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.a Universidad Nacional de Colombia Sede Manizales

01 02

PALOMA ANDRADE SANTACOLOMA OSCAR ANDRÉS PRADO RUBIO INGENIERIA QUIMICA

00 AUTORES

MANUAL DE PRÁCTICAS PARA EL LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS III

PALOMA ANDRADE SANTACOLOMA OSCAR ANDRÉS PRADO RUBIO

UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA SEDE MANIZALES FACULTAD DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA MANIZALES 2005

MANUAL DE PRÁCTICAS PARA EL LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS III

PALOMA ANDRADE SANTACOLOMA OSCAR ANDRÉS PRADO RUBIO

Trabajo de grado para optar el título de Ingeniero Químico

Director Gonzalo Morante G. Ingeniero Químico

UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA SEDE MANIZALES FACULTAD DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA MANIZALES 2005

RESUMEN

Con el fin de generar un manual de prácticas para el Laboratorio de Operaciones III, se plasmó en el documento una estandarización de los procedimientos de las experiencias manejadas en planta piloto en el laboratorio de procesos productivos de la Universidad Nacional Sede Manizales. El actual trabajo se encuentra dividido en 13 prácticas que son: fermentación para la obtención de etanol, destilación continua, destilación discontinua, extracción de grasas y aceites, fabricación de jabón y recuperación de glicerina, secado de sólidos, secado por aspersión, extracción del material soluble del café, liofilización del extracto de café, producción de una bebida láctea fermentada de tipo yogur, fabricación de papel, producción de acetato de etilo por esterificación de Fisher y curtido de pieles; cada una de las prácticas anteriores está compuesta por una sección teórica y una experimental las cuales se apoyaron en los trabajos de grado en el área de ingeniería química, trabajos de investigación de cursos de postgrado, experiencias de las diferentes líneas de profundización, procedimientos reportados en la literatura y corridas experimentales realizadas por los autores. Anexo a la documentación de las prácticas se incluyeron los procedimientos para llevar a cabo los ensayos de laboratorio y pruebas de calidad requeridas para las materias primas y productos de cada experiencia. Además, se plateó la evaluación de los recursos físicos que posee el Laboratorio de Procesos Productivos para esta materia, obteniéndose finalmente un diagnóstico y algunas sugerencias de los equipos y accesorios que presentan problemas para desarrollar las prácticas.

ABSTRACT

This work showed an standardization of the practice procedures that it has been managed in the productive process laboratory of the National University of Colombia in Manizales. The purpose of this work was to build a practice manual for the subject Unitary Operations of Laboratory III. The final document contain thirteen practice which are: -

Fermentation for the get ethanol Continuous distillation Discontinuous distillation Fatty and oil extraction Soap production and glycerin recovery Drying Spray drying Coffee extraction Lyophilization of coffee extract Yogurt production by lactic fermentation Paper production Ethyl acetate production by Fisher’s esterification Tanning skin

All practices were divide in two parts, theoretical section and experimental section. The information was based on works of students of the chemical engineering, investigation works of superior studies, experiences of different improving lines, procedures published by the literature and experimental runs made by the authors. The document has some procedures for the quality proof for the material raw and the final products. Also, The evaluation of the physical resources was included and it reached diagnosis and suggestions of the equipment and accessories necessary to development the practice.

CONTENIDO

Pág.

INTRODUCCIÓN. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 Práctica 1.

Práctica 2.

Práctica 3.

FERMENTACIÓN PARA LA OBTENCIÓN DE ETANOL. . . . . . . . . . . . 1.1 OBJETIVOS DE LA PRÁCTICA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2 MARCO CONCEPTUAL - Reseña histórica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . - Generalidades. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . - Clasificación de las fermentaciones. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . - Metabolismo celular. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . - Levaduras. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . - Factores que afectan las fermentaciones. . . . . . . . . . . . . . . . . . . - Cinética fermentativa para operación en discontinuo. . . . . . . . . . - Alternativas de proceso. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3 DESARROLLO DE LA PRÁCTICA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . - Materiales y equipos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . - Procedimiento. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . - Formato para la toma de datos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . BIBLIOGRAFÍA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3 3 3 4 6 7 9 11 13 17 22 22 23 26 28

DESTILACIÓN CONTINUA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1 OBJETIVOS DE LA PRÁCTICA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2 MARCO CONCEPTUAL - Generalidades. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . - Equilibrio de fases. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . - Regla de fases. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . - Azeotropía. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . - Diagramas de fases. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . - Métodos simples de destilación. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . - Destilación continua con reflujo y método McCABE-THIELE. . . . - Algoritmo para determinar el número de etapas teóricas. . . . . . . - Limitaciones del método McCABE-THIELE. . . . . . . . . . . . . . . . . - Alternativas del proceso. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3 DESARROLLO DE LA PRÁCTICA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . - Materiales y equipos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . - Procedimiento. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . - Formato para la toma de datos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . BIBLIOGRAFÍA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

31 31 31 32 34 34 34 35 36 44 45 46 48 49 50 54 58

DESTILACIÓN DISCONTINUA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

59

3.1 OBJETIVOS DE LA PRÁCTICA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2 MARCO CONCEPTUAL - Destilación en discontinuo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . - Destilación simple sin reflujo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . - Destilación con reflujo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3 DESARROLLO DE LA PRÁCTICA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . - Materiales y equipos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . - Procedimiento. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . - Formato para la toma de datos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . BIBLIOGRAFÍA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Práctica 4.

Práctica 5.

EXTRACCIÓN DE GRASAS Y ACEITES. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1 OBJETIVOS DE LA PRÁCTICA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2 MARCO CONCEPTUAL - Reseña histórica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . - Generalidades. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . - Características y clasificación de los aceites y las grasas. . . . . . - Componentes no glicéridos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . - Procesos de modificación de las grasas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . - Usos de los aceites y las grasas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3 OBTENCIÓN DE GRASAS Y ACEITES DE ORIGEN VEGETAL. . - Descripción del proceso. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4 OBTENCIÓN DE GRASAS Y ACEITES DE ORIGEN ANIMAL. . . . - Descripción del proceso. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.5 DESARROLLO DE LAS PRÁCTICAS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . - Extracción de aceites y grasas de origen vegetal. . . . . . . . . . . . . - Materiales y equipos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . - Procedimiento. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . - Formato para la toma de datos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . - Extracción de aceites y grasas de origen animal. . . . . . . . . . . . . - Materiales y equipos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . - Procedimiento. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . - Formato para la toma de datos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . BIBLIOGRAFÍA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . FABRICACIÓN DE JABÓN Y RECUPERACIÓN DE GLICERINA. . . . . 5.1 OBJETIVOS DE LA PRÁCTICA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2 MARCO CONCEPTUAL - Reseña histórica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . - Generalidades. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . - Características de los jabones. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . - Factores que intervienen en el proceso. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . - Glicerina. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.3 DESARROLLO DE LA PRÁCTICA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . - Procesamiento del jabón. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . - Materiales y equipos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . - Procedimiento. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . - Formato para la toma de datos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . - Procesamiento de la glicerina. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

59 59 60 63 68 69 69 73 75 77 77 77 78 79 80 80 81 82 83 85 86 89 89 89 90 93 94 94 94 97 99 101 101 101 102 103 104 105 106 106 106 107 110 113

Práctica 6.

Práctica 7.

Práctica 8.

- Materiales y equipos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . - Procedimiento. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . - Formato para la toma de datos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . BIBLIOGRAFÍA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

113 113 115 116

SECADO DE SÓLIDOS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.1 OBJETIVOS DE LA PRÁCTICA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.2 MARCO CONCEPTUAL - Generalidades. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . - Definición del proceso. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . - Interacción gas-sólido en secadores. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . - Temperaturas de saturación adiabática y bulbo húmedo. . . . . . . - Fundamentos del secado. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . - Modelos de temperatura. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . - Transferencia de calor en secadores. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . - Transferencia de materia en secadores. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . - Curvas de velocidad de secado. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . - Determinación de los tiempos de secado. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.3 DESARROLLO DE LA PRÁCTICA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . - Materiales y equipos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . - Procedimiento. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . - Formato para la toma de datos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . BIBLIOGRAFÍA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

117 117

SECADO POR ASPERSIÓN. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.1 OBJETIVOS DE LA PRÁCTICA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.2 MARCO CONCEPTUAL - Reseña histórica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . - Generalidades. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . - Definición del proceso. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . - Configuraciones de la operación. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . - Ventajas y desventajas del secado por aspersión. . . . . . . . . . . . - Factores que afectan la operación de secado. . . . . . . . . . . . . . . - Aplicaciones del secado por aspersión. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . - Fundamentos del secado. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . - Modelo de temperatura. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . - Transferencia de masa en el secador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . - Transferencia de calor en el secador. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . - Eficiencia térmica de la operación. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.3 DESARROLLO DE LA PRÁCTICA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . - Materiales y equipos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . - Procedimiento. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . - Formato para toma de datos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . BIBLIOGRAFÍA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

117 118 119 120 121 122 122 124 127 129 132 133 133 135 138 139 139 139 140 140 144 144 145 146 146 146 146 147 149 150 150 151 153 155

EXTRACCIÓN DEL MATERIAL SOLUBLE DEL CAFÉ. . . . . . . . . . . . . 157 8.1 OBJETIVOS DE LA PRÁCTICA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157 8.2 MARCO CONCEPTUAL - Reseña histórica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157

- Generalidades. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . - Antecedentes económicos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . - Composición del café. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . - Métodos convencionales de extracción. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . - Procesos de extracción. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . - Alternativas de proceso. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . - Rendimiento de la extracción. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . - Determinación del coeficiente volumétrico de transferencia de materia en el proceso discontinuo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . - Requisitos que deben cumplir los extractos de café. . . . . . . . . . . 8.3 DESARROLLO DE LA PRÀCTICA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . - Materiales y equipos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . - Procedimiento. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . - Formato para la toma de datos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . BIBLIOGRAFÍA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Práctica 9.

LIOFILIZACIÓN DEL EXTRACTO DE CAFÉ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.1 OBJETIVOS DE LA PRÁCTICA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.2 MARCO CONCEPTUAL - Reseña histórica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . - Generalidades. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . - Definición del proceso. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . - Ventajas y desventajas del proceso. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . - Campos de aplicación. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . - Liofilización del extracto de café. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . - Modelo matemático. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . - Requisitos que debe cumplir el café soluble. . . . . . . . . . . . . . . . . 9.3 DESARROLLO DE LA PRÁCTICA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . - Materiales y equipos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . - Procedimiento. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . - Formato para la toma de datos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . BIBLIOGRAFÍA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Práctica 10. PRODUCCIÓN DE UNA BEBIDA LÁCTEA FERMENTADA DE TIPO YOGUR. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.1 OBJETIVOS DE LA PRÁCTICA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.2 MARCO CONCEPTUAL - Reseña histórica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . - Generalidades. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . - Tipos de yogur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . - Aspectos microbiológicos y fermentativos. . . . . . . . . . . . . . . . . . - Factores que intervienen en el proceso. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . - Descripción general del proceso. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.3 DESARROLLO DE LA PRÁCTICA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . - Materiales y equipos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . - Procedimiento. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . - Formato para la toma de datos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . BIBLIOGRAFÍA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

158 158 159 161 163 164 164 164 166 168 168 169 171 173 175 175 175 176 176 179 180 180 181 183 184 184 185 187 188

189 189 189 190 190 191 193 196 199 199 199 201 203

Práctica 11. FABRICACIÓN DE PAPEL. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.1 OBJETIVOS DE LA PRÁCTICA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.2 MARCO CONCEPTUAL - Reseña histórica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . - Generalidades. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . - Características de las fibras. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . - Procesos para la producción de pulpa. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . - Reacciones químicas durante la digestión Kraft. . . . . . . . . . . . . . - Impacto ambiental de la producción de papel. . . . . . . . . . . . . . . . - Aspectos económicos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.3 DESARROLLO DE LA PRÁCTICA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . - Materiales y equipos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . - Procedimiento. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . - Formato para la toma de datos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . BIBLIOGRAFÍA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Práctica 12. PRODUCCIÓN DE ACETATO DE ETILO POR ESTERIFICACIÓN DE FISHER. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.1 OBJETIVOS DE LA PRÁCTICA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.2 MARCO CONCEPTUAL - Generalidades. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . - Procesos de obtención de acetato de etilo. . . . . . . . . . . . . . . . . . - Esterificación de Fisher para producción de acetato de etilo. . . . 12.3 DESARROLLO DE LAS PRÁCTICAS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . - Materiales y equipos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . - Procedimiento. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . - Formato para la toma de datos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . BIBLIOGRAFÍA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Práctica 13. CURTIDO DE PIELES. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13.1 OBJETIVOS DE LA PRÁCTICA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13.2 MARCO CONCEPTUAL - Reseña histórica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . - Generalidades. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . - Características de la piel. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . - Presentación de las pieles empleadas en el curtido. . . . . . . . . . . - Características del cuero. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . - Clases de curtido. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . - Proceso para el curtido de pieles. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13.3 DESARROLLO DE LA PRÁCTICA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . - Materiales y equipos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . - Procedimiento. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . - Formato para la toma de datos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . BIBLIOGRAFÍA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

205 205 205 206 207 208 212 213 213 215 215 216 218 220

221 221 221 222 223 226 227 227 231 234 235 235 235 236 237 238 239 239 241 245 245 245 247 249

CONCLUSIONES. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251 RECOMENDACIONES. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253 ANEXOS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255

LISTA DE ANEXOS Pág. ANEXO 1. A. B. C. D. E. F. G. H. I. J. K. L. M. N. Ñ. O. P. Q. R. S. T. U. V. W. X. Y. Z. AA. AB. AC. AD. ANEXO 2.

