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Consultas de operaciones unitarias de la ingeniería de alimentos semestres 1 introducción a la ingeniería de alimentos...

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CONSULTA DE OPERACIONES UNITARIAS

Jhan Carlos Cogollo Otero Melissa Sofía Espitia Ramírez Nicol Guerrero Vega María José Guzmán Polo Verónica Ortega Saldarriaga Karol Michelle Payares Hernández

Docente: Beatriz Elena Álvarez Badel

FACULTAD DE INGENIERIA PROGRAMA INGENIERIA DE ALIMENTOS INTRODUCCIÓN A LA INGENIERIA DE ALIMENTOS

UNIVERSIDAD DE CORDOBA 2021

Consulta de operaciones unitarias: Investiga las siguientes definiciones y busca tres aplicaciones de cada operación en la industria de alimentos

Mecánica de fluidos: La mecánica de fluidos es parte de la física y como tal, es una ciencia especializada en el estudio del comportamiento de los fluidos en reposo y en movimiento. Para los ingenieros de alimentos es necesario conocer las propiedades físicas y reológicas de los alimentos que se transportan en una planta por medio de ductos con el fin de evitar su deterioro y mantener la calidad del producto, así como conocer las presiones y los caudales en las líneas de aire, de vapor, de agua, entre otras, con el fin de optimizar el espacio y minimizar los riesgos dentro de una industria. La compresión adecuada de la mecánica de fluidos adquiere una importancia extraordinaria en muchas áreas de la ingeniería. Día tras día el uso de los fluidos en la industria alimentaria se hace más importante y frecuente. Por esta razón la formación profesional del ingeniero de alimentos debe proporcionarle las herramientas para diseñar y operar sistemas de conducción de fluidos. La mecánica de fluidos analiza la acción de los fluidos en reposo o en movimiento, así como de las aplicaciones y mecanismos de ingeniería que utilizan fluidos. La mecánica de fluidos resulta fundamental en campos tan diversos como la aeronáutica, la ingeniería química, civil e industrial, la meteorología, las construcciones navales, la oceanografía, las instalaciones de gas y sanitarias. Por la coexistencia de comportamientos laminares y turbulentos, el flujo de fluidos es a su vez de gran importancia en ingeniería de alimentos, ya que los procesos que involucran el flujo o mezcla de fluidos se encuentran presentes en casi todas las operaciones y en todos los procesos, entre ellos la producción de polímeros, de pinturas, la dispersión de agentes emulsificantes, suspensiones, etc.

Transporte de fluidos: Dentro de la industria de alimentación y bebidas podemos encontrar infinidad de productos con diferentes propiedades físicas que requieren de procesos específicos para su mezcla. La gran mayoría de los fluidos en la industria alimentaria se comportan de cierta manera al exponerse a un estado de agitación, presentan un comportamiento no newtoniano. Un fluido no newtoniano no tiene una viscosidad definida, pues esta varía por varios factores, como la temperatura y la tensión cortante que se le aplica. Su consistencia se modifica con la velocidad de agitación, lo que deriva a contar con un buen equipo de mezcladoras que integre un nivel de mezcla intenso de los componentes, sin que el motor se sobrecargue para no reducir la eficacia del mezclado. Por el contraste, con un fluido newtoniano, la viscosidad puede describirse en función de la presión y la temperatura sin que intervengan otras fuerzas, la viscosidad es independiente de la agitación, solo depende de la temperatura y composición; cómo, por ejemplo:

Dentro de los fluidos no newtonianos, existen los dependientes e independientes del tiempo de mezcla:

Dependientes del tiempo: Tixotrópicos: Los fluidos tixotrópicos son aquellos en donde la viscosidad disminuye al aumentar el tiempo de agitación, como por ejemplo las gelatinas, mieles y algunas salsas.

Durante el proceso de mezclado, una zona de material menos viscoso se forma alrededor del agitador, esto es más evidente cuanto mayor es el tiempo de agitación, pero la mayor parte del alimento permanece estacionario.

