Trabajo Balance Materia y Energia

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BALANCE DE MATERIA Y ENERGIA MATEMÁTICA APLICADA -1- UNIVERSIDAD NACIONAL FEDERICO VILLARREAL FACULTAD DE INGENIERIA ALIMENTARIA

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BALANCE DE MATERIA Y ENERGIA MATEMÁTICA APLICADA

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UNIVERSIDAD NACIONAL FEDERICO VILLARREAL FACULTAD DE INGENIERIA ALIMENTARIA

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BALANCE DE MATERIA Y ENERGIA MATEMÁTICA APLICADA

EJECUTORES:

VALLE PALACIOS PAOLARIMARACHIN MAMANI ALAINROJAS CASTRO LUISAZELAES SOLANO PAMELA

Ing. ELIA ROJAS

LIMA – PERU

2009

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INDICE

INTRODUCCION 4 1. OBJETIVOS 52. MARCO TEORICO 5

Balance de Materia 5Balance de Energía 7

3. DESCRIPCION DEL PRODUCTO 8 4. INSUMOS 9

Azúcar 9Pectina 9Acido cítrico 10Sorbato de potasio 10

5. DIAGRAMA DE FLUJO 11 6. DESCRIPCION DEL DIAGRAMA DE FLUJO 11

Recepción 11Pesado 11Lavado 12Macerado 12Cocción 12Filtrado 12Concentrado 13Determinación del punto final 13Envasado 13 Almacenamiento 13

7. DIAGRAMA DE LAY OUT 138. BALANCE DE MATERIA 16 9. BALANCE DE ENERGIA 1710.CONCLUSIONES 18 11.BIBLIOGRAFIA 19

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INTRODUCCION

Una de las tareas en las que utiliza más tiempo el ingeniero consiste en la acumulación de datos de las propiedades físicas, que son necesarias para estimar la velocidad de los procesos de transportes de cantidad de movimiento, transmisión de calor, transferencia de materia, cinética de las reacciones químicas, así como equilibrios físicos y químicos.

Dentro de las industrias de procesos, los balances de materia y energía son importantes auxiliares en el diseño, control, optimización y evaluación económica de los procesos propuestos y existentes, así como de decisiones sobre las operaciones que se presentan a diario, por lo que tienen repercusión directa en la producción y en la situación financiera de las compañías; en consecuencia que el profesional técnico desarrolle los conocimientos, habilidades y actitudes que le permitan realizar el cálculo de balances de materia y energía con la exactitud requerida.

Los sistemas industriales se representan a través de un diagrama de flujo, él que corresponde a un conjunto de operaciones unitarias interconectadas a través de un circuito de corrientes de materia y energía, de acuerdo a una estructura y organización definida. Un proceso industrial corresponde a la transformación ó modificación de las propiedades de una corriente en un producto comercial ó corriente efluente de interés.La estrategia de diseño de procesos consiste en: a) obtener la información de las características del producto de interés, b) elegir y seleccionar los recursos, insumos, materias primas, materiales y suministros energéticos junto con las tecnologías de procesamiento, c) integrar toda esta información en un diagrama de flujos que especifique los equipos, interconexiones y corrientes de entrada y salida del proceso productivo.También se deben especificar las condiciones de operación y los valores de flujo y composición de las principales corrientes del proceso.

Los balances de materia y de energía se basan en las leyes de la conservación de la masa y la energía. Estas leyes indican que la masa y energía son constantes y que por lo tanto la masa y la energía entrante a un proceso , deben ser iguales a la masa y energía salientes a menos que se produzca una acumulación dentro del proceso.

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1. OBJETIVOS

1.1. OBJETIVO GENERAL

Calcular los balances de materia y energía de procesos industriales mediante fórmulas para su diseño, control y optimización.

1.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS

Definir y realizar en grupo un proyecto de diseño de un proceso industrial. Integrar los conocimientos aprendidos en el curso.

Aprender y utilizar métodos de integración de materia y energía, y elaboración de diagramas de flujos para la síntesis de productos y tratamiento de efluentes de la industria de procesos.

2. MARCO TEORICO

2.1. Balance de materia

Un balance de materia no es otra cosa que un conteo del flujo y cambio de masa en el inventario de materiales de un sistema. La ecuación que se muestra a continuación describe con palabras el principio del balance de materia aplicable a procesos con reacción química y sin ella.

