UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERA UNI-RUSB FACULTAD DE INGENIERA QUMICA DISEO TECNOLGICO DE UN SISTEMA SEPARADOR-SECADOR PARA SU UTILIZACIN EN LA RECUPERACIN DE CERVEZA RESIDUAL Y POSTERIOR SECADO DE LA LEVADURA SOBRANTE TRABAJ O DE DIPLOMA PRESENTADO POR: Br. Rolando Antonio Mendieta Bojorge Br. Apolinar Enrique Picado Rivera PARA OPTAR AL TTULO DE: INGENIERO QUMICO TUTOR: MSc. Ing. Leandro Pramo Aguilera ASESORES: Ing. Luis Porras Lpez Dr. Ing. Joaqun Martnez de la Cruz Managua, NicaraguaOctubre, 2002 i Dedicatoria Dedicatoria Dedicatoria Dedicatoria A Dio. A miaj Gepatroj. A miaj Geavoj. A miaj Gefratoj. A mia Familia. Apolinar E. Picado Rivera ii Dedicatoria Dedicatoria Dedicatoria Dedicatoria A Dios. A mis padres Rolando Mendieta Mendoza y Rosa Esther Bojorge, por todo su amor, apoyo y paciencia. A mi familia. Rolando A. Mendieta Bojorge. iii AGRADECIMIENTOS Al Dr. Ing. J oaqun Martnez de la Cruz y al Ing. Luis Porras, por el tiempo empleado en la asesora y direccin del presente trabajo monogrfico. Al Ing. Silvio Solrzano, por su colaboracin en la parte experimental desarrollada con el filtro prensa. Al MSc. Ing. Rafael Gamero, por el apoyo brindado en la realizacin del presente trabajo. A nuestros compaeros tesistas y a todo el personal del Laboratorio de Secado e Ingeniera de Procesos UNI-KTH, por su ayuda brindada. iv OPININ DEL CATEDRTICO GUA Alllegaralfinaldeunaetapadeestetrabajoinvestigativo,mecomplacepresentaral honorable tribunal examinador a los Brs. Rolando Antonio Mendieta Bojorge y Apolinar EnriquePicadoRivera,mismosquerealizaroneltrabajotituladoDISEO TECNOLGICODEUNSISTEMASEPARADORSECADORPARASU UTILIZACINENLARECUPERACINDECERVEZARESIDUALY POSTERIOR SECADO DE LA LEVADURA SOBRANTE. Durantelarealizacindeestetrabajo,losBrs.MendietayPicado,mostraronentodo momentoungranniveldeindependencia,iniciativaycreatividad.Aspectosquelos llevaron a tomar sus propias decisiones y por mi parte, en la mayora de los casos estuve de acuerdo con los mismos y me limit a garantizarles sus condiciones logsticas, as como la disposicin de mi parte para ayudarlos en lo que estuviese a mi alcance. Debo decir que el trabajo es un aporte significativo para la industria cervecera nacional, misma que desdeya se encuentra abocada enpro de aplicar losresultados que de aqu derivan. En materia de investigacin, brinda un valioso aporte y es un granito de arena que nos aproxima un poco ms en la bsqueda de solucin al gran problema, El secado de la levadura. En este sentido este resultado, servir de base a varios estudios ms que vendrn y sern el punto de partida para el funcionamiento posterior de la planta piloto de secado, de donde hemos de volver a los programas de simulacin aqu planteados para perfeccionar y mejorar cada vez ms los resultados. Agradezco a Mendieta y a Picado, por la valiosa oportunidad de conocerles y facilitarme aprender un poco ms junto a ellos. La vida es un constante aprendizaje, todos los das estamoscreciendoyaprendiendo,solodejaremosdehacerloeldaquedemanera prepotenteconsideremosquelohemosaprendidotodo.Lesdeseolomejoryxitos futuros.Solicitoalhonorabletribunalexaminador,quedebidoalvaliosoaportedeeste trabajo,otorguealosBrs.MendietayPicado,elttulodeIngenieroQumicoconla garanta de que los mismos se encuentran a la altura que esto representa. MSc. Ing. Leandro Pramo Aguilera. Tutor De tesis. v RESUMEN Elpresentetrabajoestdirigidoaldiseodeunsistemacapazderecuperarlacerveza contenida en el desecho de la fermentacin cervecera, conocido como lechada de levadura. Integrndose a ste, una etapa de secado en la que se remueva el contenido de humedad de la levadura resultante de la separacin, para su utilizacin como suplemento alimenticio de ganado. Eneltrabajosepresentaladeterminacindeparmetros,talescomo:elporcentajede slidos de la lechada, la calidad de la cerveza recuperada y el contenido de humedad de la levadura sobrante, obtenidos con los distintos equipos de separacin utilizados. As mismo, ladeterminacindelacurvacaractersticadesecadodelalevaduraconpropsitosde diseo, considerando la influencia del fenmeno de encogimiento en el proceso de secado. En este tambin se presentan las pruebas de calidad realizadas a la levadura seca, a travs de las cuales se determin el rango de temperatura de secado ms apropiado para nuestro material, teniendo en cuenta el valor nutritivo de ste al final del proceso. Entrelosequiposempleadosestnlascentrfugasdesedimentacinyelsistemade filtracin al vaco, a travs de los cuales se determin el porcentaje de slidos contenido en la lechada, midindose el volumen de lquido recuperado (cerveza). La cerveza recuperada seanalizmedianteelequipoANTONPAAR,elcualproporcionabalosvalores correspondientes a los extractos, contenido de alcohol y densidad de la cerveza. Por otra parte,elcontenidodediacetilodeestacervezaseanalizenunespectrofotmetro.El contenido de humedad de la levadura separada, se determin midiendo la masa de lquido removidohastaelpuntoenqueelpesodelamuestrafueseinvariable.Lacurva caractersticadesecadoseobtuvoenunsecadordetnelprovistodeunsistema computarizado(computador-balanza),quepermitaelregistrodelosvalores correspondiente a la masa del material en el transcurso del experimento. Elsistemaseparador-secadordiseadoestconformadoporlossiguientesequipos principales: Un filtro prensa de placas y marcos, con un rea de filtracin de 31.5919 m2 que permitelarecuperacindeunvolumendecervezaresidualde8.8452m3,y 9601.4512 kg de torta de levadura al 71.7300 % de humedad, por semana. Un secador rotatorio de 1.25 m de dimetro y 5.7071 m de longitud el cual operar 32.85halasemanaparaobtener3290.4173kgdelevadurasecaal6%de humedad. Un intercambiador de calor de tubo y coraza con un rea de transferencia de calor de 32.9358 m2. vi y los siguientes equipos secundarios: Un mezclador esttico de 16 elementos en forma de N con una longitud de 4.036 m. Una bomba de desplazamiento positivo reciprocante con una potencia de 0.3182 kW. Un vagn-tolva con unvolumen de 1.0 m3y carga mnima de 800.1369 kg que dosificar la levadura proveniente del filtro prensa al secador. Con el sistema descrito se garantiza la recuperacin de una cerveza con la calidad requerida por la empresa I.C.S.A., la cual mezclada al 5 % con cerveza regular (cerveza terminada) es comercializable sin problema alguno. De igual forma, la levadura seca obtenida cumple con los estndares internacionales en cuanto a contenido de protena se refiere, generando una fuente ms de alimento para ganado y ganancias a la industria por la venta del producto. vii NDICE ContenidoPgina Dedicatoria.............................................................................................................................. i Agradecimientos................................................................................................................... iii Opinin del catedrtico gua................................................................................................ iv Resumen..................................................................................................................................v ndice.................................................................................................................................... vii Lista de figuras y tablas......................................................................................................... ix 1. Introduccin........................................................................................................................1 2. Objetivos.............................................................................................................................2 2.1 General ........................................................................................................................2 2.2 Especficos..................................................................................................................2 3. Marco Terico.....................................................................................................................3 3.1 Descripcin del proceso productivo en I.C.S.A..........................................................3 3.1.1 Recepcin de materia prima...............................................................................3 3.1.2 Molienda............................................................................................................3 3.1.3 Produccin de mosto..........................................................................................4 3.1.4 Enfriamiento.......................................................................................................6 3.1.5 Fermentacin......................................................................................................6 3.1.6 Maduracin........................................................................................................7 3.1.7 Filtracin............................................................................................................7 3.1.8 Envasado............................................................................................................8 3.2 Recuperacin de cerveza residual ...............................................................................8 3.2.1 Filtracin............................................................................................................9 3.2.2 Centrifugacin..................................................................................................13 3.3 Levaduras..................................................................................................................14 3.4 Secado.......................................................................................................................16 3.4.1 Generalidades...................................................................................................16 3.4.2 Curva caracterstica de secado.........................................................................18 3.4.3 Relaciones bsicas del secado convectivo.......................................................19 3.5 Descripcin y fundamentos de diseo de los equipos...............................................20 3.5.1 Filtro prensa de placas y marcos......................................................................20 3.5.2 Secador rotatorio..............................................................................................24 3.5.3 Calentador........................................................................................................31 3.5.4 Equipos auxiliares............................................................................................37 4. Material y Mtodo.............................................................................................................39 4.1 Recuperacin de cerveza residual, determinacin de la densidad aparentey porcentaje de slidos de la lechada........................................................................39 4.2 Determinacin de la curva de filtracin....................................................................41 viii 4.3 Determinacin de los parmetros de calidad y viscosidad de la