extracto seco 'P : peso en gramos de la muestra después de la desecación

P : peso en gramos de la muestra antes de la desecación



Observaciones: si a la muestra de la leche se han adicionado como conservantes sustancias no volátiles, como por ejemplo dicromato de potasio, se debe corregir la expresión del extracto seco, como lo indica HART F22. Otra técnica que se puede utilizar, está reportada por MADRID V.23 y se determina de forma indirecta mediante el dato de la densidad y la materia grasa. Cálculo

FLES 2.125.0 += (15) Donde F : es el porcentaje en grasa de la leche L : es el peso específico tomado con el lactodensímetro, teniendo en cuenta la corrección por temperatura. Otra expresión teórica Fórmula de Fleishmann

DDMGTS )0.1(665.22.1.% −

+= (16)

Donde: TS.% : porcentaje de sólidos totales (% m/m)

MG : porcentaje de materia grasa D : densidad

2. Método refractométrico

Equipos - Refractómetro

Procedimiento 1. Tomar una alícuota del extracto al cual se le va a realizar la prueba 2. Se limpia el refractómetro con agua destilada 3. Se agrega una gota de la muestra en el prisma 4. Se lee el valor de grados Brix. Este valor corresponde al contenido de sólidos

solubles en la muestra ya que el contenido de material insoluble puede despreciarse.

5. Se limpia el prisma

Se considera que la muestra está constituida solo por el material soluble y la humedad.

22 HART, F. L. y FISHER, H. J. Análisis moderno de los alimentos. Editorial ACRIBIA, S.A. 1991. 23 MADRID, V. Métodos Oficiales de Análisis de los Alimentos. Editorial AMV EDICIONES MUNDI-PRENSA, 1994.



ANEXO Z. Determinación de la acidez de productos lácteos La acidez titulable es el resultado de la suma de la acidez natural, debido a la riqueza de sólidos no grasos, y a la acidez desarrollada debida al ácido láctico como resultado de la acción microbiana. Se entiende por acidez, el contenido aparente de ácidos expresados en gramos de ácido láctico por 100 ml de leche, determinado por el siguiente procedimiento: Reactivos - Solución 0.111 N (N/9) o 0.1 N (N/10) de hidróxido de sodio (NaOH) - Indicador: fenoftaleína (solución alcohólica al 1%) Materiales y equipos - Bureta graduada - Erlenmeyer

Preparación de la muestra: antes del análisis, poner la muestra a 20ºC y mezclar cuidadosamente. Si no se obtiene una buena repartición de la materia grasa, calentar lentamente a 40ºC, mezclar y enfriar a 20ºC.

Procedimiento: se determina volumétricamente operando sobre 10 ml de leche con solución de sosa cáustica 0.1N e indicador de fenoftaleína. Se termina la valoración cuando aparece una coloración rosa fácilmente perceptible por comparación con un testigo tomado de la misma leche. Dicha coloración desaparece progresivamente, pero se considera obtenido el viraje cuando el tinte persiste durante unos segundos. Expresión de los resultados: los resultados se expresan en peso de ácido láctico por 100 ml de leche, dividiendo por 10 el número de mililitros empleados de solución de sosa. Observaciones: si a la muestra de leche se le ha adicionado dicromato de potasio, es preciso tener en cuenta la acidez debida a dicho conservante. En el caso de leche no alterada se puede considerar que 1 g de dicromato de potasio aumenta la acidez en las mismas proporciones que 0.6 g de ácido láctico. ANEXO AA. Formas de expresar la acidez titulable y su equivalencia en % de ácido láctico24

% de Ácido láctico Soxhlet – Henkel (oSH) Thorner (oT) Dornic (oD) 0.0000 0 0.0 0.00 0.0225 1 2.5 2.25 0.0450 2 5.0 4.50 0.0675 3 7.5 6.75 0.0900 4 10.0 9.00 0.1125 5 12.5 11.25 0.1350 6 15.0 13.50 0.1575 7 17.5 15.75