Figura Nº 1

En la ecuación los términos de generación y consumo se refieren a la ganancia o pérdida mediante reacción química. La acumulación puede ser positiva o negativa.

En los casos en que no hay generación de materia dentro del sistema la ecuación de arriba se reduce a:

Acumulación = entrada – salida

y cuando tampoco hay acumulación dentro del sistema se reduce a la siguiente ecuación:

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Corrientes del flujo de entrada

El sistema en el que se efectúa el

balance de materia

Corrientes de flujo de salida

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entrada = salida

si no hay flujo que entre o salga del sistema, la ecuación se reduce al concepto básico de la conservación de una especie de materia dentro de un sistema cerrado aislado:

acumulación = generación – consumo

Por sistema entendemos cualquier porción arbitraria o completa de un proceso establecido específicamente por el ingeniero para el análisis. La figura Nº 2 muestra un sistema en que tienen lugar un flujo y una reacción; nótese en particular que la frontera (límite) del sistema se establece formalmente alrededor del proceso mismo para llamar la atención hacia la importancia que tiene delinear en forma cuidadosa el sistema de cada problema que se trabaje. Un sistema abierto (o continuo) es aquel en que la materia se transfiere a través de la frontera del sistema, esto es, entra al sistema, sale del sistema o ambas cosas. Un sistema cerrado (o por lotes) es aquel en el que no se presenta dicha transferencia durante el intervalo de tiempo en cuestión. Es obvio que si se carga un reactor con reactivos y se sacan los productos, y el reactor se considera como el sistema, el material se transfiere a través del límite del sistema. Sin embargo, se podría ignorar la transferencia, y fijar la atención sólo en el proceso de reacción que tiene únicamente después de que se contempla la carga y antes de que los productos se retiren. Tal proceso se presentará dentro de un sistema cerrado.

Figura Nº 2 Sistema continuo (abierto) con combustión.

Los balances de materia también pueden usarse en las decisiones de operación de los gerentes de la planta que se presentan a cada momento y a diario. Si en un proceso hay uno o más puntos en lo que resulte imposible o antieconómico reunir datos, entonces si se encuentran disponibles otros datos que sean suficientes, haciendo un balance de materia en el proceso es posible obtener la información que sea necesaria acerca de las

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cantidades y composiciones en la posición inaccesible. En la mayor parte de las plantas, se reúnen bastantes datos sobre las cantidades y composiciones de las materias primas, productos intermedios, desperdicios, productos y subproductos y que son usados por los departamentos de producción y de contabilidad, pudiendo integrarse en una imagen reveladora de las operaciones de la compañía.

2.2. Balance de energía

Los científicos no comenzaron a escribir balances de energía de sistemas físicos hasta la segunda mitad del siglo XIX. Antes de 1850 no estaban seguros de lo que era la energía o aun si era importante. Pero en la década de 1850 los conceptos de energía y balance de energía se formularon con claridad. En la actualidad consideramos que el balance de energía es en fundamento un principio básico por lo que inventamos nuevas clases de energía para asegurar que la ecuación en verdad realice el balance. La ecuación siguiente, es una generalización de los resultados de numerosos experimentos sobre casos especiales relativamente simples. La ecuación es universalmente válida ya que no se puede encontrar excepciones para ella en la práctica, teniendo en cuenta la precisión de las mediciones. Es necesario recordar dos puntos importantes. Primero solo examinemos sistemas que son homogéneos, sin carga y sin efectos superficiales, con objeto de hacer el balance de energía lo mas sencillo posible. Segundo, el balance de energía se desarrolla y aplica desde el punto de vista macroscópico (global alrededor del sistema) mas que desde un punto de vista microscópico o sea, un volumen elemental en el sistema). El concepto del balance de energía macroscópico es similar al balance de materia macroscópico, es decir,

La ecuación se puede aplicar a una sola pieza de equipo o a una planta compleja como se muestra en la figura Nº 3.

