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PROYECTO FINAL “TERMODINÁMICA APLICADA AL PROCESO DE ELABORACIÓN DE MERMELADA”

TERMODINÁMICA

PRESENTADO POR DENNIS ANDREA HERNÁNDEZ – 52499189

PRESENTADO A CARLOS GERMAN PASTRANA BONILLA

UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA - UNAD ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍA E INGENIERÍA BOGOTÁ D.C.,

CONTENIDO

INTRODUCCIÓN.......................................................................................................3 OBJETIVOS...............................................................................................................4 LLUVIA DE IDEAS ACERCA DE LOS DIFERENTES PROCESOS PARA LA ELABORACIÓN DE UN PRODUCTO.......................................................................5 DESCRIPCIÓN DEL PROCESO...............................................................................6 MANEJO TERMODINÁMICO....................................................................................8 CONCLUSIONES....................................................................................................14 BIBLIOGRAFÍA........................................................................................................15

INTRODUCCIÓN

La termodinámica es considerada como la ciencia encargada del estudio de la energía térmica, su transferencia, transformación, degradación y disipación (interacciones energéticas); de allí sus diversas aplicaciones que van desde los organismos microscópicos y aparatos domésticos hasta los vehículos y sistemas de generación de potencia. Gran parte de los procesos industriales hacen uso de los principios técnicos derivados de la termodinámica, como lo son la mecánica de fluidos y la transferencia de calor y masa con el fin de analizar y diseñar objetos para satisfacer diversas necesidades. En el caso de la ingeniería de alimentos, es primordial la aplicación de los principios involucrados en las variaciones energéticas relacionadas con los procesos químicos, físicos o fisicoquímicos implícitos en la transformación de determinada materia prima hasta la obtención de un producto final; la fundamentación de estos procesos está basada principalmente en leyes, propiedades de las sustancias (aire, agua, vapor, refrigerantes) y en los equipos usados. Dicho lo anterior, el presente trabajo pretende mostrar de forma concreta la aplicación de algunos conceptos de termodinámica (ley cero, trabajo, primera y segunda ley, ciclos termodinámicos, entre otros) en el proceso industrial de elaboración de mermelada de mango, por medio de algunos cálculos y principios que se irán presentando en la medida que el proceso se va describiendo.

OBJETIVOS

OBJETIVO GENERAL

Demostrar la aplicación de la termodinámica, por medio del uso de conceptos y principios que impliquen energía, calor, masa, trabajo, entre otros en el proceso de elaboración de un alimento.

OBJETIVOS ESPECÍFICOS



Investigar y proponer alternativas de procesos de producción de alimentos que involucren la aplicación de conceptos termodinámicos.



Escoger una de las alternativas propuestas y formular el documento.



Describir el proceso y cada una de las fases o pasos que compone la elaboración del producto escogido.



Identificar los fundamentos termodinámicos que están involucrados en el proceso del producto escogido.



Realizar cálculos termodinámicos necesarios en el proceso de elaboración del producto escogido

LLUVIA DE IDEAS ACERCA DE LOS DIFERENTES PROCESOS PARA LA ELABORACIÓN DE UN PRODUCTO La Figura 1 representa un diagrama de lluvia de ideas, donde se muestran las alternativas iniciales propuestas para la elaboración del proyecto.

Fuente: Autor

Figura 1: Lluvia de ideas procesos de producción salsa de tomate, compota de manzana y mermelada de mango. El grupo procedió a revisar las alternativas propuestas, donde se escogió por consenso de los integrantes el proceso de elaboración de la Mermelada de Mango; por lo tanto a continuación se presenta la descripción del proceso y los principios termodinámicos que tienen lugar, junto con los respectivos cálculos.

DESCRIPCIÓN DEL PROCESO

La mermelada es una conserva de fruta con azúcar descubierta de modo accidental en Escocia por una tendera de Motherwell con un lote de naranjas pasadas en el siglo XVIII.

