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Introducción a la ingeniería de los alimentos R. Paul Singh Dennis R. Heldman @ ACADEMIC PRESS Editorial ACRIBIA, S.A. \J S jg g Introducción a la ingeniería de los alimentos Nota Como ayuda al lector, el libro incluye referencias a la página Web del autor (Profesor Singh) www.rpaulsingh.com. El sit...

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Introducción a la ingeniería de los alimentos

R. Paul Singh Dennis R. Heldman

@

ACADEMIC PRESS

Editorial ACRIBIA, S.A.

\J S jg g

Introducción a la ingeniería de los alimentos

Nota Como ayuda al lector, el libro incluye referencias a la página Web del autor (Profesor Singh) www.rpaulsingh.com. El sitio Web contiene información que complementa al libro. Por ejemplo, el icono © en el libro remite a una figura animada que se puede ver en el sitio Web. La adquisición del libro no autoriza el acceso o uso del sitio Web. que es controlado por el autor. Academic Press no tiene relación con el sitio Web ni como editor u otro, salvo el haber incluido las referencias en el libro. El Profesor Singh mantiene el copyright del material contenido en su página Web. Aunque creemos que la página Web del autor contiene información útil, es solamente el autor el responsable del contenido y funcionamiento de la página Web. Academic Press declina toda responsabilidad acerca de la página Web y su funcionamiento, incluyendo, sin limitaciones, la actualización y veracidad del contenido y su acceso o ejecución. Cualquier sugerencia, soporte técnico y otras preguntas, comentarios o discrepancias relacionados con el sitio Web deben ser dirigidos al Profesor R. Paul Singh, Department o f Biological and Agricultural Engineering, University o f California, Davis, CA 95616, USA. Email: [email protected].

Introducción a la ingeniería de los alimentos Segunda edición

R. Paul Singh Department of Biological and Agricultural Engineering and Department of Food Science and Technology University of California Davis, California

Dennis R. Heldman Department of Food Science Rutgers, The State University of New Jersey New Brunswick, New Jersey

Traducción de: Jesús Ceamanos Lavilla

Departamento de Ingeniería Química y Tecnología del Medio Ambiente Centro Politécnico Superior, Zaragoza

Editorial ACRIBIA, S.A. ZARAGOZA (España)

Título original: Introduction to Food E ngineering, 3“ ed. Autores: R. Paul Singh y D ennis R. H eldm an Editorial: A cadem ic Press O rlando, Florida 32887 U SA

Copyright © 2001 by Elsevier Science (USA). Translation Copyright © 2009 by Editorial Acribia, S.A. All rights reserved. Copyright © 2001 by Elsevier Science (USA). Copyright de la traducción © 2009 de Editorial Acribia, S.A. Todos los derechos reservados.

www.editorialacribia.com ISBN: 978-84-200-1124-0

IMPRESO EN ESPAÑA

Depósito legal: Z -1.316/2009

PRINTED II SPAIN

Editorial ACRIBIA, S.A.- Royo, 23 - 50006 Zaragoza (España)

Imprime: Línea 2015 - Polígono de Malpica, calle E, parcela 29-31, nave 18-19-50016 Zaragoza, 2009

Acerca de los autores

R. Paul Singh y D cnnis R. H eldm an se han reunido de nuevo para crear la tercera edición de

Introducción a la ingeniería de los alimentos-, un libro que ha tenido un éxito continuado desde que