cervezarecuperada.................................................................................................................42 4.4 Pruebas de degustacin de cerveza...........................................................................42 4.5 Determinacin de la humedad en la levadura sobrante.............................................43 4.6 Determinacin de la densidad aparente y de partcula de la levadura......................43 4.7 Determinacin de la relacin rea-volumen-humedad.............................................44 4.8 Determinacin de la curva caracterstica de secado..................................................44 4.9 Simulaciones para el diseo del secador rotatorio....................................................46 5. Presentacin y Discusin de Resultados...........................................................................51 5.1 Recuperacin de cerveza residual, determinacin de la densidad aparente y porcentaje de slidos de la lechada........................................................................51 5.2 Determinacin de la curva de filtracin....................................................................55 5.3 Determinacin de los parmetros de calidad y viscosidad de la cerveza recuperada.................................................................................................................57 5.4 Pruebas de degustacin de cerveza...........................................................................60 5.5 Determinacin de la humedad en la levadura sobrante.............................................61 5.6 Determinacin de la densidad aparente y de partcula de la levadura......................62 5.7 Diseo del filtro prensa de placas y marcos..............................................................63 5.8 Determinacin de la relacin rea-volumen-humedad.............................................64 5.9 Determinacin de la curva caracterstica de secado..................................................67 5.10 Simulaciones para el diseo del secador rotatorio..................................................70 5.11 Diseo del calentador..............................................................................................71 5.12 Determinacin de las propiedades nutritivas de la levadura...................................73 5.13 Equipos auxiliares...................................................................................................73 6. Conclusiones.....................................................................................................................75 7. Recomendaciones..............................................................................................................77 8. Notacin............................................................................................................................78 9. Referencias........................................................................................................................83 Apndice...............................................................................................................................86 Apndice A Figuras y Tablas............................................................................................87 Apndice B Datos Proporcionados por Industrial Cervecera S.A. ...................................95 Apndice C Diagramas.....................................................................................................97 Apndice D Programas en MATLAB.............................................................................100 Apndice E Fotografas...................................................................................................111 Apndice F Clculos.......................................................................................................114 ix LISTA DE FIGURAS Y TABLAS FigurasPgina Fig. 3.1Principios de filtracin.........................................................................................9 Fig. 3.2Curva tpica de filtracin....................................................................................12 Fig. 3.3Clula de levadura..............................................................................................15 Fig. 3.4Curva de velocidad de secado............................................................................18 Fig. 3.5Seccin transversal de un filtro prensa...............................................................21 Fig. 3.6Filtro prensa de placas y marcos........................................................................21 Fig. 3.7Balance de materia.............................................................................................23 Fig. 3.8Secador rotatorio directo....................................................................................25 Fig. 3.9Elemento diferencial de un secador rotatorio.....................................................26 Fig. 3.10Tipos de elevadores de un secador rotatorio......................................................30 Fig. 4.1Equipo de filtracin............................................................................................40 Fig. 4.2Equipo de centrifugacin...................................................................................40 Fig. 4.3Diagrama del filtro prensa experimental ............................................................41 Fig. 4.4Diagrama del secador de tnel experimental .....................................................45 Fig. 5.1Curva tpica de filtracin obtenida en el filtro prensa........................................56 Fig. 5.2Pruebas triangulares para la cerveza regular al 5 % en volumen de cervezarecuperada..........................................................................................................60 Fig. 5.3Encogimiento volumtrico y de grosor de la levadura vs. Contenido dehumedad base hmeda.......................................................................................65 Fig. 5.4Relacin entre el encogimiento volumtrico y de grosor de la levadura...........65 Fig. 5.5Encogimiento superficial de la levadura vs. Contenido de humedadbase seca.............................................................................................................66 Fig. 5.6Curvas de secado obtenidas para la levadura cervecera.....................................67 Fig. 5.7Curvas de velocidad de secado obtenidas para la levadura cervecera...............68 Fig. 5.8Curva caracterstica de secado obtenida para la levadura cervecera..................69 Fig. 5.9Perfiles de secado obtenidos para la simulacin S007.......................................71 Fig. 5.10Resultados obtenidos en las pruebas de calidad de la levadura seca.................73 x TablasPgina Tabla 3.1Materias primas para la fabricacin de cerveza..............................................3 Tabla 3.2Propiedades nutritivas de la levadura seca....................................................16 Tabla 3.3Rangos de aplicacin del filtro prensa...........................................................23 Tabla 3.4Constantes empricas de a1 y a2 para la ecuacin (3.68) ...............................33 Tabla 3.5Datos tpicos de diseo para mezcladores estticos......................................37 Tabla 3.6Coeficiente de reserva de potencia................................................................38 Tabla 4.1Parmetros fijos suministrados al programa de simulacin del secador rotatorio.........................................................................................................47 Tabla 4.2Parmetros variables suministrados al programa de simulacin delsecador rotatorio............................................................................................47 Tabla 4.3Arreglo de las simulaciones para el diseo del secador rotatorio.................48 Tabla 5.1Valores obtenidos en la determinacin de la densidad aparente de lalechada...........................................................................................................51 Tabla 5.2Valores obtenidos en la determinacin del porcentaje de slidos envolumen mediante filtracin al vaco............................................................52 Tabla 5.3Valores obtenidos en la determinacin del porcentaje de slidos envolumen mediante centrifugacin.................................................................53 Tabla 5.4Parmetros de calidad obtenidos en la cerveza recuperada mediantefiltracin al vaco...........................................................................................57 Tabla 5.5Parmetros de calidad obtenidos en la cerveza recuperadamediante centrifugacin................................................................................58 Tabla 5.6Valores obtenidos para la viscosidad de la cerveza recuperadamediante filtracin al vaco...........................................................................59 Tabla 5.7Valores obtenidos para la viscosidad de la cerveza recuperadamediante centrifugacin................................................................................60 Tabla 5.8Valores obtenidos de humedad en base hmeda para la levadurarecuperada mediante filtracin al vaco.........................................................61 Tabla 5.9Valores obtenidos de humedad en base hmeda para la levadurarecuperada mediante centrifugacin..............................................................61 Tabla 5.10Valores obtenidos para la densidad aparente de la levadura.........................62 Tabla 5.11Valores obtenidos para la densidad de partcula de la levadura....................63 Tabla 5.12Caractersticas tcnicas del filtro prensa de placas y marcos........................64 Tabla 5.13Resultados obtenidos en las simulaciones para el diseo del secador rotatorio.........................................................................................................70 Tabla 5.14Parmetros de proceso del calentador ...........................................................72 Tabla 5.15Parmetros de construccin del calentador ...................................................72 1 1. INTRODUCCIN ActualmentelaindustriacerveceradeNicaragua(I.C.S.A.)esafectadaporimportantes prdidasenelreadefermentacin.Lalevaduraqueseadicionaalostanquesde fermentacin slo se utiliza de tres a cuatro ciclos, ya que se considera agotada y por lo tanto se desecha arrastrando consigo aproximadamente 1-2.5 % de cerveza total rendible de la empresa. Esta prctica cervecera adoptada desde que dicha planta inici sus operaciones, noslorepercuteenloscostosdeproduccindelaempresa,sinoqueademsincide negativamenteenelmedioambientealsereldesechocerveceroconducidoallagode Managua. Todo esto sin mencionar el desaprovechamiento total de la levadura, con alto poderprotenicoyvitamnico,quepuedeutilizarsecomosuplementoalimenticiopara ganado, generando a su vez otra fuente de ingresos a la compaa cervecera mediante su venta. Laimplementacindesistemasdeseparacinparalarecuperacindecerveza,requiere primeroladeterminacindeciertaspropiedadesdelasuspensintalescomo:densidad, concentracin de slidos y reologa de la misma. A nivel internacional se han realizado proyectos a escala piloto sobre la recuperacin de cerveza residual, obtenindose resultados satisfactorios (Gil et al., 2001). As mismo, se conocen diversos estudios llevados a cabo en AlemaniayEstadosUnidossobreelsecadodelalevadurarecuperadaquerevelan factibilidad (European Brewery Convention, 1998). El presente trabajo se enfoca en el diseo de un sistema separador-secador de la levadura. Dicho trabajo se realiz como apoyo a los proyectos de cooperacin entre el Departamento deQumicadelRealInstitutoTecnolgicodeEstocolmo,Suecia,ylaFacultadde Ingeniera Qumica de la Universidad Nacional de Ingeniera, UNI, en coordinacin con la empresa Industrial Cervecera. Con el desarrollo de esta investigacin se pretende dar una solucin que permita cambiar positivamente, las prcticas cerveceras que hasta el momento semantienenenlaempresa.Nosloparaminimizarlasprdidaseconmicasdela industria,sinotambinparaevitaranmseldeteriorodenuestromedioambiente.El presente trabajo ahonda adems en el estudio del comportamiento de la levadura durante su secado.Analizandoaspectostalescomoelfenmenodeencogimientoquelalevadura presentaylainfluenciadesteenlavelocidaddesecado.Todoconelobjetivode contribuir en alguna medida al entendimiento del secado de levadura, que hasta el momento no haba sido abordado en Nicaragua. 