437017262 Balance de Energia produccion de leche en polvo PDF

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aqui encontraras un abre bocas del balance de energia en la produccion de leche en polvo...

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Universidad de Guanajuato División de Ciencias Naturales y Exactas

Balance de Energía Proyecto “Planteamiento de Balance de Energía para el proceso de la Leche en Polvo”. Dr. Jesús Isaac Minchaca Mojica. Integrantes:    

Alfaro Reyes José Fernando Montañez Cervantes Alicia Montserrat Quintanilla Guzmán Andrea Jazmín Romero Zavala Josefina

Fecha de entrega: lunes 11 de noviembre del 2019

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Índice Introducción y antecedentes ............................................................................................................. 3

Marco Teórico ................................................................................................................................... 5 Objetivos ............................................................................................................................................ 6 Justificación ....................................................................................................................................... 7 Metodología ....................................................................................................................................... 8 Cálculos y Resultados ..................................................................................................................... 13 Observaciones y Conclusiones........................................................................................................ 24 Bibliografía ...................................................................................................................................... 25 Comentarios ..................................................................................................................................... 26

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BALANCE DE ENERGÍA EN EL PROCESO DE PRODUCCIÓN DE LECHE EN POLVO ENTERA, PARCIALMENTE DESCREMADA Y DESCREMADA.

Para la realización de éste proyecto, la investigación se basó principalmente en la producción de leche en polvo entera; misma en la cual se basó para la realización de cada uno de los cálculos

Introducción y antecedentes El uso de energía es vital para cualquier proceso industrial. La leche en polvo se obtiene a partir de someter la leche pasteurizada a distintos tipos de procesos en los cuales se va extrayendo parcialmente el agua que esta contiene. A partir de la aplicación de estos métodos el producto tratado muestra grandes cambios en su estructura y apariencia física, pasando de un líquido con 88% de humedad, a un polvo seco con tan sólo 3% de humedad. [1] Existen varios tipos de leche en polvo según su tenor graso: Leche en polvo entera, leche en polvo parcialmente descremada y leche en polvo descremada. [2] La leche en polvo es utilizada de diversas formas, tanto en el área industrial como en la vida cotidiana. Esta se emplea en el área de repostería para la preparación de platillos, postres, pasteles, frapés, entre otros. También a nivel industrial para la preparación de diversos alimentos tales como pan, helados, entre otros. [3] La producción de leche en polvo se realiza con ayuda de energía térmica. [4] Para lograr esto se hace pasar la leche a través de varios procesos. Por lo cual es importante variar la cantidad de producción para conocer la cantidad de materia prima, la cual en este caso es la leche de cruda, y así conocer cómo varía la cantidad de energía en el proceso. Antecedentes

La leche en polvo fue producida por primera vez en 1802 por el doctor ruso Osip Krichevsky. [5] Se utiliza abundantemente en muchos países en desarrollo a causa de su bajo costo de transporte y almacenamiento, ya que no requiere refrigeración. Además, debido a estas características es muy utilizada en los países donde no es posible la cría de ganado vacuno para obtener leche. La importancia de este tipo de leche creció enormemente con la puesta en práctica de tecnologías específicas de fabricación, como las desarrolladas en la Segunda Guerra Mundial. [6] La industria de los productos lácteos es la tercera actividad más importante dentro de la rama de la industria de alimentos, después del maíz y de la carne. [7] La Secretaría de Agricultura y Desarrollo Rural (Sader), informó que México es el primer importador de leche en polvo y el quinto en leche fluida. [8] México es el país que más leche en polvo importa a nivel mundial. [9] La mayoría de la leche en polvo se elabora a partir de leche descremada. Las leches en polvo son mucho más estables que las leches fluidas, pero deben preservarse de factores como la humedad, el oxígeno, la luz y el calor. Para ello deben ir envasadas en sacos debidamente protegidos de los elementos citados. La reducción de la leche a polvo, no le priva de ninguno de sus elementos constitutivos nutritivos, pero disminuye su contenido en vitamina c. [10] El alto porcentaje de grasa en polvo de leche entera dificulta la fabricación de productos de buena calidad debido a la oxidación y enranciamiento durante la

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conservación. [11] Las características de la leche en polvo dependen también del método de desecación. A principios del siglo XX, la manera de obtener leche en polvo era por simple paso de la leche fluida a través de rodillos de secado, que separaban el agua de la materia seca por acción mecánica. A partir de la segunda mitad del siglo XX, se empezó a conseguir la leche en polvo siguiendo distintos procesos. La importación de leche en polvo tiene mucha relevancia debido a que ésta es utilizada como materia prima para elaborar diferentes productos lácteos en sustitución de la leche fresca que se produce en México. [12] Las leches en polvo son mucho más estables que las leches fluidas, pero deben preservarse de factores como la humedad, el oxígeno, la luz y el calor. Para ello deben ir envasadas en sacos debidamente protegidos de los elementos citados. [13]

