LABORATORIO N°01: EVAPORACIÓNINGENIERÍA DE ALIMENTOS 3

ALUMNA: MARTÍNEZ SALDAÑA, YURICO ELIZABETH

TRUJILLO-2012UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO

TURNO: MIÉRCOLES 3-5PM

LABORATORIO N°1: EVAPORACIÓN

I. OBJETIVOS

Determinar el efecto que produce la presión de vacío y la

concentración de sólidos (soluciones sacarosa-agua) en su

temperatura de ebullición.

II. FUNDAMENTO TEÓRICO

La evaporación es la operación unitaria que se utiliza para la remoción

parcial de agua de un alimento líquido mediante ebullición; al hacerlo se

presenta una concentración de sólidos en el alimento. En procesos de

transformación que requieran de concentración previa tales como la

producción extractos de altos sólidos o secos a partir de jugos de frutas,

leche y café, la evaporación es una operación previa al secado, congelación

o esterilización. Con ella, además de reducir la actividad de agua lo que

favorece la preservación, se logra desarrollar en algunos casos sabores y

coloración deseables como en los casos de productos caramelizados y/o de

panadería.

En muchos procesos para la producción de alimentos, el agua debe ser

eliminada de líquidos diluidos para producir productos concentrados o

secos.

Las operaciones que pueden utilizarse para extraer el agua se incluyen: la

evaporación, la concentración por congelación (crio concentración), la

ósmosis inversa, y el secado. La elección depende del grado de

concentración requerido, del efecto del proceso en el producto, de la fuente

de energía requerida y del costo relativo del proceso.

La evaporación consiste en la eliminación de agua de un alimento fluido

mediante vaporización o ebullición, para incrementar la concentración del

soluto. En la industria de los alimentos se utiliza para tres fines principales:

1) La concentración previa de un líquido antes de proceder a operar con él,

por ejemplo, antes del secado por atomización, secado en tambor,

cristalización, etc.

2) La disminución del volumen de líquido para reducir los costos de

almacenamiento, embalaje y transporte.

3) Para aumentar la concentración de los sólidos solubles de los productos

alimenticios, a fin de facilitar su preservación como, por ejemplo, en la

manufactura de la leche condensada edulcorada.

Figura 1. Principio de la concentración de una solución por evaporación del disolvente:

A: Solución antes de la evaporación del disolvente

B: Solución concentrada tras la evaporación del disolvente

Q: Suministro de calor

1: Sólidos disueltos

2: Disolventes

A. Factores de proceso

Las propiedades físicas y químicas de la solución que se está concentrando y del

vapor que se separa tienen un efecto considerable sobre el tipo de evaporador

que debe usarse y sobre la presión y la temperatura del proceso. A continuación

se analizan algunas propiedades que afectan a los métodos de procesamiento.

1. Concentración en el líquido . Si se trata de un disolvente puro, su

temperatura de ebullición sería la correspondiente a la presión que se

mantuviera en la cámara de evaporación, pero al tratarse de disoluciones,

la presión de vapor de la disolución es menor que la del disolvente puro y

por tanto la temperatura de ebullición de la disolución es mayor,

produciéndose un incremento del punto de ebullición (ley de Raoult y el

aumento ebulloscópico).

El incremento en el punto de ebullición no se determina teóricamente, sino

experimentalmente debido a las desviaciones respecto a lo ideal. Esto se

hace mediante la conocida regla de Dühring: “si se representa el punto de

ebullición de una disolución frente al punto de ebullición del disolvente, los

puntos correspondientes a distintas presiones, caen en una linea recta”.

2. Solubilidad . A medida que se calienta la solución y aumenta la

concentración del soluto o sal, puede excederse el límite de solubilidad del

material en solución y se formaran cristales. Esto limita la concentración

máxima que puede obtenerse por evaporación de la solución. En la figura

8.1-l se muestran algunas solubilidades en agua de ciertas sales en función

de la temperatura. En la mayoría de los casos, la solubilidad de la sal

aumenta con la temperatura. Esto significa que, al enfriar a temperatura

ambiente una solución concentrada caliente que proviene de un evaporador

puede presentarse una cristalización.

