04 Práctica Mezclado (mermelada en casa) PDF

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Práctica No. 4

Academia de Balance de Materia y Energía

BALANCE DE MASA Y ENERGIA EN UN PROCESO DE MEZCLADO SIN REACCION QUÍMICA

INTRODUCCION El mezclado es la operación unitaria en la que dos o más sustancias, de la misma o diferente fase (sólido, líquido o gas), son sometidas a una acción mecánica con el fin de homogeneizarlas, además de tratar de asegurar que al final, al evaluar cualquiera de los componentes del sistema, éste se encuentre en la misma concentración en cualquiera de los puntos de muestreo considerados. El mezclado está presente en la mayoría de los procesos de producción, ya sea como una operación por sí misma, como sería el caso de la preparación de colorantes o saborizantes, o como parte inherente a un proceso unitario, como el caso de reacciones químicas o fermentativas, donde esta operación se requiere para asegurar la buena distribución de los reactivos o nutrimentos, o para mantener las condiciones de temperatura, pH, etc., de un proceso. Durante el mezclado, dependiendo de los materiales alimentados se pueden o no presentar diversos tipos de reacciones químicas o físicas, que involucran cambios en las especies de materiales (los reactivos pasan a productos) o cambios en los niveles energéticos (aumento o disminución de la temperatura). Esto es necesario considerarlo para realizar los balances de mase y de energía. Los balances de masa y energía en un proceso de mezclado permitirán determinar alguna de las corrientes (flujos másicos o molares), concentraciones (fracción masa o fracción mol) o temperaturas. El mezclado presenta la característica de que al equipo entran normalmente “n” corrientes y salen, en la mayoría de las ocasiones una o dos. Las corrientes de entrada pueden reaccionar entre ellas o no, dependiendo de las sustancias, pero indistintamente al final del proceso, la ley de conservación de la materia y de la energía se mantiene. 3

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La ley de la conservación establece que tanto la masa como la energía no se crean ni se destruyen, solo se transforman y que en un sistema aislado, amabas (masa y energía) se mantienen constantes. La ecuación de conservación de la materia se expresa de la siguiente forma: [ENTRADA] + [GENERACION] – [SALIDA] – [CONSUMO] = [ACUMULACION] Esta ecuación también se denomina como ecuación de balance de masa y como se presenta es su forma más general. Si se considera que el sistema se encuentra en estado estable, el término acumulación no se presenta. Si además no hay reacción química los términos de generación y consumo tampoco se consideran, por lo que la ecuación de balance de masa para un sistema en régimen permanente, en estado estable sin reacción química queda como: ENTRADA DE MATERIALES

=

SALIDA DE MATERIALES

Para el caso de la energía, la Primera Ley de la Termodinámica establece que la energía que entra a un sistema es la misma que debe salir del sistema.

ENTRADA DE ENERGIA

=

SALIDA DE ENERGIA

A partir de estas ecuaciones y dependiendo del tipo de sistema en estudio se derivan otras, que permiten evaluar los flujos por componentes, las fracciones de los componentes en las corrientes, los gastos energéticos o algunas propiedades termodinámicas involucradas (temperaturas, entalpías, calores).

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OBJETIVO Aplicar los conceptos teóricos de balance de masa y energía vistos en clase, para determinar las cantidades de ingredientes y el calor total requeridos para preparar una mermelada de fruta con más de 65% de sólidos, en cuya elaboración se requiere como operación unitaria básica el mezclado sin reacción química. MATERIALES MATERIA PRIMA Agua potable Azúcar morena o refinada 1 kg de fruta fresca EQUIPO Y MATERIAL DE LABORATORIO 1 Parrilla de calentamiento con control de temperatura (regulación de la intensidad de flama) 1 Recipiente para preparación de la jalea. (Olla o marmita de 3 litros aprox.) 3 Recipientes para pesado de ingredientes (es opcional, ver desarrollo de la práctica) 1 Licuadora 1 Colador 1 Pala de madera 1 Termómetro con escala de 20 a 100°C 1 Balanza granataria o digital 1 Probeta o recipiente graduado de 250 ml 6 cucharas chicas (plástico o metal) 6 recipientes pequeños de aproximadamente 10-20 mL (material indistinto) 1 Tabla para picar fruta 1 cuchillo (liso o de sierra) 1 – 3 recipientes de vidrio con tapa, previamente pesados (envasado del producto) 1 reloj con cronómetro DESARROLLO EXPERIMENTAL 1. Lavar la fruta, escurrir y pesar. Si se compró el kilo solicitado, no es necesario volver a pesarla. 2. Dependiendo del tipo de fruta, eliminar partes no deseadas (ejemplo: en el caso de las fresas, eliminar los sépalos unidos a la región del pedículo; en el caso de manzanas, eliminar el corazón con sus semillas). Considerar la información de la tabla 1. 3. Fraccionar la fruta en trozos más pequeños utilizando el cuchillo y la tabla para picar.

