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Práctica de Laboratorio...

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Laboratorio Integral Elaboración de leche condensada Práctica : Elaboración de leche condensada Objetivo: Realizar la operación de la leche para elaborar leche condensada y azucarada, y aplicar las ecuaciones de balance de materia y energía para calcular algunas de las variables importantes de esta operación. Marco Teórico: La leche condensada se obtiene eliminando parte del agua que contiene la leche de partida y añadiendo azúcar. También se somete a un tratamiento térmico, con el fin de garantizar la estabilidad del alimento a temperatura ambiente, mientras el envase esté cerrado. Gail Borden, Jr. inventó la leche condensada en 1852, porque la leche normal no se almacenaba bien sin refrigeración. En el siglo XIX eran frecuentes las intoxicaciones alimentarias provocadas por el consumo de leche debido a la contaminación de la leche por bacterias durante el proceso de ordeña de las vacas y la precariedad de los procesos de conservación. Encontró la inspiración en una cápsula de evaporación que había visto utilizar a los Shakers para condensar zumo, y era capaz de reducir la leche sin quemarla ni cuajarla. Sus primeras dos fábricas no tuvieron éxito y sólo la tercera, en Wassaic (Nueva York), produjo un derivado de la leche duradero que no necesitaba refrigeración. Borden obtuvo una patente de fabricación en 1856 y fundó la New York Condensed Milk Company en 1857. El gobierno federal de los Estados Unidos le pidió cantidades enormes como ración de campo durante la guerra y los soldados que volvían a casa actuaban como publicidad de boca a boca. La leche condensada se conoció en Europa en 1866, gracias a las instalaciones de Cham en Suiza. En los inicios de la comercialización de la leche condensada en España, ésta sufrió cierto rechazo entre las clases altas de la época, mientras que las clases obreras la encontraron altamente nutritiva. Una de las primeras, y de las escasas, referencias que constan en la literatura española, fue hecha en El árbol de la ciencia, obra en la que Pío Baroja elogia las facultades alimenticias de dicho producto, así, en varios pasajes de la obra uno de los doctores que la protagonizaban la recetaba como remedio para el raquitismo infantil. La extracción del agua se realiza mediante una presión reducida, negativa o de vacío (aproximadamente 0,5 atmósferas) hasta obtener un líquido espeso, de una densidad aproximada de 1,3 g/mL. Esta sustracción de agua es conocida con los nombres de espesamiento, concentración y condensación. Después se le añade azúcar, en una proporción que va desde el 30 % (si la materia prima es leche entera) hasta el 50 % (si es

leche descremada). También se somete a un tratamiento térmico, con el fin de garantizar la estabilidad del alimento a temperatura ambiente, mientras el envase esté cerrado. Debido a que la leche condensada tiene azúcar no se somete a esterilización posterior, a diferencia de la evaporada que no lo tiene. La alta concentración de azúcar debe impedir por sí sola el desarrollo de los gérmenes que queden en la leche después del precalentamiento. Equipo -

Evaporador de película ascendente. Bamba de vacío Caldera. Cisterna y bomba de circulación de agua potable. Báscula. Recipiente de 10 a 20 litros de capacidad Pala o barra mezcladora Vaso de precipitados de 500 a 1000 ml. Vaso de precipitados de 250 ml. Termómetro simple de mercurio de 0-100°C.