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a) planta de ácido sulfúrico

b) Flujos de energía basados en 1000 ton/día de producción de ácido

Figura Nº 3

3. DESCRIPCION DEL PRODUCTO

Según la Norma Peruana ITINTEC 203.040, la jalea de fruta es el producto de consistencia gelatinosa, que se obtiene por la acción y concentración de jugo o del extracto acuoso de frutas con el agregado de azúcar u otros edulcorantes y adicionado o no de pectina y ácidos orgánicos.La mezcla concentrada debe alcanzar 66° Brix, y obtenerse un producto claro y transparente (Meyer, 1989).Southgate (1992), menciona, que las jaleas de frutas serán claras, de color brillante y con buen sabor; además gelificarán bien aunque sin demasiada consistencia. Para preparar una buena jalea. Deben encontrarse las tres mismas sustancias – pectina, ácido y azúcar- en las proporciones correctas

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y la selección de la fruta se realizará por su sabor y color; Soto (2001) añade, que las frutas que se destinan para elaborar jaleas deben ser frescas y no muy maduras.Según Madrid (1994), el contenido mínimo en zumo de frutas de las jaleas debe representarse el 40% del peso. Asimismo, en las jaleas cítricas el porcentaje mínimo de zumo clarificado terminado será del 30%.En la elaboración de jalea un atributo importante es la consistencia, para lograr una buena consistencia es muy importante la relación azúcar - pectina – ácido.

4. INSUMOS

De los insumos utilizados en la elaboración:

4.1. Azúcar

El azúcar es un ingrediente esencial. Desempeña un papel vital en la gelificación de la jalea al combinarse con la pectina para formar un gel como resultado de la ebullición hasta alcanzar exactamente correcta. La concentración de azúcar en la jalea debe impedir tanto la fermentación como la cristalización. (Southgate 1992)Esta misma fuente, menciona que la cantidad de azúcar que debe añadirse depende del contenido de pectina del jugo; por lo tanto, el calculo de azúcar debe realizarse de acuerdo con al cantidad de jugo y su capacidad de gelificación.La cantidad de azúcar requerida para dar a la jalea la firmeza exigida depende de los caracteres de la pectina utilizada. Mas de 50% de azúcar suele se necesario para la formación correcta de jaleas con pectinas de éster elevado. Cierto peso de pectina será capaz de formar jalea firme y satisfactoria con una cantidad dad de azúcar. Si se usa más azúcar y menos pectina, resultarán jaleas más débiles. La excesiva cantidad de azúcar floculará la pectina de la solución. (Arthey, 1996).

4.2. Pectina

Las pectinas o sustancias pécticas, son polisacáridos que se componen principalmente de ácidos poligalacturónicos coloides. Se hallan en los tejidos de las plantas. Las pectinas so útiles por su capacidad para formar geles o jaleas con compuestos polihidroxilados, como los azúcares, con cantidades diminutas de iones polivalentes. En el lenguaje común, el vocablo pectina designa laxamente que se les añaden para mejorar las propiedades y las sustancias útiles de estos materiales. Los aditivos más comunes son los azúcares como diluyentes y los citratos como reguladores de pH. (Arthey, 1996).La pectina es un coloide reversible porque puede ser disuelta en agua, precipitada, secada, recuperada y redisuelta en agua sin perder su capacidad para formar geles. (Desrosier, 1995)La cantidad y calidad de pectina depende del tipo de fruta y de su estado de maduración.

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Además, las proporciones correctas de pectina, ácido y azúcar son esenciales para éxito en la preparación de jaleas.En la producción comercial de mermeladas y jaleas se pone pectina, porque muchas frutas son deficientes en esta sustancia. En muchos casos, sin pectina agregada, habría que usar una proporción excesiva de frutas para suministrar la cantidad exigida de pectina, habría que concentrar excesivamente el producto mediante la cocción o el producto final carecería de la consistencia apropiada (Arthey, 1996).Si la pectina es de buena calidad dará una jalea bien hecha en una periodo de una hora, aproximadamente (Pearson, 1986).Asimismo, Pearson (1986), añade, que el grado de una pectina se puede definir como la relación de sólidos totales a pectina en una jalea de resistencia patrón preparada por un procedimiento estándar con un contenido total de sólidos solubles entre 70 y 71%.Según Fennema (1985), para que se forme gel, debe haber azúcar, ácido, agua y pectina. En un jalea, el contenido de sólidos solubles, sobre todo azúcar, suele ser del 65 – 70%, y el pH, de 2.8 – 3.2.

