Ingeniería de Alimentos I

Docente: Ing. José Luis Rodríguez NúñezAlumna: Ruth Yamila Asencio Herrera

Propiedades físicas de las sustancias de trabajo que participan en un proceso

industrial alimentario

Es una forma de energía que se transmite de un cuerpo a otro, debido a una diferencia de temperatura.

Si: TA > TB, Y luego ponemos en contacto estos cuerpos.CALOR

- Se transfiere el calor de A hacia B.- En otras palabras, el cuerpo A comienza a enfriarse y el cuerpo B, por el contrario, comienza a calentarse.- De esta forma, pasado un tiempo, hay un equilibrio, es decir, tienen la misma temperatura.

A BQ

TEMPERATURA-Es una magnitud física descriptiva de un sistema en donde hay transferencia de calor.-También se podría decir que es el grado de calor de los cuerpos

El recipiente 1 contiene 250 ml de agua a 50 °C y el recipiente 2 contiene la misma cantidad de agua a 10 °C.

Al mezclar el contenido de ambos recipientes en otro recipiente y medir la temperatura de la mezcla, observamos que al cabo de unos instantes la temperatura es t3 = 30 °C, intermedia entre t1 y t2.

EQ

UIL

IBR

IO T

ÉR

MIC

O

CAPACIDAD CALÓRICALa cantidad de energía necesaria para elevar un grado la temperatura de un kilogramo de una sustancia cualquiera depende de la sustancia en cuestión

- Si no hay cambio de fase - Ni reacción química.

De acuerdo con la definición de caloría, el calor específico del agua líquida es: 1 cal/gª C.Esto significa que se necesita una caloría para elevar en un grado Celsius la temperatura de un gramo de agua.

CALOR SENSIBLEEs el calor que podemos sustraer o entregar a un cuerpo provocando una variación de su temperatura y sin provocar un cambio de estado. se utiliza la siguiente formula:

CALOR LATENTEEs el calor que suministramos a un cuerpo permitiendo un cambio de estado, sin provocar un cambio de su temperatura.

Donde m es la masa, c es el calor específico, Ti es la temperatura inicial y Tf la temperatura final

Q=m· c·(Tf-Ti)

Q=mL, donde "Q" es el calor necesario, "m" es la masa del cuerpo y "L" es el calor latente especifico para cada elemento.

Q=mL

CURVA DE CALENTAMIENTO DE 1Gr. DE AGUA A 1 Atm. DE

PRESION.

Explicación del esquema La zona de (0 -15) Muestra como varia la temperatura

cuando agregamos calor continuamente a una muestra de hielo con una temperatura inicial menor que 0ºC La temperatura aumenta hasta llegar al punto de fusión.

La zona (15 - 95) Al agregar mas calor, la temperatura se mantiene constante hasta que se derrite todo el hielo.

La zona (95 - 195) la temperatura aumenta otra vez hasta llegar al punto al punto de ebullición.

La zona (195-735) donde se mantiene constante hasta que toda el agua ha pasado a la fase de vapor en el punto 735

IMPORTANCIA DE LAS PROPIEDADES FÍSICAS EN

ALIMENTOS Debido a que en la industria de alimentos, existe carencia de datos

tecnológicos, como son los valores de propiedades o características físicas para diferentes frutos y vegetales frescos, valores que son indispensables para diseñar:

A fin de evitar y reducir pérdidas post cosecha, así como facilitar los procesos industriales y mejorar el aprovechamiento y rendimiento de los recursos alimenticios, nace la importancia del estudio de las propiedades físicas en los alimentos.

Sistemas de conservación

Embalaje Transporte Manejo

De acuerdo a su forma, tamaño, peso

y

PUNTO DE EBULLICIÓNEs la temperatura en la que un líquido y su vapor coexisten en equilibrio de fase a una presión determinada

Cuando tenemos un líquido en un recipiente abierto , el aire ejerce sobre la superficie del líquido una presión que tienen que vencer las partículas del líquido para pasar a estado gaseoso. Cuanto mayor sea la presión atmosférica mayor es la temperatura a la cuál se lleva a cabo la ebullición

T º =100º C y P = 1Atm

PUNTO DE FUSIÓNSe define como la temperatura a la cual las fases sólida y líquida de una sustancia pura están en equilibrio a la presión de una atmósfera.

El punto de fusión de un sólido o el punto de congelación de un líquido

CAMBIOS DE ESTADO DEL AGUA

Suministrando o sustrayendo calor a una sustancia o a un cuerpo, modificamos su temperatura y aceleramos o reducimos los movimientos moleculares, siendo la velocidad molecular dependiente de la temperatura.

Calentar

Enfriar

Calentar o reducir presión

Enfriar o comprimir

GAS LÍQUIDOSOLIDO

Cuando recibe o cede energía en forma de calor sufre un cambio de estado.