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Marco Teórico Leche evaporada La Leche Evaporada se realiza en evaporadores. Para reducir las alteraciones que origina el calentamiento, la ebullición se lleva a cabo a temperaturas de entre 40 y 70°C a presión reducida, con la finalidad de que no se lleve a cabo la reacción de Mayllard. Ésta origina oscurecimiento y disminución del valor biológico de las proteínas, que es muy común y se produce por acción del calor. En estas condiciones, la temperatura de ebullición del producto está determinada por la presión (siempre vacío) y, en menor grado, por la concentración de la leche (aumento en el punto de ebullición). La temperatura de la leche durante la ebullición es un parámetro controlado por la presión. La evaporación de la leche permite que se realice la concentración acelerada con muy poco cambio de sus características organolépticas, llegando al 48-50% de sólidos totales. Una vez evaporada la leche será secada mediante “roller” o por spray. Evaporación Los equipos utilizados para esta etapa son evaporadores. Para el precalentamiento de la leche se pueden utilizar calentadores de placas o bien de tubos rectos o en espiral. Antes del proceso de la evaporación en sí tiene lugar la pasteurización de la leche, que obedece a criterios únicamente bacteriológicos. La evaporación se utiliza como tratamiento previo al secado de la leche. En la industria láctea consiste en la ebullición y eliminación del agua de la solución. Para conseguirlo se debe aplicar calor. Sin embargo, ese calor puede provocar daños en el producto ya que es muy sensible al mismo y su calidad se ve afectada. Para solucionar este efecto negativo del calor, la evaporación se realiza a vacío a temperaturas que pueden ser tan bajas como de 40ºC. Además, el vacío produce que la temperatura a la cual el agua entra en ebullición disminuya, de este modo se consigue un ahorro en costes de energía. Los evaporadores suelen estar diseñados para trabajar en continuo, se caracterizan por trabajar en multietapa y con presión reducida. La principal ventaja del trabajo en multietapa es que genera un ahorro de energía considerable al aprovecharse el vapor en los diferentes tubos o placas del sistema. La evaporación produce una serie de ventajas: primeramente, un aumento del tamaño de las partículas de polvo, además de provocar un alto contenido en aire y una alta capacidad de humectación. Todo esto conlleva una vida comercial más larga y un mayor interés económico con una mayor calidad de la leche en polvo.

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Objetivos General: El objetivo general de este proyecto es la investigación de un proceso real aplicado en las distintas áreas de estudio de ingeniería. Con esto pudiendo observar como es importante el balance de energía para el análisis de un proceso industrial. Este proyecto enfocándonos a la industria alimenticia, y analizando el caso de la producción de leche en polvo entera. Especifico: Investigación de un proceso real aplicado a la industria alimenticia, producción de leche en polvo entera, así como el análisis y cálculo de las distintas etapas que se manejan para que se lleve a cabo dicha producción, así como las distintas consideraciones que se deben de tener para la realización del balance de energía. Analizar las etapas que incluyen energía del proceso de producción de leche en polvo entera, así como su diagrama de flujo.

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Justificación El motivo de la realización de este proyecto es aplicar el conocimiento adquirido durante el curso de balance de materia, para aplicarlo al análisis de un proceso industrial real, tratando de comparar un modelo hipotético formado por el equipo de estudiantes con el real consultado en bibliografías. Este debe ser un análisis como el realizado en clase por lo que se podrán hacer cambios de acuerdo al criterio de cada equipo, para con esto desarrollar una mejor capacidad de análisis de procesos y sistemas de manera más eficiente y con dominio de las herramientas para dichos análisis. Este proyecto fue elegido por que a pesar de que en algunas etapas son procesos sencillos es un sistema que nos permite aplicar todas las herramientas que tenemos a nuestro alcance gracias al curso, para analizarlo y hacer una versión funcional propia de este sistema basado en nuestros conocimientos.