3. Sensibilidad térmica de los materiales. Muchos productos, en especial

los alimentos y otros materiales biológicos, son sensibles a la temperatura y

se degradan cuando ésta sube o el calentamiento es muy prolongado.

Entre ellos están los materiales farmacéuticos; productos alimenticios

como leche, jugo de naranja y extractos vegetales; y materiales químicos

orgánicos delicados. La cantidad de degradación está en función de la

temperatura y del tiempo.

4. Formación de espumas . En algunos casos, los materiales constituidos por

soluciones cáusticas, soluciones de alimentos como leche desnatada y

algunas soluciones de ácidos grasos, forman espuma durante la ebullición.

Esta espuma es arrastrada por el vapor que sale del evaporador y puede

producir pérdidas de material.

5. Presión y temperatura . El punto de ebullición de la solución está

relacionado con la presión del sistema. Cuanto más elevada sea la presión

de operación del evaporador, mayor será la temperatura de ebullición.

Además, la temperatura de ebullición también se eleva a medida que

aumenta la concentración del material disuelto por la acción de la

evaporación.

B. Elevación del punto de ebullición y regla de Dühring.

La presión de vapor de la mayor parte de las disoluciones acuosas es menor que

la del agua a la misma temperatura. Por tanto, para una presión dada, la

temperatura de ebullición de las disoluciones es mayor que la del agua pura. El

aumento del punto de ebullición sobre el del agua se conoce con el nombre de

elevación del punto de ebullición de la disolución.

Ecuación 1:

Dónde:

ΔTeb = Ascenso del punto de ebullición.

Teb = Temperatura de ebullición de la solución.

Tºeb = Temperatura de ebullición del solvente puro.

Es pequeño para disoluciones diluidas y para disoluciones de coloides orgánicos

pero puede alcanzar un valor de hasta 150 “F para disoluciones concentradas de

ΔTeb = Teb - Tºe

sales inorgánicas. La elevación del punto de ebullición tiene que restarse de la

caída de temperatura que se predice a partir de las tablas del vapor de agua.

Para disoluciones concentradas la elevación del punto de ebullición se obtiene

mejor a partir de una regla empírica conocida como regla de Dühring, según la

cual la temperatura de ebullición de una determinada disolución es una función

lineal de la temperatura de ebullición del agua pura a la misma presión. Por tanto,

si se representa la temperatura de ebullición de la disolución frente a la del agua a

la misma presión se obtiene una línea recta. Para diferentes concentraciones

resultan diferentes rectas. Para todo el intervalo de presiones la regla no es

exacta, pero para un intervalo moderado las líneas son aproximadamente rectas

aunque no necesariamente paralelas.

La Figura 3. Es un conjunto de líneas de Dühring para disoluciones de hidróxido

sódico en agua. La utilización de esta figura se puede ilustrar mediante un

ejemplo. Si la presión sobre una disolución de hidróxido sódico al 25 por 100 es tal

que el agua hierve a 180 “F, leyendo sobre el eje x para 180 “F en la línea de la

disolución del 25 por 100, se encuentra horizontalmente en el eje y que la

temperatura de ebullición de la disolución a esta presión es 200 “F. La elevación

del punto de ebullición de la disolución para esta presión es, por tanto, 20 “F.