se publicó por vez prim era en 1984. Los Drs. Singh y H eldm an tienen m uchos años de experiencia en la docencia de la ingeniería de los alim entos a estudiantes de distintos niveles. Esta experiencia, junto con el trabajo del Dr. H eldm an en la industria alim entaria, se m uestran claram ente en este libro. El criterio de los autores en la cuidada selección de los tem as, ju n to con la form a en la que se presenta el m aterial, harán que estudiantes y profesores aprovechen plenam ente esta riqueza de conocim ientos. Singh es profesor de ingeniería de los alim entos en la U niversidad de California en Davis desde 1975, donde ha im partido regularm ente asignaturas relativas a distintos aspectos de la ingeniería de los alim entos tanto a nivel de segundo com o de tercer ciclo. En 1986 fue galardonado con el Prem io de Joven E ducador de la Sociedad A m ericana de Ingenieros A grónom os (A m erican Society o f Agricultural Engineers, A SAE). En 1997 recibió el Prem io D istinguido en Ingeniería de los A lim entos de la A sociación de Sum inistradores de Industrias Lácteas y A lim entarias (D airy and Food Industry Suppliers A ssociation) y A SA E, donde se le reconoció com o «científico y educador de categoría internacional con una categoría educativa sobresaliente y un servicio internacional en la ingeniería de los alim entos». En 1988 recibió el Prem io Internacional del Instituto de Tecnólogos de A lim entos (Institute o f Food Technologists, IFT), reservado para un m iem bro del Instituto «que ha realizado im portantísim os esfuerzos en la prom oción del intercam bio de ideas a nivel internacional en el cam po de la tecnología de alim entos». El IFT le otorgó el Prem io Sam uel C ate Prescott de Investigación en 1982. En el año 2000 el Dr. Singh fue elegido m iem bro tanto del IFT com o de ASAE. Tam bién ha ayudado a establecer program as de ingeniería de los alim entos en Portugal, Indonesia, Argentina e India y ha im partido clases de form a extensa en 36 países. Singh es autor o coautor de 13 libros y ha publicado m ás de 200 artículos científicos. Su program a de investigación en la U niversidad de California en D avis se dirige a la m edida de propiedades de alim entos y al estudio de la transm isión de calor y transferencia de m asa en alim entos mediante el uso de sim ulaciones m atem áticas. En la actualidad, el Dr. Heldm an es catedrático de ingeniería de procesos alim entarios en Rutgers, la U niversidad Estatal de N ew Jersey, donde durante los dos últim os años ha im partido asignaturas de segundo y tercer ciclo de ingeniería de los alim entos. Sus líneas de investigación se centran en el uso de m odelos para predecir propiedades term ofísicas de alim entos y en el desarrollo de m odelos de sim ulación de procesos usados en las operaciones de procesado de alim entos. A ntes de 1998 fue catedrático de ingeniería de procesos alim entarios en la U niversidad de M issouri, donde lideró el Program a de A lim entos, N utrientes y Productos D erivados perteneciente al Program a del Siglo Veintiuno, la Unidad de C iencia de la A lim entación e Ingeniería y el Program a de Logros de Valor V

Añadido para la A gricultura. En la U niversidad de M issouri, H eldm an enseñó durante seis años la asignatura de ingeniería de alim entos para estudiantes de ciencia de los alim entos. Durante el periodo desde 1984 hasta 1992, Heldm an ocupó puestos en la adm inistración de Cam pbell Soup Company, la A sociación N acional de Procesadores de A lim entos y W einberg Consulting G roup, Inc. A ntes de 1984, Heldm an se dedicó a la docencia y a la investigación en la U niversidad de M ichigan durante casi 20 años. Se le ha reconocido por sus contribuciones, com o el Prem io de Ingeniería de A lim entos D FISA -A SA E en 1981, el Prem io de A lum no D istinguido de la U niversidad de O hio en 1978, y el Premio de Jóvenes Investigadores de ASAE en 1974. Adem ás Heldman es m iem bro del Instituto de Tecnólogos de los A lim entos en 1981 y de la Sociedad A m ericana de Ingenieros Agrónom os en 1984.

