INTRODUCCION A INGENIERÍA DE ALIMENTOS

1. INTRODUCCION 

2. PROCESO

3. DIAGRAMAS DE FLUJO

4. OPERACIONES BASICAS

5. REGIMEN ESTACIONARIO Y REGIMEN TRANSITORIO

6. OPERACION INTERMITENTE Y EN CONTINUO

6.1. Elección del tipo de proceso

7. INGENIERIA DE LOS PROCESOS AGROINDUSTRIALES

La industria alimentaria del presente tiene sus orígenes en la prehistoria.

Fue en este período en el que el hombre comenzó a conservar los alimentos para evitar el hambre o mejorar su calidad.

Secó el grano para mejorar su conservación y asó la carne para mejorar su sabor.

Posteriormente desarrolló máquinas para el tratamiento de los alimentos que permitieron reducir el tiempo y el esfuerzo requeridos por los métodos manuales.

1. INTRODUCCION

En la actualidad, como en el pasado, el objeto de la industria alimentaria es:

a.- Prolongar el período en que el alimento permanece comestible (vida útil) mediante técnicas de conservación que inhiben el crecimiento microbiano y los cambios bioquímicos, lo cual permite aumentar el tiempo para su almacenamiento y distribución.

b.- Aumentar la variedad de dieta ampliando el rango de sabores, colores, aromas y textura (calidad organoléptica o sensorial).

c.- Proporcionar los nutrientes necesarios para la conservación de la salud.

d.- Generar beneficios.

Proceso es toda actividad industrial encaminada a modificar las propiedades o características de un material (materia prima), a fin de obtener un producto que cumpla con estos objetivos.

2. PROCESO

Los procesos industriales se suelen esquematizar mediante diagramas de flujo.

El más sencillo de ellos es el diagrama de rectángulos o de bloques, que es una representación esquemática de un proceso industrial.

Café tostado

Residuo solido

MOLIENDA EXTRACCION

Agua caliente

PRECALENTAMIENTO

Extracto de café (solución diluida)

EVAPORACION EnergíaSolución concentrada

Vapor de agua

SECADOCafé soluble

Agua

3. DIAGRAMAS DE FLUJO

LAVADO

RASPADO

Zumo concentrado y congelado

Naranjas

Serrín PRENSADO

Aceites esenciales

PulpaEXTRACCION Cortezas

Zumo bruto

SEDIMENTACION Y TAMIZADO

Pulpa

Zumo tamizado

EVAPORACION

Zumo concentrado

SEPARACION DE AROMAS

CONGELACION

Aromas

TRITURACIONTRATAMIENTO CON CaO

PRENSADO

SECADO

Suero

MOLIENDA

Harina para pienso

SECADOEXTRACCIONMOLIENDASemillas de soja

FILTRACION

Miscela (disolvente + aceite + sólido suspendido)

EVAPORACION a P= 1atm

EVAPORACION A VACIO

AceiteREFINADO

Aceite refinado

Harina empapada con disolvente

ENFRIADO

Harina de soja

Disolvente

Disolvente

Torta

LIMPIEZA/LAVADO

CALIBRADO

ACONDICIONAMIENTO

SELECCIÓN/REPASO

ESCALDADO

ENFRIADO

RECEPCION

REPASO/CLASIFICACION

ENVASADO/LLENADO

PRECALENTAMIENTO

CERRADO

TRATAMIENTO TERMICO

ENFRIADO

ALMACENAMIENTO

DISTRIBUCION

LÍQUIDO DE GOBIERNOSALMUERA

Sal + Agua + AditivosALMIBAR

Azúcar + Agua + Aditivos

DISOLUCIÓN EN CALIENTEFILTRADO

ENVASES

PRODUCTOS QUIMICOS

ENERGIA

AGUA DE PROCESO

VAPOR DE AGUA

PREALMACENAMIENTO

R

V

R V

R

V

R

V

V VERTIDOS

R RESIDUOS

Se observa que cualquier proceso se compone de una sucesión de etapas de fabricación y que hay una serie de etapas que se repiten en distintos procesos.

Se denominan “Operaciones Básicas” al conjunto de etapas de fabricación que son comunes a gran número de procesos industriales. En total existen 15 o 20 Operaciones Básicas o Unitarias.