4.3. Ácido cítrico

El ácido es importante no solamente para la gelificación de la jalea, sino también para conferir brillo al color de la jalea, pudiendo mejorar el sabor y ayuda a evitar la cristalización del azúcar. (Southgate 1992). El ácido se añadirá al final de la concentración.Esta misma fuente señala, que le ácido se añadirá, también, antes de cocer la fruta ya que ayuda a extraer la pectina.Formoso (1997), añade, que la rigidez de las fibras de la estructura está controlada por la concentración de ácido. No obstante, el efecto puede ser contraproducente, pues si bien altas concentraciones de ácido hacen aumentar la dureza de la estructura de gel, también pueden motivar la hidrólisis de la pectina. Por lo contrario, bajas concentraciones de ácido producirán fibras tan blandas en la estructura del gel que este será incapaz de soportar en la preparación de una jalea.La importancia de la acidez en la formación de jaleas fue observada hace más de cien años; pero hasta después de desarrollada la teoría de la concentración de ión de hidrogeno, no fue establecida una relación precisa. La formación de “jalea” sólo es posible con pH inferior a 3.5, si se hace descender más el pH, aumenta la firmeza de la jalea obtenida con igual cantidad de pectina, y la cantidad de pectina requerida para formar jalea de firmeza normal disminuye. En la fabricación de jaleas excesivamente ácidas, se produce la sinéresis (exudación). La situación del pH óptimo depende de cierto número de factores. Gran proporción de azúcar eleva el pH óptimo y baja concentración de pectina lo disminuye (Arthey, 1996).

4.4. Sorbato de potasio

Sal potásica del ácido ascórbico. Tiene propiedades fungicidas y bactericidas. Puede utilizarse como conservantes en los zumos de frutas, mermeladas, margaritas, olivas y encurtidos.

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5. DIAGRAMA DE FLUJO

El diagrama de flujo para la elaboración de jalea de naranja se puede apreciar en el anexo 1.

La elaboración de jalea de naranja, se hace sencilla debido a que la materia prima se obtiene en forma de liquido con un alto contenido de azucares (20-25%), que se necesita, únicamente, filtrarlos para proceder con la concentración.

6. DESCRIPCION DEL DIAGRAMA DE FLUJO

6.1. Recepción

El éxito en la obtención de pulpas de alta calidad comienza en la disponibilidad de frutas de excelentes características gustativas. Junto a esta disponibilidad esta el cuidado que se tenga en mantener esta alta calidad en los pasos previos a la llegada a la fábrica de procesamiento.Las frutas deben ser empacadas con mucho cuidado y evitar recipientes muy grandes donde las que se hallan en la parte inferior sufran deterioro por la sobre presión del peso de las demás frutas.Los cestillos empleados como empaques deben estar limpios y ser fáciles de higienizar. Estos son de plásticos que ofrezcan resistencia, facilidad de ventilación, ensamblables para apilarlos cuando están llenos y hay algunos que se pueden desarmar y apilar ocupando una cuarta parte del volumen de un cestillo armado.Una vez los cestillos con fruta han sido transportados desde el cultivo o del sitio de acopio hasta la fábrica procesadora, deben ser manipulados con cuidado teniendo en cuenta que la calidad de las frutas difícilmente puede mejorar una vez retirada de la planta, en el mejor de los casos se puede mantener.Una vez en la planta, la fruta debe ser rodeada de unas condiciones que favorezcan sus mejores características sensoriales. Si la fruta llegó pintona, habrá que propiciar su maduración adecuada. Si ya está madura, se procurará evitar su deterioro microbiológico mediante la disponibilidad de un ambiente aseado e higiénico al máximo durante todo el tiempo que la fruta y luego la pulpa puedan estar expuestas a varios ambientes durante la aplicación de diferentes operaciones de proceso.

6.2. Pesado Permite conocer con exactitud la cantidad de materia prima que entrega el proveedor y a partir de esta cantidad se podrá conocer los porcentajes de la calidad de fruta que este suministra. Se espera que el mínimo sea fruta deteriorada o verde que no madure. También con este dato se podrá determinar el rendimiento en pulpa que esa variedad de fruta posee.Se efectúa con cualquier tipo de balanza de capacidad apropiada y de precisión a las centenas o decenas de gramo. La forma de pesar puede ser en los mismos empaques en que la fruta llega a planta o pasándola con cuidado a los empaques adecuados de la fábrica

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que se puedan manejar y apilar cómodamente. Debe evitarse el manejo brusco de los empaques para evitar magulladuras o roturas de las frutas.