ENSAYOS DE LABORATORIO Y PRUEBAS DE CALIDAD. . . . . . . . . 255 Determinación de la masa y la densidad del sustrato (melaza). . . . . . . Corrección de la densidad del mosto por temperatura. . . . . . . . . . . . . . Determinación de la concentración de azúcares reductores por el método de Lane-Eynon. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Determinación de la concentración de biomasa. . . . . . . . . . . . . . . . . . . Determinación de los grados alcohólicos del mosto final. . . . . . . . . . . . Gráfica y regresión de la calibración del rotámetro del reflujo en la cima. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Corrección de los grados alcohólicos por temperatura. . . . . . . . . . . . . . Determinación del reflujo variable por el método de McCABE-THIELE. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Prueba de metanol. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Características fisicoquímicas de los aceites y grasas. . . . . . . . . . . . . . Determinación del índice de saponificación. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Determinación del índice de yodo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Determinación del índice de acidez. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Determinación del índice de refracción. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Determinación del contenido oleaginoso. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Determinación de la densidad o peso específico. . . . . . . . . . . . . . . . . . Procedimiento para el ajuste de pH del jabón. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Determinación de la equivalencia másica entre el KOH y el NaOH. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Determinación del contenido de humedad. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Determinación de los sólidos solubles en extractos . . . . . . . . . . . . . . . . Análisis del tamaño de partícula en el café tostado y molido (Según NTC 2441 y 3534) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Principios básicos para obtener una taza de café equilibrada. . . . . . . . Arranque del sistema de registro y control del liofilizador piloto. . . . . . . Determinación de la densidad de la leche. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Determinación de la materia grasa Método Gerber. . . . . . . . . . . . . . . . Determinación del extracto seco total o sólidos totales. . . . . . . . . . . . . Determinación de la acidez de productos lácteos. . . . . . . . . . . . . . . . . Formas de expresar la acidez titulable y su equivalencia en % de ácido láctico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Determinación el Porcentaje de celulosa. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Preparación de las soluciones de hidróxido de sodio 0.1 N y 0.5 N. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Análisis cromatográfico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . EVALUACIÓN DE LOS RECURSOS FÍSICOS. . . . . . . . . . . . . . . . . . .

257 257 258 261 261 264 265 268 268 271 271 274 277 278 279 281 281 282 282 283 283 284 284 285 285 286 288 288 290 291 292 295

LISTAS DE TABLAS

Pág.

Tabla 1.1 Tabla 1.2 Tabla 1.3 Tabla 1.4 Tabla 1.5

Algunas bioconversiones realizadas por microorganismos. . . . . . . . . . . Taxonomía de la Saccharomyces cerevisiae. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Microorganismos utilizados para las fermentaciones alcohólicas. . . . . . . Alternativas en el proceso de fermentación. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Cantidades de nutrientes y antisépticos requeridos para la fermentación. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5 10 19 20

Tabla 2.1 Tabla 2.2 Tabla 2.3 Tabla 2.4 Tabla 2.5 Tabla 2.6 Tabla 2.7 Tabla 2.8

Métodos utilizados para la determinar equilibrios de fases. . . . . . . . . . . . Configuración de las válvulas para calibrar la válvula de alimentación. . Configuración de las válvulas para humedecer la torre. . . . . . . . . . . . . . Configuración de las válvulas para lavar la torre. . . . . . . . . . . . . . . . . . . Configuración de las válvulas para dirigir el flujo al rehervidor. . . . . . . . . Configuración de las válvulas para el iniciar calentamiento del calderín. Configuración de las válvulas para dirigir el flujo a la columna. . . . . . . . . Configuración de las válvulas para lavar el calderín. . . . . . . . . . . . . . . . .

33 50 52 52 52 52 53 54

Tabla 3.1 Tabla 3.2 Tabla 3.3 Tabla 3.4 Tabla 3.5

Configuración de las válvulas para humedecer la torre. . . . . . . . . . . . . . Configuración de las válvulas para lavar la torre. . . . . . . . . . . . . . . . . . . Configuración de las válvulas para dirigir el flujo al rehervidor. . . . . . . . . Configuración de las válvulas para iniciar el calentamiento del calderín. Configuración de las válvulas para lavar el calderín. . . . . . . . . . . . . . . . .

70 70 71 71 72

Tabla 4.1

Contenido en aceite o grasa de las fuentes más comunes en la industria. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Clasificación de las grasas y aceites. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Contenido de ácidos grasos de diferentes aceites y grasas vegetales. . . Contenido de ácidos grasos de algunos tipos de grasas y aceites de origen animal. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

79 80 82 86

Tabla 4.2 Tabla 4.3 Tabla 4.4

25

Tabla 7.1

Arreglos utilizados para el secado por aspersión. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144

Tabla 8.1 Tabla 8.2 Tabla 8.3

Composición del café tostado. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160 Composición del café como bebida. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161 Requisitos fisicoquímicos para los extractos solubles de café. . . . . . . . . 167

Tabla 9.1 Tabla 9.2

Diferencias entre la deshidratación convencional y la Liofilización. . . . . . 177 Requisitos fisicoquímicos del café soluble. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183

Tabla 10.1 Características de la leche estipuladas por el Ministerio de Salud de Colombia. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194

Tabla 10.2 Características para el yogur, estipuladas por el Ministerio de Salud de Colombia. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196 Tabla 10.3 Combinación de temperatura-tiempo utilizadas para el tratamiento de la leche para la elaboración de yogur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197 Tabla 11.1 Longitudes de las fibras según el recurso fibroso. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209 Tabla 11.2 Efecto de la longitud de las fibras sobre las propiedades del papel. . . . . 209 Tabla 11.3 Producción mundial de pulpa (2000). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214 Tabla 13.1 Tipos de curtidos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

239

LISTA DE CUADROS

pág.

Cuadro 1.1

Formato para las variables que deben tener un seguimiento. . . . . . . .

27

Cuadro 2.1 Cuadro 2.2 Cuadro 2.3 Cuadro 2.4

Formato para los datos de calibración de la válvula de alimentación. . Formato para los datos de la etapa de estabilización. . . . . . . . . . . . . . Formato 1 para los datos de la destilación continua. . . . . . . . . . . . . . . Formato 2 para los datos de la destilación continua. . . . . . . . . . . . . . .

55 55 56 57

Cuadro 3.1 Cuadro 3.2 Cuadro 3.3

Formato para los datos de la etapa de estabilización. . . . . . . . . . . . . . Formato 1 para los datos de la destilación por lotes. . . . . . . . . . . . . . . Formato 2 para los datos de la destilación por lotes. . . . . . . . . . . . . . .

73 74 74

Cuadro 4.1

Datos para la extracción de aceite de origen vegetal por el método combinado. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Datos del proceso de refinación de aceites de origen vegetales. . . . . . Datos para la extracción de aceite de origen animal por el método de fusión húmeda y extracción con solvente. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Datos del proceso de refinación de aceites de origen animal. . . . . . . . Formato para el seguimiento de las variables de la etapa de fusión. . .

Cuadro 4.2 Cuadro 4.3 Cuadro 4.4 Cuadro 4.5 Cuadro 5.1 Cuadro 5.2 Cuadro 5.3 Cuadro 5.4 Cuadro 5.5 Cuadro 5.6 Cuadro 5.7 Cuadro 5.8

Datos de la determinación del índice de saponificación. . . . . . . . . . . . . Datos de la determinación del índice de yodo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Datos de la determinación del índice de acidez. . . . . . . . . . . . . . . . . . . Datos para la etapa de separación. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Datos para la determinación del índice de saponificación. . . . . . . . . . . Datos para la determinación del índice de yodo. . . . . . . . . . . . . . . . . . Datos para la determinación del índice de acidez. . . . . . . . . . . . . . . . . Formato para el seguimiento de variables durante el procesamiento del jabón. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

93 93 97 97 97 110 110 110 111 111 111 111 112

Cuadro 6.1 Cuadro 6.2

Formato para la toma de pesos de las bandejas. . . . . . . . . . . . . . . . . . 136 Variables para el seguimiento. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136

Cuadro 8.1 Cuadro 8.2 Cuadro 8.3

Productores de café en el mundo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159 Análisis granulométrico de la molienda de café. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171 Formato para seguimiento de variables. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172

Cuadro 10.1 Formato para el seguimiento de variables durante la fermentación. . . . 202 Cuadro 11.1 Formato para el seguimiento de variables. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219

Cuadro 12.1 Cuadro 12.2 Cuadro 12.3 Cuadro 12.4 Cuadro 12.5 Cuadro 12.6

Datos iniciales de los reactivos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Datos a reportar durante la etapa de reacción. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Datos de titulación para el seguimiento de la reacción. . . . . . . . . . . . . Caudal del agua de servicio. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Datos del producto final. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Datos de cromatografía para el seguimiento de la reacción. . . . . . . . .

231 231 232 232 233 233

LISTA DE FIGURAS

Pág.

Figura 1.1 Figura 1.2 Figura 1.3 Figura 1.4 Figura 1.5 Figura 1.6 Figura 1.7 Figura 1.8 Figura 1.9 Figura 2.1

Clasificación del reino protista. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Mecanismo de reacción EMBDEN-MEYERHOF-PARNAS (EMP). . . . Productos finales obtenidos del piruvato. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Proceso de gemación de una levadura. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Influencia de la temperatura en la velocidad de crecimiento de los Microorganismos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Curva típica de crecimiento para un cultivo por lotes. . . . . . . . . . . . . . . Evolución del proceso fermentativo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Esquema de la marmita para la fermentación. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Diagrama de bloques para la fermentación. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6 8 9 10 12 15 17 22 23

Figura 2.2 Figura 2.3 Figura 2.4 Figura 2.5 Figura 2.6 Figura 2.7 Figura 2.8 Figura 2.9 Figura 2.10 Figura 2.11 Figura 2.12 Figura 2.13

Curvas de equilibrio líquido-vapor para diferentes volatilidades relativas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Casos típicos de equilibrios binarios. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Columna de fraccionamiento continuo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sección de enriquecimiento de la torre. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sección de agotamiento de la torre. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Plato de alimentación. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Localización de la línea q para diferentes alimentaciones. . . . . . . . . . . Número mínimo de etapas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Determinación del reflujo mínimo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Método gráfico McCABE-THIELE. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Esquema de la destilación azeotrópica (mezcla etanol-agua). . . . . . . . Esquema de la columna de destilación piloto. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Diagrama de bloques para la destilación continua. . . . . . . . . . . . . . . . .

32 35 37 38 40 41 42 43 44 45 47 48 51

Figura 3.1 Figura 3.2 Figura 3.3 Figura 3.4 Figura 3.5 Figura 3.6 Figura 3.7

Equipo para una destilación simple. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Integración gráfica para la ecuación de RAYLEIGH. . . . . . . . . . . . . . . Columna de rectificación por lotes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Destilación por lotes con reflujo constante. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Destilación por lotes con reflujo variable. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Esquema de la columna de destilación piloto. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Diagrama de bloques para la rectificación discontinua. . . . . . . . . . . . .

60 62 64 65 66 68 69

Figura 4.1 Figura 4.2 Figura 4.3

Molécula de un triglicérido. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Prensa hidráulica para la extracción mecánica de aceite vegetal. . . . . (A) Equipo para la extracción de aceites con solvente; (B) Equipo para la recuperación del solvente. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Diagrama de bloques para el proceso de extracción de aceites de origen vegetal. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

78 89

Figura 4.4

90 91

Figura 4.5 Figura 4.6

Equipo (autoclave) para extracción de aceites de origen animal. . . . . . 94 Diagrama de bloques para el proceso de extracción de grasas y aceites. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95

Figura 5.1 Figura 5.2 Figura 5.3 Figura 5.4

Etapas de la saponificación. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Equipo para el proceso de saponificación. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Diagrama de bloques para la fabricación de jabón. . . . . . . . . . . . . . . . Diagrama de bloques para la recuperación de glicerina. . . . . . . . . . . .

103 106 108 114

Figura 6.1 Figura 6.2 Figura 6.3 Figura 6.4 Figura 6.5 Figura 6.6 Figura 6.7

Curva de humedad en el equilibrio en el secado. . . . . . . . . . . . . . . . . . Modelos de interacción gas-sólido en secadores. . . . . . . . . . . . . . . . . . Modelos de temperatura en secaderos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Carta psicrométrica para aire-vapor de agua a P = 0.78 bar. . . . . . . . . Curvas típicas de secado a condiciones constantes. . . . . . . . . . . . . . . Secador de bandejas piloto. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Diagrama de bloques para el secado de sólidos. . . . . . . . . . . . . . . . . .