Reopécticos: Su comportamiento es el opuesto al de los tixotrópicos, es decir, su viscosidad aumenta con el tiempo de agitación. Muchos fluidos, pierden sus propiedades reopécticas a niveles altos de cizalla. Un ejemplo puede ser la clara de huevo.

2. Independientes del tiempo: Plásticos de Bingham: Permanecen rígidos mientras que el esfuerzo sea menor a un valor determinado (llamado punto de cedencia) dependiendo de cada fluido. Una vez superado dicho valor, el comportamiento es muy semejante a un fluido newtoniano. Este modelo de fluido se puede encontrar en emulsiones como la pintura, en lodos y en líquidos con sólidos en suspensión

Dilatantes: Aumentan su viscosidad al aumentar la gradiente de velocidad. Estos fluidos al igual que los pseudoplásticos no tienen una tensión de fluencia inicial y son mucho menos comunes. Estos fluidos deben mezclarse con sumo cuidado. Requieren de una alta potencia y resistencia, ya que el aumento que se produce en la consistencia, puede dañar los mecanismos de transmisión y los ejes. Para el proceso de mezcla resultan adecuadas las fuerzas de corte, de envoltura, como las que proporcionan las mezcladoras de paletas. Ejemplos: Harina de maíz, disoluciones de almidón muy concentradas, chocolate, etc.

Pseudoplásticos: Son aquellos fluidos que disminuyen su viscosidad al aumentar la gradiente de velocidad. Sin embargo, a velocidades altas, la viscosidad se hace casi constante. Este es el comportamiento más común a nivel industrial y se puede encontrar marcado en mayor o menor medida dependiendo de la distribución de pesos moleculares y de la estructura del material. Durante el proceso de mezcla, al igual que los tixotrópicos, se forma al rededor del agitador una zona de material menos viscoso (más evidente cuanto mayor es la agitación) pero la mayor parte del fluido permanece estacionario. Ejemplos: Salsas, mostaza, zumos de frutas, algunos tipos de cátsup, pulpa de papel.

Viscoelásticos o de comportamiento plástico: Se caracterizan por poseer propiedades viscosas y elásticas como son la relajación de la tensión y la recuperación. Esta mezcla de propiedades puede ser debida a la existencia en el líquido de moléculas muy largas y flexibles o también a la presencia de partículas líquidas o sólidos dispersos. Para que se produzca el cizallamiento en este tipo de fluidos se requieren fuerzas de distensión y envoltura. Ejemplo: Nata, masa de panadería, helados, gelatinas.

Reducción de tamaño: Las operaciones de disminución o reducción de tamaños consiste en la producción de unidades de menor masa partir de trozos mayores; para ello hay que provocar la fractura o quebrantamiento de los mismos mediante la aplicación de presiones. Los requerimientos de tamaño son diversos para cada tipo de productos, de ahí que se utilicen diferentes máquinas y procedimientos, estas pueden variar según las necesidades en diferentes áreas afines:

Procesos Industriales Procesos Alimenticios Investigación

1. APLICACIÓN EN PROCESOS INDUSTRIALES: ¨IMPACTO ¨

MOLINO DE BOLAS : El molino de bolas es una máquina eficiente para el polvo de molienda fina y es un equipo clave para la molienda después de que el proceso de trituración Es ampliamente usado para cemento, productos de silicato, nuevos tipos de materiales de construcción, materiales a prueba de fuego, fertilizantes químicos, metales negros y no ferrosos, vidrio, cerámicas, entre otros

MOLINO DE BOLAS PARA PULVERIZACIÓN DE CARBÓN : • Está formado por un cilindro giratorio horizontal que se mueve a poca velocidad con cierto número de bolas de acero. • A medida que gira el cilindro, las piedras o bolas se elevan por las paredes caen sobre la materia prima a triturar que están ocupando el espacio libre entre las bolas. • Las bolas resbalan entre sí produciendo el cizallamiento de la materia prima. • El tamaño de las bolas oscila entre 2 y 15 cm..