2 2. OBJETIVOS 2.1 GENERAL Diseotecnolgicodeunsistemaseparador-secador,paraserutilizadoenla recuperacin de cerveza residual y posterior secado de la levadura sobrante. 2.2 ESPECFICOS Determinarelporcentajedeslidosdelalechadaylacantidadtotaldecerveza residual recuperable. Establecermediantepruebasdelaboratorioelmtododeseparacinquenos garantice una mxima eficiencia. Realizarlosanlisisdecalidadfundamentalesalacervezarecuperaday compararlos con los parmetros utilizados por I.C.S.A. Determinar la curva caracterstica de secado para levadura cervecera. Determinarlaspropiedadesfsicasdelosmaterialesnecesariasparaeldiseo tecnolgico del sistema separador-secador. Dimensionar el sistema separador-secador. 3 3. MARCO TERICO 3.1 DESCRIPCIN DEL PROCESO PRODUCTIVO EN I.C.S.A. Laformadeproducircervezasehamantenidohastalafechasinvariaciones significativas.Lasinnovacionessehanrealizadomsquetododesdeel puntodevista tecnolgico.Cadacervecerasecaracterizaporlamodernidaddesusequipos;sin embargo,lasoperacionesbsicasyfundamentalesdefabricacin,enesenciasonlas mismas. ElprocesoproductivoquesellevaacaboenI.C.S.A.constadelassiguientes operaciones: (ver Fig. C.1 en el Apndice C). 3.1.1Recepcin de materia prima 3.1.2Molienda 3.1.3Produccin de mosto (maceracin, filtracin, ebullicin y separacin del trub) 3.1.4Enfriamiento 3.1.5Fermentacin 3.1.6Maduracin 3.1.7Filtracin y estabilizacin 3.1.8Envasado 3.1.1 Recepcin de materia prima La materia prima necesaria para la elaboracin de cerveza se presenta en la Tabla 3.1: Tabla 3.1 Materias primas para la fabricacin de cerveza. Materia primaMarca Forma de almacenamiento Malta de 2 hilerasMalteries SoufletSilo Malta de 6 hilerasMalteries SoufletSilo Grits de MazMalteries SoufletSilo Extracto de lpulo variedad Galena (no isomerizado) HAASBajo Refrigeracin 3.1.2 Molienda El objetivo de la molienda de los ingredientes de una masa, es reducir los materiales al menor tamao de partculas que sea compatible con la separacin del mosto. Lamaltayelmazsontransportadosautomticamentedelossilosalastolvasquese encuentraneneledificiodecocimiento,estoluegodehaberpasadoporuntamiz-bscula en el que se remueve la basura (piedras y polvo) y se determina la masa de los granos.Sinembargo,elmazpasadirectamentealmolino.Despusdelamoliendase transportaelmaterialpormediosneumticoshastalastolvasquealmacenanelgrano molido para su posterior descarga en sus respectivas ollas de cocimiento. 4 Dadoqueelmazespreviamenteprocesadoorefinadoenalgunamedida,lamayor preocupacinsecanalizahaciaelmanejodemateriales(transferencia,transporte, almacenamiento).Lamayoradeadjuntossecos,aexcepcindelarroz,puedenser manipuladossatisfactoriamenteenunadiversidaddepartculasparasuincorporacin inmediata dentro de la masa sin molienda. 3.1.3 Produccin de mosto El objetivo principal del proceso en la sala de cocimientos; es la produccin eficiente de mostoconlaformulacinycalidadquepermitaproducirlacervezadeseada.Las operaciones que aqu se realizan son: 1.Maceracin.2.Filtracin de mosto.3.Ebullicin de mosto. 4.Separacin de trub. Maceracin Lamaceracinconsisteenelcalentamientocontroladodelasmasasqueformanla maltayelmazalmezclarseconagua.Durantelamaceracinselogra:solubilizar sustanciasdelamaltayadjuntosdirectamentesolublesenaguayademscambiarla estructuraqumicadeunamaneraplanificadaypredecible,atravsdelaaccin enzimticasimultneadealgunasdelassustanciasconstituyentes;estoes,la modificacin de almidones, protenas y algunas gomas, y solubilizar mediante la accin enzimticasustanciasquesoninsolublesensuestadonatural.Lamayoradelos sistemasdemaceracinqueseusanactualmentepuedenclasificarsecomosistemasde infusinosistemasdedecoccin.EnI.C.S.A.seempleaelmtododeinfusin ascendentededoblemasa.Estesistemautilizauncocedordecerealesenelcualse preparanmediantehervidalosadjuntos,yunmezclador(macerador)enelquese prepara la masa de la malta y en donde se combinan al final ambas masas. Filtracin de mosto La filtracin del mosto se da en la paila u olla de filtracin conocida como filtro Lauter. El Lauter es un cilindro vertical de gran dimetro con relacin a su profundidad. Dentro delfondohayunsistemadecaptacindemostodetubosmltiplesqueconducenel mostomedianteunsistemadevlvulas,haciaelrecipientedecaptacindenominado colector.Suspendidoporencimadelfondoverdaderoseencuentraunfalsofondode planchasdeaceroinoxidableranuradasdeformamuyprecisa.Estasplanchasestn cuidadosamenteencajadasparaformarunpisomuyllanoyanivel,encimadelcual viene a reposar el afrecho.La distancia entre el falso fondoyel verdadero oscila entre 100-150 mm. Lapailadefiltracinestequipadaconunamquinadefiltracin.Lamquinade filtracinconstadeunejedeconstruccinpesadacolocadodemaneramuyprecisaal centrodelatinayconectadoporabajoconunmotordepropulsindemltiple velocidadquepermitehacergirar,elevarybajar.Conectadosradialmentedesdeeleje principalyextendindosecasihastalaparedverticalhay23brazosrgidos.Debajo de stos hay cuchillas que pueden ubicarse de manera que casi toquen el falso fondo. 5 Lafuncindedichascuchillasesarrastrarelafrechohacialosorificiosdesalida.La paila de filtracin tambin est equipada con un sistema de riego de agua caliente, sta semantieneaunatemperaturade78C.Estenormalmenteesunsistemadetubos concntricossuspendidosexactamentepordebajodeltechodelatinayconectadopor mltiples tuberas a la provisin de agua de regar. Los anillos de regar estn perforados con numerosos orificios pequeos, o equipados con boquillas de regar orientadas hacia abajo para entregar el agua en un patrn uniforme a travs de toda el rea superficial del lecho de masa en la tina. ElmaceradosebombeahaciaelLauterdemaneraquelamasaslidasecompacte estableciendoellechodefiltracin.Elmostoesrecirculadohastaquehalogrado claridad, en ese momento se desva el primer mosto a la olla de coccin. A medida que seextraeelprimermosto,seinicianlosriegosconaguacalientehastaqueelmosto diluidoenlaolladecoccinalcanceelvalordelextractodeseado.Generalmentese hacen 3 riegos o se riega continuamente segn sea la tecnologa. Ebullicin de mosto Laebullicindelmostoesunaoperacinrelativamentesencilladepors,perolas complejidades de las interacciones que afectan los constituyentes del mosto durante su ebullicin tienden a frustrar los intentos que se han hecho para perfeccionar el proceso. Seenumeranacontinuacin,aunquenoenordendeimportancianiensecuencia cronolgica las operaciones que se dan en la ebullicin del mosto: 1.Estabilizacin. 2.Desarrollo del sabor. 3.Concentracin. 4.Esterilizacin del mosto. Laebullicindelmostosellevaacaboenlaolladecoccin.Aquseelevala temperatura hasta ebullir vigorosamente en un tiempo de 1 a 2 horas. El calentamiento se logra por medio de un cocedor interno. El proceso de ebullicin proporciona estabilidad al mosto en cuatro sentidos: 1.Biolgico. 2.Bioqumico.3.Coloidal. 4.Sabor. Separacin del trub Despus de la ebullicin el mosto es bombeado hasta el tanque "remolino" (Whirlpool) endondeseseparaeltrubcaliente.ElmostocalientereposaenelWhirlpoolantesde ser bombeado al enfriador. La tarea del Whirlpool consiste en la separacin mecnica de mosto y trub caliente. El principio del remolino es que las partculas slidas suspendidas en una masa de lquido en rotacin emigrarn al centro y al fondo del tanque. Mediante el bombeo del mosto dentro del tanque, toda lamasagira, losgrumos de trub emigran hacia el centro y fondo del tanque, donde se aglutinan para formar una torta. 6 Laconsistenciaydensidaddelatortadetrubvariardeacuerdoconlacalidaddela coagulacin de la olla. La separacin del trub caliente del mosto es un efecto fsico, el cual ocurre en el fondo delWhirlpool.Enestarea,lasfuerzascentrfugasydecompresinestnen desequilibriodebidoalacirculacindelmosto,detalmaneraqueseproduceuna succin en el fondo del Whirlpool que arrastra los flculos de trub caliente. 3.1.4 Enfriamiento Elenfriamientodelmostoserealizaenunintercambiadordecalordeplacasdeacero inoxidable.Lasconexionesypasajessontalesqueelmostoyelmediorefrigerante pasanjuntosenuncontraflujoturbulentoencapaspocoprofundasentreplacas adyacentes. Los objetivos del enfriamiento son: 1.La reduccin de la temperatura del mosto desde aproximadamente 97 C hasta la temperatura de siembra de 9-10 C. 2.Laeliminacinolapreparacindelaeliminacinsubsiguientedelos constituyentes del mosto que sean productores del velo coloidal. 3.Aireacin adecuada del mosto para permitir que opere debidamente la levadura. Paralograrelenfriamientoseutilizaaguaconunatemperaturade2-5C.Por intercambio de calor el agua fra se calienta hasta una temperatura de 80 C. Esta agua calienteesenviadaauntanqueparaserutilizadaenlosriegosyenotrasreasdel proceso. Alsalirdelintercambiadordecalor,elmostopasaporunsistemadeaireacin(aire estril para evitar contaminacin) para permitir una vigorosa y rpida fermentacin por accin de la levadura. 3.1.5 Fermentacin Ladescripcintradicionalcuantitativadelafermentacincervecerasehaexpresado como el proceso anaerbico, mediante el cual la levadura convierte la glucosa en etanol y dixido de carbono: ( ) ( ) ( )Calor CO OH H C O H Cg l s+ + 2 5 2 6 12 62 2 Posteriormente se comprendi que la influencia de numerosas enzimas y coenzimas era laresponsabledereaccionesmuchomscomplejasproducidasenlaconversin.De maneraqueenlafermentacincerveceraparticipa,ademsdelaglucosa,todoel extracto o carbohidratos fermentables presentes en el mosto. El enfriador deja al mosto con una temperatura de 9-10 C; y luego ste se airea hasta su saturacin(aproximadamente8ppmdeoxgenodisuelto).Lasiembradelalevadura normalmente se produce inmediatamente despus del enfriamiento, dentro de la tubera que conduce el mosto a los fermentadores. 