Sustancias -

Leche bronca de vaca (8 litros) Azúcar morena comercial (3 kg) Lactosa en polvo grado comercial (40 g) Bolsa de hielo en cubos. Hidróxido de Sodio en escamas comercial (1 kg) Detergente en polvo o líquido (1 kg) Agua potable

Procedimiento. 1. El evaporador debe lavarse apropiadamente haciéndolo primero con una solución acuosa de hidróxido de sodio al 10% en peso, preparando unos 10 kg de ella en una tina o recipiente de plástico, luego con una solución de agua y detergente, por último con agua limpia. Estas soluciones se alimentan al equipo haciendo vacío en él por medio de la bomba de vacío de tal evaporador. 2. Se prepara la solución a evaporar disolviendo en 8 litro de leche bronca de vaca la cantidad de azúcar recomendada, la cual debe representar entre el 40 y el 45% en peso del producto final a obtener, y el resto los constituirá la leche concentrada. Enseguida se pesa la solución y se mide la temperatura, registrando los valores. 3. La solución se carga al evaporador, tal como se hizo con las anteriores, para concentrarla por medio de eliminación de agua n un volumen que debe ser entre 4/7 y 7/11 del volumen inicial de la leche bronca. 4. Manteniendo en funcionamiento la bomba de vacío, abriendo un poco la válvula de alimentación del evaporador, y abriendo totalmente la válvula de recirculación, se

debe mantener en circulación continua la solución. La válvula que controla el vacío en el equipo se abre por completo pero debe vigilarse que la solución no se pase al espacio de los condensadores. 5. El suministro de vapor calefactor se hace pausadamente, abriendo primero la válvula de gases incondesables y luego la entrada del vapor. Cuando éste se haya expulsado del aire contenido dentro del elemento calefactor, se cierra aquella válvula y se regula ésta última para mantener una presión manométrica de 1 kgf/cm2. 6. Cuando se observe que estén llegando vapores a los condensadores, se alimenta el agua refrigerante a ellos en la cantidad suficiente para lograr que la temperatura de salida sea aproximadamente 40°C. 7. Cuando se observe que la operación esté plenamente desarrollada y que las variables de operación se mantengan constantes, deben registrarse la presión del vapor, la presión dentro del evaporador, la presión atmosférica y las temperaturas de entrada y salida del agua refrigerante en los condensadores. 8. Alcanzando el valor del volumen de agua que debe eliminarse, el proceso de concentración ha terminado. Primero se suspende el suministro de vapor, luego se cierra la válvula de vacío, enseguida se para la bomba de vacío, y se descarga la solución concentrada, el agua evaporada. Estas dos sustancias se pesan y se anota su valor para emplearlos en los cálculos a realizar. 9. La solución concentrada debe enfriarse muy rápido a 29°C empleando un baño con agua y hielo, para proporcionar la cristalización de la lactosa presente en la leche, Y para ayudar a tal proceso, se recomienda agregar una suspensión formada por 50 ml de agua y lactosa en polvo. 10. La cantidad que debe utilizarse de esta sustancia es de 500 gramos por cada 100 kg de producto final (leche condensada azucarada). 11. Luego se debe aplicar agitación lenta en la leche durante 1 hora, manteniendo una temperatura entre 29°C y 32°C, para terminar de realizar la cristalización de la lactosa, y finalmente realizar un enfriamiento rápido hasta 18 o 21°C para obtener la mejor consistencia del producto. 12. Para terminar la práctica es necesario lavar y enjuagar el evaporador, primero con agua caliente, luego con la solución de hidróxido de sodio empleada al inicio, por último con agua caliente.

Diagrama:

W = 314.6105 kg Tw2 = 30°C hw2 = 125.79 KJ/kg V = 3.442 kg λv = 2,293.29 KJ/kg CONDENSADOR F = 10 Kg Xf = 0.2 Tf = 12 °C W = 314.6105 kg Tw1 = 24° C hw1 = 100.7 KJ/kg

Evaporador Psat = 0.58 bar Tsat = 85.018 °C S = 4.78 kg Ps = 1.8672 bar Ts = 117.86.27 °C λs =2208.44 KJ/kg

S = 4.78 kg

L = 6.558 kg

V = 3.442 kg

Datos obtenidos: F = 10 kg Xf = 0.2 L = 6.558 kg V = 3.442 kg Presión manométrica de vacío = 23 cm Hg = 0.3066 bar Presión atmosférica = 665 mm Hg = 0.8865 bar Presión de vapor calefactor = 1 Kgf/cm2 = 0.9806 bar Tf = 12 °C T w1 = 24°C T w2 = 30 °C Cp del agua = 1,925 cal/kg°C