CAMBIOS DE ESTADO FÍSICO DE LA MATERIA.

- En AB coexisten en equilibrio sólido y gas. La curva AB es la curva de presión de vapor del sólido- En BD coexisten en equilibrio sólido y líquido. - En BC coexisten en equilibrio líquido y gas.

ENERGÍA Y TIPOS DE ENERGÍA La energía es una propiedad asociada

principalmente con su estado. Hay dos tipos de energía:

1.- La energía externa, es la que posee un sistema en virtud de su posición o velocidad,

Energía Potencial.- Está dada por el cambio de energía asociado al movimiento de un objeto desde una posición a una altura h1 hasta otra altura h2. es decir:

  Energía Cinética.- Está dada por el

cambio de energía de un sistema provocado por un cambio en su velocidad desde v1 hasta v2 .

∆Ep = mg h2 - mg h1

∆EK = ½ m (v22 - v1

2)

2.- La energía interna (U) , es la que posee un sistema debido a su estructura atómica o molecular . La energía interna puede ser de origen nuclear, químico, molecular o térmico. El cambio de energía interna se denota como ∆U.

El cambio en el contenido energético de un sistema será:

 

Energía Química.- Es la energía liberada o absorbida durante una reacción química.

∆E = ∆U + ∆EK + ∆Ep La energía química

liberada en la combustión del gas butano permite calentar el agua de una

vivienda.

EJERCICIO DE APLICACIÓN Nº 1

Se requiere calentar 2 00 l/h de pasta de tomate de 20 °C hasta 85 °C, se utiliza vapor saturado a 100 °C, que luego del proceso de calentamiento sale como líquido saturado a la temperatura de 95 °C. ¿ Qué cantidad de vapor se requerirá para el proceso? 

Esquema:

Datos adicionales:Cp tomate: 3.98 Kj/KgºCCp vapor: 1.8723 Kj/KgºC

Planteamiento:

Tomate 200 l/h

Tºf = 85ºC

V.S 100ºC

Tºi = 20ºC

L.S 95ºC

ºmVtomate x cptomate x ΔT tomate =

ºmvapor x cpvapor x ΔT vapor

Vtomate x cptomate x ΔT tomate

cpvapor x ΔT vapormº vapor=

EJERCICIO DE APLICACIÓN Nº 2

Un jugo de frutas contiene 5% de sólidos y se debe concentrar evaporando agua. Como el jugo es sensible al calor, una temperatura muy alta altera el sabor del mismo. Se decide que la temperatura de 40°C sea la máxima a usarse. Se ha observado que la concentración de los sólidos no tiene efecto sobre la temperatura de ebullición. ¿ Qué presión de trabajo debería usarse?. (Dar la respuesta en mmHg absolutas).

Esquema:

Planteamiento:

Calderan=90%

Qtotal=?

Agua= 15ºCMv= 1500 kg/hr

V.S 10 atm

Qtotal= mL x Ce x ΔTL = mv x hfg

Q producido

Q entregadon=

Q producido

nQ entregado= X 100

Datos adicionales:T.Termodinamica:180ºChfg: 2015 kJ/kg

PRESION Es la fuerza ejercida sobre un área. La presión

actúa de diferentes maneras:

Un gas encerrado en un recipiente ejerce una presión debido al golpoteo de sus moléculas contra las paredes del recipiente que lo contiene.

P = F / A

Los gases son fluidos muy compresibles

Gas

Gas

Los líquidos son fluidos poco compresibles

Líquido

Líquido

Presión hidrostática = Peso específico x altura (h)Un sólido ejerce presión sobre la base que lo soporta y esta es igual al peso del sólido entre el área de la base

Se ejerce una presión debida al peso de la columna de líquido que hay sobre el prisma.

Pesolíquido = mlíquido · g = dlíquido · Vlíquido · g

P = dlíquido· S · h · g

dlíquido· S · h · g dlíquido· h · g

S p

F

S = = =

h

S

La presión ejercida sobre un cuerpo sumergido en un fluido depende de la columna de fluido que hay

sobre el cuerpo.

TIPOS DE PRESIONPresión atmosférica, es la presión que ejerce la atmósfera sobre la superficie de la tierra, esta es igual a 760 mm de Hg, a nivel del mar y a 0°C; a mayor altura sobre el nivel del mar la presión atmosférica disminuye. La presión atmosférica se mide con aparatos llamados Barómetros.

BARÓMETRO DE CUBETA

Presión atmosférica

Presión del mercurio

MercurioVacío

PRESIÓN ATMOSFÉRICA Y ALTURA

Presión (milibares)

0 200 400 600 800 1000

28

24

20

16128

4

Alt

ura

(kil

ómet

ros)

Pre

sión

nor

mal

al n

ivel

del

mar

Everest8845 m

GRÁFICA DE PRESIONES

Representa a una presión superior a la atmosférica,

para su medición.

presiones inferiores a

la atmosférica, se dice que se trabaja al vacío; para

su medición.