Aunque ya los griegos cocían membrillos en miel, según se recoge en el libro de cocina del romano Apicio. Para la preparación de mermeladas se puede utilizar fruta fresca o conservada. En el caso de la fruta fresca, se realizan las etapas de recepción, selección, clasificación, lavado, desinfección, pelado, corte y despulpado, quedando de esta manera lista la pulpa para ingresar a la etapa de concentración. Cuando se emplea fruta sulfatada, es necesario realizar primero un desulfuración. Para ello se hierve con un 20% de agua y se calienta durante 5-10 minutos hasta eliminar no menos del 90% del anhídrido sulfuroso presente. Una vez obtenida la pulpa se debe verificar la concentración de sólidos solubles y el pH (a fin de determinar la necesidad o no de adicionar un ácido o una base para ajustarlo a las condiciones óptimas). A continuación se calcula la proporción de los distintos componentes del producto, es decir, su formulación; esta dependerá básicamente del producto que se desea obtener: grados Brix finales y porcentaje de fruta. Conocer anticipadamente el peso final de una mermelada, a partir del peso inicial de fruta, permitirá demás:

•

Preparar los envases necesarios para toda la mermelada.

•

Calcular la cantidad de pectina que eventualmente hay que agregar.

•

Planificar el proceso de producción.

Dependiendo de la madurez de la fruta, se escaldará en agua hirviendo hasta que las frutas estén blandas pero sin deshacerse. Una vez se ha formulado se procede a la cocción; se adiciona a la marmita la pulpa y la mitad del azúcar; cuando comience la ebullición se adiciona la otra mitad del azúcar, esto con la finalidad de que se disuelva totalmente. El agregar una porción del azúcar a la fruta en el calentamiento preliminar, sirve para lograr un cierto grado de inversión de la

sacarosa usada, es decir, para transformar parte del azúcar en azúcar invertido, que es una mezcla de glucosa con fructosa, dos azúcares simples producidos a partir de la sacarosa por acción del ácido de la fruta. Con ello se evita la cristalización por la sobre concentración del producto y, además, se logra un brillo especial debido a la glucosa. Al agregar la última porción de azúcar no sobrepasar los 60 °Brix, a modo de controlar el proceso de concentración en la última etapa de evaporación. Se debe evitar la sobre concentración, controlando siempre los grados Brix o el peso del producto en caso de no contar con refractómetro.

La adición del ácido o de la sal para ajustar el pH se debe hacer cerca al final para evitar demasiada inversión del azúcar. La pectina se debe adicionar al final del proceso y en mezcla de 5 a 10 veces su peso en azúcar por su tendencia a formar grumos.

El motivo de la ebullición no es solo evaporar el agua para alcanzar la concentración deseada, sino también conseguir la pasterización de la mezcla, ayudando a disolver el azúcar y los otros ingredientes solubles y asegurando la inversión parcial de la sacarosa; debe durar de 7-8 minutos con un máximo de 10, pues puede haber peligro de degradar la pectina, invertir demasiado la sacarosa y deteriorar el sabor y aroma del producto.

Si la mermelada va con trozos de fruta, estos se deben preparar en un jarabe del 70% hasta que cocinen, luego se sacan, se escurren y se adicionan.

Al acercarse el punto final de la concentración, la mezcla comienza a espesarse; si con un cucharón se levanta y vierte, no se suelta de forma regular, sino que se fragmenta en gruesos “goterones”. Se comprueba entonces el grado de concentración por medio de un refractómetro (no se debe olvidar que es un instrumento graduado para 20 o 25ºC, por lo tanto deben hacerse las correcciones necesarias de acuerdo a la temperatura que registre el producto al momento de la lectura), para lo cual la muestra debe enfriase; la norma señala que como mínimo el producto debe presentar 65ºBrix; en este momento se adicionan los conservantes.

Benzoato de sodio 0.05%

con respecto al peso

Sorbato de potasio 0.05%

final de mermelada.