119 120 122 127 128 132 134

Figura 7.1

Figura 7.3 Figura 7.4 Figura 7.5

Esquema del equipo para secado por aspersión en circuito abierto y flujo en paralelo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Características de las etapas involucradas en el secado por aspersión. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Comportamiento de las gotas durante el secado por aspersión. . . . . . Equipo para secado por aspersión. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Diagrama de bloques para el secado por aspersión. . . . . . . . . . . . . . .

Figura 8.1 Figura 8.2 Figura 8.3

Proceso para la extracción industrial de café. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162 Equipo (autoclave) para la extracción del material soluble del café. . . . 168 Diagrama de bloques para la extracción del material soluble del café. 169

Figura 9.1 Figura 9.2

Curva de velocidad de secado contra tiempo para la liofilización. . . . . Aplicación del modelo URIF a una geometría de bloque para la transferencia de masa en liofilización. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Equipo de liofilización piloto. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Diagrama de bloques para la liofilización de extracto de café. . . . . . . .

Figura 7.2

Figura 9.3 Figura 9.4 Figura 10.1

141 143 147 150 152

179 181 184 186

Figura 10.4 Figura 10.5

Secuencia de las reacciones producidas durante la fermentación de la lactosa hasta ácido láctico. . . . . . . . . . . . . . . . . Comportamiento de las cepas puras y mixtas de cultivos de yogur sembrados e incubados a 40ºC y con un 2 % de cultivo. . . . . . . . . . . . Metabolismo de crecimiento simbiótico de S. thermophilus y L. bulgaricus en leche. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Equipo para la fermentación de la leche en el proceso de yogur. . . . . . Diagrama de bloques para la producción de yogur. . . . . . . . . . . . . . . .

Figura 11.1 Figura 11.2

Origen de las fibras utilizadas en la manufactura del papel. . . . . . . . . . 206 Composición química de la madera. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208

Figura 10.2 Figura 10.3

192 193 193 199 200

Figura 11.3 Figura 11.4 Figura 11.5

Diagrama esquemático del proceso Kraft. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Equipo para la digestión (autoclave). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Diagrama de bloques para la fabricación de papel. . . . . . . . . . . . . . . .

211 215 217

Figura 12.1 Figura 12.2

Diagrama del reactor multipropósito. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226 Diagrama de bloques para el proceso de esterificación. . . . . . . . . . . . . 228

Figura 13.1 Figura 13.2 Figura 13.3

División superficie de la piel. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237 Estructura de la piel. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238 Diagrama de bloques para el proceso de curtido de pieles. . . . . . . . . . 246

INTRODUCCIÓN

Este trabajo presenta un manual de prácticas para el laboratorio de operaciones unitarias lll elaborado desde el punto de vista de la estructura académica, definida para ésta área, en la Universidad Nacional Sede Manizales. La organización de los temas se sustenta de acuerdo con la continuidad de las prácticas para que se puedan desarrollar de forma secuencial, ya que se plantean procesos donde los productos obtenidos son, a su vez, materias primas del proceso siguiente. Dentro del trabajo se incluye básicamente una serie de procesos y operaciones unitarias divididas en una sección teórica y una sección experimental. Con el marco conceptual se brinda la posibilidad de estudiar, recordar y analizar los fundamentos teóricos para desarrollar los objetivos de la sección experimental, logrando una interacción entre ambas partes. La idea de realizar un manual surgió del trabajo práctico que se ha venido ejecutando en los laboratorios de la sede, lo que impulsó a construir y materializar una documentación asequible y accesible por la comunidad académica, especialmente por el estudiantado de ingeniería química. El proyecto final recopila la información esencial y detallada de los procesos de secado, fabricación de papel, saponificación y recuperación de glicerina, fermentación para la obtención de etanol, destilación continua, rectificación y reacciones de esterificación. Con el fin de trascender el contenido de las prácticas de pilotaje industrial se presenta el estudio teórico para implementar los procesos de extracción del material soluble del café y liofilización de extracto de café que le da extensión a éste producto, ampliamente manejado en la región; el secado por aspersión que es una operación muy usada en la industria de los alimentos y productos químicos de los cuales es importante conocer y aplicar sus conceptos de forma experimental; la producción de una bebida láctea fermentada de tipo yogur que permite conocer un proceso desarrollado por bacterias donde se obtiene un producto de alto valor agregado y nutricional; la extracción de grasas y aceites que explica la operación de extracción sólido-líquido que es poco estudiada en el ámbito académico y el curtido de pieles que genera un producto con una amplia gama de fabricación de artículos de confección, con un reto adicional que es la búsqueda de procesos alternativos que reduzcan la contaminación que incorpora este proceso al medio ambiente. Por otro lado, no se incluye la práctica de difusión másica (difusividad), tradicionalmente desarrollada, pues su carácter planteado no corresponde a un proceso de planta piloto como se lleva a cabo con el resto de las prácticas documentadas en el manual. Además, durante la producción del trabajo se realizaron algunos cambios de nombre de las prácticas ya que al parecer de los autores los nuevos nombres dan una idea más clara de la experiencia que se va a desarrollar. Paralelamente al estudio de cada una de las prácticas se desarrolla el proceso de evaluación de los recursos físicos que están a disposición del laboratorio de procesos productivos de la sede, sugiriéndose un plan de adquisición y mantenimiento de aquellos elementos que dificultan el correcto desarrollo de las experiencias.

1

La construcción de una guía concisa, que presente un planteamiento claro de lo que se quiere lograr en cada una de las prácticas, se convierte en un pilar para alcanzar la integración de la ingeniería química aplicada con el entorno industrial.

2

Práctica 1 FERMENTACIÓN PARA LA OBTENCIÓN DE ETANOL 1.1 OBJETIVOS DE LA PRÁCTICA

Objetivo General Estudiar el proceso de obtención de etanol por fermentación de melaza o miel virgen utilizando Saccharomyces cerivisiae. Objetivos Específicos 1. 2. 3. 4. 5.

Realizar los balances de materia del proceso, tanto teóricos como reales Modelar la cinética del proceso biológico Monitorear el proceso de fermentación a través de sus principales variables Establecer la cantidad de producto obtenido durante el proceso fermentativo Calcular el rendimiento o eficiencia del proceso

1.2 MARCO CONCEPTUAL

Reseña histórica [1], [18] Las bebidas alcohólicas fueron preparadas desde la antigüedad por civilizaciones como las egipcia, israelita, griega y germana. Se menciona la probabilidad de que la obtención de alcohol se iniciara en países vinícolas del mediterráneo como Italia, aunque también aparecen indicios de equipos para destilar alcohol entre los alquimistas helénicos de Alejandría hacia el siglo I. La primera evidencia escrita de la producción de alcohol no aparece sino hasta el siglo XII, en donde se denomina a la sustancia como agua ardiente. Posteriormente, entre los años 1240-1313 aparecen otros nombres como aqua ardens, aqua permanens y aqua vitae. A principios del siglo XIV comienzan a aparecer nuevas metodologías para la obtención del preciado líquido como la concentración utilizando sales alcalinas y la destilación fraccionada; en esta época, a pesar de los avances en la producción de alcohol, no se tenía una idea clara de los fenómenos que se encontraban detrás del proceso.

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En el siglo XV ya existía una producción generalizada de alcohol, sin conocerse aún a ciencia cierta el proceso. Solo fue hasta 1680 que comenzaron estudios concretos, liderados por Leeuwenhoek, para desentrañar el fenómeno de la fermentación gracias a la utilización de microscopios. Para estos días la fermentación era definida como la descomposición originada por un cuerpo vivo con la capacidad de modificar los componentes del hábitat donde se encuentra y formar nuevas combinaciones. A mediados del siglo XVIII se realizan notables avances en la destilación y en 1974 Mac Bride demostró que el gas desprendido en la fermentación era ácido carbónico ( CO2 ). Poco después Lavoisier deslumbró la esencia del proceso fermentativo demostrando que los azúcares se desdoblaban en alcohol y ácido carbónico. En 1976 Lowitz obtuvo el primer alcohol anhidro, tratando el alcohol rectificado con carbonato potásico. Hacia 1810 Gay Lussac señaló que la fermentación alcohólica requería la interacción de un material sacarino y un fermento particular de origen animal; en 1836 se encontró que los microorganismos responsables de la fermentación eran levaduras. Durante estos días se desencadenó un gran debate en torno a los principios que regían la fermentación; una posición argumentaba que el proceso se daba gracias a la acción de una fuerza catalítica y por otro lado se sostenía que las sustancias nitrogenadas de fácil descomposición originaban un movimiento químico hacia el cuerpo susceptible a la fermentación y así se producía el desdoblamiento. El debate terminó cuando Pasteur demostró que la levadura descompone los azúcares como consecuencia de su actividad vital además de que en el proceso fermentativo se producen otras sustancias diferentes al alcohol y el ácido carbónico como el ácido succínico y la glicerina. Pasteur evidencia también la influencia perjudicial de las bacterias sobre la fermentación. En 1896 Buchner aisló por primera vez, a partir de la levadura, la enzima zimasa, la cual es la principal responsable de producir la fermentación de una solución azucarada, es decir, que el poder de las células vivas de producir la fermentación se debe a esta enzima. A partir de este momento se iniciaron investigaciones para estandarizar y cuantificar las soluciones alcohólicas y los sustratos utilizados para producirlas, motivadas por los estudios de Gay Lussac. La industria del alcohol se desarrolló aún más por las innovaciones propuestas por Koch (cultivo de bacterias en ácido láctico) y Delbrük (sistema de inseminación natural). Desde entonces las mejoras en el proceso de obtención de alcohol se han dado optimizando los procesos, variando los microorganismos y sustratos utilizados e innovando en las técnicas utilizadas para la separación del etanol. Generalidades Las bioconversiones son procesos en los cuales los microorganismos convierten un grupo de sustancias en un producto utilizando para esto desde un pequeño número hasta una complicada secuencia de reacciones enzimáticas [2]. Durante estos procesos una

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Fermentación para la Obtención de Etanol

pequeña cantidad de microorganismos crece y se multiplica tomando los nutrientes necesarios del medio donde se encuentren. Se distinguen cuatro actividades en las transformaciones microbianas [3]: 1. Desarrollo: en esta fase el microorganismo aumenta de tamaño y se reproduce 2. Asimilación: aquí el sustrato es transformado en ciertas sustancias necesarias para el desarrollo y actividad vital del microorganismo. 3. Biosíntesis: es la formación de compuestos complejos al interior de la célula necesarios para la vida del microorganismo. 4. Desasimilación: algunos compuestos encontrados en el sustrato son transformados en nuevos productos que poseen libertad. En la actualidad miles de bioconversiones llevadas a cabo por microorganismos son conocidas, las más importantes se muestran en la tabla 1.1. Tabla 1.1. Algunas bioconversiones realizadas por microorganismos Hidrólisis Hidroxilación Mutilación Condensación Descarboxilación Amidación

Esterificación Desmetilación Hidratación Aminación Fosforilación Epoxidación

Halogenación Isomerización Reducción Deshidratación Oxidación Deaminación

La biotecnología ha sido definida por la Federación Europea de Biotecnología como la integración de la Bioquímica, la Microbiología y la Ingeniería Química con el fin de de alcanzar la aplicación tecnológica de los microorganismos y de los cultivos celulares de tejidos [3]. La palabra fermentación se deriva etimológicamente del latín fervere, que significa ebullición o burbujeo. Aún en estos días se presenta en la literatura un poco de ambigüedad en la definición de fermentación. Algunos autores señalan a la fermentación como el uso de microorganismos para la generación de productos de alto valor agregado [3], [4]. No obstante, la Real Academia de Ciencias Exactas restringe la definición de fermentación solo a los procesos anaerobios1, aunque por extensión puede ser utilizado en todos los casos2. Las principales razones para utilizar biotransformaciones son la especificidad de producto de los microorganismos y los rendimientos que se pueden alcanzar [2]. Comercialmente los productos más importantes de las fermentaciones industriales se clasifican en cuatro categorías [6]: ¾ Células microbianas 1

Se ha reevaluado la utilización del término aerobio y anaerobio; para ser más precisos se sugiere mencionar oxibiótico. 2 Diccionario Esencial de las Ciencias. Real Academia de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales. Editorial EPASA. Madrid, 2001.