24 TAMINE A. Y., ROBINSON R. K. Yogur, Ciencia y Tecnología. Zaragoza: Editorial. Acribia, 1991



C

…
Continuación 0.1800 8 20.0 18.00 0.2025 9 22.5 20.25 0.2250 10 25.0 22.50
0.2475 11 27.5 24.75 0.2700 12 30.0 27.00 0.2925 13 32.5 29.25 0.3150 14 35.0 31.50 0.3375 15 37.5 33.75 0.3600 16 40.0 36.00 0.3825 17 42.5 38.25 0.4050 18 45.0 40.50 0.4275 19 47.5 42.75 0.4500 20 50.0 45.00

0.4725 21 52.5 47.25 0.4950 22 55.0 49.50 0.5175 23 57.5 51.75 0.5400 24 60.0 54.00 0.5625 25 62.5 56.25 0.5850 26 65.0 58.50 0.6075 27 67.5 60.75 0.6300 28 70.0 63.00 0.6525 29 72.5 65.25 0.6750 30 75.0 67.50

0.6975 31 77.5 69.75 0.7200 32 80.0 72.00 0.7425 33 82.5 74.25 0.7650 34 85.0 76.50 0.7875 35 87.5 78.75 0.8100 36 90.0 81.00 0.8325 37 92.5 83.25 0.8550 38 95.0 85.50 0.8775 39 97.5 87.75 0.9000 40 100.0 90.00

0.9225 41 102.5 92.25 0.9450 42 105.0 94.50 0.9675 43 107.5 96.75 0.9900 44 110.0 99.00 1.0125 45 112.5 101.25 1.0350 46 115.0 103.50 1.0575 47 117.5 105.75 1.0800 48 120.0 108.00 1.1025 49 122.5 110.25 1.1250 50 125.0 112.50

1.1475 51 127.5 114.75 1.1700 52 130.0 117.00 1.1925 53 132.5 119.25 1.2150 54 135.0 121.50 1.2375 55 137.5 123.75 1.2600 56 140.0 126.00 1.2825 57 142.5 128.25 1.3050 58 145.0 130.50 1.3275 59 147.5 132.75 1.3500 60 150.0 135.00


ti ió


Continuación… 1.3725 61 152.5 137.25 1.3950 62 155.0 139.50 1.4175 63 157.5 141.75 1.4400 64 160.0 144.00 1.4625 65 162.5 146.25 1.4850 66 165.0 148.50 1.5070 67 167.5 150.75 1.5300 68 170.0 153.00 1.5525 69 172.5 155.25 1.5750 70 175.0 157.50

1.5975 71 177.5 159.75 1.6200 72 180.0 162.00 1.6425 73 182.5 134.25 1.6650 74 185.0 166.50 1.6875 75 187.5 168.75 1.7100 76 190.0 171.00 1.7325 77 192.5 173.25 1.7550 78 195.0 175.50 1.7775 79 197.5 177.75 1.8000 80 200.0 180.00

1.8225 81 202.5 182.25 1.8450 82 205.0 184.50 1.8675 83 207.5 185.75 1.8900 84 210.0 189.00 1.9125 85 212.5 191.25 1.9350 86 215.0 193.50 1.9575 87 217.5 195.75 1.9800 88 220.0 198.00 2.0025 89 222.5 200.25 2.0250 90 225.0 202.50

2.0475 91 227.5 204.75 2.0700 92 230.0 207.00 2.0925 93 232.5 209.25 2.1150 94 235.0 211.50 2.1375 95 237.5 213.75 2.1600 96 240.0 216.00 2.1825 97 242.5 218.25 2.2050 98 245.0 220.50 2.2275 99 247.5 222.75 2.2500 100 250.0 225.00

ANEXO AB. Determinación el Porcentaje de celulosa Materiales y equipos - Equipo de reflujo - Ácido acético - Ácido nítrico - Ácido tricloroacético - Etanol - Éter etílico Procedimiento 1. Se pesa 1 g de muestra de pulpa libre de humedad



2. Se introduce en el balón 25 ml de ácido acético 12N, 1.7 ml de ácido nítrico concentrado y 0.67 g de ácido tricloroacético.