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Metodología Requisitos que debe cumplir la leche en polvo Características sensoriales: o Aspecto: Polvo uniforme sin grumos. No contendrá sustancias extrañas macro y microscópicamente visibles. o Color: Blanco amarillento. o Sabor y olor: Agradable, no rancio, semejante a la leche fluida.  Características fisicoquímicas: La leche en polvo deberá contener solamente las proteínas, azúcares, grasas y sustancias minerales de la leche y en las mismas proporciones relativas, salvo por las modificaciones originadas por un proceso tecnológicamente adecuado. [14]



Composición química de la Leche El siguiente cuadro (ver figura 1), resume los porcentajes aproximados de cada uno de los macrocomponentes que conforman la leche vacuna. En la leche estos compuestos se encuentran disueltos, suspendidos y emulsionados en agua (su principal componente). [14]

Figura 1. Composición química de la leche. [14]

Se planteó el diagrama de flujo (ver figura 2), que se utilizó como base para la realización del balance de energía en los equipos de mayor interés, para ello se determinó la cantidad de producción semanal, así, con base en la cantidad de materia prima a utilizar por día se determina la capacidad mínima que debe tener cada equipo. [14]

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Figura 1. Diagrama de flujo elaboración de leche en polvo. [14]

La leche en polvo se obtiene a partir del sometimiento de la leche fluida, previamente estandarizada, homogeneizada y pasteurizada, a distintos tipos de procesos en los cuales se va extrayendo parcialmente el agua que esta contiene. A partir de la aplicación de estos métodos el producto tratado muestra grandes cambios en su estructura y apariencia física, pasando de un líquido con 88% de humedad, a un polvo seco con tan sólo 3% de humedad. Existen varios tipos de leche en polvo según su tenor graso: (ver tabla 1.) 9|Página

Tabla 1.- tipos de leche en polvo según su tenor graso Leche en polvo entera Leche en polvo parcialmente descremada Leche en polvo descremada

mayor o igual que 26.0% entre 25.9% y menor que 1.5% menor que 1.5%

PROCESO PARA LA ELABORACIÓN DE LECHE EN POLVO. Recolección y transporte. - Se debe manejar la leche adecuadamente y utilizar métodos de conservación. Los tambos deben contar, principalmente, con tanques de almacenamiento refrigerados, para enfriar y conservar la leche recién ordeñada se encuentra a una temperatura de 37ºC, resultando un excelente caldo de cultivo para todo tipo de bacterias que se encuentran en los tambos. Por ello, se debe proceder a su rápido enfriamiento a 4-6ºC. El transporte de la leche cruda desde el tambo hasta las industrias se debe realizar con la máxima higiene y utilizando equipos especiales para el mantenimiento del frío, necesarios para impedir la multiplicación de las bacterias contenidas en la leche. Recepción. - Una vez que la leche cruda llega a la planta industrial, se descarga del camión cisterna utilizando bombas centrifugas sanitarias. La leche es conducida a la etapa de higienización y desnatado a través de cañerías de acero inoxidable. Esta operación se lleva a cabo gracias a un sistema de recepción. (ver figura 2) Figura 2. Equipo de recepción de leche cruda en planta [14] Higienización y desnatado. – La higienización tiene por objeto la eliminación de aglomerados de proteínas, partículas orgánicas e inorgánicas. El desnatado tiene por objeto la eliminación del contenido graso de la leche por separación de la nata, hasta un 0,05% de tenor graso. Ambos procesos de separación se realizan mediante la aplicación de fuerza centrífuga. (ver figura 3),

Figura 3. Equipo de centrifuga [14]

Refrigeración. - La leche ya higienizada que sale de la etapa anterior con una temperatura aproximada de 12°C, es refrigerada en un intercambiador de placas hasta una temperatura de 4°C. (ver figura 4). Figura 4. Equipo de refrigeración [14]

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Almacenamiento.- Los tanques de almacenado están provistos de sistemas de agitación y refrigeración (a 4°C) para evitar la separación de la nata por gravedad y mantener una temperatura regular. (ver figura 5)