7 Los tanques fermentadores utilizados en I.C.S.A. son tanques verticales de fondo cnico llamados"unitanques",yaquesuformayelsistemaderefrigeracinqueposeenles permite realizar la fermentacin y maduracin. La fermentacin tiene una duracin de 8 das como mnimo y como mximo 12 das. La cervezacomienzaafermentarapartirde8-10C.Sepermitequesecalienteconel calordelafermentacinhastaalcanzar16Cysemantieneadichatemperatura.De este modo, se produce una cantidad mnima de diacetilo, acetaldehdo y otras sustancias que aportan sabores indeseables. Fundamentalmente se da finalizada cuando el diacetilo baja a un valor menor de 0.1 ppm, generalmente 0.08-0.09 ppm. El dixido de carbono esrecuperadoenlasalademquinasparaserutilizadoenlacarbonatacindela cerveza.Deigualmanerapartedelalevadurautilizadaenlafermentacines recolectadayalmacenadaenuntanqueparasuusoposterior,generalmentede3a4 ciclos. La levadura sobrante aproximadamente 20 m3 por semana es desechada a travs de canales al desage principal. 3.1.6 Maduracin Unavezfermentada,lacervezaseenfraa0C.Aestoselellama"abrirfro".La cerveza se almacena entonces durante unos das ms (aproximadamente 1-3 semanas) a 0Copordebajodeestatemperaturaenlostanquesdemaduracin,aunque actualmenteenI.C.S.A.lamaduracintambinserealizaenlosmismosunitanques dondesedalafermentacin.Elmotivoprincipalporelcualsedaunreposoenesta etapa es la maduracin del sabor y la clarificacin (estabilidad en fro). 3.1.7 Filtracin RecientementeenI.C.S.A.seinstalunanuevasalafra,endondeseefectala fermentacin,maduracinyfiltracindelacerveza.Enestesistema,lacervezaes bombeadadesdelosunitanquesZIEMANauntanquebufferPT1,elcualmantienela presinen170kPaparaevitarqueenelfiltrodecandelasedeneventualesgolpesde presin producto de un aumento de las diferencias de presin. Antes de ser filtrada con tierrasdiatomeas,lacervezaseenfraenunintercambiadordeplacas.Alacerveza filtradaseleagregalaPVPP(Polivinilpolipirrolidona),pormediodeunabomba dosificadora que sirve de puente entre el filtroyun tanque llamado DOSIMAT, donde estcontenidalaPVPP.LadosisdePVPP,enformadesuspensinseencuentra establecida en 0.2 kg/m3.Luego se hace pasar la mezcla por la instalacin ZHF (Filtro Horizontal) y la PVPP queda retenida en los elementos horizontales. La cerveza ya filtrada y estabilizada, pasa a travs de un Filtrap, el cual es un filtro que retienelosltimosslidossuspendidosquellevalacerveza,paraluegoatravesarun segundo tanque buffer PT2 (170 kPa), con la misma funcin que el primero. Por ltimo lacervezaescarbonatadaydiluidaatravsdelalneaquelaconducealostanques finales. La PVPP que se utiliza es regenerable y se usa una y otra vez sin recambio. Las prdidas son de 1 % por cada regeneracin y son debidas a la limpieza. La regeneracin consiste en lavar con hidrxido de sodio al 2.5 % por 1 hora a una temperatura de 80 C y luego con H2P04 al 1 % por 30 minutos a la misma temperatura. 8 3.1.8 Envasado El rea de envasado est compuesta por tres fases: 1.Lavado de botellas (slo cuando se envasa en botellas). 2.Llenado. 3.Pasteurizacin. Lasbotellasderetornosonlimpiadasmediantelainsercindestasdentrodelos transportadoresdelalavadora.Lasolucindelavadoconsisteenagua,hidrxidode sodio,gluconatodesodioyunagentehumedecedor.Sedebeasegurarqueenlas botellasnoquedentrazasdehidrxidodesodiodespusdellavado.Lasbotellasya lavadas son llevadas a la llenadora a travs de los transportadores de banda. El llenado serealizacondixidodecarbonoparaevitarelexcesodeaireenlasbotellasoenlas latas. Cuandoelenvasadosedaenbotellas,laetapasubsiguientealallenadoraesla coronadora, la cual se encarga de tapar a presin las botellas. Tanto la llenadora como la coronadora trabajan de manera conjunta. En el caso de envasado en latas, posterior a la llenadora se encuentra el sellador de latas. En esta operacin el aire que llena el espacio libre de la lata es reemplazado por dixido de carbono.Luego, tanto las botellas como laslatassontransportadasalapasteurizadora.Ahrecibende15a20unidadesde pasteurizacin. Una unidad de pasteurizacin corresponde al efecto de una temperatura de 60 C durante un minuto. Alsalirdelapasteurizadoralasbotellassonempacadasautomticamenteencajascon una capacidad de 24 botellas, en cambio las latas son empacadas manualmente en cajas con capacidad de 12 y 24 (Gutirrez y Obando, 2000). 3.2 RECUPERACIN DE CERVEZA RESIDUAL El problema general de la separacin de partculas slidas de lquidos se puede resolver usandounagrandiversidaddemtodos,dependientesdeltipodeslido,dela proporcindeslidoalquidoenlamezcla,delaviscosidaddelasolucinydeotros factores. Paralarecuperacindelacervezaresidualcontenidaenlalechada,sepuedenutilizar las siguientes operaciones: 1.Precipitacin y sedimentacin. 2.Filtracin. 3.Centrifugacin. Enlafiltracinseestableceunadiferenciadepresinquehacequeelfluidofluyaa travs de poros pequeos que impiden el paso, de las partculas slidas las que a su vez se acumulan sobre la tela (medio filtrante)como torta porosa. Esta torta tambin acta como filtro de las partculas suspendidas, por lo que el fluido pasar a travs del lecho deslidosylamembranaderetencin.Enlasseparacionesporcentrifugacin,las partculasseseparandelfluidoacausadelasfuerzascentrfugasqueactansobrelas partculas de tamaos y densidades diferentes (Geankoplis, 1998). En la precipitacin y 9 sedimentacin,laseparacinsedaporgravedadresultandoalgunasvecesdemasiado lentadebidoalasimilituddedensidadesdelapartculayelfluido,oalasfuerzasde asociacin que mantienen unidos los componentes, como en el caso de las emulsiones. Existen otros mtodos de separacin aconsejables para materiales fluidos y semifluidos, levadurasypastas;talescomolamicrofiltracinaflujocruzado(CMF)yelfiltrode membrana vibratoria (VMF), ya probados en la recuperacin de cerveza residual (Gil et al., 2001). Debido a la limitante de que a nivel de laboratorio slo se dispuso de equipos defiltracinalvacoycentrfugasdesedimentacin,seemplearonlosmismospara cumplirconelobjetivopropuesto,teniendocomoreferenciasuutilizacinenotras industrias cerveceras para la recuperacin tanto de cerveza como de levadura (Gil et al., 2001; Ortega et al., 2001). 3.2.1 Filtracin Laseparacindelosslidosdeunasuspensinhacindolapasaratravsdeunmedio porosoomallaelcualretengalosslidosypermitaelpasodellquidoesllamada filtracin.Engeneral,losporosdelmediosernmsgrandesquelaspartculasque sernremovidas,yelfiltrotrabajareficientementeslodespusdequeundepsito inicialsearetenidoenelmedio.Enellaboratorio,lafiltracinesamenudollevadaa caboenunaformadeembudoBchner,yellquidoessuccionadoatravsdelacapa delgadadepartculasutilizandounafuentedevaco.Enloscasosmssimplesla suspensinescoladadentrodeunfiltrocnicoprovistodeunpapelfiltro.Enel equivalente industrial de tal operacin, las dificultades estn relacionadas con el manejo degrandescantidadesdesuspensionesyslidos.Conelpropsitodelograrunaalta velocidaddepasodelquidoatravsdestos,altaspresionessongeneralmente aplicadas y para cuando una alta capacidad es requerida se hace necesaria una gran rea de filtracin. Una operacin tpica de filtracin se ilustra en la Fig. 3.1 la cual muestra el mediofiltrante,enestecasounatela,susoporteylacapadeslidos,otortade filtracin la cual ya est formada. Fig. 3.1 Principios de filtracin (Coulson y Richardson, 1998). Lafiltracinesesencialmenteunaoperacinmecnicaquedemandapocaenerga comparada con la evaporacin o el secado donde el calor latente del lquido (usualmente agua) tiene que ser suministrado. En la operacin tpica mostrada en la Fig. 3.1, la torta crecegradualmentesobreelmedio,incrementndoseprogresivamentelaresistencia Lechada Filtrado Torta Medio filtrante Soporte del medio 10 paraelflujodellquido.Duranteelperiodoinicialdeflujo,laspartculasson depositadas en las capas superficiales del medio filtrante. Los factores ms importantes de los cuales depende la velocidad de filtracin son: 1.Lacadadepresindesdelaalimentacinhastaelladomslejanodelmedio filtrante. 2.El rea de la superficie filtrante. 3.La viscosidad del filtrado. 4.La resistencia de la torta de filtracin. 5.La resistencia del medio filtrante y las capas iniciales de la torta. Eltipodefiltracindescritoesusualmenteconocidocomofiltracindetorta;la proporcin de los slidos en la suspensin es grande y la mayora de las partculas son acumuladasenlatortadefiltracin,lacualpuedesersubsecuentementeseparadadel medio (Coulson y Richardson, 1998). Teora de la filtracin Lateoradelafiltracinesvaliosaparainterpretarresultadosdelaboratorio,buscar condicionesptimasdefiltracinypredecirlosefectosdeloscambiosenlas condicionesoperacionales.Elempleodeestateoraestlimitadoporelhechodeque lascaractersticasdefiltracinsedebendeterminarsiempreenlalechadarealquese trate,puestoquelosdatosobtenidosconunalechadanosonaplicablesaotra (Velezmoro,2002).Enlafiltracinsemanejandosmtodosdeoperacintotalmente diferentes:silapresinsemantieneconstantelavelocidaddeflujodisminuir progresivamente, mientras que si la velocidad de flujo se mantiene constante la presin debeincrementarsegradualmente.Lastortasdefiltracinpuedendividirseendos clases: tortas incomprensibles y comprensibles. En el caso de una torta incomprensible, laresistenciaafluirdeunvolumendadodetortanoesapreciablementeafectada tampocoporladiferenciadepresinatravsdelatortaoporlavelocidadde deposicindelmaterial.Porotrolado,conunatortacompresibleunincrementodela diferenciadepresinodelavelocidaddeflujocausalaformacindeunatortams densaconunamayorresistencia.Debidoaquelaspartculasqueformanlatortason pequeasyelflujoatravsdellechoeslento,elflujoesnormalmentelaminar.Si adems la torta es incompresible, la velocidad de flujo puede representarse como: ( )lPS eedtdVAuf fff 2 231 51(3.1) Enestaecuacin,Vfeselvolumendefiltradoquehapasadoenuntiempotf,Afesel readelaseccintransversaldelatortadefiltrado,ueslavelocidadsuperficialde filtrado, l es el grosor de la torta, S es la superficieespecfica de las partculas, e es la porosidad, f es la viscosidad del filtrado, y P es la diferencia de presin aplicada. En la derivacin de esta ecuacin se asume que la torta es uniforme y que la porosidad es constante. La cantidad ( ) [ ]2 231 5 S ee es entonces una propiedad de las partculas que forman la torta, y debera ser constante para un material dado. 11 Por tanto, l rPdtdVAf fff 1(3.2) Donde: ( )32 21 5eS er(3.3) Laecuacin(3.2)eslaecuacinbsicadefiltracinyresllamadoresistencia especfica. Para tortas incompresibles ste se toma como constante pero depender de la velocidaddedeposicin,naturalezadelaspartculas,ydelasfuerzasentrelas partculas. En la ecuacin (3.2) las variables l y Vf estn relacionadas por el balance de material entre los slidos de la lechada y la torta. El resultado de este balance permite la obtencin de una relacin bsica entre (-P), Vf y tf dada por: f ffffV rP AdtdV ) (2 (3.4) Donde es el volumen de torta depositado por unidad de volumen del filtrado (Coulson y Richardson, 1998). Flujo de lquido a travs de la tela Untrabajoexperimentalsobreelflujodellquidoatravsdeunmedioporosoabajas velocidades de flujo ha mostrado que la velocidad de flujo es directamente proporcional aladiferenciadepresin.Siendolaresistenciadelatelamaslascapasinicialesde partculasdepositadasdeimportancia,yaqueestasltimasnosolamenteformanel verdaderomediofiltrantesinoqueademspuedenbloquearlosporosdelatela incrementandoassuresistencia.Lastelaspodrantenerquedesecharsedebidoa tensiones mecnicas (Coulson y Richardson, 1998). Flujo de filtrado a travs de la tela y torta combinadas SeanlatelafiltranteylascapasinicialesdetortaequivalentesaungrosorLdetorta depositada ms adelante en el proceso. Entonces si (-P) es la cada de presin a travs de la torta y tela