Tecnología de los Alimentos III - Escuela RaggioLic. Margarita Acuña

UNIDAD 1 - GASES INDUSTRIALES

ORIGEN Y METODOS DE PRODUCCIÓN

Los gases son elementos o compuestos que se encuentran en estado gaseoso en condiciones normales de presión y temperatura (CNPT: 21°C – 1 atm)

Los gases nobles, son gases y se encuentran en forma mono atómica, ya que no se combinan con otros elementos. Junto con el hidrogeno, argón, nitrógeno y oxígeno, son los únicos elementos gaseosos de la tabla periódica, sólo que en estos casos se encuentran en sus formas diatónicas. Luego existe infinidad de compuestos (suma de dos o más elementos) que en las condiciones adecuadas, se encuentran en estado gaseoso. También los hidrocarburos de cadena lineal y sus isómeros ramificados, pueden ser gaseosos hasta 5 carbonos, las moléculas con más de 5 carbonos, no son volátiles.

La volatilidad es la facilidad con que una sustancia líquida pasa a fase gaseosa. Cuanto menor es la fuerza con que son atraídas las moléculas entre sí, menor será la energía necesaria aplicar para separarlas y la sustancia será más volátil.

El equilibrio dinámico se establece cuando en determinadas condiciones estables, la cantidad de moléculas en la fase gaseosa se mantiene estable, pero no son siempre las mismas moléculas, en todo momento las moléculas pasan de un estado al otro.

Las gases usados en la industria cumplen diversos roles y se utilizan tanto en su forma pura como en mezclas. Las aplicaciones van desde atmósferas modificadas, gases de maduración, inertizado y limpieza, gases de enfriamiento, de gasificación, etc. También se usan en el tratamiento de efluentes y como insumo en equipamientos analíticos.

Las propiedades físicas de los gases y los liquidas, son fundamentales para el uso seguro en las diferentes aplicaciones de la industria de todo tipo.

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GASES DEL AIRE

Por su disponibilidad y costo de producción, los gases del aire son los más ampliamente utilizados. El nitrógeno, oxígeno y el argón, se extraen del aire por destilación de su punto de ebullición a -196°C, -183°C y -186°C. A través de una secuencia de expansión y compresión del aire, se va enfriando y licuando, para luego tomar las diferentes fracciones, como se hace en la destilación del petróleo, pero a bajas temperaturas.

Una vez extraído cada uno de los gases, en forma de líquido criogénico, se mantiene en ese estado en tanques y cisternas fuertemente aisladas del intercambio de calor, ya que de esa manera se pueden almacenar y distribuir gran cantidad de moléculas en poco espacio, además de aportar frío en algunas de sus aplicaciones.

OTROS GASES INDUSTRIALES – Dióxido de Carbono

Otro de los gases ampliamente usados en las industrias de todo tipo es el dióxido de carbono. En el caso de la industria de alimentos sus aplicaciones son muy diversas, como parte de mezclas en atmosferas modificadas, hielo seco para refrigerar y conservar, en perlas para limpieza de tanques (se usa como el arenado, pero al sublimar no deja residuos), para bebidas carbonatadas, etc. El dióxido de carbono dentro de un cilindro, es un gas licuado.

El dióxido de carbono se obtiene por combustión de gas natural. Más recientemente por una cuestión de costos y de cuidado del medioambiente, se toman corrientes ricas en dióxido de carbono, subproducto de otras industrias, en ambos casos se completa la purificación hasta conseguir el grado alimenticio, eliminando las impurezas de compuestos azufrados y nitrogenados.

Una tercera fuente de dióxido de carbono es el gas de fermentación. En la producción de alcohol de cereales y de bebidas alcohólicas, en especial la cerveza, se generan grandes cantidades de dióxido de carbono, es una fuente económica de obtención pero que tiene alto costo de purificación para lograr el grado alimenticio, por lo que es usado en otro tipo de industrias. Al ser un producto de origen orgánico, una serie de impurezas lo acompañan y con alto contenido de aldehídos, no es aceptable.

Las empresas de bebidas carbonatadas de primera línea, tienen muy altos estándares de calidad, que no aceptan este origen por las impurezas, el aroma frutado que puede aportar el acetaldehído y además, por su método de producción, no es Kosher, siendo que el gas de combustión y subproductos, si lo es y hay plantas certificadas para tal abastecimiento.

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GASES REFRIGERANTES

Otro gas usado en la industria alimenticia, como parte de los equipos de enfriamiento y cada vez más en desuso, por cuestiones de costos y seguridad, es el amoníaco. En las cámaras frigoríficas este gas fue reemplazado por una serie de compuestos clorofluorocarbonados (CFC), con nombre comercial Freón de la empresa Dupont, corresponde a hidrocarburos de 1 o 2 carbonos, donde el hidrogeno fue reemplazado por un halógeno.

Esta molécula es muy estable, no es inflamable y tiene otras ventajas para ser usado como propelente de aerosoles, aislantes y equipos de frio, pero con bajo peso molecular y muy baja densidad respecto al aire, se eleva fácilmente hasta la estratosfera, donde en la franja de 10 a 50 km sobre el nivel del mar, se encuentra la capa de ozono. La configuración electrónica de estas moléculas cargadas de halógenos, la hacen muy reactiva a la oxidación del ozono (O3), que tiene un rol fundamental actuando como filtro de la radiación UV que llega a la Tierra. Actualmente solo ciertas moléculas están autorizadas para este uso, siendo ésta hidroclorados.