3. La mezcla se somete a ebullición con reflujo durante 30 min 4. Se deja enfriar y se filtra al vacío lavando 2 veces con agua caliente, 2 veces con

etanol y 2 veces con éter etílico. 5. Llevar a la estufa y dejar secar a 105ºC hasta peso constante 6. El porcentaje de celulosa viene dado por:

100% xPP

Celi

f= (17)

Donde :fP peso final de la muestra.

:iP peso inicial de la muestra. ANEXO AC. Preparación de las soluciones de hidróxido de sodio 0.1 N y 0.5 N Reactivos - NaOH (hidróxido de sodio) - Agua destilada - Ftalato ácido de potasio Equipos - Balones aforados - Equipo de titulación Procedimiento: se preparan dos soluciones de NaOH a diferentes concentraciones debido a que la concentración del ácido disminuye a través del tiempo. Por tanto para las primeras muestras se usa la solución de NaOH concentrada, 0.5N y avanzada la reacción se utiliza la solución de NaOH de menor concentración, 0.1N. El uso de las dos soluciones da mayor exactitud en la medición del volumen. La cantidad de hidróxido de sodio necesario para preparar cada solución se determina con la siguiente ecuación:

EqPMVNg#

**= (18)

Donde g : gramos de NaOH N : normalidad de la solución (equivalentes de soluto/litro de solución) V : volumen de la solución de NaOH (l) PM : masa molecular del NaOH (40 g/mol)

.# Eq : número de equivalentes por mol



Estandarización de las soluciones de hidróxido de sodio La estandarización se realiza para determinar la concentración exacta de cada un de las soluciones de hidróxido de sodio, para esto se utiliza ftalato ácido de potasio (KHC8H4O4, abreviado como KHP), el cual es un estándar primario muy utilizado para soluciones básicas. Determinación: se pesa una cantidad determinada (pero muy pequeña) de ftalato ácido de potasio y se diluye en una cantidad indeterminada de agua, se adicionan 3 gotas de fenolftaleína y se titula con la solución de NaOH a estandarizar. Cálculo:

NaOH

NaOHNaOH V

gEq.=Ν (19)

Teniendo en cuenta que:

KHPNaOH gEqgEq .. = (20)

Donde NaOHN : normalidad de la solución de NaOH

NaOHgEq. : equivalentes gramo del NaOH

NaOHV : volumen de NaOH gastados en la titulación

KHPgEq. : equivalente gramo del KHP ANEXO AD. Análisis cromatográfico

La cromatografía es un método físico de separación basado en la distribución de la muestra en dos fases. Una fase es lecho estacionario de extensa superficie empacada en una columna. Esta es la fase estacionaria y puede ser un sólido o una delgada película líquida que recubre al sólido. La otra fase consiste en un gas o líquido o percola sobre la fase estacionaria y alrededor de la misma. Esta fase se denomina fase móvil. En la cromatografía de gases la fase móvil se denomina gas portador, ya que es un gas inerte cuya finalidad es transportar las moléculas de la muestra a través de la columna. En esta cromatografía se emplea el procedimiento de elución; la muestra se añade a la columna y el gas puro que actúa de portador fluye continuamente. Un cromatograma es el registro gráfico del análisis, donde se indican los componentes y el grado de concentración en que estaban presentes en determinado tiempo. Cuando sólo sale de la columna el gas portador utilizado como eluente, aparecerá dibujada una línea recta, línea de base. Cuando se eluyen los picos de la muestra, se dibuja el perfil de su concentración y así se obtienen dos importantes parámetros de información: el tiempo de retención y el área del pico. El área del pico permite determinar la concentración de cada componente separado en la columna. El tiempo de retención (tR) es el tiempo transcurrido desde la inyección de la muestra hasta que se obtiene el máximo del pico. Este tiempo es característico del soluto y de la temperatura de la columna. Los tiempos de retención