combinadas: ( )( ) L l rPdtdVAf fff+ 1(3.5) Integrando esta ecuacin entre los lmites tf = tf1, Vf = Vf1 y tf = tf, Vf = Vf para filtracin a presin constante: ( )( )( ) ( ) P AL rP AV rV VP ArV Vt tffff ff ffff ff f + + 2112112 (3.6) 12 Fig. 3.2 Curva tpica de filtracin (Geankoplis, 1998). Poresohayunarelacinlinealentre(tf-tf1)/(Vf-Vf1)y(Vf-Vf1)(comosemuestraenla Fig. 3.2)y la pendiente es proporcional a la resistencia especfica, como en el caso del flujo de filtrado a travs de la torta de filtrado sola, pero la lnea no cruza el origen. El intercepto sobre el eje de (tf-tf1)/(Vf-Vf1) debiera permitir que L, el grosor equivalente delatela,seacalculadoperonoseobtienenresultadosreproduciblesporqueesta resistenciaescrticamentedependientedelamaneraexactaencomolaoperacines comenzada. El tiempo al cual la medicin de Vf y tf es tomado no afecta la pendiente de lacurva,solamentealintercepto.SenotarqueunarelacinlinealentretfyVf2noes ampliamenteobtenidacuandolaresistenciadelatelaesapreciable(Coulsony Richardson, 1998). El medio filtrante Elmedioparafiltracionesindustrialesdebetenerciertascaractersticas.Laprimeray msimportanteesquepermitasepararlosslidosdelasuspensinyproducirun filtradotransparente.Adems,losporosnosedebenobstruirconfacilidadparaquela velocidaddelprocesonoseademasiadolenta.Elmediofiltrantedebepermitirla extraccindelatortasindificultadesniprdidas.Obviamente,debeteneruna resistenciamecnicasuficienteparanorasgarseynoserafectadoporlosproductos qumicos presentes. Algunos medios filtrantes de uso comn son telas gruesas de loneta osargas,tejidospesados,fibradevidrio,papel,fieltrodecelulosa,telasmetlicas,de lana,denylon,dedacrnyotrostejidossintticos.Lasfibrasdehilachademateriales naturales,sonmseficacesparapartculasfinasquelasfibrasplsticasometlicas. Algunasveces,elfiltradosaleunpocolechosoalprincipio,antesdequesedepositen las primeras capas de partculas que ayudan al filtrado subsiguiente. El filtrado se puede recircular para una nueva filtracin. (Geankoplis, 1998). Enrelacinalaresistenciaqueofreceelmediodefiltracin,sesabequeladiferencia depresin,ytalvezlavelocidaddeflujoloafecte;ademsunmediofiltranteviejoy usadotieneunaresistenciamuchomayorqueunonuevoylimpio.Estaresistenciadel medio es considerada constante porque generalmente slo es importante en los primeros 0123456 5 10 15 20 25 30 35 40 (tf tf1)/(Vf - Vf1) x 10-3, s/m3 (Vf - Vf1) x 10+3, m3 13 instantesdelproceso,deestamanerapuedeserdeterminadaapartirdedatos experimentales (Velezmoro, 2002). 3.2.2 Centrifugacin Enmuchosequiposindustrialeslafuerzacentrfugaseutilizaenlugardelafuerzade gravedad, para efectuar la separacin de fases. Se conoce como centrfuga a los equipos mecnicosqueproducenunafuerzacentrfugapormediodelarotacindeunadesus partes. En esencia la centrfuga es un rotor quegira a alta velocidady que puede tener susparedeslateralesimpermeablesoperforadasyqueseusanparalaseparacinde suspensionesyemulsiones.Lascentrfugasconparedesimpermeablesseutilizanpara laseparacindesuspensionesporsedimentacinylasdeparedesperforadas,parala separacinporfiltracin.Lascentrfugasdesedimentacinoclarificadoresse considerancontinuas,puescontinuamentedescarganellquidoclaro,aunquela descargadelslidoseefectaintermitentemente,pueselperododesedimentacines relativamente largo cuando existe una baja concentracin del slido en la solucin. Las centrfugas filtrantes se utilizan para la separacin de suspensiones de alto contenido de slidos,porloquelatortaaumentarpidamentedetamaoypuedensercontinuaso discontinuas,endependenciadelmododedescargadelosslidos.Dentrodelas centrfugassedimentadorassedistinguenlasseparadoras,queseusanenlaseparacin de emulsiones. Lasoperacionesdecentrifugacinsonsusceptiblesdeunanlisisterico,perolos mtodos as elaborados para su diseo o la prediccin de su comportamiento hasta ahora no han dado los resultados apetecidos. Por ello se utiliza preferiblemente la modelacin de estas operaciones en centrfugas pequeas de laboratorio, tratndose de mantener una semejanza geomtrica lo ms rigurosa posible entre la mquina modelo y la industrial o prototipo,usndoselasecuacionestericasdisponiblescomocriteriodeescalado.La aceleracin centrfuga que acta sobre un cuerpo que rota viene dada por la expresin: c cr a2 (3.7) Dado que = 2n; por tanto, la ecuacin (3.7) puede adoptar la siguiente forma: ( )c cr n a2 22 (3.8) Si la aceleracin de la gravedad es g, se define el factor de separacin de una centrfuga (Ks) como el cociente de la aceleracin centrfuga entre la aceleracin de la gravedad: ( )gr ngr nKc cs2 2 248 . 39 2 (3.9) Estefactorindicacuntasvecesesmayorlafuerzaactuantesobreelcuerpoquerota, que la fuerza degravedad. Por tanto, Ks es unamedida de la accin separadora de una centrfuga.Porlamagnituddelfactordeseparacinlascentrfugassedividenen centrfugas normales y ultracentrfugas. Lascentrfugasnormalessonaquellasquetienenunfactordeseparacinmenorde 3500;lasultracentrfugastienenunfactordeseparacinmayorde3500yslose 14 fabricanparalasedimentacin.Deacuerdoconlaecuacin(3.9),elfactorde separacindependedirectamentedelradiodelacentrfugaydelcuadradodela velocidad de rotacin. Es por ello que en la prctica, se prefiere incrementar el factor de separacinaumentandolavelocidadderotacinantesqueaumentareldimetrodela mquina,yaqueenequiposdegrandimetrotiendenaproducirseefectosindeseables de vibracin, debido al balanceo defectuoso del rotor (Rosabal y Valle, 1989). 3.3 LEVADURAS Sonhongosunicelularesdeformaovaladaoalargadade6a8m,loscualestienen granimportanciaenelprocesodefermentacindelacerveza,yaquesonlas responsables de la transformacin del mosto cervecero en cervezay CO2 por medio de la asimilacin de los azcares simples que conforman el mosto cervecero. Muchas veces las levaduras son consideradas como un subproducto que es recuperable y contribuye a unmenorcostodeproduccin.PertenecenalafamiliaEndomicetaceas,subfamiliade Saccharomycetcidea, gnero Saccharomyces (Broderick, 1977). La levadura de cerveza contiene ms de 30 fermentos de diferentes tipos necesarios para elmantenimientodelavida.Elcomponentemsimportantedecadaunodelos fermentossonlosllamadosco-fermentos,compuestossiempredeunavitamina,un elementomineralounoligoelemento.Lalevaduradecervezacontieneprotenas, lpidos, glcidos, aunque lo que hace especial a la levadura de cerveza, es que es una de las mayores fuentes de vitaminas del grupo B que existen (B1, B2, B3, B4, B5, B6, B7, B8, B9, B12, PP) adems de contener vitamina E y minerales como el selenio, fsforo, hierroymagnesio(Depurvit,2002).Lalevaduraagotadaoriginaalternativamente alimento o forraje con alto contenido en protenas y vitaminas. La levadura apta para el consumohumanoesunalevadurainactivageneralmentesecaconaproximadamente6 %dehumedad.Estetipodelevaduraporsucomposicinenaminocidos,esun suplemento til que puede ser empleadocon otros concentrados protecos (Markmann, 2002). La clula de levadura Lacluladelevaduraestenvueltaporunamembranaexteriordenominadapared celular.Lamembranacelularqueregulaelintercambiodelaclulaconelmedio exteriorpermitelaentradadenutrientesalaclula,yqueelCO2 yelalcoholsean evacuados. La membrana celular regula por procesos osmticos (fenmeno de difusin entredossolucionesdeconcentracindiferente)lacantidaddeaguacontenidaenla clula (ver Fig. 3.3). El citoplasma es la parte fundamental viva de la clula y contiene: 1.Un ncleo con los cromosomas (material gentico). 2.Algunasvacuolas,pequeoscuerposelpticosllenosdejugocelularque constituyen las reservas nutritivas. 3.Otros orgnulos, los ribosomas, las mitocondrias. 15 Las enzimas que se producen a nivel de citoplasma son: 1.La maltasa que transforma la maltosa en glucosa. 2.La invertasa que transforma la sacarosa en glucosa y fructosa. 3.Lazimasaquetransformalaglucosaenfructosayladescomponeenalcoholy CO2. Antesdeladivisindelaclula,loscromosomassesitanenmediodelncleoy despussedividenendospartesiguales.Seformaunaparedentrelasdosmitadesde ncleoystesedivideendos.Duranteestetiempoempiezalagemacin.Cuandola yema tiene el suficiente tamao acoge uno de los nuevos ncleos antes de separarse de laclulamadreparadarlugaraunanuevaclula.Estetipodemultiplicacinse denomina reproduccin asexual y permite a una clula madre engendrar 17 millones de clulas en 72 horas (Tejero, 1999). Fig. 3.3 Clula de levadura (Tejero, 1999). Composicin y algunas propiedades biofuncionales Lacomposicindelalevadurausadacomoalimentoesconsiderablementeuniforme. Por masa de materia seca de levadura tenemos los siguientes porcentajes: Materia orgnica: 91 % 45% carbono. 31% oxgeno. 9% nitrgeno. 6% hidrgeno. Materia inorgnica: 9 % SiendolafrmulaempricadelamateriasecadelalevaduradecervezaC6H10O3N (Elisium, 2000). En la Tabla 3.2 se muestran las principales propiedades nutritivas que conserva la levadura despus del secado. 16 Tabla 3.2 Propiedades nutritivas de la levadura seca (Brewtech, 2002). ParmetroUnidadMagnitud Protena cruda%40.0 Grasa cruda%1.50 Fibra cruda%1.00 Ceniza%5.50 Humedad%6.00 3.4 SECADO 3.4.1 Generalidades Porlogeneral,eltrminosecadoserefierealaeliminacindelahumedadenuna sustancia, siendo esta generalmente agua. En el secado convectivo, la energa necesaria paraeliminarlahumedaddelmaterialquesesecalaproporcionalacorrientegaseosa (generalmenteaire)encontactoconelmaterial.Lahumedadeliminadaenformade vapor,esarrastradaporlacorrientedegas.Elsecadopuedeseraceleradoporla velocidad,temperatura,humedadydireccindelairedesecado(Treybal,1997).Otro factor de importancia que afecta la velocidad de secado es el llamado encogimiento del material.Elencogimientoenlascapasdelasuperficieponelascapasmsprofundas bajocompresin.Estollevaalcomponentelquidodeltejidoatravsdelosporos, grietasycapilareshastaelflujodemasaexterior.Estemovimientodependedela proporcindelflujoexteriorylahabilidaddeltejidodelaparedcelularparapasaro retenerlassustanciasdisueltasqueacompaanellquidohaciafueradelapieza (Snchez, 1993). Encogimiento Elsecadodeslidosporososesunprocesoqueinvolucrasimultneamentela transferenciadecalorymasa.Muchosdelosmodelosmatemticosdesecado involucranecuacionesdetransferenciadecalorymasaconcondicionesinicialesyde lmitesadecuadas.Muchosdeestosmodelosasumenqueelencogimientoes insignificante. En el caso de alimentos, el encogimiento es raramente insignificante. El encogimientoduranteelsecadotomalugarsimultneamenteconladifusindela humedadyporconsiguientepuedeafectarlavelocidadderemocindelamisma.Los cambiosenelvolumenyladeformacindependendevariosfactorestalescomola geometradelamuestra,mtododedeshidratacinycondicionesdesecado.El encogimiento afecta muchas propiedades del material, y particularmente en procesos de secado es importante determinar su influencia sobre el coeficiente de difusin que rige lacinticadesecado.Entrelosmtodosdelaliteraturaquedescribenelencogimiento dealimentos,GekasyLamberg(1991)proponentomarencuentaelefectodel encogimiento sobre la difusin de la humedad incorporandoel cambio del volumen en el coeficiente efectivo de difusin, lo que nos lleva a (Moreira et al., 1998): dref ref effeffVVDD/ 2,

,_