Figura 2. Diagrama de Dühring

Figura 2. Líneas de Dühring para disoluciones de hidróxido sódico en agua

(Según McCabe)

Esta regla sólo es válida para intervalos de presiones no muy amplios. por otra

parte, los mejores resultados se obtienen cuando las características físicas y

químicas de los dos líquidos son similares. El punto de ebullición determinado

mediante la regla de Dühring corresponde a la superficie libre del líquido. En

muchos evaporadores, la ebullición se produce a cierta profundidad, con lo que la

presión sobre el líquido en contacto con dicha superficie, (donde se produce la

ebullición), es mayor que la existente sobre la superficie libre, debido a la presión

hidrostática correspondiente a la altura del líquido. El incremento del punto de

ebullición debido a la carga hidrostática disminuye la diferencia media de

temperatura entre el vapor de calefacción y la disolución hirviente, con la

consiguiente pérdida de capacidad en el evaporador. La influencia de la carga

hidrostática no se tiene en cuenta, y es difícil de evaluar, pero para alturas y

velocidades de líquido elevadas, no debe ignorarse.

III. MATERIALES Y METODOLOGÍA

III.1. MATERIALES Y EQUIPOS

III.1.1. Materiales:

- Azúcar.

- Agua destilada (soluciones azucaradas de 400 mL).

III.1.2. Equipo:

- Equipo de destilación con reflejo de condensación

- Balón de tres bocas.

- Condensador de bolas.

- Termómetro digital

- Bomba de vacío

- Soporte universal

- Cocina eléctrica.

- Tapones.

- Mangueras.

- Brixómetro

III.1.3. Otros:

- Balanza Analítica

- Vasos de precipitación.

III.2. METODOLOGÍA

III.2.1. Preparación de las muestras:

Se prepararon tres soluciones de sacarosa a concentraciones de

40 y 60 °Brix. El de 30 °Brix lo tomaremos de dato el primer

grupo de laboratorio.

III.2.2. Procedimiento:

• Se instaló el equipo experimental adecuado para la realización de la

evaporación. Primero se comenzó a armar el equipo de evaporación

cual consiste de un balón de vidrio a donde se deposita la muestras

de sacarosa a y a donde también van acoplados los demás equipos

necesarios para la evaporación a presión de vacío. (Ver Anexo 1).

• Las muestras fueron introducidas en el balón de tres bocas por

medio de una boca lateral y se calentaron con una cocina eléctrica.

Cuando la solución de sacarosa a diferentes concentraciones

alcanzó la temperatura de ebullición, se estableció un flujo de

recirculación en la válvula del soxhlet.

• Las soluciones de sacarosa son preparadas con unas

concentraciones de 40 ºBrix la cual fue depositada en el balón al

cual se le aplico presión de vacío y fue calentado por medio de

agua a temperatura de 98 ºC a presión atmosférica.

• La mezcla líquido-vapor liberada de la superficie líquida fluyó a

través de la boca intermedia del balón, donde se determinó la

temperatura, con una termocupla. Entre tanto el vapor liberado

asciende por el tubo más angosto del equipo soxhlet, hasta llegar al

condensador de bolas en donde es enfriado por acción del agua que

se recircula, retornando a la parte más ancha del soxhlet, en donde

a través de la válvula desciende al balón.

• Cuando llegue a condiciones estables, anotar la presión de la

cámara de evaporación y temperatura.

• Luego anotar el tiempo cada vez que veamos un cambio,

registrando el incremento de temperatura de ebullición a cada

presión.

IV. RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Tabla 1. Resultados de la evaporación de 30°Brix de una solución de

sacarosa a diferentes presiones de vacío.

PRESIÓN VACÍO (BAR)

PRESIÓN ABSOLUTA

(BAR)

T° SATURACIÓN

T°EBULLICION AGUA (°C) Δte Δte*

0 1.01325 99.96 101 1.04 0.999

-0.1 0.91325 96.88 96 -0.88 0.985

-0.2 0.81325 94.68 92 -2.68 0.970

-0.3 0.71325 90.22 82 -8.22 0.953

-0.4 0.61325 86.57 80 -6.57 0.933

-0.5 0.51325 81.87 76 -5.87 0.911

-0.6 0.41325 76.58 71 -5.58 0.884

-0.7 0.31325 69.99 66 -3.99 0.852

65 70 75 80 85 90 95 10065

70

75

80

85

90

95

100

105

f(x) = 1.15772315171205 x − 17.8304507444217R² = 0.954665461584847

T°SATURACIÓN (°C)

TEM

PERA

TURA

EBU

LLIC

IÓN

(°C)

Figura 4. T° Saturación vs T° Ebullición (°C) a 30 °Brix

Tabla 2. Resultados de la evaporación de 40°Brix de una solución de

sacarosa a diferentes presiones de vacío.