Es la fuerza total por unidad de área, es decir la presión total

1

2

3

1.- Presión manométrica2.- Presión de vacío3.- Presión absoluta

P. ABSOLUTA= P. MANOMETRICA + P. ATMOSFÉRICA

P. ABSOLUTA= P. MANOMETRICA - P.VACIO

Pa (SI), kPa, MPaPa (SI), kPa, MPa

bar, atm, kg/cmbar, atm, kg/cm22 psi (sistema inglés)psi (sistema inglés)

1 bar =101 bar =1055 Pa=1.02 kg/cmPa=1.02 kg/cm22

Pa= 1N/mPa= 1N/m 2 2

1 atm=1.013 bar 1 atm=1.013 bar 1 atm=1.01325 X 101 atm=1.01325 X 1055

1 bar = 14.50psi1 bar = 14.50psi

EQUIPOS DE MEDICION DE PRESIONESMANOMETRO DIFERENCIAL.- Mide la diferencia de presión entre dos puntos (P1 y P2) de allí su nombre.

Tubos manométricosPresiones bajas

Presiones sobreatmosférica o diferencial

A m m atmP gh P

Patm

Fluido manométricom

P1=P2

Aire Comprimido

PA

hm

1 2

Aire Comprimido

PA

hm

1 2

OTROS TIPOS DE MANÓMETROS

Manómetro de bourdon

Manómetro de espiral

Manómetro digital

Manómetro de proceso

Manómetro patrón

Es un tubo metálico, aplastado, hermético, cerrado por un extremo y enrollado en espiral.Detalles mecánicos

EJEMPLO DE APLICACIÓN

Nº 3

La presión en un evaporador al vacío se mide con un vacuómetro en U y se encuentra que es de 25 cm de Hg. ¿Cuál es la presión absoluta dentro del evaporador?, si la presión barométrica es de 58,6 cm de Hg.. Expresar resultados en kPa.

Esquema:

Planteamiento:

Interpretación:Pvacío = 25 cm HgPbarom = Patm. = 58.6 cm Hg

P abs. = Patm. – Pvacío

Evaporador al vacíoPvacío = 25 cm Hg

Vacuómetro

Conversión:1cmHg= 10mmHg

1mmHg = 1,333 x 10 2 2

Pa

EJEMPLO DE APLICACIÓN Nº 4

La presión p del aire en un tanque es suficiente para sostener una columna de 500 mm de Hg. Encontrar la presión absoluta del tanque en Pa, si la presión atmosférica local es de 95 kPa. La densidad del Hg es de 13,6 x103 kg/m3 . Suponer que la presión en el punto 1 es igual a la presión del tanque.

ESQUEMA:

Patm. = 95KPaρ Hg= 13,6 x10 3 3 Kg/m 3 3

Ptanque = P1

Existe : Phidrostática

PLANTEMIENTO:

Ptanque

1 1´

2

500 mmHg

P Tanque = Patm – Phidrostát

P Phidrostát = ρ Hg x h (Hg) x (g)

Conversión:1Kg= 9,81 N

1033 Pa = 1Kpa

OTRAS PROPIEDADES FÍSICAS REFERIDAS AL ÁREA , LA MASA, Y PESO

DE LOS MATERIALES ALIMENTICIOS AREA SUPERFICIAL: (m2)Es una medida cuantitativa de una superficie curvada o plana. Se define como el producto de dos longitudes.

NECESARIO CONOCER: EN EL ENVASE O EN EL ALIMENTO

ESTERILIZACION DE ENLATADOS

EN ALIMENTOS (con fin de selección, almacenaje,

transporte)

PESO MOLECULAR:Es el peso de la molécula y equivale a la suma de los pesos atómicos de cada uno de los átomos que lo integran, su valor es relativo tal como el peso atómico. Se toma el H como referencia cuyo peso molecular es igual a 1.

EJEMPLO: Peso molecular de del agua

DENSIDAD:Es la cantidad de materia de una sustancia contenida en una unidad de volumen.

La ρ en sólidos y líquidos se expresa normalmente en g / cm3 , g / l y en lb / pie3

ρ = masa de la sustancia / volumen que ocupa

Densidad de la partícula

Densidad a granel Densidad del sólido

Es la relación entre la masa de la partícula y el volumen real de la partícula. ( puede ser un grano o una porción de grano).

Es la masa de una unidad de volumen de un lecho de partículas, sin tener en cuenta la presencia de poros, es decir, incluye el volumen vacío.