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¾ Moléculas de gran tamaño como, enzimas y polisacáridos ¾ Productos básicos asociados al desarrollo celular ¾ Productos secundarios no asociados al crecimiento celular Algunos ejemplos que caben dentro de estas cuatro categorías son: ácidos orgánicos, aminoácidos, antibióticos, vitaminas, pigmentos, vacunas, proteínas, anticuerpos, insecticidas, entre otros [12]. Clasificación de las fermentaciones [6], [7] Las fermentaciones se pueden clasificar desde diferentes puntos de vista, que son: 1. Por microorganismos: la clasificación taxonómica del reino protista abarca las más importantes características de los microorganismos como los son los requerimientos energéticos y nutricionales, velocidad de crecimiento y formación de producto, forma de reproducción y diferencias morfológicas. En la figura 1.1 se muestra dicha clasificación. REINO PROTISTA

Procarioticas

Bacterias

Eucarioticas

Algas verde-azules

Hongos

Mohos

Algas

Protozoos

Levaduras

Figura 1.1. Clasificación del reino protista [7] Para las bacterias, en particular, se pueden clasificar como Gram-positivas o Gramnegativas, en función de su respuesta a la coloración de Gram que afecta a los peptidoglicanos presentes en la membrana celular. 2. Suministro de oxígeno: según las necesidades de oxígeno, los microorganismos pueden ser clasificados tradicionalmente como aerobios, anaerobios y facultativos3. 3. Fase en que se lleva a cabo la fermentación: el proceso fermentativo se puede llevar a cabo en tres fases: -

Fermentación en estado sólido: para este caso el sustrato se encuentra en fase sólida (no seco); una alternativa es usar un soporte sólido para el crecimiento del microorganismo y alimentar el sustrato semifluido. Fermentación superficial: el sustrato es líquido y los microorganismos crecen en la superficie de este. Es efectivo casi exclusivamente para hongos.

3

Son aquellos microorganismos que pueden crecer en situaciones de aerobiosis y de anaerobiosis; por ejemplo, las levaduras industriales.

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6

Fermentación para la Obtención de Etanol

-

Fermentación sumergida: para este caso los microorganismos, nutrientes y el producto se encuentran disueltos en el medio de cultivo. Es aplicable a la gran mayoría de los microorganismos.

4. Régimen temporal: las fermentaciones se pueden llevar a cabo en forma discontinua, por lotes alimentados (fed-batch) o en continuo. Metabolismo celular Los microorganismos, como sistemas termodinámicos abiertos, se encuentran en estado estacionario debido a los flujos permanentes de varias sustancias originados por los gradientes químicos o electroquímicos; para mantener estos gradientes y los flujos se requiere energía. En los sistemas biológicos se emplea básicamente la energía de la hidrólisis del ATP4, como una forma de energía más universal para todos los seres vivientes, aunque esta no es la única. Una de las fuentes del ATP es la fosforilación oxidativa del sustrato, que realizan diversas enzimas en el medio acuoso. Pero en las células aeróbicas, la mayor cantidad del ATP se produce en los sistemas de la fosforilación oxidativa y la fotofosforilación en las biomembranas especializadas: en la membrana interna de mitocondrias, en la membrana de tilacoides de cloroplastos y la membrana plasmática de las bacterias [8]. El metabolismo celular se clasifica, según el tipo de productos obtenidos, en dos: ¾ Metabolismo primario: el crecimiento, la actividad vital y la reproducción celular son dependientes de la capacidad del microorganismo para captar nutrientes del medio que lo rodea, debido a que las necesidades energéticas de las células se deben solventar con rompimiento de compuestos orgánicos. En los procesos aerobios los microorganismos tienen la capacidad de convertir el sustrato empleado en CO2 y H 2 O lográndose extraer un máximo de energía que es utilizado para generar nueva masa celular. Para el caso anaerobio la transformación no es completa, obteniéndose compuestos intermedios que son secretados por el microorganismo [6]. Los mecanismos catabólicos5 para la asimilación de los azúcares se dan por tres vías: La Embden-Meyerhof-Parnas (EMP), la de la hexosa monofosfato (HMP) y la de Entner-Doudoroff (ED). La ruta EMP es la más difundida entre células animales y vegetales, hongos, levaduras y bacterias. La secuencia de reacción EMP convierte la glucosa en dos moléculas de piruvato a través de reacciones de isomerización, rompimiento de anillos y transferencia de grupos como el fosfato y el hidrógeno; además se llevan a cabo

4

El adenosin en una molécula formada a partir de la ribosa y la adenina. El más importante derivado de este compuesto es el adenosin monofosfato (AMP); a medida que aumentan los grupos fosfato en la molécula se forman el adenosin difosfato (ADP) y el adenosin trifosfato (ATP) [7]. 5 Desdoblamiento de los nutrientes para la obtención de energía

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diversas interacciones entre los grupos ATP, ADP, NAD6 y NADH. El camino de reacción EMP se muestra en la figura 1.2 [7]. 6

CH2OH O

5

H

H

Gliceraldehído 3-fosfato

H

4

Glucosa

1

OH

HO 3

H

H

Gliceraldehído 3-fosfato Deshidrogenasa

OH 2

CH2OPO3

ATP

HCOH

ADP

HO

CH2OPO3 O H

O

H

ADP

3-Fosfoglicerato Quinasa

ATP

OH

H

H

1,3-Difosfoglicerato

C OPO3

6-fosfato Glucosa OH

+

NADH

OH

Hexoquinasa

H

NAD

CH2OPO3 3-Fosfoglicerato HCOH

OH

Fosfohexoisomerasa

COO

CH2OPO3

Fosfogliceramutasa

O CH2OH 6-fosfato Fructosa OH

OH

H

H OH

CH2OH HCOPO3 2-Fosfoglicerato

H

COO ATP

Fosfofructoquinasa

Enolasa

ADP

H 2O

CH2OPO3 O

CH2

CH2OPO3 1,6-difosfato Fructosa H OH

OH

H

OH

COPO3 Fosfoenolpiruvato COO

H ADP

Piruvato Quinasa

Aldolasa

ATP

C

O

Triosa Isomerasa

CH2OH Dihidroxiacetona Fosfato

O

C

HCOH

O

CH3 HC

CH2OPO3

Piruvato

COO

CH2OPO3 Gliceraldehído 3-fosfato

Figura 1.2. Mecanismo de reacción Embden-Meyerhof-Parnas (EMP) [7] A partir del piruvato se obtiene una variedad de productos, estos se ilustran en la figura 1.3. 6

La nicotinamida-adenina dinucleótido (NAD) es un compuesto que cumple funciones similares al ATP. Se puede presentar en su forma oxidada (NAD+), reducida (NADH) y fosforilada (NADP).

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Fermentación para la Obtención de Etanol

Piruvato Lactato

Acetil-CoA Oxalacetato Succinato Propionato

Acetaldehído

Acetato Unidades de acetato

Etanol

Metano

2-Acetil 2-Formato Acetoína

2H2 Acetato

Etanol

2CO2

Acetoacetato

Butirato

2,3-Butanodiol

Butirato

Acetona + CO2

Butanol

Isopropanol

Figura 1.3. Productos finales obtenidos del piruvato [6] La reacción global EMP que termina con el piruvato es: (Pi indica la fuente de fósforo) C6 H12 O6 + 2 PI + 2 ADP + 2 NAD +

2 C3 H 4 O3 + 2 ATP + 2 ( NADH + H+ )

Algunas fermentaciones anaerobias que usan cepas de Saccharomyces, Lactobacillus y Clostridium emplean la ruta EMP. Particularmente la S. cerevisiae produce etanol cuando el piruvato producido por la glicosilación se convierte en acetaldehído y después en etanol, conjuntamente el NADH + H + formado durante la glicólisis es reoxidado por la enzima alcohol deshidrogenasa. La reacción global es la siguiente [6]: C6 H12 O6 + 2 ADP

2 C2 H 5OH + 2CO2 + 2 ATP

Para el caso de fermentación alcohólica utilizando Saccharomyces cerevisiae YENHAN et al., exponen un mecanismo detallado de las reacciones involucradas en una fermentación continua llevada a cabo en un CSTR [11]. ¾ Metabolismo secundario: los compuestos generados durante el metabolismo secundario no desempeñan un papel claro en las transformaciones energéticas ni en la biosíntesis celular. Se menciona que estos compuestos, principalmente antibióticos, actúan como inhibidores de otros microorganismos, efectores para la diferenciación, agentes de simbiosis, entre otros papeles. La producción de metabolitos secundarios se apoyan en mecanismos similares al metabolismo primario, debido a que sus precursores son metabolitos primarios modificados; por ejemplo ácidos orgánicos, aminoácidos alifáticos, derivados de azúcares, unidades de isopreno, etc. [6]. Levaduras [6], [7], [9], [10], [18] Las levaduras son microhongos generalmente encontrados en el la tierra de regiones con humedad relativa baja. Estos microorganismos son quimioorganótrofos, es decir, que obtienen su energía y carbono por la oxidación de compuestos orgánicos. Las levaduras pueden ser desde células individuales o cadenas cortas hasta formas celulares que incluyen varios tipos de filamentos. El proceso de reproducción de estos Oscar Andrés Prado

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hongos se conoce como gemación, en donde la célula hija comienza siendo una yema, que crece hasta alcanzar casi el tamaño de la célula madre y se separa. El proceso de reproducción se indica en la figura 1.4. La membrana celular de las levaduras se compone principalmente por una membrana citoplasmática constituida por lípidos, proteínas y mananos, un espacio periplásmico y la pared celular, que contiene algunas proteínas y grandes cantidades de glucano y manano. Vacuola Aparato de Golgi Núcleo

Retículo endoplasmático

Pared celular Cicatriz de la yema

Huso

Mitocondria

Figura 1.4. Proceso de gemación de una levadura [6] El género Endomycetes forma micelio, mientras que los géneros Schizosaccharomyces y Saccharomyces rara vez lo forman. Por lo general, las especies de Saccharomyces producen pseudomicelio en cultivos muy viejos, el pseudomicelio está constituido por células brotantes (células hijas) que no se desprenden de las células madres, presentándose entonces como cadenas de células que se entrelazan dando la impresión de un micelio. Las levaduras de mayor importancia industrial son la Saccharomyces cerevisiae, Kluyveromyces lactis, Candida utilis y Endomycopsis fibuliger. El nombre Saccharomyces cerevisiae proviene del latín Saccharum (azúcar), mykes (hongo), y cerevisia (cerveza). La posición taxonómica se enseña en la tabla 1.2. Tabla 1.2. Taxonomía de la Saccharomyces cerevisiae [9] Posición taxonómica Phylum Ascomycota Clase Hemiascomycetes Orden Saccharomycetales Familia Saccharomycetaceae Sinónimo Saccharomyces boulardii La Saccharomyces cerevisiae es un hongo unicelular eucariótico que presenta células alargadas, globosas o elipsoidales, con gemaciones o blastoconidios multilaterales (de 3-

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10µm x 4,5-1µm), ascos con hasta cuatro esporas esféricas o elipsoides y de pared lisa en su interior. Su temperatura óptima de reproducción es 30ºC. Esta levadura se considera que posee un poder fermentativo medio-alto, es decir, que producen más de 5% (v/v) de etanol [9]. Factores que afectan las fermentaciones En los bioprocesos hay que tener en cuenta además del microorganismo, las condiciones que permitan alcanzar una conversión efectiva del sustrato en el producto deseado. Algunos de estos factores son [2], [6]: ¾ Regulación de la síntesis de enzimas: este factor es muy importante durante la etapa de crecimiento celular. Cada célula tiene la capacidad de producir una gran cantidad de enzimas que deben generarse en forma coordinada para que el microorganismo funcione de una manera eficiente. La regulación del metabolismo celular se ve influenciado por factores como la síntesis y degradación de enzimas, la represión catabólica7, la modulación de la actividad enzimática, entre otros. ¾ Mutación: en ocasiones, el rendimiento de las bioconversiones puede mejorarse por la mutación del microorganismo, con el fin de que este produzca en una proporción más adecuada las enzimas necesarias para generar el producto deseado. Los microorganismos genéticamente alterados después de mucho reproducirse tienden a volver a la cepa original. ¾ Permeabilidad: para algunos microorganismos se hace necesario la alteración de la permeabilidad de su membrana celular hacia determinados sustratos o productos. Por ejemplo, cuando la Saccharomyces cerevisiae, antes de la adición del sustrato, es agitada en presencia de un catión con superficie activa se presenta la conversión de adenosina a ATP. ¾ Cometabolismo: consiste en la utilización de dos sustratos. Uno se emplea para el crecimiento y manutención del microorganismo, mientras que el segundo es convertido en el producto deseado. Esta técnica se aprovecha cuando los sustratos requeridos son muy costos, así como también cuando un solo sustrato no solventa el crecimiento del microorganismo. ¾ Inhibición por producto: un problema en las biotransformaciones es la inhibición por producto, debido a que cuando se forma el compuesto de interés la velocidad de generación de producto disminuye. Un caso particular se da en la fermentación alcohólica utilizando S. cerevisiae, donde se puede producir etanol hasta una concentración de 12%-14% (v/v); aunque se han logrado obtener cepas que alcanzan concentraciones hasta de 18% (v/v), no se ha podido evitar la inhibición por producto. Los factores fisiológicos que influyen en la tolerancia de las levaduras al etanol son el aporte del sustrato, la acumulación de etanol intracelular, la presión osmótica y la temperatura.