PRESIÓN VACIO (BAR)

PRESIÓN ABSOLUTA

(BAR)

T° SATURACIÓN

T°EBULLICION AGUA (°C) Δte Δte*

0 1.01325 99.96 103 3.04 1.749

-0.1 0.91325 96.88 98 1.12 1.725

-0.2 0.81325 94.68 96 1.32 1.698

-0.3 0.71325 90.22 93 2.78 1.668

-0.4 0.61325 86.57 88 1.43 1.634

-0.5 0.51325 81.87 83 1.13 1.595

-0.6 0.41325 76.58 78 1.42 1.548

-0.7 0.31325 69.99 68 -1.99 1.491

65 70 75 80 85 90 95 10065

70

75

80

85

90

95

100

105

f(x) = 1.10698888444258 x − 8.03681315442073R² = 0.992065940052486

T°SATURACIÓN (°C)

TEM

PERA

TURA

EBU

LLIC

IÓN

(°C)

Figura 5. T° Saturación vs T° Ebullición (°C) a 40 °Brix

Tabla 3. Resultados de la evaporación de 60°Brix de una solución de

sacarosa a diferentes presiones de vacío.

PRESIÓN VACIO (BAR)

PRESIÓN ABSOLUTA

(BAR)

T° SATURACIÓN

T°EBULLICION

AGUA (°C)Δte Δte*

Δte (ecuacion de la recta)

0 1.01325 99.97 106 6.03 5.274 5.275-0.1 0.91325 96.88 102 5.12 5.200 5.066-0.2 0.81325 94.68 97 2.32 5.119 4.917-0.3 0.71325 90.22 96 5.78 5.028 4.614-0.4 0.61325 86.57 92 5.43 4.926 4.367-0.5 0.51325 81.87 86 4.13 4.808 4.048-0.6 0.41325 76.58 80 3.42 4.668 3.690

-0.7 0.31325 69.99 73 3.01 4.496 3.243

65 70 75 80 85 90 95 100 105 110707580859095

100105110

f(x) = 1.06782832906887 x − 1.50250832025293R² = 0.988655440971808

T°SATURACIÓN (°C)

TEM

PERA

TURA

EBU

LLIC

IÓN

(°C)

Figura 6. T° Saturación vs T° Ebullición (°C) a 60 °Brix

60 65 70 75 80 85 90 95 100 105 11065

70

75

80

85

90

95

100

105

110

f(x) = 1.15772315171205 x − 17.8304507444217R² = 0.954665461584847

f(x) = 1.10698888444258 x − 8.03681315442073R² = 0.992065940052486

f(x) = 1.06782832906887 x − 1.50250832025293R² = 0.988655440971808

60°BRIXLinear (60°BRIX)40°BRIXLinear (40°BRIX)30°BRIXLinear (30°BRIX)

Figura 7. T° Saturación vs T° Ebullición (°C) a 30, 40 y 60 °Brix

Según Westphalen, et al (2000), cuando un soluto no volátil es disuelto en

determinado solvente, la temperatura de ebullición de la solución es siempre

mayor que la temperatura del solvente puro. Esto se puede comprobar en la figura

4, figura 5 y Figura 6; en donde a 30 , 40 y 60°Brix , la temperatura de ebullición

va ascendiendo conforme la temperatura de Saturación (°C) es decir que es

directamente proporcional, lo cual se comprueba el fenómeno del punto de

elevación.