pueden usarse para determinar picos, ya que en condiciones controladas son reproducibles. Cálculos Normalización del área: por normalización se entiende el cálculo de la composición porcentual mediante la medición del área de cada pico y la división de cada área por el área total:

100*%TolalÁrea

AdeÁreaA = (21)

Factores de corrección: las áreas de los compuestos no son directamente proporcionales a la composición porcentual, es decir, compuestos diferentes tienen diferentes respuestas del detector; por lo tanto, es necesario determinar los factores de corrección. Estos factores una vez determinados, pueden usarse para calcular la composición porcentual. Como el funcionamiento de los detectores se basa en principios diferentes, habrá que calcular diferentes factores para los diversos detectores.

100*%Factores

ÁreaF

AÁrea

A A= (22)

Calibración absoluta: se inyectan cantidades exactas de la muestra pura, luego se representan los valores de las áreas del pico en función del peso conocido inyectado. Se obtiene así una curva de calibración; debe ser lineal y pasar por el origen. Se inyecta una cantidad exacta del material desconocido se mide el área del pico y a partir de la curva de calibración se calcula la cantidad de muestra presente en el material desconocido.

100**

%inyectadosg

áreagAÁrea

Adepesoen = (23)


ANEXO 2 Evaluación de los recursos físicos

295

Anexo 2: Evaluación de los Recursos Físicos

1. RECURSOS FÍSICOS REQUERIDOS PARA CADA PRÁCTICA Notación para la ubicación del recurso:

• L.P.P.: Laboratorio de Procesos Productivos • L.S.: Laboratorio de Suelos • L.Q.: Laboratorio de Química • L.M.Q.: Laboratorio de Maestría en Química • L.F.: Laboratorio de fisicoquímica • L.A.: Laboratorio de Alimentos

Para todas las prácticas se requieren accesorios de seguridad como los son gafas, guantes, caretas, etc.

Práctica Equipos Accesorios Ubicación

Fermentación para la obtención de etanol

- Marmita (80gal) - Instrumentos de laboratorio

- Aerómetro para densidad - Baldes - Termómetro digital - Agitadores manuales - Balanza analítica electrónica - Balanza de inclinación portátil - Equipo de titulación - Pipetas - Erlenmeyer 250 ml - Beaker 50 ml - Equipo para destilación diferencial - Estufa - Malla de asbesto - Equipo para filtración al vacío - Refractómetro - pHmetro digital - Placa calefactora con agitación magnética - Bomba de vacío - Mufla - Cronómetro - Flexómetro - Desecador

L.P.P.

“ “ “ “ “ “

L.Q. “ “ “ “ “ “

L.P.P. “ “ “ “ “ “ “

L.F. Destilación continua y discontinua

- Torre de destilación

- Bomba pequeña sumergible - Bascula de piso

L.P.P.



Continuación… Destilación continua y discontinua

- Canecas - Baldes - Probetas de 1000 ml - Cronómetros - Aerómetro para densidad - Alcoholímetro de ºG.L.

L.P.P.

Fabricación de jabón y recuperación de glicerina

- Marmita (30 gal) - Agitador de hélice

- Termómetro digital - Papel indicador de pH - Dosificador de soluciones - Baldes - Estufa - Malla de asbesto - Balanza analítica electrónica - Balanza de inclinación portátil - Báscula de piso - Canecas - Floculador de 6 paletas digital - Beaker de 150 ml - Vianda - Espátula - Malla de tela - Equipo de titulación

L.P.P.

“ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “

L.Q. “ “ “

Fabricación de papel

- Calderín autoclave con camisa - Agitador de hélice - Marmita (30 gal)

- Zaranda - Espátula - Beaker 150 ml - Baldes - Balanza de inclinación portátil - Báscula - Costales - Marcos de madera - Malla de tela - Artesa

L.P.P.

Secado de sólidos

- Secador de bandejas - Desecador infrarrojo

- Termómetros de mercurio - Algodón - Termo anemómetro digital - Balanza de inclinación portátil - Flexómetro

L.P.P. “ “ “ “ “

L.S.



Continuación… Producción de una bebida láctea fermentada de tipo yogur

- Marmita (30 gal) - Termómetro digital - Cronómetro - Agitador manual - Envases - Balanza de inclinación portátil - Canecas - Equipo de titulación - pHmetro digital

L.P.P. “ “ “ “ “ “

L.Q. “

Extracción del material soluble del café

- Calderín autoclave con camisa

- Molino eléctrico de disco - Serie de tamices estándar (8 in) - Colector para tamiz (8 in) - Tapa para tamices (8 in) - Tamizador Ro-Tap (Tyler) - Balanza de inclinación portátil - Cronómetro - Báscula - Bomba de vacío - Baldes - Caneca - Equipo de filtración al vacío - Refractómetro - pHmetro digital.

L.P.P.

“ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “

L.Q. “ “

Liofilización de extracto de café

- Cámara de liofilización - Desecador infrarrojo

- Porta-muestra - Termómetro digital - Balanza analítica electrónica - Refractómetro - Espátula - Viandas - Picnómetro - pHmetro digital

L.A.

“ L.P.P.

“ L.Q.

“ “ “ “

L.S.

Producción de acetato de etilo por esterificación de Fisher

- Reactor multipropósito - Instrumentos de laboratorio

- Baldes - Canecas - Cronómetro - Beakers (vidrio) - Nevera de icopor - Montaje para titulación - Pipetas

L.P.P.

“ “ “

L.Q. “

L.Q. “



Continuación… - Beaker (vidrio) - Erlenmeyer - Tubos de ensayo - Embudo de vidrio - Gradilla

“ “ “ “ “

Secado por aspersión

- Secador por atomización BUCHI -191

- Refractómetro - Beakers 250 ml - Espátula - Viandas - Termómetro digital

L.A. L.Q.

“ “ “

L.P.P.

Extracción de grasas y aceites de origen vegetal

- Molino eléctrico de disco - Prensa hidráulica - Extractor Soxhlet piloto - Equipo para recuperación de solvente

- Serie de tamices estándar (8 in) - Colector para tamiz (8 in) - Tapa para tamices (8 in) - Tamizador Ro-Tap (Tyler) - Baldes - Balanza de inclinación portátil - Recipiente para la recepción del material graso - Centrífuga

L.P.P.

“ “ “ “ “ “

L.S L.P.P.

L.M.Q. “

L.A.

Extracción de grasas y aceites de origen animal.

- Calderín autoclave con chaqueta - Instrumentos de laboratorio

- Baldes - Balanza de inclinación portátil - Filtros de tela o malla fina - Beacker de vidrio (2 l) - Embudo de separación - Estufa de hornilla - Equipo de filtración - Beacker (vidrio) - placa calefactora con agitación

L.P.P.

“ “ “ “

L.Q “ “ “

L.P.P.

Curtido de pieles

- Baldes

- Cuchillo para descarnar - Balanza - Agitador de palo

L.P.P.



Continuación… - Marmita (30 gal)

- Tableros de madera - Puntillas - Lija

L.P.P.

Difusividad

- Tubo de Stefan - Baño maría - Catetómetro - Sensores de temperatura - Termómetro digital - Flujómetro para laboratorio - Jeringa con extensión - Cronómetro - Compresor - Marmita (30gal)

L.P.P.