(3.10) 17 Donde Deff es el coeficiente de difusin efectivo y V es el volumen a un tiempo dado de la muestra a secar. El exponente d toma el valor de uno en el caso unidimensional y el valor de tres para elencogimientoisotrpicotridimensional.Porconsiguiente,esteparmetropuedeser visto como una medida del grado de isotropicidad de la deformacin y est relacionada a un encogimiento lineal y volumtrico por: dg vS S (3.11) Donde Svy Sg son los encogimientos volumtricoydegrosor respectivamenteyestn definidos como: o refvVVVVS (3.12) o refgGGGGS (3.13) Numerososautoreshanpropuestoincorporarenlosmodelosdesecadoelefectodel fenmeno de encogimiento (Moreira et al., 1998), determinando previamente la relacin existenteentreelcambiovolumtricoyelcontenidodehumedaddelasustanciapor medio de una ecuacin general que describa el comportamiento de la deformacin a lo largo del proceso de secado. En los procesos de secado se distinguen claramente dos perodos: perodo de velocidad constante de secado y perodo de velocidad decreciente. Por definicin, la velocidad de secado, considerando el efecto del encogimiento es (Treybal, 1997): dtdX) X ( AmNSsV (3.14) Dondemseslamasadeslidoseco,ASeselreadesecado,Xeselcontenidode humedad y t el tiempo. UnagrficatpicadeunacurvadevelocidaddesecadoescomosemuestraenlaFig. 3.4. Perodos de secado Paraanalizarelmecanismodesecadodeunslidoesnecesarioconocerel comportamientodelavelocidaddesecadoylosperodosenloscualesseproduceel secado del slido. A un tiempo cero el proceso se inicia con un lapso de calentamiento o enfriamientoquecorrespondealsegmentoA-ByA-B,elcualsuelellamarseperodo deinduccin.Seguidamentevieneelperododevelocidaddesecadoconstante (segmento B-C). Este perodo puede no existir si la humedad inicial del slido es menor que cierto valor mnimo y se caracteriza porque la velocidad de secado es independiente de la humedad del slido. Durante este perodo el slido est tan hmedo que existe una 18 pelcula continua de agua sobre la superficie de secado y el agua se comporta como si el slidonoexistiera(estacapadeaguaestsiempresincombinar).Sielslidoesno poroso, el agua evaporada en este perodo es esencialmente la que recubre la superficie delslido.Enunslidoporosolamayorpartedelaguaevaporadaenesteperodo provienedelinteriordelmismo.Elmecanismocontrolanteesladifusindelvaporde agua a travs de la interfase aire-humedad superficial. Fig. 3.4 Curva de velocidad de secado (Strumillo y Kudra, 1986). Aldisminuirlahumedaddelslidosealcanzaunciertovalorparaelcualterminael perododevelocidadconstanteycomienzaadisminuirlavelocidad.Estepuntoser representado por C y se llama punto crtico. En este punto no hay suficiente agua en la superficieparamantenerunapelculacontinua,lavelocidaddesecadocomienzaa disminuirhastallegaralpuntoDdondelasuperficieestsecaensutotalidad.Eneste instanteelplanodeevaporacincomienzaadesplazarseconlentitudpordebajodela superficieydisminuye hasta llegar al punto E que escuando la superficie est secaen su totalidad o se alcanza su humedad de equilibrio. 3.4.2 Curva caracterstica de secado Amenudoesposibledeterminarunacurvacaractersticadesecadoparaunmaterial particular. De acuerdo con la metodologa propuesta por Van Meel (1958), si tal curva puede ser derivada, entonces la velocidad de secado por unidad de rea expuesta estar dada por (Keey, 1978): ( ) Y Y k f Neq Y V (3.15) SiNVeslavelocidaddesecadoporunidaddereayNWeslavelocidadcuandoel cuerpo esta totalmente saturado, entonces la velocidad de secado relativa f es: 19 WVNNf (3.16) Pareceapropiadodescribirelgradodehumedaddeuncuerpoentrminosdela cantidad de humedad contenida en el punto crtico. Para un cuerpo no higroscpico, el contenido de humedad caracterstico se define por: crXX (3.17) DondeXeselcontenidodehumedaddelslidoyXcreselcorrespondientevalor crtico.Parauncuerpohigroscpico,resultamsapropiadoredefinirestaecuacinen trminosdelahumedadquepuedaserlibrementeexpulsada.As,elasllamado contenido de humedad libre, el contenido de humedad en exceso al valor de equilibrio es usado: eq creqX XX X (3.18) Donde Xeq es el contenido de humedad en el equilibrio. El concepto de la curva caracterstica de secado implica: f = f()(3.19) Claramente,cuandolahumedadcubrelasuperficie,demodoqueelmaterialnojuega unpapelimportanteenelprocesoevaporativo,f=1,tomandovaloresinferioresal decrecerlavelocidaddesecado.Porlotantoapartirdeesteconceptosepueden establecer los lmites para la velocidad de la siguiente manera: 1 f = 1 X Xcr (Secado sin resistencia del slido) 0 1 fe f 1X < Xcr (Secado con resistencia del slido) = 0 fe = 0X = Xeq (Equilibrio) Para partculas higroscpicas, fe es cero (Keey, 1978). 3.4.3 Relaciones bsicas del secado convectivo Enestaseccinsepresentanlasecuacionesempleadasparacalcularlavelocidadde evaporacindehumedadylosflujosdecalor.Lavelocidaddetransferenciade humedad se expresa por: ( ) ( )g s y W VY Y K f m N (3.20) 20 DondemW eselpesomoleculardelahumedaden(kg/kgmol),Ys eslafraccinmolar delvapordeaguaenlasuperficiedeevaporacin(kgmol/kgmol)yYgeslafraccin molar del vapor de agua en la masa de gas (kgmol/kgmol). La humedad en la superficie de evaporacin depende de si el lquido es higroscpico o nohigroscpico.Siseconsideraelprocesodesecadoentrminosdelaconveccin pura,obviandolasformassecundariasdetransferenciadecalor,elflujodecalorque alcanza la superficie del slido viene dada por: ( )s g C CT T h q (3.21) DondeqCeselflujodecalorconvectivoporunidadderea(W/m2),Tgesla temperaturadelamasadelgas(K)yTseslatemperaturaenlasuperficiede evaporacin del slido (K) y hc es el coeficiente de transferencia de calor en (W/m2 K). Elcalorrequeridoparaevaporarlahumedad(q),despreciandoelcalorsensibledela humedad evaporada est dada por: VN q (3.22) En la cual es el calor latente de vaporizacin a Ts (Treybal, 1997). 3.5 DESCRIPCIN Y FUNDAMENTOS DE DISEO DE LOS EQUIPOS Con el objetivo de separar la cerveza residual de la lechada y a su vez secar la levadura sobrante se requieren varios equipos, los cuales se disearon en este trabajo. Entre estos estn:filtroprensadeplacasymarcos,secadorrotatorio,calentador,ademsdesus equipos auxiliares. En la Fig. C.2 (ver Apndice C) se muestra un diagrama del sistema separador-secadorpropuesto.Enlosacpitessiguientessepresentanlosfundamentos tericos necesarios para el diseo de los distintos equipos que componen el sistema. 3.5.1 Filtros prensa de placas y marcos Estos filtros consisten de placas y marcos alternados con una tela filtrante a cada lado de lasplacas.Lasplacastienenincisionesconformadecanalesparadrenarelfiltradoen cada placa.La suspensin de alimentacin se bombea en la prensayfluye a travs del conducto al interior de cada uno de los marcos abiertos, de manera que va llenando los espacios vacos. El filtrado fluye entre la tela filtrante y la superficie de la placa, a travs deloscanalesyhaciaelexterior,mientraslosslidosseacumulancomotortaenlos marcos.Lafiltracincontinahastaquelosmarcosquedancompletamentellenosde slidos, como se muestra en la Fig. 3.5. En este caso el filtro prensa tiene una descarga abiertaindividualparacadamarco,quepermiteunainspeccinvisualparaverificarla transparencia del lquido filtrado. Si una de las salidas descarga lquido turbio debido a una perforacin de la tela o a otras causas, se puede cerrar por separado y continuar con laoperacin.Cuandolosespaciosestntotalmentellenos,lasplacasylosmarcosse separan y se extraen las tortas. Despus se vuelve a armar el filtro y se repite el ciclo. Lasprensasdeplacasymarcospresentanlosinconvenientescomunesatodoslos procesos por lotes. El costo de mano de obra para extraer las tortas y volver a ensamblar la unidad, ms los costos fijos por tiempos muertos, pueden constituir una porcin muy 21 elevadadeloscostostotalesdeoperacin.Algunosmodelosmodernosdeprensasde placasymarcostienenunjuegoduplicadodemarcosmontadosenunejegiratorio. Mientrasseusalamitaddelosmarcos,laotramitadsedescargayselimpia,loque reduce los costos de mano de obra. Existen tambin sistemas automatizados que se han aplicado a estos tipos de filtros (Geankoplis, 1998). Fig. 3.5 Seccin transversal de un filtro prensa (Moir, 1982). Losfiltrosprensa,comoeldelaFig.3.6,seusanenlosprocesosporlotesperonose puedenemplearparaprocesosdealtorendimiento.Semanejanconfacilidad,son verstilesydeoperacinflexibleysepuedenutilizaraaltaspresionessi esnecesario, consolucionesviscosasocuandolatortadelfiltrotieneunagranresistencia (Geankoplis, 1998). Los filtros prensa se fabrican en un amplio rango de tamaos, desde marcos de 100 100 mm, que tienen su mayor uso en el laboratorio, hasta 1.5 1.5 m con un grosor de marcos de 75 mm grosor (Coulson y Richardson, 1998). La presin de alimentacinparafiltrosprensaesusualmentede690kPaomenos,aunquealgunos modelosestndarespuedenoperarhastapresionesde2070kPaymodelosespeciales hasta6900kPa.Sonequiposcompactosqueocupanpocoespacioypuedenpresentar una superficie de filtracin de hasta 400 m2. En la Tabla 3.3 se muestran algunos rangos tpicos en donde se aplica el filtro prensa (Moir, 1982). Fig. 3.6 Filtro prensa de placas y marcos (Moir, 1982). 22 Tiempo de ciclo ptimo Elgrosorptimodetortaqueseformarenunfiltroprensadependetantodela resistenciaofrecidaporlatortaydeltiempoquetomarparadesmantelaryvolvera equiparlaprensa.Aunquelaproduccindeunatortadelgadaresultaenunaalta velocidaddefiltracin,esnecesariodesmantelarmsamenudolaprensayesto demanda un tiempo para la operacin. Para una filtracin llevada enteramente a presin constante: ) ( ) ( 22P AL rVP ArVtfffffff + (3.23) 2 1B V BVtfff+ (3.24) Donde B1 y B2 son constantes. De esta manera el tiempo de filtracin tf es dado por: f f fV B V B t221+ (3.25) El tiempo de desarmeymontaje de la prensa (t) es sustancialmente independiente del grosordelatortaproducida.EltiempototaldeuncicloenelcualunvolumenVfde filtradoesrecolectadoesentoncestf+tylavelocidaddefiltracinglobal(W)est dada por: 221t V B V BVWf ff+ +(3.26) WesunmximocuandodW/dVf=0.DerivandoWconrespectoaVfeigualandoa cero: 0 ) 2 ( 2 1 221 + + + B V B V t V B V Bf f f f(3.27) 21fV B t (3.28) Silaresistenciadelmediofiltranteesdespreciable,tf=B1Vf2,entonceseltiempode filtracinesexactamenteigualaltiempoenquelaprensaestfueradeservicio.Enla prctica,afindeobtenerlamximavelocidaddefiltracinglobal,eltiempode filtracin siempre deber ser algo mayor a fin de tomar en cuenta la resistencia de la tela (representadaporeltrminoB2Vf).Engeneral,unabajaresistenciaespecficadela torta provocar utilizar marcos de menor grosor (Coulson y Richardson, 1998). Ventajas del filtro prensa: 1.Debidoasusimplicidadesmuyverstilypuedeusarseenunampliorangode materiales bajo condiciones de operacin variable de grosor de torta y presin. 2.El costo de mantenimiento es bajo. 23 3.Proveeunagranreadefiltracinenunespaciopequeoypocasunidades adicionales son necesarias. 4.La mayora de las conexiones son externas y las fugas son fcilmente detectadas. 5.Presiones altas son obtenidas fcilmente. 6.Esigualmenteadecuadocuandoelproductoprincipalestantolatortacomoel lquido (Coulson y Richardson, 1998). Tabla 3.3 Rangos de aplicacin del filtro prensa (Moir, 1982). Propiedades de la suspensin Tamao de partcula, m1-100 Contenido de slidos, %0.001-40 Velocidad de acumulacin de tortaMedia-Baja Requerimientos de proceso Velocidad de produccin de slidosBaja-Alta Humedad de la tortaBaja Aplicacin en la recuperacin de slidosS Aplicacin en la clarificacinS Posibilidad de lavadoAceptable Riesgo de rotura del cristalBajo Contencin de vaporNo Operacin por encima o debajo de la temperatura ambienteS rea de filtracin mxima por unidad, m2400 Diseo del filtro prensa Paraeldimensionamientodelfiltroprensadeplacasymarcosseutilizanvarias ecuacionesqueacontinuacinsepresentanyademsseresuelvenconunprograma elaborado en MATLAB (ver D.1 en el Apndice D). Deigualmaneraqueparacualquierprocesodeseparacin,enelfiltroprensase alimentalasuspensinalequipoystepermitelaobtencindeunafaseslidayotra lquida. Estando el balance de materia dado por: Fig. 3.7 Balance de materia. Balance general: Casusp = Caf + Cay (3.29) Balance de lquido: f f susp suspCa x Ca x ,_