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Es el fenómeno que ocurre cuando la célula crece en un medio que contiene altas concentraciones de sustrato o más de un sustrato utilizable para el crecimiento, por lo que se inhibe un proceso.

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¾ Bioconversiones mixtas: para cierto tipo de bioprocesos se requiere la interacción de dos o más microorganismos con el fin de elevar el rendimiento. Por ejemplo, en la producción de yogur se usan cepas de Lactobacillus bulgaricus y Streptococcus thermophilus que actúan de forma sinérgica. ¾ Temperatura: de forma análoga a las reacciones químicas y enzimáticas, el crecimiento celular sufre alteraciones por la temperatura. La temperatura a la cual prolifera un microorganismo depende de su naturaleza psicrofílica, mesofílica o termofílica como se muestra en la figura 1.5. El efecto de la temperatura sobre la velocidad de crecimiento puede representarse por la ecuación de Arrhenius.

Velocidad de crecimiento

Para la S. cerevisiae la velocidad de fermentación aumenta con la temperatura entre los 18ºC y los 35ºC, de igual manera lo hacen las concentraciones de glicerol, acetona, 2,3-butenodiol, acetaldehído, piruvato y 2-cetoglutarato en el medio de cultivo. Por encima de 35ºC el riesgo de alteración bacteriana es grande ya que a estas elevadas temperaturas las membranas celulares de las levaduras dejan de ser tan selectivas, emitiendo sustratos muy adecuados para la proliferación de bacterias.

Psicrófilos

0

10

20

Mesófilos

30

40

Termófilos moderados

50

60

Termófilos extremos

70

80

90

100

110

Temperatura (ºC)

Figura 1.5. Influencia de la temperatura en la velocidad de crecimiento de los microorganismos [6] ¾ pH: cada microorganismo posee diferente tolerancia a las variaciones de pH, en general crecen en intervalos de 3 unidades de pH o menos. A medida que disminuye el pH las levaduras pierden su capacidad fermentativa, aunque otros microorganismos como las bacterias se ven afectadas en mayor medida. Para pH elevados se incrementa la producción de glicerol. En la fermentación alcohólica se utiliza ácido clorhídrico o sulfúrico para ajustar el pH entre 3.5 y 4.5; el ácido sulfúrico además de desdoblar la sacarosa (inversión de la sacarosa) sirve también como antiséptico, precipita cationes como el calcio y el magnesio en forma de sulfatos8 [19]. ¾ Actividad del agua: este factor es de importancia cuando la fermentación se da en estado sólido o superficial. La humedad relativa del medio debe ser la suficiente como para no inhibir el crecimiento del microorganismo; para mohos la humedad debe ser mayor al 70%, mientras que para las bacterias requiere superar el 95%. 8

La presencia de los iones de calcio y magnesio en los caldos de cultivo inhibe el crecimiento de la levadura [19].

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¾ Nutrientes: los microorganismos fermentativos necesitan una fuente que les permita obtener la energía necesaria para sus procesos vitales, pero además necesitan otros sustratos como son nitrógeno, fósforo, azufre, potasio, magnesio, calcio y vitaminas, especialmente la tiamina (vitamina B1). Por ello es de vital importancia que el medio disponga de una base nutricional adecuada para poder llevar a cabo la fermentación alcohólica. El nitrógeno es el más importante, siendo necesario que el mosto contenga inicialmente nitrógeno amoniacal y en forma de aminoácidos por encima de 130ppm150ppm. Una deficiencia de estos nutrientes hará que los microorganismos ataquen proteínas de altos pesos moleculares, liberándose H2S. El nitrógeno se adiciona comúnmente en forma de úrea. ¾ Agentes inhibidores: se debe evitar su presencia en el medio de cultivo; para las levaduras agentes que inhiben el metabolismo son productos fitosanitarios y ácidos grasos saturados de cadena corta. ¾ Aireación: aunque la fermentación alcohólica es considerada como una bioconversión anaerobia, la aireación se emplea para iniciar la fermentación. Además, las levaduras necesitan una pequeña cantidad de oxígeno, durante el proceso, para sintetizar algunos esteroles y ácidos grasos insaturados de cadena larga necesarios para que sus membranas celulares puedan ser funcionales. CINÉTICA FERMENTATIVA PARA OPERACIÓN EN DISCONTINUO [2], [6], [7], [12] Antes del inicio de la fermentación, el medio de cultivo contiene una gran cantidad y variedad de microorganismos como mohos, bacterias, levaduras e incluso protozoos. Sin embargo, son las levaduras y bacterias las que empiezan a sobrevivir y multiplicarse en este medio, aun cuando las bacterias permanecen durante gran parte del proceso fermentativo en un estado de latencia. Inicialmente el mosto es un medio adecuado para el crecimiento y poco a poco este se va haciendo más inhóspito debido a la disminución de azúcares y nutrientes y al incremento de la concentración de alcohol. Inicialmente, cuando el medio es favorable, las levaduras se multiplican por vía vegetativa asexual durante la mitosis, mientras que al final de la fermentación alcohólica comienzan a reproducirse sexualmente por meiosis, señal de que el medio de vida es muy desfavorable por falta de sustratos. En esta última etapa del proceso fermentativo, las bacterias lácticas empiezan a aumentar su densidad de población. En el metabolismo celular, no todo el sustrato es consumido para la formación de nueva biomasa; de allí surge el concepto de rendimiento global estequiométrico (teórico) y aparente. El rendimiento estequiométrico se define como la cantidad de biomasa o producto formado por la cantidad de sustrato consumido con esa finalidad, mientras que el rendimiento aparente es la cantidad de biomasa o producto presente por la cantidad total de sustrato total consumido. En particular, el rendimiento de producto puede ser expresado en función de la biomasa. Debido a la variedad de reacciones que transcurren durante la fermentación, el rendimiento teórico y aparente pueden ser diferentes. Oscar Andrés Prado

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Para el caso de biomasa, la complejidad del metabolismo no permite conocer la cantidad de sustrato consumido por las actividades vitales del microorganismo, así que el rendimiento aparente es el único disponible. Para determinar el rendimiento teórico de producto se realiza el cálculo estequiométrico a partir de la reacción total. El rendimiento aparente global puede determinarse utilizando su definición:

Yxs = −

∆x x − x0 = ∆s s 0 − s

(1.1)

Y ps = −

∆p p − p 0 = s0 − s ∆s

(1.2)

Y px =

∆p p − p0 = ∆x x − x0

(1.3)

Donde Yxs : rendimiento aparente de biomasa a partir de sustrato

Y ps :

rendimiento aparente de producto a partir de sustrato

Y px :

rendimiento aparente de producto a partir de biomasa

s0 : x0 : p0 :

concentración de sustrato inicial (g/l) concentración inicial de biomasa (g/l) concentración inicial de producto (g/l)

Para un proceso por lotes los modelos propuestos para la cinética del proceso son: 1. Cinética de crecimiento microbiano: la variación de la cantidad de células en una fermentación se ilustra en la figura 1.6. La fase de latencia se caracteriza por ser la etapa en donde el microorganismo se comienza a adaptar al cambio abrupto de las condiciones sintetizando nuevas enzimas. Una vez se adecúa, comienza a crecer exponencialmente hasta alcanzar el periodo estacionario, donde la biomasa permanece aparentemente constante debido a que las células que mueren se compensan con las que nacen. Cuando el sustrato se agota o las condiciones del medio se vuelven inhóspitas los microorganismos comienzan a morir. Para determinar la velocidad de crecimiento de los microorganismos se han propuesto diversos modelos. Los más reconocidos son los siguientes: ¾ Modelo de Malthus: este modelo es aplicable solo al periodo de crecimiento exponencial, y supone que la velocidad de crecimiento depende solo de la cantidad de células. La ecuación de Malthus es:

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dx = µx dt

(1.4)

Log de la cantidad de células (Nº cél./l) ó (g/l)

Donde x(t ) : cantidad de biomasa (g/l) velocidad específica de crecimiento celular constante, esta depende del µ: microorganismo. (h-1)

Fase estacionaria

Periodo de crecimiento exponencial

Fase de muerte

Fase de latencia Tiempo

Figura 1.6. Curva típica de crecimiento para un cultivo por lotes ¾ Modelo de Monod: el modelo empírico de Monod fue formulado en 1942, partiendo de la ecuación de Malthus y suponiendo que la velocidad específica de crecimiento está relacionada con la concentración de sustrato, de manera análoga a las isotermas de adsorción de Langmuir o las reacciones catalizadas por enzimas con un único sustrato de Michaelis-Menten. La ecuación de Monod es:

µ=

µ max s Ks + s

(1.5)

Donde: µ max : velocidad específica máxima de crecimiento celular (h-1) s: concentración de sustrato (g/l) K s : constante de semisaturación, depende del sustrato y el microorganismo (g/l). El modelo de Monod describe sólo a los periodos de crecimiento exponencial y fase estacionaria. ¾ Ecuación logística: es un modelo sencillo propuesto por Verlhurst en 1844 y modificado por Peral y Reid en 1920. Este modelo considera, de manera análoga

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al de Malthus, que la velocidad de crecimiento depende sólo de la concentración de células, pero incluye un término de inhibición proporcional al cuadrado de la concentración de biomasa. La ecuación logística es:

dx = kx − β x 2 dt

(1.6)

Donde k: término análogo a la ecuación de Malthus constante del término de inhibición β: Una alternativa para modelar el crecimiento microbiano es mediante una descripción química, es decir, plantear una reacción química. Este procedimiento se le llama estructurado y es explicado en detalle por COONEY [2] y DORAN [12]. 2. Cinética para el consumo de sustrato: el sustrato consumido por el microorganismo tiene como finalidad el crecimiento celular, mantenimiento de las actividades vitales y la generación de producto, para el caso donde la formación de producto no esté asociada en forma directa al metabolismo energético. Para modelar la variación de la concentración del sustrato con el tiempo se proponen diversas ecuaciones. La ecuación 1.7 es la más utilizada, pero no siempre es aplicable; por tanto aparecen las otras ecuaciones.

ds 1 dx =− dt Yxs dt

(Sin formación de producto y sin mantenimiento)

ds 1 dx =− − ms x dt Yxs dt

(Sin formación de producto)

ds = − m s x (Sin formación de biomasa ni producto) dt

1 dx 1 dp ds =− − dt Yxs dt Y ps dt

(Sin mantenimiento)

1 dx 1 dp ds =− − − ms x dt Yxs dt Y ps dt Donde ms : coeficiente de mantenimiento (g de sustrato/g de biomasa-h)

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(1.7)

(1.8)

(1.9)

(1.10)

(1.11)

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3. Cinética de formación de producto: de manera análoga al modelo cinético para el consumo de sustrato, se plantean diferentes ecuaciones para modelar la formación de producto.

dp ds = −Y ps dt dt

(1.12)

dx dp = Y px dt dt

(1.13)

dp = q p x (No asociado al crecimiento) dt

(1.14)

dp dx =α + q p x (Luediking-Piret, parcialmente asociado al crecimiento) (1.15) dt dt Donde qp :

α:

velocidad específica de formación de producto constante

Concentración de P, X y S

Las curvas superpuestas típicas de una fermentación se muestran en la figura 1.7.

Sustrato Biomasa Producto

Tiempo

Figura 1.7. Evolución del proceso fermentativo Alternativas del proceso La sustancia conocida como etanol, alcohol, metilcarbinol, alkohol aethylicus, spiritus vini, espíritu del vino, entre otros; se encuentra de forma natural en algunos frutos, aceites esenciales, suelos ricos en humus, aguas naturales, tejidos naturales, y otros. En primera instancia el etanol puede ser sintetizado artificialmente utilizando diversos mecanismos como los son [1], [18]:

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-

Partiendo del carburo de calcio Reacción del anhídrido carbónico con el dióxido de carbono Reacción de haluros etílicos en presencia de bases Descomposición de nitrito de etilamina Reducción del acetaldehído en presencia de níquel Reducción de éter acético, acetamida o anhídrido acético Electrólisis de propionato amónico Reacción de formaldehído con bromuro de metilmagnesio (Grignard) Síntesis a partir de etileno o acetileno (no es usada industrialmente)

El etanol puro es una sustancia incolora, de olor agradable, fácilmente inflamable, higroscópica y soluble en agua, éteres, cloroformo y glicerina. Funde a -117,3ºC y bajo presión de 1atm su punto de ebullición es 78,35ºC. Absorbe gases como el hidrógeno, nitrógeno, oxido nitroso, ácido sulfuroso y ácido sulfhídrico en mayor proporción que el agua. Su vapor es estable hasta los 300ºC, a temperaturas superiores se descompone en hidrógeno, metano, etileno, acetileno, benzol, naftalina, entre otros [6], [18]. El alcohol etílico de alta pureza se conoce como alcohol absoluto y su peso específico a 15ºC no debe ser superior a 0.797 que corresponde a una pureza superior del 99%. Las impurezas más comunes presentes en el etanol son los alcoholes superiores o aceites de fúsel, ésteres, compuestos carbonílicos, furfural, ácidos orgánicos volátiles, compuestos azufrados, aminas y fenoles [6]. Los compuestos más importantes presentes en las bebidas alcohólicas son los alcoholes superiores como el alcohol amílico, isoamílico, 2-fenoetanol, butanol, pentanol, glicerol y alcohol polihídrico. Los ésteres confieren a las bebidas alcohólicas un aroma intenso afrutado, los más significativos son el acetato de etilo, el formiato de etilo y el acetato de isoamilo. El acetaldehído, que es un producto intermedio en la fermentación, otorga unas propiedades organolépticas indeseables en el alcohol. Otros compuestos indeseables son el diacetilo y la 2,3-pentanodiona. El etanol es un producto de gran demanda en todo el mundo, debido principalmente a sus cualidades como bebida, combustible, disolvente y reactivo en la industria química. Sus principales ventajas son [7]: ¾ ¾ ¾ ¾