Después la mezcla se enfría rápidamente hasta no menos de 85ºC y se vierte en los envases en que se va a conservar; este enfriamiento hace el producto lo suficientemente espeso para que las fruta o sus trozos queden repartidos en la masa y no suban a la superficie (en el caso de que la mermelada lleve trozos de fruta); También contribuye a evitar la degradación de la pectina. Los recipientes una vez llenos se cierran con preferencia bajo chorro de vapor, con el fin de esterilizar la tapa, las paredes del recipiente y el espacio libre encima del contenido. Si no hay cierre bajo chorro de vapor, puede dársele la vuelta a los botes, de modo que el producto caliente quede en contacto con la parte superior del envase y la tapa. No se aconseja este método de auto-pasterización para los envases de vidrio, pues el cuello debe quedar limpio; entonces se recurre a una pasterización en agua a 75ºC. Posteriormente los recipientes deben enfriarse muy rápidamente al aire o bajo duchas de agua y colocarlos en reposo hasta el enfriamiento completo; estas precauciones son indispensables para evitar la degradación de la pectina y conseguir una buena gelificación que se realiza entre50-60ºC.

La necesidad de acortar el proceso de concentración, con el fin de no degradar la pectina, aconseja no hacer cocciones en recipientes abiertos de más de 400 Kg. aproximadamente; en efecto, la relación superficie de calentamiento/producto disminuye cuando aumenta el contenido de los recipientes. 1

MANEJO TERMODINÁMICO PRIMER PASO En la desulfuración se hierve con un 20% de agua y se calienta durante 5-10 minutos hasta eliminar no menos del 90% del anhídrido sulfuroso presente. Se asume el procesamiento de 100 kg de fruta 1 http://frutasymermeladas.galeon.com/

Primera ley y trabajo Q−W =Ecinetica + E potencial + Einterna Ecinetica =E potencial =0 Q−W =Einterna W = pdv

Q=E interna+ pdv

Q=H

100 kgfruta∗20 =20 kgagua Q=m c p dt+m λagua Q=m(c p dt + λagua )

c p=4.18

j g°C

λagua =2257

j g

(

Q=20000 g agua 4.18

j j 80 ° C+2257 =51828 kj g°C g

)

En el cálculo de la potencia se supone que un cuarto del calentamiento viene de trabajo de eje:

w =p t W =0,25∗51828 kj

10 minutos

seg ( 160minuto )=t

12957 kj =p 600 s p=21,6 kw SEGUNDO PASO Para el escaldado, depende de la madurez de la fruta, se escaldará en agua hirviendo, Aproximadamente 10 minutos. 100 kg de fruta se asumen 5 recipientes que manejen cada uno 20 kilos con un volumen de 25 litros y un afore para escaldado de 15 litros en agua evaporándose un cuarto de ella 3.75 litros

1kg ( 1litro )=3.75 kg

Q=∆ H

∆ H=m λ agua

∆ H=3.75

kg kj kj 2257 =8463 recipiente kg recipiente

∆ H total=8463

kj 5 recipientes=42318 kj recipiente

La potencia del proceso seria

P=

42318 kj =70.5 kw 60 seg 10 minutos( ) 1 minuto

TERCER PASO Se define en este punto un mezclado, con un afore de 15 litros para cocción. Se mezcla en un principio la mitad del azúcar total que se utilizara, junto a la fruta ya preparada. Donde el azúcar total es la misma cantidad en masa que la fruta mazucarinicial =mfruta 0.5 mazucarinicial =100 kgfruta 0.5=50 kg azucar inic ial

magua=15litros

1 kg ( 1litro )=15 kg

Q=∆ H mezcla ∆ H mezcla=mpulpa H pulpa +mazucar H azucar + magua H agua Si bien se tienen las cantidades másicas, podríamos solo hacer cálculos de balance de masa más no cálculos energéticos, puesto que se necesitarían los calores de disolución CUARTO PASO En la cocción se deben tener en cuenta dos procesos, un calor de mezclado (agrega la otra mitad de azúcar) y el de ebullición, se asume que el tiempo necesario para la cocción consume la mitad del agua en la que la fruta está sumergida Q=∆ H mezcla+ ∆ H ebullicion mazucarfinal=mfruta 0.5 mazucarfinal=100 kgfruta 0.5=50 kg azucar final