2. PLAN DE ADQUISICIÓN Y MANTENIMIENTO DE LOS EQUIPOS UTILIZADOS EN

EL LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS III Los equipos y accesorios mencionados a continuación se priorizaron teniendo en cuenta el uso por estudiantes de la sede de la universidad y programas de extensión que se realizan actualmente en el Laboratorio de Procesos Productivos.

EQUIPOS Y/O ACCESORIOS OBSERVACIÓN

SUGERENCIA

Torre de destilación

- Rotámetro de alimentación

El medidor de flujo para la corriente de alimentación a la columna de destilación se averió en el II semestre de 2003, fue remplazado con una válvula que no permite determinar con exactitud el caudal alimentado al equipo, el cual es una variable imperativa para la operación y modelamiento del proceso. La gestión para la consecución del accesorio está en curso pero aún no se ha completado

Conseguir en la menor brevedad un medidor de flujo que permita desarrollar las prácticas sin contratiempos

- Válvula de reflujo

La válvula de aguja que controla el reflujo se encuentra desgastada y por tanto no cierra completamente; esto no permite trabajar a reflujos pequeños en la práctica de destilación continua generando

Cambiar la válvula que realiza éste control



mayor tiempo de operación y consumo energético

- Válvula de recolección de destilado

La válvula que controla el caudal de salida de destilado presenta juego, lo que dificulta el control de esta variable

Cambiar la válvula que realiza éste control

Calderín autoclave con camisa

- Acople para vapor

El acople entre la línea de vapor vivo de caldera y el equipo se encuentra desgastado y permite que el vapor se escape. Éste problema impide trabajar con elevadas presiones de vapor

Cambiar el acople hembra y macho de ambas conexiones

- Válvula de salida de fondo

La válvula de globo de salida de fondos del autoclave no cierra completamente permitiendo el escape de los fluidos de trabajo durante la operación

La válvula debe ser reemplazada, pues éste tipo de daño no es susceptible a reparaciones

Secador de bandejas

Estudiar la posibilidad de adaptar de nuevo el control automático de temperatura, pues éste permite operar el equipo en un rango más amplio de temperaturas con mayor exactitud. Además el seguimiento digital del peso de la bandeja de control permite manejar la operación con mayor estabilidad del equipo

- Anemómetro El medidor de velocidad de aire (termo anemómetro digital) está presentando fallas en su funcionamiento debido a diversas averías que tiene el equipo

Tratar de mejorar el existente, pero en el caso de presentase un daño irreparable debe gestionarse la consecución de otro

Liofilizador Se encuentra en etapa de mantenimiento

pHmetro El Laboratorio de Procesos Productivos no cuenta con pHmetros aptos para las mediciones que se realizan en algunas prácticas. Los equipos utilizados pertenecen al laboratorio de química y en muchas ocasiones no están disponibles el tiempo requerido por la práctica

Conseguir al menos un pHmetro moderno, exclusivo para el Laboratorio de Procesos Productivos

Continuación…



ACCESORIOS MENORES

ACCESORIO OBSERVACIÓN SUGERENCIA Marcos, con tela, aptos para la laminación del papel

Estos implementos son llevados por los estudiantes, retrasando en algunas ocasiones esta etapa del proceso debido a la diversidad de materiales, no aptos, usados para construir éste accesorio necesario

Suministrar éste accesorio, construido con los materiales indicados. - Marcos de madera de

diferentes tamaños. - Tela porosa y ajustada a

los marcos con la suficiente tensión

Coladores de tela o maya fina

Tradicionalmente los estudiantes llevan pedazos de tela para filtrar los productos que se encuentren en dos fases (sólido-líquido) para retirar la fase líquida

Suministrar coladores aptos para cumplir con las diferentes labores en las prácticas