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4. Colocar la fruta troceada en el vaso de la licuadora, adicionar 100 mL de agua y licuar a velocidad media durante 10 – 15 segundos. Vaciar el contenido a la olla de calentamiento. 5. Si la fruta se licúa en 2 partes, dejar una porción del producto licuado en el vaso y adicionar la segunda parte de la fruta. Repetir la operación de licuado y vaciar a la olla. 6. Medir la temperatura de los otros ingredientes (agua y azúcar). 7. Adicionar 50 mL de agua al vaso de la licuadora y enjuagar los remanentes de la operación del paso 5. Traspasar el líquido a la olla. 8. Medir la temperatura de la fruta molida. 9. Con la primera cuchara, tomar muestra de la fruta molida y colocarla en el primer vaso. Considerar el peso de la muestra de 3.0 g. Conservar la muestra para el final de la práctica. 10. Adicionar los otros ingredientes (azúcar) a la fruta y mezclarlos. Homogenizar la mezcla con la pala de madera. 11. Tomar el peso de la mezcla (si se pesó previamente la azúcar, no es necesario pesar la mezcla). Tomar la segunda muestra (considerar 3.0 g de peso). 12. Iniciar el calentamiento (fuego medio). 13. A los 3 minutos de iniciado el calentamiento, tomar la temperatura y al mismo tiempo, con la cuchara 3, tomar muestra de la mezcla (considerar 3.0 g de peso) y colocarla en el vaso 3, conservarla para el final. 14. Continuar el calentamiento con agitación constante. Llevar la mezcla a punto de ebullición y registrar la temperatura y el tiempo para alcanzar el hervor. Tomar la 4ª muestra (considerar 4.0 g de peso). 15. Sin dejar de agitar, mantener en estas condiciones durante 5 minutos. 16. Detener el calentamiento, y tomar la 5ª muestra (considerar 4.0 g de peso). 17. Dejar enfriar durante 5 minutos y registrar la temperatura. 18. Pasar la mermelada a los recipientes de vidrio previamente pesados. Se recomienda dejar un espacio vacío de máximo 1 cm entre el producto envasado y la tapa. 19. Para prolongar la vida de anaquel del producto elaborado, se recomienda pasteurizar en olla de presión durante 15 minutos a calor húmedo (operación similar a la esterilización en autoclave). 20. Dejar enfriar el producto y secar el frasco (en el caso de haber pasteurizado). Pesar el recipiente con la mermelada, medir la temperatura y tomar la última muestra colocándola en el último vaso (considerar 3.0 gramos de muestra).

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Reporte de resultados

Tabla 1. Relación de pesos para el tipo de fruta seleccionada Fruta Relación de Peso útil (kg neto/kg bruto) Fresa 0.90 *Guayaba 0.70 **Mango 0.50 Manzana 0.75 Melocotón 0.70 Zarzamora 1.00 Notas: *Para la guayaba, se recomienda que después de moler el producto, se cuele la fruta a través de colador. ** Se recomienda utilizar 2.0 kg de mango, debido a las mermas durante la etapa de limpieza del producto.

Tabla 2. Registro de pesos y temperaturas de los materiales utilizados Material Peso Temp. (g) (ºC) Fruta (peso bruto) Fruta (peso neto) Azúcar Agua Mezcla inicial (fruta-azúcar-agua) Peso frascos vacíos Producto final (frasco + producto) Peso neto del producto obtenido Mermas (muestras + remanente en recipientes)

Tabla 2. Registro de pesos y temperaturas de los materiales utilizados Muestra Tiempo Temperatura Peso de la registrado registrada muestra (min) (ºC) (g) 1 2 3 4 5 6

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INFORMACION A REPORTAR 1. Carátula de la práctica (título, objetivos, introducción máximo media cuartilla y referencias consultadas), así como la elaboración y rotulación de un diagrama de bloques que incluya la o las operaciones unitarias involucradas, así como las corrientes de masa y energía en cada etapa. Incluya toda la información relacionada. (2 puntos) 2. Mediante cálculos de balance determinar las fracciones másicas de: azúcar (sólidos solubles), agua y pulpa (sólidos no solubles) que componen al producto obtenido. Considerar la información nutricional de la fruta seleccionada e incluir la información adicional necesaria para realizar el balance de masa. (2 puntos). 3. Calcular la cantidad de energía suministrada al proceso. Para el cálculo, considerar que la razón de fruta/azúcar que se utiliza es el peso neto de la fruta utilizada por cada kilogramo de azúcar adicionada. Utilice las temperaturas evaluadas y para calcular la capacidad calorífica utilice la ecuación de Siebel (Cp (J/Kg°K) = 33.49H + 837.36) donde H es % de humedad. (3 puntos). 4. Elabore una gráfica tiempo vs. Temperatura de la mezcla y explique el comportamiento. (0.5 puntos) 5. Con los datos obtenidos realice un escalamiento para producir 850 kg de mermelada. (1 punto) 6.- Discusión y Conclusiones. Incluir evidencia gráfica de haber realizado la práctica. (1.5 puntos)

BIBLIOGRAFIA 1. Felder R. M. y Rousseau, R. W. (1978) Principios básicos de los procesos químicos. El Manual Moderno S.A., México. 2. Himmelblau, D. M., (1978) Principios y cálculos básicos de la ingeniería química. CECSA, México 3. Toledo, R. T. (1981) Fundamentals of food process engineering. AVI Pub Co. Inc. Westport Conn. USA 4. Harper, J.C. (1982) Elements of food engineering. AVI Pub Co. Inc. Westport Conn. USA. 5. Charm, S.A., (1978) The fundamentals of food engineering. AVI Pub Co. Inc. Westport Conn. USA....