,_

_ _1 1 (3.30) Filtro Prensa Casusp Caf Cay 24 Balance de slidos: y y susp suspCa y Ca y _ _ (3.31) EnelprogramaelaboradoenMATLABseresuelveelbalanceparaobtener simultneamente el volumen de filtrado y la cantidad de levadura separada. Para el diseo del filtro prensa se sigue la siguiente metodologa de clculo: 1.El rea de filtracin utilizada en el equipo piloto se determina mediante la ecuacin: mu mu fuA n A 2 (3.32) 2.Se calcula el volumen de torta depositado por unidad de volumen de filtrado con la ecuacin: ffu mu muVA g n (3.33) 3.La resistencia especfica de la torta se obtiene a travs de la ecuacin: ( ) ffP A Br 212(3.34) 4.La resistencia del medio filtrante se calcula con la ecuacin: L r Rm (3.35) 5.El rea requerida de filtracin se obtiene resolviendo la ecuacin (3.23). 6.El nmero de marcos requerido se calcula mediante la ecuacin (3.33). 7.El rea de cada marco se determina a travs de la ecuacin (3.32). 8.El tiempo de desmantelamiento y ensamblaje de la prensa se calcula con la ecuacin (3.28). 9.El tiempo total de un ciclo de filtrado se computa como la suma del tiempo que dura la operacin de filtrado (tf) ms el tiempo de desmantelajey ensamble de la prensa (t). ' t t tf ciclo+ (3.36) 3.5.2 Secador rotatorio Lossecadoresrotatoriosformanungrupomuyimportantedeequiposdesecado.Son adecuados para manejar materiales granulares de flujo libre que pueden ser manipulados sintemoraromperlos.EnlaFig.3.8semuestraunodeestossecadores.Enstosel cilindro est instalado con un pequeo ngulo respecto a la horizontal, en consecuencia el slido se mueve lentamente a travs del aparato. Dentro del secador, unos elevadores que se extienden desde las paredes del cilindro en la longitud total del secador levantan 25 elslidoylorieganenunacortinamvilatravsdelaire,asloexponen completamente a la accin secadora delgas. Esta accin elevadora tambin contribuye al movimiento hacia delante del slido. En el extremo de alimentacin del slido, unos cuantoselevadoresespiralespequeosayudanaimpartirelmovimientoinicialdel slido hacia adelante, antes de que ste llegue a los elevadores principales. Es obvio que el slido no debe muy pastoso, puesto que podra adherirse a las paredes del secadory tendera aaglomerarse.En estos casos, la recirculacin de una parte delproducto seco puede permitir el uso de un secador rotatorio. El secador puede alimentarse congases de combustin en lugar de aire.Normalmente, seutilizaunventiladordeextraccinparahacercircularelgasatravsdelsecador, porque as se obtiene un control ms completo del flujo de gas. Se puede interponer un recolectordepolvo,deltipodecicln,filtroodelavadoentreelventiladoryelgas saliente. Tambin puede ponerse un ventilador de empuje en la entrada del gas; de esta formasemantieneunapresincercanaalaatmosfricaenelsecador;steprevienela fuga de aire fro en los extremos de almacenamiento del secador; si la presin est bien balanceada,lafugahaciaelexteriortambinpuedereducirsealmnimo(Treybal, 1997). Fig. 3.8 Secador rotatorio directo. Balances de materia y energa Los balances de materia y energa fueron realizados sobre un elemento diferencial de la seccin transversal de un secador rotatorio (ver Fig. 3.9) para flujos gas-slido fluyendo enparalelo.Pormediodestossederivanecuacionesdiferencialesqueexpresanla variacindelatemperaturayhumedadtantodelslidocomodelgasrespectoala longitud, bajo las siguientes condiciones: 1.Elcalorsuministradoalmaterialprocedenicamentedelaire;esdecir,la transferencia de calor se da por conveccin pura. 2.Laresistenciainternadelslidoalflujodehumedad,esestimadaporla velocidadrelativadesecadof,obtenidaenelclculodelacurva caracterstica. 3.Lasprdidasdecalordesdeelsecador(qp)seestimanen15%delcalor sensible de la corriente de gas de entrada. 4.El material se comporta de manera no higroscpica. 26 Fig. 3.9 Elemento diferencial de un secador rotatorio. Latransferenciademasatotalentrelaspartculasqueestnmovindoseenelsecador (slido) y la corriente de gas se describe mediante la siguiente ecuacin: L_sol dX = - G_gas dY(3.37) DondeL_solyG_gassonlosflujosdelslidosecoydelgassecorespectivamente (kg/m2s).Laprdidadehumedaddelslido,serelacionaconlavelocidadde evaporacin de la humedad de la siguiente manera: sol LNadZdXV_ (3.38) En la cual Z, es la longitud del secador (m), a es la superficie especfica del slido por volumen del secador (m2/m3) y NV est dada por la ecuacin (3.20). Para el cambio de humedad de la masa del aire se tiene: gas GNadZdYV_ (3.39) Antes de efectuar el balance energtico se dan a conocer las relaciones empleadas para elclculodelasentalpasenbaseseca,enlascualessetomacomotemperaturade referencia 0 C. La entalpa del slido seco, Is (J/kg) y su humedad asociada se calcula por: Is = (Cps + CpwX)Ts(3.40) DondeCpsyCpwsonlascapacidadescalorficasmediasdelslidosecoydelagua lquidarespectivamente(J/kgK)yTslatemperaturadelslido.Laentalpadelgas,Ig (J/kg) y su humedad asociada est dada por: Ig = CpgTg + (CpvTg + l)Y(3.41) Donde Cpg es la capacidad calorfica del gas seco (J/kg K) y Cpv la capacidad calorfica delahumedadvaporizada(J/kgK).Elcambiodeentalpaenlafaseslidaseexpresa por la siguiente relacin: G_gas, Y, Tg L_sol, X, Ts G_gas, Y+dY, Tg+dTg L_sol, X+dX, Ts+dTs q p q c Nv dZ 27 ( ) V CsN q adZdIsol L _(3.42) DondeqCestdefinidoporlaecuacin(3.21).Relacionandolasecuaciones(3.39), (3.41) y (3.42) se obtiene una expresin para el cambio de Ts respecto a Z: ( )( ) X C Cp sol LN q adZdTw sV C s+_ (3.43) El cambio de entalpa en la fase gaseosa se expresa por: ( )C P Vgq q N adZdIgas G _ (3.44) Para el cambio de Tg respecto a Z se deriva una expresin relacionando las ecuaciones (3.38), (3.39), (3.43) y (3.44): ( )( ) Y Cp Cp gas Gq q adZdTV gP Cg++ _(3.45) Coeficientes de transferencia de masa y calor Los coeficientes de transferencia de masa son en general difciles de calcular, debido a lacomplejidadyvariedaddemecanismosquerigeneltransportedehumedadenlos diversosequipos.Porotrolado,loscoeficientesdetransferenciadecalorpuedenser calculados fcilmente para geometras simples en condiciones de flujo bien definidas, a travsdeexpresionessustentadasendatosexperimentales.Considerandoesto,es convenienterecurriralaanalogaentreprocesosdetransportequerelacionaestos coeficientes,paracalcularlosprimerosenfuncindelosltimos.Friedman-Marshall (NonhebelyMoss,1979)propusieronlasiguienteecuacindelclculodelcoeficiente de transferencia de calor. D aGhhC16 . 03600 (3.46) DondeGheselflujomsicodeairehmedo(kg/m2s)yDeldimetrodelsecadoren (m). BasndoseenlaanalogadeChilton-Colburn(NonhebelyMoss,1979),sederivauna relacin que para el sistema aire-agua se reduce a la siguiente expresin: yCoCphK3600 (3.47) 28 Donde Ko es el coeficiente de transferencia de masa en (kg/m2 s) y Cpy es la capacidad calorfica del gas hmedo en (J/kg K). NonhebelyMoss(1979)danunarelacinparalaecuacin(3.20),quecorrespondea una situacin promedio de los valores de humedad de gas encontrados generalmente en los secadores, en los cuales el calor hmedo es 1090 (kJ/kg K), entonces: 1090CohK (3.48) Muchosinvestigadoresqueestudiaronlatransferenciadecalorensecadoresrotatorios coincidieronenexpresarelcoeficientedetransferenciadecalorporunarelacincuya forma general corresponde a: DG CUnhV (3.49) En el cual UV es el llamado coeficiente global o coeficiente volumtrico de transferencia decalor,Cynsonconstantesdeterminadasempricamente.Elusodeestecoeficiente eliminalanecesidaddeespecificarelreaindefinidasobrelacualocurrela transferencia de calor, que resulta ventajoso en el trabajo con un secador rotatorio. Unaexpresinampliamenteutilizadaparaestecoeficienteeslapropuestapor Friedman-Marshall: ( )DGUhV16 . 036000066 . 0 (3.50) Las unidades de UV son (W/m3 K). La relacin UV con hC es: a h UC V (3.51) Considerando el coeficiente global se puede expresar la ecuacin (3.46) de la siguiente manera: y mixVvCp mUK (3.52) DondeKv eselcoeficientedetransferenciademasa(kgmol/m3s)ymmix elpeso molecular de la mezcla aire-vapor de agua (kg/kgmol). Nonhebel y Moss (1979), sugieren para efectos de diseo de secadores rotatorios el uso devaloresempricosparaelcoeficientedetransferenciadecalor.Parageometrascon granulometra comprendidas entre malla 5 y +10 (1.7 a 3 mm), se recomienda el valor de 0.12 W/kg K. Para materialescomprendidos entre malla 16 a+35 (0.4 a 1 mm) el valor del coeficiente de transferencia de calor puede alcanzar los 0.36 W/kg K. 29 Retencin en secadores rotatorios Eltiempopromediodepasootiempoderetencindelslidoenelsecador,debeser igualaltiemporequeridodesecado,sielslidovaasaliralcontenidodeseadode humedad. Por supuesto, debe reconocerse que eltiempo de retencin decada partcula puedediferirapreciablementedelpromedio;estopuedehacerquelacalidaddel producto no sea uniforme. Diferentes factores pueden provocar el movimiento de las partculas slidas a travs de unsecadorrotatorio.Laaccindevueloeslaaccindelevantarydejarcaerlas partculas mediante los elevadores (Fig. 3.10) en la cubierta del secador. En ausencia de flujo de aire, cada vez que el slido se levanta y se deja caer avanza una distancia igual al producto de la longitud de la cada y la pendiente del secador. La accin de horneado es elgiro hacia delantede las partculas unasencima de otras enel fondo del secador, como en un horno sin elevadores. Las partculas tambin rebotan hacia delante despus de caer de los elevadores. Adems, el movimiento hacia delante del slido es impedido por el flujo de gas a contracorriente o favorecido por el flujo a corriente paralela. La retencin D del slido se define como la fraccin del volumen ocupado por el slido secoencualquiermomento.Eltiempopromedioderetencin()puedecalcularse dividiendo la retencin entre el flujo volumtrico de alimentacin: sol LZb D_ (3.53) Aunque el efecto de las caractersticas de los slidos puede ser considerable, Friedman yMarshallencontraronquelaretencindeungrannmerodeslidosendistintas condiciones normales de operacin puede expresarse simplemente as: gas KGD D_0 t (3.54) En donde DO es la retencin sin flujo de gas y KG_gas es una correccin por el efecto del flujo del gas. El signo (+) se utiliza para el flujo a contracorriente del gas y slido, el signo () para el flujo a corriente paralela. Cuando no se tiene flujo de gas, la retencin depende en cierto grado del diseo de los elevadoresydelanaturalezadelslido;sinembargo,encondicionesnormalesypara DO no mayor de 0.08, sus datos pueden describirse por: D nsol LbD9 . 00_ 3344 . 0 (3.55) LaconstanteKdependedelaspropiedadesdelslido,yparaclculosaproximados puede tomarse como: 2 / 16085 . 