Moldes de plástico o de aluminio

Los estudiantes llevan estos accesorios para la práctica de fabricación de jabón, pues se requieren en la etapa final cuando el producto es sólido. Por lo general los moldes que llevan no suplen la cantidad de producto

Suministrar varios moldes para que la práctica se pueda finalizar con éxito, sin desperdiciar o perder el producto

Cuchillos Para algunas prácticas se debe hacer uso de un cuchillo, donde en ocasiones el estudiante no sabe que lo debe traer y la práctica se retrazada por éste factor

Que el laboratorio cuente con al menos un cuchillo para suplir necesidades imprevistas


ÍNDICE A Aceites, 77 características fisicoquímicas,

271 clasificación, 79 de origen vegetal,82 porcentaje de, 281 procesos de modificación,

80 refinación, 84 técnicas de extracción, 83 Acetato de etilo, 221, 222 por esterificación de Fisher,

223 procesos de producción, 222 Ácido láctico, 4, 19, 191, 196,

288 Azeotropía, 34 Azúcares reductores, 25, 258 B Bacterias ácido lácticas, 13, 191 bífidobacterias, 195 Bioconversiones mixtas, 12 Bioconversiones, 4 Biomasa, 13, 25, 261 C Café, 157, 175, 283 antecedentes económicos,

158 composición, 159 especies de, 158 liofilizado, 158, 175 líquido, 158 molido, 158 pergamino, 158 soluble, 158, 166 tostado, 158, 283 verde, 158 Cafeína, 160 Calor de desorción, 178 Calor de sublimación, 177, 178 Carnaza, 236 Carotenoides, 80 Carta psicrométrica, 127 Celulosa, 207 porcentaje de, 216, 290 Cepas, 9, 12, 193

Cinética consumo de sustrato, 16 crecimiento microbiano, 14 fermentativa, 13 formación de producto, 17 modelo ecuación logística, 15 Malthus, 14 Monod, 15 Cromatografía de gases, 292 Cuero, 239, 241 Cultivos lácticos, 194 lácticos, 195 liofilizados, 195 líquidos, 195 mixtos, 192 Curtición, 240 al cromo, 239 Curtido de pieles, 235, 241 clases de, 239 D Destilación azeotrópica, 46 con reflujo, 63 discontinua, 59 beneficios, 59 extractiva, 46 métodos simples, 35 McCabe-Thiele, 36, 268 regla de fases, 34 salina, 47 simple sin reflujo, 60 unidad piloto U.N., 48, 68 Diagramas de fases, 34 E Ecuación Rayleigh, 61 Envolvente de fases, 35 Epidermis, 237 Equilibrios de fases, 32 método para determinar,33 Esterificación, 221 Fisher, 223 modelos termodinámicos, 224 velocidad de reacción, 224 Esteroles, 80

Etanol características, 18 índice de refracción, 263 producción alternativas de, 17 materias primas, 19, 22 Extracción de café, 157, 161 alternativas de proceso, 164 Extracto de café, 157, 161, 166 liofilización, 175, 180 Extracto seco total, 194, 197,

286 F Fermentación,3 alternativas de proceso, 20 clasificación de, 6 estado sólido, 6 factores que afectan, 11 rendimiento teórico, 14 sumergida, 7 superficial, 6 velocidad de, 12 Fermentación láctica, 190 Fibras, 206, 209 características, 207 G Glicerina, 105 Grano de café (ver café) Grados alcohólicos, 261 corrección por temperatura,

265 Grasas (ver aceites) clasificación, 79 de origen animal, 85 porcentaje de, 281 usos, 81 Glucosa, 7, 19, 191 H Hidrogenación de aceites, 79,

80 Homofermentación, 194 (ver fermentación láctica) Humedad curva de, 119 de equilibrio, 118 en base húmeda, 118

Índice

en base seca, 118 libre,118 ligada, 118 relativa, 118 I Isomerización de las grasas y aceites, 81 Índice de saponificación, 107,