Selección: Se hace para separar las frutas sanas de las ya descompuestas. Se puede efectuar sobre mesas o bandas transportadoras y disponiendo de recipientes donde los operarios puedan colocar la fruta descartada.Los instrumentos para decidir cuáles frutas rechazar son en principio la vista y el olfato de un operario. El debe ser muy consciente de la responsabilidad de su trabajo e influencia en la calidad de la pulpa final. Hay ciertas frutas costosas que por su tamaño grande pueden pasar la prueba pero deben ser “arregladas” retirando cuanto antes las fracciones dañadas.

6.3. Lavado

Desinfección, Se inicia un proceso de limpieza a medida que se acerca el momento de extraerle la pulpa.El propósito es disminuir al máximo la contaminación de microorganismos que naturalmente trae en su cáscara la fruta, para evitar altos recuentos en la pulpa final, con demérito de su calidad y peligro de fermentación en la cadena de distribución o en manos del consumidor final.La desinfección se efectúa empleando materiales y sustancias compatibles con las frutas. Es indispensable disponer de agua potable para iniciar con un lavado, el cual se puede realizar por inmersión de las frutas o por aspersión, es decir con agua a cierta presión. El objetivo es retirar toda mugre o tierra que contamine la superficie de las frutas.

6.4. Macerado

Se realiza en frutas con paredes celulares blandas, como la fresa, con finalidad de reducir el contenido de agua y aumentar la concentración de sólidos solubles en la fruta.

6.5. Cocción

De acuerdo a Soto (2001), la fruta se cuece con agua hasta que se deshace. La fruta debe cocerse bien obtener el máximo sabor y extraer todo el acido y la pectina que son esenciales para una buena gelificación. La fruta será cocida lentamente, mediante ebullición a fuego suave, hasta quedar reducida a pulpa. Para lograr una jalea es necesario romper la fruta para que la pectina y el acido se disuelvan en el agua.

6.6. Filtrado

Se hace con el objeto de limpiar y eliminar cualquier partícula extraña y mucílagos en la pulpa de naranja.Esta operación se puede realizar con filtros o con manga para jaleas.

Se mide el volumen del zumo para poder realizar los cálculos necesarios para la obtención de la jalea.

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6.7. Concentrado

Una vez calculadas las cantidades requeridas de azúcar, se procederá con la concentración. Se añadirá la mitad de azúcar con la pulpa, después de 5 minutos de cocción, se añadirá el resto del azúcar (dejando una porción para mezclarla con el benzoato de sodio). La ebullición continuara hasta la obtención de 67°Brix.Esta etapa resulta de vital importancia resulta de vital importancia en la elaboración de jalea de naranja; ya que, alguna falla en esta etapa incidirá directamente en la calidad del producto. Su conservación, sus propiedades sensoriales y su apariencia general dependerán, además de una materia prima de calidad, de esta etapa. Parámetros importantes que se deben controlar, cuidadosamente, en esta etapa son la temperatura, intensidad del calor aplicado, el tiempo y la correcta formulación.

6.8. Determinación del punto final

Se determinara con la medida de la concentración de sólidos solubles o porcentaje de sacarosa con el uso del refractómetro. Se retirara la jalea cuando alcance 65,5 °Brix; ya que, durante el enfriamiento la jalea llegara a los 68 °Brix.Normalmente, la jalea de naranja, alcanza esta concentración a los 104,5° - 105,5°C, concentrada a fuego lento, sin adición de ningún gelificante.

6.9. Envasado

Se envasara el producto a 85 °C, en recipientes previamente esterilizados, los mismos que serán ligeramente inclinados para recibir suavemente la jalea, evitando así la formación de burbujas de aire. Una vez tapados los envases se voltearan con la finalidad de esterilizar las tapas.

6.10. Almacenamiento

La jalea se mantendrá en un lugar fresco y seco. Cubrir la parte superior de los tarros con tapas de celofán para evitar que penetre polvo.