magua=15litros

1 kg ( 1litro )=15 kg

∆ H mezcla=mpulpa H pulpa +(mazucarfinal +m azucarinicial ) H azucar +magua H agua ∆ H ebullicion =magua λ agua

∆ H=7.5

kg kj kj 2257 =16927 recipiente kg recipiente

∆ H ebullicion =16927

kj 5 recipientes=84637 kj recipiente

Si la mitad del calor se aprovechara eventualmente como trabajo y la evaporación se lleva a cabo en 20 min su potencia será potencia=

42318 kj =35,26 kw 60 seg 20 minutos 1 minuto

(

)

PRIMER PASO En la desulfuración se hierve con un 20% de agua y se calienta durante 5-10 minutos hasta eliminar no menos del 90% del anhídrido sulfuroso presente. Se asume el procesamiento de 100 kg de fruta Cálculos de entropía T m λagua S=mc p ln 2 + T1 T eb

( )

( ( ) )

S=m c p ln

c p=4.18

T 2 λagua + T1 T eb

j g°C

λagua =2257

j g

j j 373 g j S=20000 g agua 4.18 ln + =141200 g° C 293 373 K k

(

( )

2257

)

SEGUNDO PASO Para el escaldado, depende de la madurez de la fruta, se escaldará en agua hirviendo, Aproximadamente 10 minutos. 100 kg de fruta se asumen 5 recipientes que manejen cada uno 20 kilos con un volumen de 25 litros y un afore para escaldado de 15 litros en agua evaporándose un cuarto de ella Q=∆ H

∆ H=mφ agua

∆ S=

Q T

3.75 ∆ S=

kg kj 2257 5 recipientes recipiente kg kj =113.45 373 K k

TERCER PASO Se define en este punto un mezclado, con un afore de 15 litros para cocción. Se mezcla en un principio la mitad del azúcar total que se utilizara, junto a la fruta ya preparada. Donde el azúcar total es la misma cantidad en masa que la fruta mazucarfinal=mfruta 0.5 mazucarfinal=100 kgfruta 0.5=50 kg azucar final

magua=15litros

1 kg ( 1litro )=15 kg

∆ Smezcla =−n jalea R ∑ x i ln x i

n jalea=∑ mi / P M i=57370000 mol

PM pulpa =400

g mol

PM azucar =342

g mol

PM agua =18

x pulpa=

mpulpa / PM pulpa =0.2 n jalea

x azucar =

x agua=

g mol

mazucar / PM azucar =0.12 n jalea

magua /PM agua =0.68 n jalea

∆ Smezcla =−n jalea R ∑ x i ln x i=8594

j k

CUARTO PASO En la cocción se deben tener en cuenta dos procesos, un calor de mezclado (agrega la otra mitad de azúcar) y el de ebullición, se asume que el tiempo necesario para la cocción consume la mitad del agua en la que la fruta está sumergida

S=∆ s mezcla+ ∆ s ebullicion mazucarfinal=mfruta 0.5 mazucarfinal=100 kgfruta 0.5=50 kg azucar final

magua=15litros

x pulpa=

mpulpa /PM pulpa =0.18 n jalea

x azucar =

x agua=

1 kg ( 1litro )=15 kg

mazucar / PM azucar =0.21 n jalea

magua /PM agua =0.60 n jalea

∆ Smezcla =−n jalea R ∑ x i ln x i=10782

∆ sebullicion =

magua λagua T

7.5 ∆ sebullicion =

S total=10.782



j k

kg kj 2257 5 recipientes recipiente kg kj =227 373 k k

kj kj kj +227 =237.8 k k k

Ciclos termodinámicos necesarios para la operación del proceso de elaboración de un producto.