271 Método colorimétrico, 272 Método del doble indicador,

273 Método potenciométrico, 273 Índice de yodo, 107, 274 Método de Hanus, 275 Método de Wijs, 276 Índice de acidez, 107, 277 J Jabones, 92, 102 blandos, 102 características, 103 duros, 102 L Lactobacillus acidophilus, 195 Lactobacillus bulgaricus, 192,

195 Lactosa, 19, 191 Leche, 193, 197, 285 características, 194 tratamientos térmicos, 197 Levaduras, 7 reproducción, 8 Lignina, 207 Líneas de operación, 37 sección de agotamiento, 40 sección de enriquecimiento,

39 Liofilización, 175 definición del proceso, 176 deshidratación, 176 etapas del proceso, 177 extracto de café, 180 modelo matemático, 181 punto triple, 178 secado primario y secundario,

178 sublimación, 176, 178 ventajas y desventajas, 179 Liofilizador, 184 M Madera, 207 Mecanismos catabólicos, 5

Metabolismo celular, 5 primario, 5 secundario, 7 Metanol, 268 Método Gerber, 285 Microorganismos clasificación, 4 nutrientes, 11 Mosto, 13, 19, 24 Corrección de densidad por

temperatura, 257 P Papel, 205 aspectos económicos, 213 blanqueo de la pulpa, 212 fibras, 206, 209 impacto ambiental, 213 laminación, 213 reacciones para el, 212 Pieles, 238 características, 239 lado flor, 239 Piruvato, 7 Probiótico, 195 Productos lácteos, 288 fermentados, 190, 194 Pulpa de papel, 208, 213 proceso a la soda, 210 proceso al sulfito, 209 proceso kraft, 210 reacciones químicas, 212 producción mundial, 214 R Rectificación con reflujo constante, 65 con reflujo variable, 66 Reflujo, 39 interno, externo, aparente,

39 mínimo, 43 total, 42 Reglas de fases de Gibbs, 34 S Saccharomyces cerevisiae taxonomía, 8 Saponificación, 103 Factores del proceso, 104 Etapas de la, 103 Secado, 117, 139 clasificación de los materiales,

117 clasificación del, 119 con circulación superficial, 119

curvas de velocidad, 127 definición del proceso, 118 ecuación de Carrier, 126 etapas del, 128 fundamentos, 121 modelo de temperatura, 122 primer periodo, 143, 147, 178 segundo periodo, 143, 178 tiempos de, 129 Secado por aspersión, 139, 147 aplicaciones, 146 eficiencia térmica, 149 factores de operación, 145 modelo de temperatura, 146 ventajas, desventajas, 144 Sólidos solubles determinación, 283 Sólidos totales, 286 Solución de Fehling, 259 Streptococcus thermophilus,

192, 194 Secadores, 119, 123 Adiabáticos, 119, 123 Interacción gas-sólido, 119 Modelos de,120 Transferencia de calor en, 122 Transferencia de materia en,

124 T Temperatura saturación adiabática, 120 bulbo húmedo, 120 V Vitaminas de los aceites, 80 Y Yogur, 189 aspectos microbiológicos, 191 cultivos lácticos, 194 cultivos mixtos, 192 descripción del proceso, 196 factores del proceso, 193 teoría de la simbiosis, 192 tipos, 190

UNIVERSIDAD.NACIONALDE COLOMBIA+SEDEMANIZALES

MEMENTO.MORIMEMENTO.MORI

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01.02.03.04

Carlos Sabino

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"Si pensamos con suficienteamplitud se comprenderá que no es posible pretender que todos los trabajos científicos puedan adaptarsea un mismo modelo general,a un único molde. Esto significaría otorgar a la metodología un papel queno posee, el de canon o normativa, y convertirla en un estrecho sendero que niegala pluralidad del quehacercientífico"

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Marzo de 2005

Manual de Plantas III

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