¨MOLINO DE BOLAS PARA PRODUCCIÓN DE CEMENTO¨¨ La máquina está compuesta por la parte de alimentación, descarga, la rotación y conducción.

2. APLICACIÓN EN PROCESOS INDUSTRIALES: ¨COMPRESIÓN ¨

Industria Farmacéutica: Indiscutiblemente, la tableta comprimida es una de las formas de dosificación de fármacos más populares hoy en día. Casi la mitad de todas las medicinas recetadas se ofrecen en forma de tabletas. Existen tres métodos comerciales para producir tabletas comprimidas:

Compresión directa: La sustancia activa se mezcla con un vehículo compresible, y en caso de necesidad, se incorpora un lubricante y un desintegrante. Una vez mezclados estos ingredientes se mezclan y se comprimen.

Granulación en seco: Los ingredientes en la formulación se mezclan y precomprimen de forma íntima. El lingote que se forma se muele a un tamaño uniforme y se comprime de nuevo. Granulación húmeda: Este método requiere más manipulaciones y requiere de mayor tiempo que los otros métodos y no es conveniente para fármacos que son termolábiles o que reaccionan con agua.

3. APLICACIÓN EN PROCESOS INDUSTRIALES: ¨FROTAMIENTO¨

MOLINO DE DISCO DE FROTAMIENTO La reducción de tamaño se da por la utilización de la fuerza de frotamiento. Estos pueden ser los molinos de discos y se clasifican en :

Molino de disco único: consta de la armadura estacionaria del molino y un disco giratorio estriado ligado estrechamente a esta

Molino de disco doble: la armadura del molino consta de dos discos estriados, giratorios estriado ligado estrechamente a esta.

DE DISCOS EN LA INDUSTRIA HARINERA •El molino está diseñado para hacer la molienda gruesa de los cereales y productos parecidos. Los discos tienen en su superficie un material fuerte corrugado y la distancia entre los discos se puede variar y en si se puede controlar el grado de molienda del material. El control de la distancia se puede realizar manual o automáticamente. • El disco giratorio está puesto directamente sobre el eje del motor eliminando cajas o poleas para la transmisión de la fuerza

Manejo de sólidos: La generación de residuos sólidos es parte indisoluble de las actividades que realizan las empresas alimentarias. Considerando que dentro de las etapas del ciclo de vida de los residuos sólidos (generación, transportación, almacenamiento, recolección, tratamiento y disposición final), son las empresas quienes constituyen el escenario fundamental, en el que se desarrollan y se vinculan las diferentes actividades asociadas al manejo de los mismos. Resulta esencial el tratamiento acertado de las etapas del ciclo de vida de los residuos sólidos y su consideración de forma priorizada en el contexto de las actividades de gestión ambiental, a través de los cuales se potencie el establecimiento de esquemas de manejo seguro que garanticen un mayor nivel de protección ambiental, como parte de las metas y objetivos de los diferentes sectores productivos y de servicios, en función de la sustentabilidad empresarial. En relación de los residuos sólidos no municipales, existe un subregistro muy grande en la declaración de generación de residuos por parte de las empresas, desconociéndose la magnitud del riesgo asociado a ese tipo de residuos. Esta situación necesario

revertirla en el plazo inmediato con el desarrollo de inventarios de residuos, tan solo el dos por ciento de industrias reportan la generación de residuos sólidos. La industria de bebidas no alcohólicas comprende una rama de la industria alimentaria que hacen parte del subsector manufactura. Los residuos sólidos provenientes de la actividad productiva de este subsector industrial deben ser tratados adecuadamente, para mitigar y reducir los impactos negativos sobre el medio ambiente.