Es líquido y de fácil transporte Su calor de combustión es alto, aprox. 2/3 del de la gasolina Puede mezclarse con la gasolina en concentraciones hasta de 10% sin tener que modificar los motores ni incrementar las emisiones. Refuerza el valor de octanaje de gasolinas sin plomo

La producción de alcohol vía fermentativa ha sido modificada desde muchos puntos de vista, los más importantes son: 1. Microorganismos y sustrato: los microorganismos productores de alcohol etílico utilizan diversos sustratos. En la tabla 1.3 se relacionan los más importantes con sus respectivos sustratos [6], [7], [13]. Paloma Andrade Santacoloma

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Un sustrato muy utilizado para la obtención de alcohol son los almidones, pero las levaduras Saccharomyces no tienen la capacidad de asimilar estos compuestos, por consiguiente, para utilizar el almidón se debe realizar un tratamiento con enzimas exógenas como la α-amilasa y β-amilasa de la malta o enzimas microbianas como la α-amilasa, amiloglucodasa (glucoamilasa) y pululanasa. Tabla 1.3. Microorganismos utilizados para las fermentaciones alcohólicas Tipo

Microorganismo Saccharomyces cerevisiae Saccharomyces ovarum (S. carlsbergensis)

Levaduras

Saccharomyces rouxii Saccharomyces bailli

Bacterias Recombinantes

Kluyveromyces fragilis Kluyveromyces lactis Zymomonas mobilis Saccharomyces cerevisiae Zymomonas mobilis Escherichia coli

Sustrato Sacarosa, glucosa, fructosa, maltosa y maltriosa Sacarosa, glucosa, fructosa, maltosa, maltriosa y melibiosa Mostos con altos contenidos de azucares. En especial la fructosa Lactosa Glucosa Mezcla de azucares provenientes de la lignocelulosa, en su mayoría pentosas

2. Forma de utilizar el microorganismo: la mayoría de las fermentaciones alcohólicas se llevan a cabo de dos maneras [7], [14]: -

Fermentación sumergida: en ella el microorganismo se encuentra libre el medio de cultivo. Células inmovilizadas: se utilizan soportes para las células, aumentado de esta manera la producción volumétrica de alcohol. Un material utilizado es la celulosa deslignificada.

3. Forma de operación: en la tabla 1.4 se muestra un resumen de las formas de operación y los equipos utilizados para las fermentaciones utilizando levaduras [7]. 4. Tratamientos especiales: con el fin de incrementar los rendimientos de la fermentación alcohólica se ha estudiado la influencia de ciertos ácidos sobre el rendimiento del proceso. Compuestos como el ácido láctico y el ácido acético, en algunas concentraciones restringidas, afectan de manera positiva la fermentación debido a una acidificación intracelular, ocasionada por la difusión de los ácidos a través de la membrana celular [16], [17]. Materias primas [1], [18] Las materias primas utilizadas para la obtención de etanol se enumeran a continuación:

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¾ Grupo 1: sustancias amiláceas que contienen almidones. Para ser útiles en una fermentación hay que tratarlas con ácidos diluidos o enzimas con el fin de transformar los almidones en azúcares. Las materias primas más empleadas son: papa, maíz, sorgo, lentejas, entre otros. Tabla 1.4. Alternativas en el proceso de fermentación [7] Proceso Fermentación por lotes Fermentador CSTR simple Series de CSTR

Productividad Muy baja Baja 2 ó 3 veces de la simple

Fermentador de platos perforados CSTR con centrífugas para recirculación de células CSTR con esquemas de reciclo.

Alta

Fermentadores de torre

Alta

Fermentador de tubo inclinado

Alta

-

Alta

Alta

Fermentador de diálisis

Potencialmente alta

Fermentador rotatorio

Alta

Fermentador de pistón

Alta

Fermentación extractiva directa Fermentación extractiva con membranas Fermentación con membranas selectivas

y

Operación en continuo sencilla Mecánicamente complejo

Fermentador de torre y lecho empacado

Fermentador de diálisis a presión

Comentarios Altos costos de inversión operación Equipo y operación simple

Potencialmente alta Potencialmente alta Potencialmente alta

Fermentación a vacío

Muy alta

Fermentación flash

Muy alta

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Se Incrementan los costos de operación Se pueden utilizar separadores de vórtice Equipo y operación simple. El tiempo de arranque es largo Mecánicamente complejo Presentan problemas de taponamiento y caminos preferenciales La transferencia de masa y las obturaciones en la membrana limitan la operación Presenta problemas de taponamiento de la membrana Presenta problemas de taponamiento y destrucción mecánica de la membrana Requiere bombas de gran potencia El punto crítico es la selección del solvente Presenta problemas de taponamiento de la membrana Requiere de membranas difíciles de desarrollar Equipos complejos. Requerimientos energéticos elevados. Presenta problemas de contaminación Mecánicamente complejo

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¾ Grupo 2: sustancias que contienen azúcares. El etanol se produce por la fermentación de estas sustancias y su posterior destilación. Los ejemplos clásicos son la remolacha, la caña de azúcar, melazas, algunos frutos y raíces. ¾ Grupo 3: sustancias que contienen alcohol. A estas sustancias solo se les destila para obtener el etanol. Por ejemplo el vino y la cerveza. ¾ Grupo 4: materias celulósicas. La celulosa se considera un material no fermentable9; de manera análoga a los almidones, la celulosa debe hidrolizarse utilizando ácidos. Se usan la madera y algunos residuos agroindustriales como paja y líquidos sulfíticos residuales de la fabricación de pasta de papel que contienen azúcares derivados de la celulosa y la hemicelulosa. ¾ Grupo 5: en este grupo se encuentran las formas sintéticas de obtener el etanol, anteriormente nombradas.

9

Aunque se conocen algunos mohos y bacterias que pueden descomponer la celulosa

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1.3 DESARROLLO DE LA PRÁCTICA

D HC=L-d VC=Volumen de la sección cilíndrica VE =Volumen de la sección elipsoidal d

L HT VC

HC VE

Figura 1.8. Esquema de la marmita para la fermentación MATERIALES Y EQUIPOS Materias primas ¾ Sustrato (melaza) ¾ Levadura seca granulada ¾ Úrea ¾ Fosfato trisódico o fosfato de amonio ¾ Cloruro férrico ¾ Sulfato de magnesio ¾ Ácido clorhídrico o sulfúrico ¾ Reactivos de Fehling A y B Equipos ¾ Cronómetro ¾ Balanza ¾ Marmita (figura 1.8) ¾ Areómetro de densidad ¾ Baldes ¾ pH-metro (potenciómetro) ¾ Termómetro ¾ Equipo de titulación ¾ Equipo de destilación diferencial ¾ Equipo de filtración al vacío

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PROCEDIMIENTO El procedimiento se plantea basándose en los trabajos de SÁNCHEZ et al [16], CASTRO et al [17] y BETANCOURT [18]. El diagrama de bloques se muestra en la figura 1.9. Materia prima

Volumen de la marmita Esterilización

Densidad del mosto Adición de nutrientes y antisépticos Ajuste de pH

Ajuste de temperatura

Inoculación en balde

Incubar la marmita Seguimiento de variables Finalización de la fermentación Determinación del grado alcohólico del mosto

Figura 1.9. Diagrama de bloques para la fermentación 1. Materia prima: el sustrato que generalmente se usa es la miel de purga (melaza). Para la práctica se deben tener en cuenta la masa que se va a trabajar de sustrato y su densidad. Estos dos parámetros se determinan según el ANEXO A. 2. Volumen de la marmita: la marmita que se utiliza para realizar la fermentación, que se muestra en la figura 1.8, tiene una forma elipsoidal ( VE ) en el fondo y luego una forma cilíndrica ( VC ). El volumen de la sección elipsoidal se determina experimentalmente llenándola de agua con un recipiente de volumen conocido hasta llegar a la parte cilíndrica. El volumen de la siguiente sección se halla teniendo en cuenta el diámetro interior ( D ) y la altura de la marmita desde la terminación de la zona elipsoidal hasta la parte superior ( L ).

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3. Esterilización de la marmita: la marmita donde se realizará la fermentación debe ser lavada y esterilizada para asegurar la viabilidad de los microorganismos. La esterilización se lleva a cabo sometiendo la marmita a calentamiento con vapor de agua directo durante mínimo 30 minutos, manteniéndola cerrada durante la operación. 4. Densidad del mosto: para llevar a cabo la fermentación, el mosto debe tener una densidad entre 1.06 g/ml y 1.1 g/ml. Para calcular la cantidad de agua que se requiere para obtener una densidad entre este rango, son necesarios los datos determinados para la materia prima y se recurre a un balance de materia, que supone volúmenes aditivos, por lo que se llega a la ecuación 1.16, reportada por BETANCOURT [18].

ρf ⎛ mm ⋅ ⎜⎜1 − Vm ⋅ ( ρ m − ρ f ) ⎝ ρm = Vw = (ρ f − ρ w ) (ρ f − ρ w )

⎞ ⎟⎟ ⎠

(1.16)

Donde V : volumen ρ : densidad m : masa Subíndices m : melaza w : agua f : final, referida al estado final Para disolver la materia prima, se llena la cuba aproximadamente con la mitad del agua calculada y se calienta hasta 40ºC10. Se agita hasta que toda la melaza se incorpore al agua y terminada la dilución se acaba de llenar la marmita con el agua faltante. Simultáneamente, se supervisa la densidad con un areómetro11 adecuado para el rango de densidad requerido hasta llegar al valor final deseado ρf. Cuando la materia prima disponible en una miel más enriquecida en azúcares como la miel virgen o mieles de tipo B, el grado de dilución del mosto se establece llevando los grados Brix hasta un valor entre 10 y 1312. 5. Adición de nutrientes y antisépticos: las cantidades recomendadas de nutrientes y antisépticos que se deben adicionar, son reportadas por BETANCOURT [18]. La tabla 1.5 muestra las cantidades de estas sustancias relacionadas a 60 kg de melaza. Antes de adicionar las cantidades de sustancias que se indican a la marmita (biorreactor) se disuelven en un balde con el mosto. Cuando se agregue la mezcla a la marmita, se agita fuertemente para homogeneizar toda la composición en el mosto.

10

La temperatura elevada facilita la disolución de la melaza Cuando los instrumentos de medida son areómetros debe realizarse la corrección por temperatura. En el ANEXO B, se presenta la tabla para realizar corrección por temperatura de la densidad del mosto. 12 Valores óptimos utilizados en la Industria Licorera de Caldas 11

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Tabla 1.5. Cantidades de nutrientes y antisépticos requeridos para la fermentación Nutrientes Fosfato de amonio o Fosfato trisódico Urea (si se usa fosfato de amonio) Urea (si se usa fosfato trisódico) Antisépticos Cloruro férrico Sulfato de magnesio

Cantidad (g) 85.2055 121.440 240.63 254.64 0.66 0.66

6. Ajuste de pH: la levadura se desarrolla con mayor facilidad en un pH entre 3.9 y 4.1, como se indicó en el marco conceptual. Por lo tanto, hay que acidificar el mosto con HCl (ó H2SO4): se toma una alícuota del mosto para titularla con el ácido seleccionado; paralelamente, se hace el seguimiento del pH con un potenciómetro hasta obtener el valor requerido. Con esta información se realiza el escalado a todo el volumen de mosto. Cuando se adicione el ácido debe hacerse con precaución, despacio y con agitación, verificando constantemente el valor del pH. Si el valor final es menor al recomendado, deberá adicionar una base débil, como una solución de carbonato de calcio o hidróxido de sodio, aunque esto no es bueno para el proceso, lo que sugiere realizar la acidificación con mucho cuidado [18]. Para manipular el ácido se deben tener en cuenta los equipos de protección necesarios. 7. Ajuste de temperatura: para adecuar la temperatura se usa vapor vivo de caldera por la chaqueta de la marmita. La temperatura debe estar entre 30ºC y 34ºC al momento de incubar la levadura. 8. Inoculación: se toman 198 g de levadura, esta cantidad está relacionada a 60 kg de melaza. Se disuelve en un balde que contenga 3 litros aproximados de mosto, la mezcla se somete a aireación por medio de burbujeo durante 30 min; luego se adiciona a la marmita y se airea de 10 min a 20 min este punto se puede considerar como tiempo cero. 9. Seguimiento de variables: durante todo el proceso se realiza el seguimiento de las variables13 cada hora. Se determina pH, temperatura, densidad, concentración de azúcares reductores, concentración de biomasa y altura del mosto ( d ). 10. Finalización de la fermentación: el proceso se da por terminado cuando se verifica una disminución de la densidad de al menos cuatro centésimas con respecto a la densidad inicial. Si se sobrepasa esta condición no tiene ninguna repercusión. 11. Grado alcohólico: la determinación del grado alcohólico se realiza por medio de una destilación diferencial14.