VI

Prefacio

La industria alim entaria es enorm e; la segunda en ingresos brutos después de la industria de la información. Esta industria se m ueve a gran velocidad para hacer frente al aum ento de la población mundial, en la actualidad superior a los seis mil millones de personas. Los avances en todos los cam pos de la agricultura están proporcionando tecnologías que dan lugar a rendim ientos en la producción de alim entos no vistos hasta el momento. Las necesidades por parte de la población no se refieren solamente a alim entos seguros, sino también a alim entos de alta calidad, com odidad, que proporcionen salud y bienestar. Esto hace que los científicos de alim entos se enfrenten a un sinfín de retos para conseguir lo que se demanda. Para obtener los productos finales a partir de las materias prim as se llevan a cabo muchas operaciones de proceso que requieren esfuerzos de ingeniería importantes para adecuar las dem andas de calidad, seguridad, com odidad, funcionalidad y durabilidad. La ingeniería de los alim entos im plica todas las disciplinas clásicas de la ingeniería, com o termodinám ica, flujo de fluidos, transmisión de calor y transferencia de masa, pero incorpora adem ás quím ica física, procesos biológicos y ciencia de materiales. Entender la ingeniería que subyace tras los procesos alim entarios tiene una importancia crítica para el crecim iento de la industria, y la educación de la ciencia de los alim entos requiere basarse en las distintas áreas relacionadas. Los bioquím icos, m icrobiólogos, especialistas en nutrición, quím icos especializados en sabores, en propiedades organolépticas y toxicólogos se aprovechan de la base de conocim ientos que suponen los principios de la ingeniería en los procesos alim entarios actuales. En esta tercera edición, los Doctores Singh y Heldman m antienen su em peño en proporcionar una descripción de la aplicación de los distintos principios, seguido de relaciones cuantitativas que definen el proceso. Se trata de una técnica probada que perm ite enseñar de forma excelente los principios de la ingeniería. En esta tercera edición los autores también han aprovechado las ventajas de la era de la información, y proporcionan, en la página web del Dr. Singh, ejem plos anim ados que corresponden con las figuras que se muestran en el texto. Desde la publicación de la prim era edición, el libro de texto de Singh y Heldman Introducción a la ingeniería de los alimentos ha sido el referente para la educación y la industria. Esta tercera edición no solo continúa esa tradición, sino que adem ás se convierte posiblem ente en un estándar en cuanto a su presentación en otras áreas. A gradezco a los autores que me hayan invitado a escribir este Prefacio y así convertirm e en una pequeña parte de este icono académ ico. También deseo agradecer profundam ente a los autores su desinteresado esfuerzo a lo largo de sus carreras y de este libro en ayudar a sentar los estándares y a prom over la excelencia en el cam po de la ingeniería de los alimentos. Profesor Ken Swartzel Profesor de W illiam Neal Reynolds y Jefe del Departam ento de Ciencia de los Alimentos de la Universidad de Carolina del Norte Vil

Prólogo

En la carrera de Ciencia de los A lim entos, los tem as de ingeniería de los alim entos se presentan en una asignatura de hasta un año de duración. El reto de enseñar estos tem as recae en introducir los con ceptos y principios de la ingeniería, ju n to con sus ap licacion es, a estud ian tes con unos conocim ientos lim itados de ingeniería. N uestro objetivo es dar a los estudiantes una base suficiente y una experiencia en conceptos de ingeniería que les perm itan com unicarse adecuadam ente con los profesionales de la ingeniería. Este libro ha sido desarrollado específicam ente para las asignaturas de ingeniería de los alim entos en los estudios de segundo ciclo de ciencia de los alim entos. Se han seleccionado los tem as más relevantes y relativos a aplicaciones de m anipulación, procesado, em paquetado y distribución de distintos tipos de alim entos. Estos tem as son ideales para introducir a los estudiantes en aplicaciones m ás específicas en los últim os cursos de sus estudios. Se utiliza la resolución de problem as para introducir los principios, aum entando la confianza del estudiante en la evaluación y la com unicación de la inform ación de form a cuantitativa. Los tem as tratados en este libro van desde los principios básicos de ingeniería, basados en la física fundam ental, hasta aplicaciones del procesado de alim entos. Los prim eros cuatro capítulos introducen los conceptos de balance de m asa, balance de energía, term odinám ica, flujo de fluidos, conversión de energía y transm isión de calor. Se dedican a continuación varios capítulos a aplicaciones de conservación de alim entos, refrigeración, congelación y concentración m ediante evaporación térm ica. Los conceptos básicos de psicrom etría y transferencia de m asa se presentan en dos capítulos adicionales, seguidos de sendos capítulos dedicados a la separación m ediante m em branas y a la deshidratación. M uchas de las características de las dos prim eras ediciones se repiten en esta tercera. Todos los capítulos del libro incluyen inform ación descriptiva que ayudan a los alum nos a visualizar la aplicación de conceptos y principios. Se hace hincapié en el uso de ecuaciones para resolver problem a prácticos, a la vez que se abrevia en el desarrollo m atem ático de las expresiones clave. Cada capítulo contiene num erosos ejem plos para ilustrar los distintos pasos que se requieren en la resolución de los problem as tipicos. Para la resolución de bastantes ejem plos se ha utilizado la hoja de cálculo. Al final de cada capítulo se proporciona una lista de problem as para dar a los estudiantes la oportunidad de practicar en la resolución de los m ism os. Com o en la versión anterior, se han señalado los problem as que presentan m ayor dificultad. La tercera edición tiene bastantes características nuevas. La m ás visible es el cam bio en el form ato de presentación. Esperam os que estos cam bios de form ato ayuden a los estudiantes a entender los conceptos más com plejos que se presentan. En bastantes capítulos los conceptos se presentan con m ayor detalle. A dem ás, se han introducido varios problem as de diseño más abiertos que requieren que los estudiantes usen conceptos de distintas fuentes para obtener la solución. IX