Mezclado: Lograr un buen mezclado de sólidos particulares de diferente tamaño y densidad es de suma importancia para muchas industrias. Las partículas que pueden fluir se segregan naturalmente. Por ejemplo, en una bolsa de cereales o en el paquete de yerba, las partículas más grandes las encontramos mayoritariamente en la parte de arriba, mientras que las pequeñas migran al fondo. En el caso de las mezclas de líquidos miscibles y gases, el flujo convectivo logra un mezclado macro, mientras que los procesos difusivos logran el mezclado a nivel micro. Consecuentemente, las mezclas de gases y líquidos si se dejan el tiempo suficiente tienden a homogeneizar la composición de la mezcla. Las mezclas sólidas nunca alcanzan tal homogeneidad porque tienden a segregarse, mientras que los líquidos y sólidos tienden a mezclarse. En la industria alimentaria el mezclado es utilizado frecuentemente para disminuir diferencias en propiedades de polvos como concentración, color, textura, sabor, etc. El requerimiento de uniformidad de la composición de una dada mezcla depende de la aplicación del sistema particulado. Por ejemplo, la composición de los medicamentos debe especificarse estrictamente para asegurar su eficacia y seguridad en su aplicación. Consecuentemente el rango de variación de composición es bien estrecho. En cambio, si estamos preparando los ingredientes de una sopa deshidratada la tolerancia en el mezclado puede ser algo mayor, pero no exagerada ya que el consumidor se acostumbra a sabores, olores, consistencias, etc. Cambios abruptos en composición de tales mezclas puede conducir a la pérdida de mercado

Tipos de aplicaciones de mezclado: -

Mezcla de granos antes de la molienda Mezcla e incorporación de aditivos a la harina Preparación de polvos de mostaza Mezclas de confitería

Separaciones mecánicas: La separación mecánica se puede aplicar a mezclas heterogéneas. Las técnicas se basan en diferencias físicas entre las partículas, tales como el tamaño, la forma o la densidad. Se aplican para separar líquidos de líquidos, sólidos de gases, líquidos de gases, sólidos de sólidos y sólidos de líquidos.

1. Esterilización de líquido (se pueden eliminar bacterias, mohos y levaduras). 2. Clarificación y abrillantado de líquidos. 3. Concentración de líquidos.

Flujo de calor: La tasa de transferencia de calor por unidad de área normal a la dirección de transferencia de calor se denomina flujo de calor. A veces también se conoce como densidad de flujo de calor. En SI sus unidades son vatios por metro cuadrado. Tiene una dirección y una magnitud, por lo que es una cantidad vectorial. Para la mayoría de los sólidos en condiciones normales, el calor se transporta principalmente por conducción y el flujo de calor se describe adecuadamente por la ley de Fourier.

La ley de Fourier en una dimensión

donde k es la conductividad térmica. El signo negativo muestra que el flujo de calor se mueve desde las regiones de temperatura más alta a las regiones de temperatura más baja. Extensión multidimensional El caso multidimensional es similar, el flujo de calor disminuye y, por lo tanto, el gradiente de temperatura tiene el signo negativo:

donde

es el operador gradiente

Medición de flujo de calor La medición del flujo de calor se puede realizar de diferentes maneras. Medición basada en la diferencia de temperatura. Un método comúnmente conocido, pero a menudo poco práctico, se realiza midiendo una diferencia de temperatura sobre una pieza de material con conductividad térmica conocida. Este método supone que la conductividad térmica del material es bien conocida. Este método es análogo a una forma estándar de medir una corriente eléctrica, donde uno mide la caída de voltaje sobre una resistencia conocida. Medición basada en el uso del sensor de flujo de calor. El flujo de calor se puede medir directamente a través de sensores de flujo de calor o transductores de flujo de calor. El tipo más común de sensor de flujo de calor es una termopila de temperatura diferencial que opera esencialmente con el mismo principio que el primer método de medición. Un sensor de flujo de calor debe medir la densidad del flujo de calor local en una dirección. El resultado se expresa en vatios por metro cuadrado.