Cálculos: Balance de materia F=leche + azucar XL=

F=8 kg +2 kg =10 kg

X F=

2 =0.2 10

F X F =L X L

(10 kg )( 0.2) ∴ XL=0.305 (6.558 kg)

Después de obtener las concentraciones se determina lo siguiente: EPEL =1.05 ° C CpV =1.925

kJ kg °

X F=0.20; Cp F =0.88

kJ kcal =3.682 kg kg °

Presiones, temperaturas y entalpias Presión absoluta= Presión manométrica + Presión atmosférica

¿¯ 0.9869 atm ¿ ¿ 230 mmHg Presión mano . de vacío= 1

atm |7601mmHg |¿

¯¿ 0.9869 atm ¿ ¿ 665 mmHg Presión atmosférica= 1

¿ |7601atm mmHg|

¯ ¯¿ 0.58 ¯¿ Presión de saturación=− 0.3066 +0.8866 ¯ Tsat =85.018° C ∴ λv =2293.29 Psat=0.5800 ∴ Presión vapor calefactor : Ps=1

Kcal KJ =547.7167 Kg Kg

Kgf =98066 Pa=98.066 KPa=0.9806 ¿¯ cm2

¯ Ps= Pman + Pabs =0.9806 +0.8866 ¿¯ 1.8672 ¯¿ ¯ =117.8627 ° C ∴ λs=2208.44 Ps=1.8672 ∴Ts

Kcal KJ =527.4516 kg Kg

T =T dis + EPE =85.01 ° C +1.05 °C =86.06 ° C

Vapor calefactor S=

V ( λV +CpV ∗ EPE ) −FCp F ( T F −T ) λS

(

3.442 kg 2,293.29 ¿

)

S=4.78 kg Economía Econom í a=

V 3.442 kg =0.7203 x 100=72.03 % = S 4.78 kg

Cálculo condensador Balance de energía :W =

V λv hw 2−h w 1

De tablas se obtiene: λ v =2,293.29

(

)

KJ kJ kJ + 1.925 ∗1.05 ° C −(10 kg ) 3.682 (14−86.06 °C ) kg kg Kg° KJ 2,208.44 Kg

KJ Kcal =547.7167 Kg kg

hw 1=100.7

KJ Kcal =24.0506 Kg kg

hw 2=125.79

Kcal KJ =30.0429 Kg Kg

Kcal ) kg =314.6105 Kg W= Kcal Kcal −24.0506 30.0429 kg Kg (3.442 Kg)(547.7167

Coeficiente global de transferencia de calor U=

S λs As Δ T

Kcal ) kg Kcal KJ =364.6135 2 =1526.6367 2 U= 2 (0.2258 m )(117.86 ° C−86.06 ° C) m °C m °C (4.78 Kg)(547.7167

Conclusiones y Observaciones. -

-

Al inicio de la práctica cuando se alimentó la leche al evaporador parte de la leche se fue al intercambiador, aproximadamente ¼ de litro. Se observó que debe haber una entrada de aire para que la solución se mueva. Al proporcionar más vapor calefactor la temperatura aumentaba lo que ocasionó la formación de espuma la cual estorbaba en el proceso. Fue muy difícil eliminar la espuma por lo que se tuvo que sacar la leche, enfriarla en baño maría para bajar lo más posible la espuma y proceder a introducir la leche de nuevo al evaporador Se concluye con que este tipo de proceso se tiene que elaborar con las condiciones óptimas ya que un cambio en presión o temperatura afecta todo la operación obteniendo un resultado insatisfactorio. Bibliografía

McCabe. (1941). Evaporadores. En Operaciones Unitarias en Ingeniería Química(482). Madrid: McGraw-Hill....