4. OPERACIONES BASICAS

PROCESO

OPERACIONES BÁSICAS

MATERIAS PRIMAS

ETAPAS FÍSICAS

ETAPAS QUÍMICAS

ETAPAS BIOQUÍMICAS

ETAPAS FÍSICAS

PRODUCTOS FINALES SUBPRODUCTOS

Etapas físicas Etapas químicas Etapas bioquímicasMoliendaMezcladoSedimentaciónFiltraciónExtracción sól-líqExtracción líq-líqAbsorciónRectificaciónIntercambio calorEvaporaciónCongelación SecadoLiofilización…

Refinado (aceites)Pelado químico (frutas)Precipitación química…

FermentaciónEsterilizaciónPasteurizaciónDigestión enzimática…

Según la naturaleza de la transformación que se lleve a cabo, las Operaciones Básicas pueden ser:

4. OPERACIONES BASICAS

Un sistema se dice que está en régimen estacionario cuando sus propiedades físicas (mecánicas y termodinámicas) permanecen constantes e invariables con el tiempo en cualquier punto del sistema, pudiendo ser distintas de uno a otro punto.

Las propiedades físicas a considerar pueden ser, según su naturaleza:

 

- mecánicas: caudal, velocidad, etc.

 

- termodinámicas: viscosidad, concentración, temperatura...

Cuando las propiedades físicas en un punto del sistema varían con el tiempo se dice que el sistema está en estado no estacionario o en régimen transitorio.

5. REGIMEN ESTACIONARIO Y REGIMEN TRANSITORIO

Vapor de agua

Agua condensada

Tv=110 ºCLeche

T = 30 ºC T = 90 ºCT = 50 ºC T = 70 ºC

TC=110 ºC

En un intercambiador de calor, respecto de la temperatura¿está en régimen estacionario o transitorio?¿y respecto la materia?

T = cte

T = f (x,y,z,t)

Los sistemas de las figuras ¿están en régimen estacionario o transitorio respecto de la temperatura?

T = cte

T = f (t)

H2O

[ ] = f (x,y,z,t)

NaCl + H2O

V = (2gh)1/2

V = f(t)h

Los sistemas de las figuras ¿están en régimen estacionario o transitorio respecto de la concentración?

El sistema de la figura de la izquierda ¿está en régimen estacionario o transitorio respecto de la velocidad?

H2O

[ ] = f (t)

NaCl + H2O

Este sistema:

¿Está en régimen estacionario o transitorio respecto de la concentración?

¿Está en régimen estacionario o transitorio respecto de la masa total?

(xe ≠ x)

H2O

X = f (t)

M =Mo

NaCl + H2O

Xs = X

ms = me

Xe

me

6. OPERACION INTERMITENTE Y EN CONTINUO

Operación Intermitente:

Se efectúa en una serie de etapas sucesivas en el tiempo (siempre en régimen no estacionario).

1.- Carga del material en el equipo.

2.- Preparación del material para su transformación (mezclado, precalentamiento...).

3.- Transformación propiamente dicha.

4.- Descarga del producto obtenido.

5.- Limpieza del equipo.

Operación Continua:

Todas las etapas se realizan simultáneamente (la puesta en marcha y el final en régimen no estacionario, a pleno funcionamiento en régimen estacionario “a régimen”).

REACCION

Calefacción

DESCARGA

Jabón

CARGACARGA GrasaKOH

(C17H33COO)3 C3H5 + 3KOH 3C17H33COOK + C3H5(OH)3

oleato de glicerilo potasa oleato potásico

glicerina(grasa) (jabón)

270 ºC

30 atm

Vapor de agua

Grasa y Catalizador

Glicerina

HIDROLIZADOR

Jabón (líquido)

Acidos grasos KOHMEZCLADOR - NEUTRALIZADOR

Las corrientes de alimentación entran al proceso continuamente y la saponificación tiene lugar en dos etapas: Hidrólisis(1) y Neutralización (2).

 

(1) (C17H33COO)3 C3H5 + 3H2O 3C17H33COOH + C3H5 (OH)3

 

(2) C17H33COOH + KOH C17H33COOK + H2O

Pasteurización 85 ºC

Enfriamiento 50 ºC

Adición de pectinasas 50 ºC (2h)

Enfriamiento 7 ºC

Adición de gelatina + bentonita (24-30 h) y decantación

Zumo claro 20000 l (80%)

Zumo opaco 5000 l (20%)

Filtración diatomeas

Filtración placas y marcos

ZUMO CLARIFICADO

Centrifugación

Lodos 1500 l (30%)

Zumos a destilación 3500 l (70%)

Decantación en tanque intermedio

Calentamiento

Ultrafiltración 55 ºC

Zumo clarificado 24450 l (98%)

Retenido 550 l (2%)

Adición de enzimas

Permeado

Concentrado

ZUMO BRUTO DE PRENSA 25000 LITROS

Los costes totales por metro cúbico (m3) obtenido de zumo de manzana clarificado, median el proceso de ultrafiltración (UF) y filtración clásica con tierra de diatomeas (FD), expresados en dólares del año 1986, son de 2,78 dólares por el método UF, y de 11,62 dólarespor el método FD.