13

La densidad debe ser corregida con respecto a la temperatura, este procedimiento se indica en el ANEXO B. La determinación de concentración de azúcares reductores y de biomasa se indican en los ANEXOS C y D, respectivamente. 14 El procedimiento que se realiza en la destilación diferencial se explica en el ANEXO E.

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FORMATO PARA LA TOMA DE DATOS Materia prima -

Masa total de la melaza: Densidad de la melaza:

Volumen de la marmita -

Volumen de la zona cónica: Diámetro de la zona cilíndrica: Altura de la zona cilíndrica: Volumen total de la marmita:

Densidad del mosto -

Volumen de agua calculada: Volumen de agua adicionada: Volumen final del mosto: Densidad final del mosto: Altura entre la parte superior de la marmita y el nivel del mosto:

Adición de nutrientes y antisépticos -

Masa de úrea a usar: Tipo y masa de fosfato a usar: Masa de cloruro férrico a usar: Masa de sulfato de magnesio a usar:

Ajuste de pH -

Volumen de la alícuota de mosto: Tipo de ácido a usar: Volumen de ácido gastado en la alícuota: Volumen de ácido requerido para todo el mosto: Tipo y masa de la base débil (si se requiere): Valor final de pH en el mosto:

Ajuste de temperatura -

Temperatura final del mosto para la inoculación:

Inoculación -

Masa de la levadura a usar: Tiempo de aireación en el balde: Tiempo de aireación en la marmita:

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Seguimiento de variables: El cuadro 1.1 indica el formato de toma de datos para el seguimiento de las variables durante el proceso. Cuadro 1.1. Formato para las variables que deben tener un seguimiento Tiempo (h)

pH

Temperatura (ºC)

Densidad (g/ml)

Azúcares Red. (g/100ml)

Biomasa (g/ml)

Altura (cm)

Finalización de la fermentación -

Densidad final del mosto: Diferencia de densidad entre la inicial y la final:

Grados alcohólicos -

Volumen de muestra de mosto para la destilación diferencial: Volumen de alcohol obtenido en la destilación diferencial: Índice de refracción del alcohol obtenido en la destilación diferencial: Grados alcohólicos obtenidos después de la destilación diferencial: Grados alcohólicos del mosto:

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BIBLIOGRAFÍA 1. ULLMANN, F. Enciclopedia de Química Industrial. Sección III, tomo IV. Segunda edición. Editorial GUSTAVO GILI, S.A. 1931. 2. COONEY, C.L. et al. Fermentation and Enzyme Technology. JOHN WILEY & SONS. 1979. 3. AGUDELO, M.; SANCHEZ, V. Obtención de Ácido Itacónico por Fermentación con Aspergillus terreus. Trabajo de grado de Ingeniería Química. Universidad Nacional de Colombia Sede Manizales. 1999. 4. MONTOYA, D.; BERMUDEZ, M. Modelamiento de la Transferencia de Oxígeno para el Cultivo de Microorganismos en un Biorreactor de Columna de Burbujeo. Trabajo de grado de Ingeniería Química. Universidad Nacional de Colombia Sede Manizales. 2003. 5. RESTREPO, G.; RAMIREZ, M.; VÉLEZ, P. Determinación y Preservación de Microorganismos que Utilizan como Sustrato Residuos Agroindustriales Provenientes de las Empresas de la Ciudad de Manizales. Primer simposio sobre Biofábricas: Biología y Aplicaciones de la Célula Cultivada. Universidad Nacional de Colombia Sede Medellín. 2002. 6. OWEN, W. Biotecnología de la Fermentación: Principios, procesos y productos. Editorial Acribia. 1991. 7. BAILEY, J.; OLLIS, D. Biochemical Engineering Fundamentals. Segunda edición. McGraw Hill International Editions. Chemical Engineering Series. 1986. 8. LEMESHKO, V. El Transporte de Electrones y la Transformación de Energía en Sistemas Biológicos. Primer simposio sobre Biofábricas: Biología y Aplicaciones de la Célula Cultivada. Universidad Nacional de Colombia Sede Medellín. 2002. 9. HANSEN, M. Saccharomyces cerevisiae. Bial-Arístegui. Citada en octubre de 2004. [En línea]. . 10. TONG, L. et al. Transcriptional Regulatory Networks in Saccharomyces cerevisiae. Science Magazine. Vol (298), 2002. Citada en octubre de 2004. [En línea].

11. YEN-HAN, L.; BAYROCK, D.; INGLEDEW, M. Metabolic Flux Variation of Saccharomyces cerevisiae Cultivated in a Multistage Continuous Stirred Tank Reactor Fermentation Environment. Biotechnol. Prog. Vol. 17, pp. 1055-1060. 2001. 12. DORAN, P. Principios de Ingeniería de los bioprocesos. Editorial Acribia, S.A. 1995. 13. BOTHAST, R.;, NICHOLS, N.; DIEN, B. Fermentations with New Recombinant Organisms. Biotechnol. Prog. Vol 15, pp. 867-875. 1999. 14. KOURKOUTAS, Y.; PSARIANOS, C.; KOUTINAS, A.; et al. Continuous Whey Fermentation Using Kefir Yeast Immobilized on Delignified Cellulosic Material. J. Agric. Food Chem. Vol. 50, pp. 2543-2547. 2002. 15. DAUGULIS, A.; AXFORD, D.; McLELLAN, J. The Ecomonics of Ethanol Production by Extractive Fermentation. The Canadian Journal of Chemical Engineering, Vol. 69, pp 488-497. 1991. 16. SÁNCHEZ, C.; MIJAILOVICH, K.; PIEDRA, R. Procedimiento para la Obtención de Alcohol Etílico por Vía Fermentativa. Oficina Cubana de la Propiedad Industrial, Certificado de Autor de Invención CU 21670 A1. Instituto Superior Politécnico "JOSÉ ANTONIO ECHEVERRÍA". 1987. 17. CASTRO, A.; CHAMORRO, C.; FONTALVO, J. Influencia del Ácido Acético en la Producción de Etanol Vía Fermentativa. NOOS junio de 1999, pp. 93-100. Paloma Andrade Santacoloma

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Fermentación para la Obtención de Etanol

18. PALACIO, H. Fabricación de Alcohol. Salvat Editores, S.A. Barcelona. 1956. 19. BETANCOURT, R. Guías para El laboratorio de Operaciones Unitarias III, Difusividad - fabricación de alcohol. Centro de publicaciones de la Universidad Nacional de Colombia Sede Manizales. 2001. 20. WEST, C.J. y HULL, C. International Critical Tables of Numerical Data, Physics, Chemistry and Technology. United States of America. Vol. 7. McGraw Hill Books Company.1933.

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Práctica 2 DESTILACIÓN CONTINUA 2.1 OBJETIVOS DE LA PRÁCTICA

Objetivo General Generar un producto translúcido, enriquecido en alcohol etílico a partir de vinos turbios obtenidos del proceso de fermentación de la melaza por medio de una destilación continua. Objetivos Específicos 1. Determinar la composición azeotrópica y el equilibrio para el sistema etanol-agua para la presión de Manizales. 2. Utilizar el método McCABE-THIELE para determinar el número de etapas teóricas de la columna y la altura equivalente a un plato teórico para el empaque. 3. Realizar los balances de materia y energía de la destilación 4. Determinar la eficiencia térmica y másica de la operación

2.2 MARCO CONCEPTUAL

Generalidades La destilación simple es un proceso que ya se conocía en el primer siglo A.C. Sin embargo, el reconocimiento del proceso de rectificación no se dio sino hasta 1830 a Aeneas Coffey, quien propuso este método para lograr la separación de la mezcla etanolagua, obteniéndose un producto con una composición muy cercana a la azeotrópica [2]. La destilación es un método que utiliza el principio de etapas de equilibrio para lograr la separación de una solución1. La facilidad de la separación puede determinarse mediante el concepto de volatilidad relativa, que se define como la relación entre la composición del componente A en el vapor ( y A ) y en el líquido ( x A ) dividida en la relación de la composición de otro componente de referencia en la fase vapor y el líquido [1], [2], así:

1

Es importante recalcar que todos los componentes deben estar presentes en todas las fases que interactúen en la operación.

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α AB =

yA / xA y i / xi

Con i ≠ A

(2.1)

Cuando el valor numérico de la volatilidad relativa es mayor a 1, la separación es factible. Hay que tener en cuenta que este parámetro es un valor que varía con la concentración, aunque para sistemas binarios que puedan ser modelados con la ley de Raoult la variación es muy poca a presión constante. En la figura 2.1 se muestran algunas curvas de equilibrio para diferentes valores de volatilidades relativas. 1.0

y =5

=3 =1.5

x

=1

1.0

Figura 2.1. Curvas de equilibrio líquido-vapor para diferentes volatilidades relativas Equilibrio de fases Para que fases se encuentren en equilibrio es necesario que no exista ninguna tendencia de la energía o de la materia a cruzar la interfase que separa las fases. Por tanto, la transferencia de materia o energía entre fases es un proceso reversible. Las condiciones para que exista equilibrio son [4]: 1. Que no haya transferencia neta de calor entre las fases 2. Que no exista desplazamiento del límite entre las fases 3. Que la transferencia neta de materia entre las fases sea considerada nula Para que se cumplan las dos primeras condiciones se requiere que la presión y la temperatura para cada fase sean constantes. Para cumplir la tercera situación Gibbs propuso en 1875 el concepto de potencial químico, como la fuerza impulsora para la transferencia de masa. Entonces, el equilibrio de fases se da cuando el potencial químico para cada componente es igual en cada fase. Debido a que el potencial químico no tiene significado físico se utiliza la función fugacidad, propuesta por G. N. Lewis, que se define como la tendencia que tiene un componente a escapar de una mezcla. Para relacionar la fugacidad con cantidades físicamente cuantificables se emplean en la práctica las siguientes relaciones: Paloma Andrade Santacoloma

32

Destilación Continua

-

Coeficiente de actividad: es un indicativo de que tan “activa” es una sustancia en relación a un estado de referencia. Coeficiente de fugacidad: es el caso particular en donde el estado estándar se toma como la presión de la fase considerada.

Los coeficientes de actividad y fugacidad se relacionan con la presión, temperatura y volumen mediante relaciones termodinámicas exactas y/o por medio de consideraciones basadas en estructuras e interacciones moleculares. Un resumen de los modelos más utilizados se muestra en la tabla 2.1. Aunque muchos sistemas binarios se comportan de una manera aproximada a la ideal, no todos cumplen esta condición. Para determinar el equilibrio líquido-vapor de una mezcla se tienen diferentes métodos: 1. Determinación experimental 2. Aproximar el comportamiento de las fases al ideal 3. Determinar los datos de equilibrio a partir de unos pocos datos experimentales y ecuaciones empíricas. 4. Estimar el equilibrio utilizando las propiedades físicas de los componentes puros y relaciones empíricas. Tabla 2.1. Métodos comunes para la determinar equilibrios de fases Fase

Vapor

Tipo de modelo Coeficientes de fugacidad

Coeficientes de fugacidad

Líquida Coeficientes de actividad

Ecuaciones o métodos Peng-Robinson Redlich-Kwong Soave- Redlich-Kwong Benedict-Webb-Rubin Virial Virial con la corrección de Hayden-O´conell Peng-Robinson Redlich-Kwong Soave- Redlich-Kwong Benedict-Webb-Rubin Virial Virial con la corrección de Hayden-O´conell Van Laar Van Laar modificada Modelos clásicos Margules Scatchard-Hamer Wilson Modelos de NRTL composición local Chien-Null Modelo de UNIQUAC termodinámica estadística Modelos de UNIFAC contribución de grupos

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Regla de fases [4] Para lograr establecer el estado intensivo del sistema en equilibrio se aplica la regla de fases de Gibbs, para el caso de ausencia de reacción química se tiene:

F = 2 −π + N

(2.2)