En el proceso se dan algunos ciclos como el ciclo otto, este ciclo no se evidencia directamente en el proceso, este lo necesitamos en los autos los cuales traen las materias primas y comercializan el producto, este ciclo basado en la energía de combustión de un combustible aprovechada por una transformación a energía mecánica a través de varias cámaras de combustión con un pistón. Otro ciclo es el de refrigeración. El ciclo de refrigeración por vapor interviene cuando queremos mantener los alimentos a bajas temperaturas para que estos no se dañen, podemos emplearlo en conservar el producto antes de distribuirlo, este ciclo basado en cambios de fase de un refrigerante y expulsando energía calórica del sistema a través de su bajo punto de ebullición y una serie de compresiones. Nota: Los Cálculos de consumos energéticos para la elaboración de la mermelada se observan y presenta durante todo el proceso y han sido especificados dentro del desarrollo de este trabajo.

CONCLUSIONES

1. La primera ley de la termodinámica establece que la energía añadida o eliminada de un sistema se utiliza para realizar un trabajo en o por el sistema y para aumentar o disminuir la energía interna (temperatura) del sistema, la cual pudimos comprar y analizar en el proceso de elaboración de la mermelada 2. Existen distintos tipos de procesos termodinámicos, es decir, procesos en los cuales se modifican las variables termodinámicas de un sistema, para el caso de la elaboración de la mermelada se emplearon procesos isotérmicos e isométricos. 3. El calor de reacción nos ayuda conocer si la reacción es exotérmica o endotérmica. Esto permitirá saber cuánta energía debemos suministrar o cuanta energía liberará la reacción en cuestión. 4. La termodinámica es un área del conocimiento fundamental en muchos procesos que forman parte de nuestra vida diaria, por dicha razón, es importante conocer sus leyes y aplicaciones en cada aspecto que nos implique ya sea a nivel personal o profesional.

BIBLIOGRAFÍA

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Fundamentos de Termodinámica, O. Levenspiel, Prentice Hall, Primera Edición, 1997.

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Módulo de termodinámica, contenido didáctico del curso: 201015 – termodinámica

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Hetch, E. (2000). Física 1. Algebra y Trigonometría. Segunda Edición. p.503. Buenos Aires, Argentina: Thomson Editores S.A.

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Moran, M. & Shapiro, H. (2005). Fundamentos de Termodinámica Técnica. Segunda Edición. Barcelona, España: Editorial Reverté S.A.

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Bambicha, R; Lespinard, A; Mascheroni, R.H. & Agnelli, M.E. Variación de índices de calidad luego del tratamiento térmico de mermeladas elaboradas a partir de kiwis deshidratados osmóticamente. La Plata, Argentina: Centro de Investigación y Desarrollo en Criotecnología de Alimentos CIDCA.

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Barona, A. (2007). Mermeladas. Universidad del Valle. Cali, Colombia.

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Coronado, M. & Rosales, R. (2001). Elaboración de mermeladas. Procesamiento de alimentos para pequeñas y micro empresas agroindustriales. Lima, Perú: Unión Europea, CIED, EDAC, CEPCO. Disponible en: http://www.redmujeres.org/biblioteca %20digital/elaboracion_mermeladas.pdf

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Instituto Nacional de Tecnología Industrial. (2009). Mermeladas, dulces y confituras. Mermelada de Durazno. Buenos Aires, Argentina: El autor. Disponible en: http://www.inti.gob.ar/atp/pdf/cuadernilloMermeladas.pdf.



Universidad Nacional de Colombia. Vicerrectoría Académica. Dirección Nacional de Innovación Académica. Instituto de Ciencia y Tecnología de Alimentos (ICTA). Curso en línea de Transformación y Conservación de Frutas. En línea: http://www.virtual.unal.edu.co/cursos/agronomia/2006228/index.html.