CAMBIOS DE ESTADO

El estado de agregación de la materia es la cercanía entre las moléculas, tiene relación con la vibración inter e intramolecular, las cargas, las uniones, las fuerzas de Van der Waals, etc. Las moléculas de gas se encuentran muy dispersas, las de líquido más juntas, pero aun fluidas y las del sólido, apiñadas y fuertemente unidas a tal punto que forman cristales o estructuras que le dan forma propia y ya no adoptan la del recipiente que lo contiene.

Recuerdan la ley de los gases ideales de Boyle y Marriot?

P V = n R T

Donde P= presión expresado en atmV= volumen (del envase que lo contiene)N= nro de moles

R = constante de los gases: 0.082 L atm/K mol

T = temperatura expresado en °K

Resulta que esta fórmula solo aplica a gases ideales, y prácticamente ninguno lo es!! Lo mismo que un caballo de masa puntual que se desliza por una pista sin rozamiento, es una situación irreal. Pero, a fines de entender los cambios de fases, nos puede ser muy útil, entender la relación matemática directa o indirecta entre cada magnitud.

Si quiero transportar un gran número de moléculas (n) y siendo R una constante, me quedan las siguientes opciones para conseguirlo.

Aumentar el volumen (V): esto no es viable en la industria, salvo que disponga del espacio de un globo aerostático para entregar el gas de una atmosfera modificada para envasar pastas frescas.

Aumentar la presión (P): puedo hacerlo siempre y cuando las paredes del envase resistan la presión de las moléculas aglomeradas, pujando por salir, para ello se construyen cilindros de alta presión con paredes de

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hasta 2 cm de acero, que son controlados periódicamente con una prueba hidráulica que asegura su resistencia.

Bajar la temperatura (T): ya lo vimos en la producción de gases del aire. Por ejemplo, al mantener el nitrógeno frio, baja la energía vibratoria (ver estados de agregación) permitiendo que las moléculas estén más cercanas unas de otras, a tal punto que se convierte en un líquido.

Pero qué pasa si esa energía se activa? Considerando que estamos a -170°C, incluso con excelente aislación habrá un intercambio de calor con el exterior. A mayor temperatura, para mantener la igualdad, necesita mayor volumen y como el tanque tiene una capacidad determinada, solo puede subir la presión. El tanque deberá resistir grandes presiones o en su defecto explotará, es por ello que siempre tienen una válvula de alivio y disco de ruptura, que permiten ventear el producto en forma segura al exterior.

Según la aplicación, si en gas o líquido, la presión de servicio, si es un proceso continuo donde no se puede interrumpir el abastecimiento, entrega en áreas remotas, etc, se dimensiona el envase adecuado, que pueden ser cilindros y baterías o termo y tanques.

La liberación del gas al circuito de consumo, se realiza a través de válvulas, manifold, reguladores y una serie de accesorio que se dimensionan para al consumo.

MEZCLAS DE GASES

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Son innumerables las aplicaciones de los gases en todo tipo de industrias, tanto puros como en mezclas de dos o más componentes. Estas mezclas se calculan con ecuaciones de gases reales, considerando presión de vapor, factor de compresión entre otras variables y se producen por gravimetría (pesando cada uno de los componentes) o por volumetría, usando la ley de las presiones parciales de los gases y factores de corrección de presión y temperatura durante el llenado.

La mezcla se realiza por la misma agitación de los gases a medida que ingresan al cilindro, mediante golpes de presión o bien se pueden hacer rodar para uno y otro lado en equipos especiales. Si se forman estratos por la diferente densidad de los gases, difícilmente difunden de un extremo al otro del cilindro.

Las mezclas se analizan en equipamiento adecuado, especialmente cuando la aplicación es crítica, como en el caso de las mezclas medicinales, gases de buceo, gases de calibración, etc., donde el rango de tolerancia a un desvío es muy estrecho.

AIRE COMPRIMIDO

El aire comprimido es un insumo critico en muchas de las industrias, éste se usa para limpiar superficies, tanques y cañerías, accionar sistemas neumáticos de maquinarias de análisis, proceso y de envasado. Se produce a partir del aire ambiente, que por diversos sistemas se comprime y se almacena en un pulmón que asegura su disponibilidad y se repone a medida que se consume y baja la presión. Según la aplicación, este aire tendrá un sistema más o menos complejo de purificación e incluso análisis antes de usarse.

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UNIDAD 1 - GASES INDUSTRIALES

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1) Recorra su alacena o góndola del supermercado y liste al menos 10 productos que tengan o considera que tengan gases como uno de los ingredientes o como parte del proceso. Al encontrarnos debatiremos sobre los ejemplos que ustedes traigan en esta sección.

2) Cuando una bebida gaseosa está bien fría, las burbujas parecen ser más grandes y “fuertes”. Si nunca lo notaste y tenés como como verificarlo, es buen ejercicio para entrenar las propiedades organolépticas. Propone una posible respuesta a este efecto.

3) En base a las propiedades de los gases, investigue y explique el funcionamiento de la ola a presión.

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