0P bdK (3.56) 30 En donde dP es el dimetro promedio de la partcula (Treybal, 1997). Fig. 3.10 Tipos de elevadores de un secador rotatorio (Perry et al., 1999). Algunos datos de operacin Los secadores se construyen ms fcilmente con relaciones longitud/dimetro (Z/D) de 4 a 10. Para muchos fines, los elevadores se extienden desde la pared del secador hasta unadistanciade8al12%deldimetro.Lasrapidecesderotacinsontalesque proporcionanvelocidadesperifricasde0.2a0.5m/s.Laspendientesestn generalmenteenelrangode0a0.08myalgunasvecessonnecesariaspendientes negativas en el caso de los secadores de flujo en corriente paralela. Los regmenes de gas permitidos dependen mucho de la naturaleza del slido, oscilando entre0.27y13.6kg/m2 s.Dependiendodeltamaodelaspartculasasecarydela cantidad de polvo fino formada en el secador, se acostumbra utilizar la mayor velocidad de aire posible sin producir una cantidad apreciable de polvo. Para elegir el dimetro es conveniente guiarse por las dimensiones estndares, que oscilan entre 1 y 3 m (Treybal, 1997). Lossecadoresoperanusualmentellenandosuvolumenentre10yel15%.La temperaturaapropiadaparaelgasdesalida,esporlogeneral,unafuncindendole econmica y puede calcularse por: yVgasCp GZ UMLDTTgs TgeNTU_(3.57) En donde NTU es el nmero de unidades de transmisin del calor basado en el gas, Tge es la temperatura del gas en la entrada (K), Tgs es la temperatura del gas a la salida (K) yMLDT eslamedialogartmicaentrelastemperaturadelgasydelmaterialasecar. Empricamentesehadescubiertoquelossecadoresrotatoriossonmseconmicos cuando funcionan entre NTU = 1.5 a 2.5 (Perry et al., 1999). 31 3.5.3 Calentador Eneldiseodecalentadores,dadoquesontambinintercambiadoresdecalor,se utilizanlasecuacionesdediseodestos;lasquevaran,sonlasecuacionesparael clculo de los coeficientes de transferencia de calor. Acontinuacinsepresentanlasecuacionesgeneralesqueseutilizaneneldiseode intercambiadoresdecalor,stascorrespondenaintercambiadoresdetuboycorazasin deflectores y se resuelven a travs de un programa elaborado en MATLAB (ver D.2 en el Apndice D) siguiendo la metodologa presentada por Kern (1999). 1. Debe conocerse las condiciones de proceso. Se debe contar con la siguiente informacin: - Temperatura de entrada y salida del vapor de agua (Tt1 y Tt2) - Temperatura de entrada y salida del aire (Tc1 y Tc2) - Flujo msico del aire ( c m.) 2.Delascondicionesdeprocesosedeterminanlaspropiedadesfsicasmedias (densidad, viscosidad, conductividad y calor especfico) para el aire y el vapor de agua. 3. La carga de calor transferida se calcula mediante la ecuacin: MLDT F A U t A U T Cp m QT T D T D .(3.58) 4. El flujo msico de vapor utilizado se determina mediante la ecuacin: fgthQm. (3.59) 5. La diferencia verdadera de temperatura se calcula a travs de la ecuacin: T TF MLDT F t

,_

121 2lnTTT T(3.60) Donde FT es el factor de correccin y toma el valor de uno cuando hay cambio de fase (condensacin del vapor de agua). 6. Clculo del rea de transferencia de calor. Asumir un valor tentativo de UDo con ayuda de la Tabla A.3y calcular el rea a travs de la ecuacin (3.58) despejando ATo. 32 7.Asumirlasdimensionesdelintercambiadoryeltipodearreglo,todoestoconla ayuda de las Tablas A.4 y A.5. Se debe proporcionar la siguiente informacin: - Dimetro interno y externo de los tubos (Din y Dex) - Longitud de los tubos (lt) - Espaciado de los tubos (PT) - rea de flujo por tubo ('ps )- Superficie por pie lineal (' 'ps ) - Nmero de pasos por los tubos (M) 8. El nmero de tubos se calcula con la ecuacin: t pTool sAN' ' (3.61) 9. La velocidad en el lado de los tubos se calcula a travs de la ecuacin: '.p ttts NM mv (3.62) Si vt es mayor que 1 m/s, se acepta la unidad, de lo contrario hay que reajustar los datos supuestos. 10. Seleccionar a partir de la Tabla A.5 el intercambiador que tenga el nmero de tubos ms aproximado y leer el dimetro interno de la coraza (Dc) de este mismo. 11. Correccin del rea de transferencia requerida. Habiendodeterminadoelnuevonmerodetubos(N),sedeberecalcularelrea requerida para la transferencia de calor mediante la ecuacin: ' 'p t Ts l N A (3.63) 12. Correccin del coeficiente de transferencia de calor. t AQUTD (3.64) 13. Clculo del coeficiente sin corregir de la coraza. El clculo del coeficiente para el aire se hace del siguiente modo: - Clculo del rea de flujo por medio de la ecuacin: 33 ( )2 24ex c cD N D s (3.65) - Clculo de la velocidad masa a travs de la ecuacin: cccsmF.(3.66) - Clculo del nmero de Reynolds mediante la ecuacin: cc exhF D Re(3.67) El clculo del coeficiente se realiza mediante la siguiente ecuacin emprica (Chopey y Hicks, 1988): 14 . 03 / 212Re Pr

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wc ah cc ccaF Cph (3.68) En donde a1 y a2 son constantes empricas que dependen del tipo de arreglo que se utilice (ver Tabla 3.4). Tabla 3.4 Constantes empricas de a1 y a2 para la ecuacin (3.68). Nmero de ReynoldsModelo del tuboa2a1 Mayor de 200,000Triangular0.3000.166 Mayor de 200,000Cuadrado0.3000.124 De 300 a 200,000Triangular0.3650.273 De 300 a 200,000Cuadrado0.3490.211 Menor de 300Triangular0.6401.309 Menor de 300Cuadrado0.5690.742 Ntese que los valores de a1 en la Tabla 3.4, se basan en intercambiadores de calor en losqueelfluidonosedesvadelhaz;esdecir,paraintercambiadoressindeflectores. Paraelcasoenqueelintercambiadorcontengadeflectoressetendrquecorregirel coeficiente para considerar la desviacin del fluido. 14. Clculo del coeficiente del lado de los tubos. En el calentamiento es ventajoso disponer el vapor en los tubos del calentador en lugar de la coraza. De esta forma, puesto que el condensado puede ser corrosivo, la accin se confinaalladodelostubossolamente,mientrasquesielvaporseintroduceporla coraza, pueden daarse ambos. Los coeficientes de transferencia de calor asociados con la condensacin de vapor, son muyaltoscomparadosconcualquierotroproceso.Escostumbreadoptarunvalor 34 conservadorconvencionalparaelcoeficientedepelcula,puestoquestenuncaesla pelcula controlante, en lugar de obtenerlo por clculos se usar un valor de ht = 8.5174 kW/m2 K para la condensacin de vapor sin considerar su localizacin (Kern, 1999). 15. Clculo de la temperatura de la pared a travs de la ecuacin: ( )

,_

+ + t ctmc mt mc wh hhT T T T (3.69) 16.Clculodelaspropiedadesfsicasmediasdelaire(densidad,viscosidad, conductividad y calor especfico) a la temperatura de la pared. 17. Correccin del coeficiente de la coraza por medio de la ecuacin: 14 . 0

,_

wccchh (3.70) 18. El coeficiente total limpio se calcula con la ecuacin: c tc tCh hh hU+ (3.71) 19. El factor de obstruccin se obtiene a travs de la ecuacin: D CD CdU UU UR (3.72) 20.Criterio:SiRdesmayoroigualqueelfactordeobstruccintabuladoseaceptala unidad, de lo contrario se rechaza. 21. Clculo de la cada de presin para el flujo en los tubos. - Clculo del rea de flujo por medio de la ecuacin: Ms Nspt' (3.73) - Clculo de la velocidad masa a travs de la ecuacin: tttsmF. (3.74) - Clculo del nmero de Reynolds mediante la ecuacin: 35 tt intF D Re (3.75) Cuando el vapor se emplea en el lado de los tubos, la cada de presin permitida deber sermuypequea,menosde6.895kPa,particularmentesielcondensadoregresapor gravedad a la caldera. En la condensacin de un vapor puro saturado, la cada de presin esobviamentemenorquelaqueresultaradecalcularlaparaungasalagravedad especificadelvapordeentradaymayorquelaquesecalcularausandolagravedad especificadelcondensadoalasalida.Enausenciadecorrelacionesmsextensivasse obtienenbuenosresultadosusandoparalavelocidadmasa,elpesototaldelflujoyla gravedad especifica promedio entre la entrada y salida. Este mtodo puede simplificarse ms todava como sucede en la condensacin de vapor de agua, tomando la mitad de la cadadepresinconvencionalcalculadaenteramentedelascondicionesdeentrada. Siendo para condensacin en los tubos:

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t int t Dtdr DM l F fP10210 22 . 597 . 1121 en Pa (3.76) Donde fD es el factor de Darcy y se puede calcular por medio de las siguientes frmulas empricas (Incropera y DeWitt, 1999): fD = 25 0316 0.Re. ; Re < 20,000 (3.77) fD = 20 0184 0.Re. ; Re > 20,000(3.78) En el caso de que se tenga flujo laminar se utiliza la ecuacin de Poiseuille: fD = Re64(3.79) Enlacadadepresinnoesnecesarioconsiderarlasprdidasporcontraccino expansin (Kern, 1999). 22. Criterio: Si Pt es menor que la cada de presin permisible se acepta la unidad, de lo contrario se rechaza. 23. Clculo de la cada de presin para el flujo por la coraza. Lacadadepresinatravsdelacorazadeunintercambiador,esproporcionalal nmerodevecesqueelfluidocruzaelhazentrelosdeflectores.Tambines proporcional a la distancia a travs del haz, cada vez que lo cruza. Cuando se desea que el fluido pase a travs de la coraza con una cada de presin extremadamente pequea, es posible apartarse del uso de los deflectores segmentadosy usar solamente placas de soporte. El flujo entonces es anlogo al del nulo en un intercambiador de dos tubos, y puede ser tratado de una manera similar usando un dimetro equivalente (De), basado en la distribucin del rea de flujo y el permetro hmedo total de la coraza. 36 Paralacadadepresin,elclculodeldimetroequivalentesehacepormediodela siguiente ecuacin: c exceD D NsD + 4(3.80) Para la cada de presin el nmero de Reynolds es: cc ecF D Re (3.81) La ecuacin isotrmica para la cada de presin para fluidos que se calientan o enfran, y que incluye las prdidas de entrada y salida es (Kern, 1999):

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14 . 010210 22 . 597 . 11wcc et c Dcdr DM l F fP en Pa (3.82) 24. Criterio: Si Pc es menor que la cada de presin permisible se acepta la unidad, de lo contrario se rechaza. 25.Laeficienciadeunintercambiadordecalorsedefinecomolaraznentrela transferenciarealdecalorylatransferenciadecalormximaposible(Coulsony Richardson,1998).Paraelcasodeunintercambiadordeunsolopasoporlacorazay 2,4,...pasosporlostubossedeterminaatravsdelasiguienteecuacin(Incroperay DeWitt, 1999): ( )( ) [ ]( ) [ ]12 122 122 121 11 11 1 2;'+ + + + + + /r/r/r rC NTU expC NTU expC C(3.83) Donde NTU es un parmetro adimensional que se usa ampliamente para el anlisis del intercambiador de calor y se define como: mnT DCA UNTU (3.84) y Cr es igual a la razn entre la capacitancia trmica mnima (Cmn) y mxima (Cmx) de los fluidos, la cual puede ser Cc/Ch o Ch/Cc, dependiendo de las magnitudes relativas de las capacitancias trmicas del flujo del fluido caliente y fro. 37 3.5.4 Equipos auxiliares Mezclador esttico Los mezcladores estticos son dispositivos ingeniosos de tuberas en los que elementos estacionariosdividenyrecombinansucesivamentepartesdelacorrientedelfluido. Cada uno de los elementos helicoidales cortos dividen la corriente en dos, la hace girar un ngulo de 180,y ladescarga en el elemento siguiente queest colocado formando un ngulo de 90 con el borde trasero del primer elemento. El segundo elemento divide nuevamente lacorrienteyadivididay lagiraa 180 en sentido contrario. Por lo tanto, paraneelementoshay2nedivisionesyrecombinaciones,oseamsde1millnenun mezclador de 20 elementos (McCabe et al., 1991). Lacadadepresintpicaesdeunascuatrovecesmayorqueenlamismalongitudde tuberavaca.Lamezcla,anparamaterialesaltamenteviscosos,esexcelentedespus de 6 a 20 elementos (McCabe et al., 1991). Estos mezcladores fueron desarrollados para mezcla