7. DIAGRAMA DE LAY – OUT

Con los datos obtenidos, se realizó un diagrama de lay out, para la elaboración de jalea de naranja. Como se puede observar en la figura Nº 10, se obvian los procesos clásicos de: cocción o macerado de la fruta, entre algunos tratamientos que se le hacen a las frutas para evitar la pérdida de calidad durante el proceso.

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LEYENDA:A: Materia prima. D: Impurezas C: Vapor.B: Azúcar, pectina y ácido cítrico. E: Producto final

1. Tanque de recepción 6. Evaporador2. Filtrado 7. Enfriador3. Bomba de alimentación 8. Tanque de regulación4. Tanque de mezclado 9. Dosifícadora5. Calentador 10. Mesa de envasado

Figura Nº 9: Diagrama técnico para la elaboración de jalea de naranja

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LEYENDA:

1. Tanque de recepción2. Tanque de mezcla3. Bomba de alimentación4. Calentador5. Evaporador6. Calentador

7. Tubos de mantenimiento8. Enfriador9. Tanques de regulación10.Dosificadora 11.Envasadora

Figura Nº 10: Diagrama lay out para la elaboración de jalea de naranja.

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8. BALANCE DE MATERIA

Figura Nº 11. Esquema para balance de materia.

Leyenda:

1. Azúcar. (S1)2. Jugo de naranja. (M2)3. Jalea de naranja. (M3)4. Agua evaporada. (G4)

Balance Total:S1 + M2 = M3 + G4

Balance Parcial de Sólidos:S1W1 +M2Z2=M3Z3

Balance de Agua:M2Z2

H2O = M3Z3H2O + G4

Cálculos (ver anexo 2)

9. BALANCE DE ENERGIA

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Figura Nº 12. Esquema para el balance de energía en el evaporador.

Leyenda:

1. Jugo de naranja y azúcar. (F) 2. Vapor saturado á 30 psia. (Va)3. Jalea. (P)4. Condensado. (C)5. Agua evaporada. (V)

Qe = Qs

F + Va = V + C + P

Cálculos (ver anexo 3)

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Fig. Nº 13. Esquema para el balance de energía en el Intercambiador de Calor

Leyenda:

1. Agua á -5°C2. Jalea á 105°C3. Jalea á 85°C4. Agua á 15°C

Cálculos (ver anexo 3)

10.CONCLUSIONES

Se determino la tecnología para la elaboración de jalea a partir de la pulpa de naranja, donde se parte de la pulpa de naranja en forma líquida lista para su proceso, ahorrándonos las etapas tradicionales de cocción de la fruta o macerado de la fruta y el posterior filtrado.

La jalea de naranja obtenida, de acuerdo a las definiciones de los atributos de la Norma Técnica Peruana 011.023, es de calidad extra. Asimismo, sometida a un análisis sensorial dio como resultado una jalea con aceptabilidad de Muy Buena.

La jalea de naranja, por ser un producto ácido y con una concentración de 68 °Brix, se conserva muy bien a temperatura ambiente como lo demuestran los análisis realizados a los 30 días de almacenamiento. La jalea de naranja puede conservarse durante un largo tiempo a temperatura ambiente.

Se diseñaron varias formulaciones, la fórmula elegida es la más económica de todas las propuestas, ya que no contiene ningún aditivo adicional, a parte una pequeña cantidad de ácido cítrico.

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De acuerdo al balance de materiales para la obtención de jalea de naranja, se obtuvo 1765kg de jalea del total de jugo de naranja 1000L, teniendo un rendimiento de 88,25%.

Con los procedimientos de balance energético se puedo calcular el consumo de vapor, la cantidad necesaria de petróleo para elaborar la jalea y con esto poder hacer el análisis económico para una correcta toma de decisiones.

11.BIBLIOGRAFIA

Hinmelblau, D. (1988): Balance de Materia y Energía. 4º edición. Editorial Prentice Hall, Hispanoamericana S.A. México.

Valiente B., A. (1998): Problemas de balance de materia y energía en la industria alimentaria. México. 1º reimpresión de la segunda edición. Editorial Limusa S.A.

Pariona Crespo, E. (2003). Elaboración de jalea de cacao. Lima – Perú.