Figura 5. Tanques de refrigeración [14] Estandarización. - La estandarización de la leche se realiza mediante la mezcla de leche entera y descremada, de contenidos grasos conocidos, en las proporciones necesarias para obtener una leche con el porcentaje graso deseado. Generalmente se acostumbra calcular un contenido de grasa ligeramente superior que el deseado para compensar desviaciones. Esta operación se realiza dentro de los tanques de almacenamiento. Precalentamiento. - Luego que la leche contiene el % de grasa adecuado de acuerdo al producto final que se desee obtener, esta se precalentará hasta 30°C para pasar a la etapa de homogeneización. Dicho calentamiento se llevará a cabo en un intercambiador casco y tubo, utilizando como medio calefactor vapor proveniente del segundo efecto del evaporador utilizado para concentrar la leche. Capacidad: 8000 L/h. Homogenización. - Evita la separación de la nata y favorece una distribución uniforme de la misma, ya que produce la división y rotura de los glóbulos de grasa. Pasteurización. - es un proceso que consiste en calentar la leche a temperaturas suficientemente altas durante un tiempo adecuado que permita destruir los microorganismos patógenos y debilitar otros de manera que pueda transportarse, distribuirse y/o consumirse sin peligro alguno. Para la elaboración de leche en polvo, no es necesario un calentamiento intenso, ya que los gérmenes que puedan quedar no dispondrán de humedad para desarrollarse. No obstante, todos los microorganismos patógenos deben ser destruidos y las enzimas inactivadas en su mayor parte. La pasterización se le realiza a la leche ya estandarizada mediante un calentamiento uniforme a una temperatura de 72°C durante 15 segundos. Concentración. - Se ha de incrementar lo más posible la proporción de extracto seco del producto a desecar posteriormente, ya que el proceso de concentración por evaporación es hasta tres veces más eficiente desde el punto de vista térmico que el proceso final de desecación por aire. El concentrado se deshidrata hasta que se llega casi al límite de fluidez, es decir, hasta una proporción de extracto seco del 48-50%. Desecación. - La leche en polvo se obtendrá mediante secado por atomización o pulverización. El proceso de secado por atomización se lleva a cabo en la cámara spray. Se basa en el contacto del producto atomizado en finas gotas, con una corriente de aire secante que circula en equi o contracorriente, a alta temperatura para lograr la evaporación del agua en forma prácticamente instantánea. De esta forma, la humedad superficial es evaporada 11 | P á g i n a

rápidamente por aire a alta temperatura y la partícula de leche es protegida del exceso de temperatura por dicha evaporación. Esto reduce notablemente la alteración de sus proteínas y otros constituyentes, lo que permite obtener excelentes índices de reconstitución. Luego de esta etapa el polvo obtenido es enviado al vibrofluidificador donde se ajusta su contenido de humedad, se mezcla con los finos recuperados y se convierte en un polvo instantáneo. Figura 6. Cámara de secado [14] Almacenamiento. - Una vez finalizado el proceso de elaboración de leche en polvo, la misma se almacenará en silos de acero inoxidable de gran capacidad, controlando parámetros de humedad, temperatura, oxigeno, etc. para mantener su calidad original. Fraccionamiento. - La leche en polvo se fraccionará en las siguientes presentaciones: - Envases de 800 gramos impresos. - Envases de 25 kilogramos, en bolsas. Equipos auxiliares. – CALDERA: Para el buen desempeño de la industria, es de fundamental importancia contar con una caldera capaz de entregar la cantidad de vapor consumida por el concentrador, en las condiciones necesarias para el correcto funcionamiento de este equipo.

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Cálculos y Resultados Se realizan los cálculos para determinar el balance de energía en cada uno de los equipos, como así también, los flujos de servicio necesarios para que se puedan llevar adelante los procesos. Teniendo en cuenta estos cálculos, se realiza la selección de los equipos requeridos para el proceso de elaboración. La planta, según este proyecto, recibirá 100.000 litros de leche cruda por día, los siete días de la semana. Sin embargo, la planta elaborará sólo de lunes a viernes, procesando 140.000 litros diarios. La leche que se reciba los días sábados y domingos solo será refrigerada y almacenada para su posterior procesamiento durante la semana. En cada jornada laboral de 24 horas se destinarán 22 horas para elaboración y las restantes serán destinadas a limpieza. Por lo que se procesarán: 140.000 litros/día / 22 horas 6.360 litros/hora. Ecuación general de balance de energía: Entrada de energía

-

Salida de energía

+

Generación* de energía

-

Consumo* de energía

=

Acumulación de energía

*Los términos son despreciables, ya que no son consideradas las unidades con reacción química para el estudio de este proyecto Equipo de refrigeración Se calculará el enfriamiento necesario para refrigerar la leche teniendo en cuenta el mayor flujo que podrá circular por este equipo, que será el de leche entera que sale de la centrífuga (F2 = 23.732,27 kg/h).

Datos Flujo másico =23732.27

𝐾𝑔 ℎ

T1=20 °C T2= 4°C Cp leche = 3.894

𝑘𝐽

𝑘𝑔°𝐶

𝑄 = ∆𝐻

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𝑄 = 𝐹𝑙𝑒𝑐ℎ𝑒 (𝐶𝑝𝑙𝑒𝑐ℎ𝑒 )(∆𝑇) = 23732.27

𝐾𝑔 ℎ

(3.894

𝑘𝐽 𝑘𝐽 ) (4 − 20)°𝐶 = −1478615.35 ℎ 𝑘𝑔°𝐶

Ahora se requiere saber la cantidad de agua que se necesita. 𝑄𝑐𝑒𝑑𝑖𝑑𝑜 = 𝑄𝑎𝑏𝑠𝑜𝑟𝑏𝑖𝑑𝑜

Precalentador Esta es una etapa previa a la de homogenizació...