APLICACIONES DE EL FLUJO DE CALOR EN LA INGENIERIA DE ALIMENTOS: - Para la determinación de las necesidades de energía para la refrigeración y la calefacción en productos. -En el Tereftalato de polietileno (PET), se utiliza en fibras sintéticas, bebidas, alimentos y otros recipientes líquidos, aplicaciones de termoformado, etc.

Evaporación: La evaporación es un proceso físico que consiste en el paso gradual de un líquido al estado gaseoso. Es un tránsito lento y silencioso, que ocurre como consecuencia de un aumento de temperatura. El proceso inverso se conoce como condensación (transición de gas a líquido). Por efecto del calor, las moléculas del líquido se agitan y adquieren la energía necesaria para desprenderse del líquido, para superar la energía de unión que tienen las moléculas en estado líquido y transformarse en vapor. La evaporación se puede observar, por ejemplo, en los charcos que se forman tras la lluvia y luego se evaporan cuando sale el sol; también en la formación de nubes a partir de la evaporación de las aguas de ríos y océanos. Ejemplos de evaporación Algunos ejemplos de este proceso de transformación de estado líquido a gaseoso: - El secado de la ropa mojada puesta al sol. - El secado natural del cabello húmedo luego de un baño o de mojarse con la lluvia. - La desaparición paulatina del sudor de nuestros cuerpos, luego de trabajar o ejercitarnos. - La formación de nubes sobre las aguas de ríos y océanos. - El secado gradual del suelo luego de haber sido mopeado y fregado con agua. - La obtención de sal marina a partir de la evaporación del agua de mar en una salina.

- La reducción y desaparición de los charcos que se forman con la lluvia, una vez que esta termina y sale el sol. - Evaporación y ciclo del agua Evaporación como método de separación En la ciencia química la evaporación se ha incorporado como un método básico y muy eficiente para separar una solución o mezcla en la que se encuentran un soluto y un solvente. El proceso se realiza calentando la solución hasta que el solvente se evapora y deja un residuo sólido. De manera natural, esto se produce con la sal marina cuando el sol separa el agua de los cristales de sal a la orilla del mar. APLICACIONES DE LA EVAPORACIÓN EN LA INGENIERIA DE ALIMENTOS: -La remoción de agua de los alimentos para proveer estabilidad microbiológica y reducir los costos de almacenamiento y transporte. -Obtención de vitamina E. -Recuperación de aditivos en aceites minerales.

Transferencia de masa: Es el fenómeno de transferir gases, líquidos, solidos en una dirección de gradiente direccional a través de un medio como sistema determinado. La transferencia de masa ocurre en toda reacción química, ya sea dentro de un reactor industrial, un fermentador o un reactor de laboratorio. Los principales campos de interés de la transferencia de masa son la difusión molecular y el transporte de masa por convección. - Transferencia de masa molecular: Cuando la masa puede transferirse por medio del movimiento molecular fortuito en los fluidos (movimiento individual de las moléculas), debido a una diferencia de concentraciones. La difusión molecular puede ocurrir en sistemas de fluidos estancados o en fluidos que se están moviendo.

- Transferencia de masa convectiva: sucede cuando la masa puede transferirse debido al movimiento global del fluido. Puede ocurrir que el movimiento se efectúe en régimen laminar o turbulento.

APLICACIONES DE LA TRANSFERENCIA DE MASA EN LA INGENIERIA DE ALIMENTOS: -

En el proceso tecnológico de enlatados de alimentos. En los procesos tecnológicos de lácteos y derivados. En los procesos tecnológicos de tecnología azucarera. La destilación para separar alcohol de agua

Absorción de gases: La absorción de gases es una operación de transferencia de materia donde un vapor soluble se absorbe desde su mezcla con un gas inerte, por medio de un líquido en el que el gas soluble es más o menos soluble. El lavado de amoniaco se realiza a partir de una mezcla de amoniaco y aire, por medio de agua líquida, es uno de los ejemplos más típicos. El soluto se recupera después del líquido por destilación y el líqu...