Este libro está principalm ente dirigido al profesorado de asignaturas de ingeniería de los alim entos en los estudios de ciencia de los alim entos. Esta edición está basada en la experiencia docente de los autores acum ulada durante casi 60 años. Se debería anim ar a los estudiantes a que usen este libro com o una guía de estudio para cada uno de los tem as presentados. A lgunos estudiantes podrán resolver los problem as que se incluyen al final de cada capítulo estudiando por su cuenta los conceptos y expresiones correspondientes. M uchos estudiantes necesitarán la asistencia del profesor para asim ilar los conocim ientos y los principios para así poder resolver los problem as del final del capítulo. Se ha organizado la inform ación de form a que el profesorado pueda elegir de form a flexible los distintos tem as para el program a de su asignatura. Los tem as del libro pueden organizarse de distintas form as para crear los program as de dos asignaturas sucesivas. El contenido de los C apítulos 1 al 4 debe incluirse en la prim era asignatura. Estos tem as proporcionan la base para la inform ación que se incluye en aquellos capítulos con aplicaciones, com o los C apítulos 5 al 8. O tra posibilidad es que la asignatura inicial se centre en los tem as fundam entales, incluyendo la inform ación que se presenta en los C apítulos 9 y 10. Los C apítulos 5, 6, 7, 8, 11 y 12 se dedican a procesos específicos y proporcionan una excelente base para una asignatura basada en procesos y a m odo de recopilación. Los autores agradecen a las m uchas personas que han contribuido a la evolución de este libro durante 20 años. Estos colaboradores han sido colegas que han usado las ediciones previas del libro y han dado una valiosa opinión en el contenido y en el form ato. A lgunos de los m ás im portantes colaboradores han sido estudiantes que han hecho recom endaciones para m ejorar el libro en su uso com o libro de texto. También querem os agradecer especialm ente a Ms. Barbara M eierhenry la revisión de los borradores. R. Paul Singh Dennis R. Heldman

X

índice de contenido

Acerca de los autores

v

Prefacio

vii

Prólogo

ix

Capítulo 1

Introducción

1

1.1 1.2

1 2 2 3 3 8 9 10 10 11 12 14 16 17

1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 1.10 1.11 1.12 1.13 1.14 1.15 1.16 1.17 1.18 1.19

Dimensiones Unidades ingeníenles 1.2.1 Unidades fundamentales 1.2.2 Unidades derivadas 1.2.3 Unidades adicionales Sistema Estado de un sistema 1.4.1 Propiedades extensivas 1.4.2 Propiedades intensivas Densidad Concentración Humedad Temperatura Presión Entalpia 19 Ecuación de estado y ley de los gases perfectos Diagrama de fases del agua Conservación de la materia 1.13.1 Conservación de la masa en un sistema abierto 1.13.2 Conservación de la masa en un sistema cerrado Conservación de la materia Termodinámica Leyes termodinámicas Energía Balance de energía Balance de energía para un sistema cerrado 1.19.1 Calor 1.19.2 Trabajo