Discontinuo (FD)

Continuo (UF)

6.1. Elección del tipo de procesoEl proceso discontinuo se caracteriza por: 

- Empleo de un relativamente elevado número de operarios.

-Tiempos muertos de producción (periodos en los que no obtenemos transformación).

 Ventajas:

a.- Mayor flexibilidad para la elaboración de diversos tipos de productos a distintas capacidades de producción.

 b.- Menores gastos de inversión en instalaciones.

c.- Mayor sencillez del control del proceso de elaboración.

 

Desventajas:

a.- Mayores costos de mano de obra.

b.- Mayor gasto de agua y energía y menor eficacia en la utilización de ésta y de los materiales.

c.- Utilización de mayor espacio para la elaboración.

d.- Menor uniformidad del producto.

6.1. Elección del tipo de procesoEl proceso continuo se caracteriza por: 

- Empleo de poca mano de obra.

- No existen tiempos muertos de producción.

 Ventajas:

a.- Permiten la automatización (ahorro de mano de obra).

b.- Permiten el aprovechamiento del "calor" o del "frío" mediante el empleo de cambiadores de calor.

c.- Se obtienen productos de composición uniforme.

d.- Se producen mayores cantidades y más baratas.

Desventajas:

a.- Materia prima con una composición uniforme o que varíe poco.

b.- Puesta en marcha costosa

c.- Almacenamiento elevado de materia prima y de producto acabado.

6.1 Elección del tipo de proceso

Se utilizarán métodos de producción en continúo:

a.- Cuando exista la suficiente demanda como para mantener una elevada capacidad de producción durante la mayor parte de la jornada laboral o el año.

b.- Cuando necesitemos un producto de calidad uniforme.

 

Se utilizarán métodos de producción discontinuos:

a.- Cuando las producciones sean limitadas.

b.- Cuando durante el día o la semana se requiere cambiar la formulación del producto.

c.- Cuando en la instalación tengamos que elaborar diferentes productos, debido a la estacionalidad de las materias primas.

Esquema de un pasteurizador con recuperación de calor

Fluido refrigerante

Fluido calefactor

Alimento

ENFRIAMIENTORECUPERACION

DE CALOR

MANTENIMIENTO

CALENTAMIENTO

20 ºC

70 a 90 ºC 90 a 98 ºC

90 a 98 ºC

35 a 45 ºC20 a 25 ºC

15 a 18ºC

7. INGENIERIA DE LOS PROCESOS AGROINDUSTRIALESLa ingeniería de los procesos agrícolas es la ciencia de:

concebir,

calcular,

diseñar,

hacer construir

y funcionar

las instalaciones donde efectuar a escala industrial y del modo más económico posible los procesos de transformación de los productos agrícolas.

 

La ingeniería, por tanto no puede limitarse a una descripción razonada de los procesos y equipos utilizados, sino que debe permitir mejorar los procesos y equipos ya existentes, sustituyéndolos por otros con los que se consiga mejorar la calidad y/o disminuir los costes.

Materias primas

Productos acabados

Ingeniería deProcesos

Los medios que utiliza para poder llevar a cabo estos objetivos son:

1.- Los conocimientos científicos.

2.- El diseño de diagramas de flujo.

3.- Estudio de las propiedades físico-químicas de los alimentos que permitan predecir su comportamiento en los procesos.

4.- Balances de materia y energía.

5.- Estudio de los estados de equilibrio.

6.- Estudio de los fenómenos de transporte.

7.- Establecimiento de condiciones óptimas de funcionamiento.

8.- Diseño de equipos.

9.- Desarrollo de sistemas de control.

Conceptos:

Proceso

Operación Básica o Unitaria

Régimen Estacionario

Régimen Transitorio

Operación o Proceso Intermitente

Operación o Proceso en Continuo

Ingeniería de Procesos