Sea en harinas, granos, aglomerados, es la relación entre la masa del sólido (las partículas) y el volumen del sólido( partículas), teniendo en cuenta la presencia de poros; o bien.

ρ = m / v

POROSIDAD:De un material envasado, es aquella fracción de volumen total que esta ocupada por aire, es decir,

La densidad a granel depende de la porosidad, del grado de compactación del sólido.

A < porosidad > ρ y a > porosidad < ρ 

Porosidad (ε) = Volumen de aire / volumen total

Es afectada por la geometría, tamaño y propiedades superficiales del producto.

 

 

 

                                     V2

 

 

 

 

                         

VsV1

V2

Materiales porosos o granulares contenidos en

un recipiente

CONCENTRACIÓN:Cantidad de sustancia o soluto contenido en una unidad de volumen de solvente.Se expresa en: g / cm3, g / l, mg / g, %.

Existen varios métodos para expresar concentración en las soluciones, algunos de ellos son:

Porcentaje (%)Molaridad (M)Molalidad (m)Normalidad (N)ppm (partes por millón)

M = moles de soluto litro de solución

HUMEDAD:Cantidad de agua contenida en un producto; o bien, cantidad de agua presente en una muestra.  La humedad puede expresarse en:

Base Húmeda:Hbh = Masa de agua / masa de agua + masa de sólido seco

Base Seca:Hbs = masa de agua / masa de sólido seco

H = Masa de agua / masa de producto x 100

Secador de granos

EJERCICIO DE APLICACIÓNNº5

Cierta cantidad de pulpa de manzana con 71 % de humedad ingresa a un secador, donde el 60 % del agua original es removida. ¿Cuál será la humedad en base seca de la pulpa de manzana al salir del secador .

Esquema:

Planteamiento:

m.s 29%

H= 71%h.b.s=?

60% Agua

W agua

W materia secaHBS =

W Agua = H – (H*60%)

En una planta de procesamiento de jugos, se produce una mezcla de jugo concentrado de naranja, piña y kiwi mediante el paso de una mezcla de jugo fresco a través de un evaporador. Las fracciones de masa de los sólidos contenidos en la mezcla son: wnaranja = 6,7 %, wpiña = 4,35 % y wkiwi = 7,83 %. En el evaporador se elimina el agua y la fracción de masa total de sólidos se incrementa a wtotal = 48,45 % . Si la mezcla de jugo fresco se conduce al evaporador a una tasa de 850 kg /h ( 1,43 m3 /h), determinar:

La concentración de naranja, piña y kiwi en el jugo fresco.La concentración de naranja, piña y kiwi en el jugo concentrado.La densidad del jugo fresco.La densidad del jugo concentrado.

EJERCICIO DE APLICACIÓNNº6

Esquema:

V1=1,43 m3/h

M1=850Kg/h

Xn = 6,7%Xp = 4,35%Xk = 7,83%XT1=18,88%

X2=48,45%

AePlanteamiento:

Hallando la concentración:

Hallando la densidad:

Cálculos adicionales:

C jugo fresco = Xn,p,k x M1

ρ = M/V

M1 . X1= M2 . X2

Ae= M2 - M1

Aplicaciones de la computación en Ingeniería de Alimentos

En la Ingeniería de Alimentos se pueden resolver cálculos y problemas que involucran :

.

Procesos industriales Características de

diseño y operación de maquinarias

También de sistemas de control, logística y otros; mantener base de datos de información, estadísticas de producción, stock de materiales, etc.; así como representaciones gráficas de resultados experimentales y simulaciones de procesos

Diseño de productos

Experimentación de Laboratorio en Ingeniería de Alimentos

HUMEDAD

BASE HUMEDA BASE SECA % BASE SECA

0 100 0

10 90 11,11111111

20 80 25

30 70 42,85714286

40 60 66,66666667

50 50 100

60 40 150

70 30 233,3333333

80 20 400

90 10 900

Desarrollar una tabla para convertir humedades en base húmeda a base seca, entre 0 % humedad base húmeda y 90% humedad en base húmeda, a intervalos de 10 en 10%. 

=A3/B3*100

INFORME DE RESULTADOS DEL TRABAJO EXPERIMENTAL . FORMATO Y

ESTRUCTURA DE UN INFORME

Los hallazgos experimentales, serán presentados en un Informe cuya validez y aporte dependerá del formato de presentación, la claridad y orden con se presentarán los resultados, de la profundidad de análisis y de las conclusiones a las que se llegue.

Aunque no existe un formato de informe estándar, se recomienda prepararlo y presentarlo lo más formal posible; un formato sugerido es.

1.- Titulo

2.- Resumen

3.- Introducción

4.- Objetivos

5.- Materiales y Métodos

6.- Resultados

7.- Análisis de datos e Interpretación de resultados

8.- Conclusiones

9.- Referencias Bibliográficas.