20 21 22 23 24 25 32 33 34 35 36 36 36 XI

Balance de energía para un sistema abierto 1.20.1 Balance de energía para sistemas de flujoestacionario 1.21 Un balance de energía total 1.22 Potencia 1.23 Área 1.24 Características de respuesta dinámica de sensores Problemas Nomenclatura Bibliografía

43 44 44 47 47 48 51 52 53

Capítulo 2 F lu jo de flu id o s en el p ro ce sad o d e alim en to s

55

1.20

2.1 2.2 2.3

2.4 2.5

2.6

2.7

2.8

XII

Sistemas de transporte de líquidos 2.1.1 Sistemas de conducciones en las plantas de procesado 2.1.2 Tipos de bombas Propiedades de los líquidos 2.2.1 Importancia de la tensión en el flujo de fluido 2.2.2 Densidad 2.2.3 Viscosidad Circulación de líquidos Newtonianos 2.3.1 La ecuación de continuidad 2.3.2 Número de Reynolds 2.3.3 Región de entrada y flujo completamente desarrollado 2.3.4 Perfil de velocidad en un líquido en condiciones deflujo completamente desarrollado 2.3.5 Fuerzas debidas a la fricción Balance de fuerzas en un elemento de fluido en una conducción: Obtención de la ecuación de Bernoulli Ecuación de la energía para flujo estacionario de fluidos 2.5.1 Energía de presión 2.5.2 Energía cinética 2.5.3 Energía potencial 2.5.4 Pérdidas de energía por fricción 2.5.5 Necesidades de potencia de bombeo Selección de bombas y evaluación de su rendimiento 2.6.1 Bombas centrífugas 2.6.2 Carga 2.6.3 Características de funcionamiento de bombas 2.6.4 Curva característica de una bomba 2.6.5 Carga neta positiva de aspiración 2.6.6 Selección de una bomba para un sistema de transporte de líquido 2.6.7 Leyes de afinidad Medida de fluj o 2.7.1 Tubo de Pitot 2.7.2 Orificio medidor 2.7.3 Venturímetro 2.7.4 Medidores de sección variable ' 2.7.5 Otros métodos de medida Medida de la viscosidad 2.8.1 Viscosímetro de tubo capilar 2.8.2 Viscosímetro rotatorio 2.8.3 Influencia de la temperatura en laviscosidad

56 56 57 60 60 61 61 68 68 70 74 75 80 84 90 93 94 94 94 96 101 101 102 102 106 106 109 114 115 118 120 123 123 124 125 125 127 129

2.9

Circulación de líquidos no-Newtonianos 2.9.1 Propiedades de los líquidos no-Newtonianos 2.9.2 Perfil de velocidad de un líquido de ley potencial 2.9.3 Caudal de un líquido de ley potencial 2.9.4 Velocidad media en un líquido de ley potencial 2.9.5 Factor de fricción y número de Reynolds generalizado para líquidos de ley potencial 2.9.6 Cálculo de las necesidades de bombeo de líquidosno-Newtonianos Problemas Nomenclatura Bibliografía Capítulo 3

131 131 131 136 137 137 137 140 142 144 146

Energía en el procesado de alimentos

147

3.1

147 148 150 153 156 163 163 164 166 167 167 169 170 171 172 173 174 175 176

Generación de vapor 3.1.1 Sistemas de generación de vapor 3.1.2 Termodinámica de los cambios de fase 3.1.3 Tablas de vapor 3.1.4 Utilización del vapor 3.2 Utilización de combustibles 3.2.1 Sistemas 3.2.2 Análisis de los balances de materia y energía 3.2.3 Eficacia de los quemadores 3.3 Utilización de la energía eléctrica 3.3.1 Terminología y unidades eléctricas 3.3.2 Ley de Ohm 3.3.3 Circuitos eléctricos 3.3.4 Motores eléctricos 3.3.5 Controles eléctricos 3.3.6 Iluminación Problemas Nomenclatura Bibliografía Capítulo 4

Transmisión de calor en el procesado de alimentos 4.1

4.2 4.3

Sistemas para el calentamiento y enfriamiento de productos alimentarios 4.1.1 Cambiadores de calor de ...