Según Geankoplis (1998), refiere que cuanto más elevada sea la presión de

operación del evaporador, mayor será la temperatura de ebullición. Esto lo

podemos corroborar al observar en las tablas 1, 2 y 3; donde la temperatura de

ebullición del aquí a una presión mayor como a 1.01 bar (101°C) es mayor a

comparación de 0.313 bar (66°C), so mismo se observa en las otras tablas de 40 y

60 °Brix. Esto también se puede referir al aumento ebulloscópico que es mayor en

el caso de 30 °Brix a una temperatura de ebullición mayor su aumento

ebulloscópico es mayor, pero no ocurre en el caso de 40°Brix (tabla 2) donde a

una menor T° ebullición su aumento ebulloscópico es menor, y el mismo caso se

presenta en 60°Brix

Según Ibartz, et al (2005); la solución que entra en un evaporador puede ser

suficientemente diluida teniendo muchas de las propiedades físicas del agua, pero

a medida que aumenta su concentración, adquiere cada vez un carácter más

individualista. Esto lo podemos ver en la variación que se da para las rectas de las

soluciones de 30, 40 y 60° Brix. Esta diferencia de las rectas se debe a que si la

presión varia, la temperatura de ebullición también. Para soluciones acuosas, la

temperatura de ebullición ya no solo depende de la presión, sino también de la

cantidad de soluto que contienen. De tal forma que la presencia del soluto hace

que la temperatura de ebullición aumente. Esto se puede ver en la Figura 7, donde

vemos que la T° Ebullición aumenta a medida que aumenta la T° saturación y

que es mayor la recta de 60 °Brix en comparación de las otras soluciones

acuosas.

Según Mc Cabe, et al. (1993) para disoluciones concentradas la elevación del

punto de ebullición se obtiene mejor a partir de una regla empírica conocida como

regla de Duhring, según la cual la temperatura de ebullición de una determinada

disolución es una función lineal de la temperatura de ebullición del agua pura a la

misma presión. Por tanto, si se representa la temperatura de ebullición de la

disolución frente a la del agua a la misma presión se obtiene una línea recta. Esto

se puede observar en la figura 7 en la que se observa varias rectas con R2 alto

cercano a la unidad; esto nos permite afirmar lo dicho anteriormente Mc Cabe.

Según Mc Cabe, et al. (1993), las rectas entre temperatura de ebullición y

saturación no son estrictamente paralelas, esto se comprueba en las figuras 4, 5,

6 y 7 en donde el aumento de la temperatura ebullición sea constante para

diferentes presiones, queriendo decir que la regla no es exacta para todo el

intervalo de presiones, pero para un intervalo moderado las líneas son

aproximadamente rectas aunque no necesariamente paralelas.

V. CONCLUSIONES

Se llegó a determinar el efecto que produce la presión de vacío y la concentración

de sólidos (soluciones de sacarosa) a 30, 40 y 60 °Brix en su temperatura de

ebullición, en donde vemos que la T° Saturación va aumentado a medida que

aumenta la T° Ebullición, y en donde a una mayor concentración de ° Brix

tendremos una mejor aplicación de la Regla Duhring.

VI. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA

Geankoplis, C. (1998).Proceso de transporte y operaciones unitarias. México.

Compañía editorial continental.

Mc Cabe. Smith, J. Harriot, P. (1993). Operaciones unitarias en ingeniería química.

5a.Ed. Mc. Graw-Hill.

Ibarz. Barbosa. (2005). Operaciones unitarias en la Ingeniería de Alimentos.

Ediciones Mundi- Prensa. España.

Westphalen, D. Wolf, M. (2000). Uso da equação de Capriste e Lozano para

predição da elevação de pontos de ebulição. XII Congreso Brasilero de Ingeniería

Quimica, Universidad Estatal de Campinas, Campinas, p1-8.

ANEXOS

Anexo 1. Equipo de Destilación Anexo 2. Barómetro