Donde F: grados de libertad π: número de fases N : número de especies químicas Si se plantea el equilibrio líquido-vapor de una mezcla binaria, los grados de libertad son 2. Por tanto, precisando la composición de la mezcla y la presión o temperatura del sistema se define el equilibrio. Azeotropía Un azeótropo se define como el punto en donde las composiciones de todas las especies en la fase vapor son idénticas a las de la fase líquida, por tanto los azeótropos son límites termodinámicos que no permiten la separación utilizando etapas de equilibrio convencionales. Los azeótropos se forman frecuentemente en sistemas con puntos de ebullición muy cercanos o en los cuales la fase líquida se comporta de una manera no ideal. Cuando las desviaciones positivas del comportamiento ideal son lo suficientemente grandes y las presiones de vapor de los componentes no se encuentran muy alejadas, se generan azeótropos de mínimo punto de ebullición. Análogamente al caso anterior, cuando se presentan desviaciones negativas del comportamiento ideal aparecen azeótropos de temperatura máxima de ebullición [2]. Si el equilibrio líquido-vapor forma una sola fase líquida se generan azeótropos homogéneos y si hay más de una fase líquida se presentan los azeótropos heterogéneos. Aplicando la regla de fases de Gibbs para un sistema binario a presión constante se nota que el vapor no puede coexistir con más de dos fases líquidas [8]. Diagramas de fases Los diagramas de fases son utilizados para describir el comportamiento del equilibrio líquido-vapor, en estos diagramas se grafican dos de las siguientes variables: -

Composición Presión Temperatura Entalpía

Para mezclas binarias la tercera variable independiente se deja constante. Las curvas más empleadas son las de temperatura-composición, presión-composición, entalpía-

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34

Destilación Continua

composición y composición en la fase vapor-composición en la fase líquida. Los esquemas comunes se muestran en la figura 2.2. Temperatura constante P

P L

P

L

P L 1- L2

L

L1

V

V

V

V X

X

T

X

Presión constante

T

T

V

L2

X T

V

V

V L1

L

L

L2 L 1- L2

L X Y

X

Presión constante

Y

X

Y

X Y

X

X

X

X

(A)

(B)

(C)

(D)

Figura 2.2. Casos típicos de equilibrios binarios [6] En el caso A no hay azeótropo y se consideran sistemas normales; el diagrama B se presenta cuando hay un azeótropo homogéneo de temperatura mínima de ebullición, en el caso C se representa un azeótropo de temperatura máxima de ebullición y para D se muestra el diagrama de un azeótropo heterogéneo de temperatura mínima de ebullición. Para el caso de tres a cinco componentes se utilizan figuras para representar la variación de la composición en los equilibrios, pero cuando se tienen más de seis componentes las tres dimensiones con las que contamos no son suficientes. Sin embargo, la curva de presión contra temperatura, conocida como envolvente de fases, nos indica la región donde existe el equilibrio para una mezcla determinada de n componentes [8]. Métodos simples de destilación [1], [2], [3], [6] Los procesos de destilación pueden ser clasificados desde tres puntos de vista: 1. Por componentes: para una mezcla de dos sustancias se denomina binaria, para un mayor número de componentes se denota como multicomponente. Para el caso

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especial en donde algunos componentes no son identificables se indica como compleja. 2. Por el tipo de operación: se traen a acotación parámetros como la operación en continuo o por lotes, si se trabaja a presión atmosférica o a vacío, entre otros. 3. Por el tipo de separación: se pueden clasificar como destilación en equilibrio (flash), destilación diferencial o fraccionada y destilación con arrastre de vapor. La combinación de las diferentes clasificaciones da como resultado diversas formas de llevar a cabo la separación de una mezcla utilizando la destilación. Industrialmente las torres de destilación comúnmente empleadas son las de platos y las empacadas, un método sencillo que define el número de etapas requeridas para una separación determinada de una mezcla binaria es el propuesto por McCabe, W. L. y Thiele, E. W. en 1925 [3].

DESTILACIÓN CONTINUA CON REFLUJO Y MÉTODO McCABE-THIELE La destilación fraccionada con reflujo se puede definir básicamente como la combinación de una serie de separaciones por vaporización instantánea, de forma que los vapores y líquidos de cada etapa fluyen a contracorriente. A cada etapa entra una corriente de vapor y una de líquido que al ponerse en contacto entran en equilibrio, por ende, las corrientes que salen de esta etapa se encuentran en equilibrio a la temperatura de la etapa. Este esquema de trabajo se utiliza cuando la volatilidad relativa de los componentes es comparable [1]. En la figura 2.3 se ilustra el esquema básico de una columna de fraccionamiento continuo con secciones de enriquecimiento y agotamiento2. El método McCabe-Thiele es un algoritmo gráfico que permite determinar el número de platos o etapas teóricas necesarios para la separación de una mezcla binaria. Este procedimiento emplea la curva de equilibrio xy y algunos balances de materia para determinar las líneas de operación de cada sección de la torre. Una etapa teórica en un dispositivo de destilación cumple las siguientes condiciones [9]: 1. Trabaja en estado estable, generando un producto en fase líquida y otro en fase vapor. 2. Las corrientes de vapor y de líquido que ingresan a cada etapa se encuentran perfectamente mezcladas. 3. La corriente de vapor y líquido que salen de la etapa se encuentran en equilibrio de fases. La principal suposición que se toma en el método McCabe-Thiele es el derrame equimolar a través de la torre, entre el plato superior y el de alimentación, y el plato de alimentación 2

La sección de la columna por encima de la alimentación se conoce también con el nombre de zona de absorción o rectificación, y la parte por debajo de la alimentación como sección desorbedora o de despojamiento.

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36

Destilación Continua

y el inferior. Esta suposición se fundamenta en que las diferencias de los calores sensibles de las cuatro corrientes que interactúan en una etapa son despreciables cuando los calores de disolución son muy pequeños. Por tanto, los calores latentes de las corrientes de vapor son importantes en el balance de energía, tomando en cuenta que los calores de vaporización para compuestos químicamente similares son muy parecidos, los flujos de vapor son constantes a través de la torre así como también los flujos de líquido3 [1], [2]. Condensador Vapor

Líquido

Acumulador

Sección de enriquecimiento

Producto de cabeza

Alimentación

Sección de agotamiento

Plato de alimentación

Vapor

Producto de fondos

Líquido Rehervidor

Figura 2.3. Columna de fraccionamiento continuo [3] Los balances de materia requeridos para definir las líneas de operación son dos: 1. Balance global: planteando un balance molar global de materia y otro por componente en la columna se tiene:

Donde F: D: W:

F = D +W

(2.3)

z F F = x D D + xW W

(2.4)

flujo de alimentación flujo de destilado flujo de fondos

3

El flujo constante a través de la torre está en base molar, hay que tener en cuenta que el peso molecular promedio de la mezcla varía de etapa en etapa haciendo que el flujo másico varíe.

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zF : xD : xW :

fracción molar en la alimentación fracción molar en el destilado fracción molar en los fondos

2. Balance para la sección de enriquecimiento: en la figura 2.4 se representa el esquema superior de la torre incluyendo las corrientes en cada etapa. Los balances de materia global y por componente para la sección encerrada por la línea punteada se definen así:

Vn +1 = Ln + D

(2.5)

y n +1Vn +1 = x n Ln + x D D

(2.6)

Donde Li : flujo molar de líquido que sale de la etapa i

Vi : flujo molar de vapor que sale de la etapa i yi : composición molar de la corriente de vapor que sale de la etapa i xi : composición molar de la corriente líquida que sale de la etapa i V y1

L xD 1 2 n n+1

Alimentación

L1 x1 L2 x2 Ln xn

D xD

V2 y2 Vn yn Vn+1 yn+1

F zF

Figura 2.4. Sección de enriquecimiento de la torre [1] La línea de operación para la sección de enriquecimiento está determinada por la variación de la composición de la fase vapor en términos de la composición en la fase líquida, para hacer esto se despeja y n +1 de la ecuación 2.6. Paloma Andrade Santacoloma

38

Destilación Continua

y n +1 =

Ln x D xn + D Vn +1 Vn +1

(2.7)

Un parámetro importante para la sección de rectificación es el reflujo R , definido como la relación entre la cantidad de líquido que retorna a la columna por la cantidad de destilado que se recoge; en términos de las variables que se muestran en la figura 2.4 se puede escribir como:

R=

L D

(2.8)

Empleando la suposición de derrame equimolar para los flujos líquidos, L1 = L2 = L n , la razón de reflujo se hace constante. Reemplazando la ecuación 2.5 y 2.8 en la 2.7 se obtiene la línea de operación para la sección de rectificación:

y n +1 =

x R xn + D R +1 R +1

(2.9)

Si el intercambiador de calor que se encuentra en la cima de la torre condensa y subenfría el producto de cabeza a una temperatura menor a la de burbuja, para la presión de operación, el retorno de este líquido a la columna disminuirá el flujo de vapor que asciende del plato superior, debido a que determinada cantidad de vapor se condensa para elevar la temperatura del reflujo hasta su punto de burbuja. Por tanto, el reflujo interno será diferente al reflujo externo [2], [9]. Realizando los balances de materia y energía al plato superior se obtiene la ecuación que define el reflujo aparente:

⎡ C M (T − TR ) ⎤ R' = R ⎢1 + Lo Pr bR ⎥ (λM )Pr ⎣ ⎦ Donde R' : R: C Lo :

reflujo aparente reflujo externo capacidad calorífica molar de la corriente de reflujo

M Pr : Tb , R :

masa molecular promedio

TR :

temperatura real del reflujo calor de vaporización molar de la mezcla

λ:

(2.10)

temperatura de burbuja del reflujo

Sustituyendo el término de reflujo interno en la ecuación 2.9 se obtiene la ecuación para la sección de enriquecimiento para el caso de reflujo subenfriado:

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y n +1 =

x R' xn + D R'+1 R'+1

(2.11)

3. Balance para la sección de agotamiento: En la figura 2.5 se muestra el esquema inferior de la torre. Para la zona encerrada por la línea punteada los balances de materia global y por componente vienen dados por las ecuaciones 2.12 y 2.13. Alimentación

F zF m m+1

N

Vm+1 ym+1

Lm xm Lm+1 xm+1

VN yN Ln xn

V yw LN xN

w xw

Figura 2.5. Sección de agotamiento de la torre [1]

Vm +1 = Lm − W

(2.12)

y m +1Vm +1 = x m Lm − xW W

(2.13)

Despejando y m +1 para obtener la línea de operación para la sección de agotamiento se tiene:

y m +1 =

Lm x W xm − W Vm +1 Vm +1

(2.14)

4. Balance para la sección de alimentación: el método de McCabe-Thiele especifica el estado termodinámico de la alimentación en términos del parámetro q, que se define como [1]: q=

Calor necesario para vaporizar una mol de la alimentación Calor latente de vaporización de la alimentación

El parámetro q expresado en función de entalpías es:

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40

Destilación Continua

q= Donde HV :

HF : HL :

HV − H F HV − H L

(2.15)

entalpía de la alimentación en su punto de rocío entalpía de la alimentación a sus condiciones de entrada entalpía de la alimentación en su punto de burbuja

Se dan cinco condiciones de alimentación [3], [7]:

q > 1: q = 1: 0 < q < 1: q = 0: q < 0:

líquido subenfriado líquido saturado mezcla saturada vapor saturado vapor sobrecalentado

Es más conveniente para plantear los balances de materia utilizar el concepto de q como la fracción de la alimentación que se encuentra en el estado de líquido saturado. Entonces, para una alimentación que se encuentra como líquido saturado q = 1 , en el caso de mezcla saturada 0 < q < 1 y finalmente para vapor saturado q = 0 . La relación de flujos para el plato de alimentación se muestra en la figura 2.6.

Ln F zF

Alimentación

V (1-q )F

qF

L

Vm

Figura 2.6. Plato de alimentación Los balances de materia globales para el plato de alimentación son los siguientes:

L − Ln = qF

(2.16)

V − Vm = (1 − q) F

(2.17)

Para los balances por componentes se toman las ecuaciones 2.6 y 2.11, sin tener en cuenta los subíndices, para las secciones de enriquecimiento y agotamiento, respectivamente:

yV = xLn + x D D

(2.18)

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yVm = xL − xW W

(2.19)

Restando la ecuación 2.19 de la 2.18 y reemplazando en esta última las ecuaciones 2.4, 2.15 y 2.17, se obtiene la línea q:

y=

z q x− F 1− q 1− q

(2.20)

Los respectivos valores de q nos indican el valor de la pendiente de la curva representada por la ecuación 2.20, en la figura 2.7 se presentan las condiciones típicas de alimentación.

Figura 2.7. Localización de la línea q para diferentes alimentaciones [2] Luego de definir los balances de materia y las líneas de operación los parámetros a definir son el reflujo total y mínimo utilizando el método McCabe-Thiele. Por lo general, para calcular el número de etapas teóricas necesarias para lograr una separación determinada de una mezcla binaria se especifican las condiciones de alimentación y las composiciones del destilado y de los fondos. La información anterior no es suficiente para trazar las líneas de operación, como se puede ver en la ecuación 2.9 es necesario establecer la relación de reflujo; este valor se encuentra entre dos valores límite, los cuales son el reflujo total y el mínimo. ¾ Reflujo total: se conoce también como reflujo infinito y consiste en retornar a la torre todo el producto de cima y de fondos obtenido, además no hay alimentación al equipo. Si se observa la pendiente de la ecuación para la sección de enriquecimiento, con un valor infinito del reflujo, se aproxima a 1, dando como resultado la superposición de esta línea con la diagonal de 45º; sucede lo mismo para la sección de agotamiento. Al usar reflujo infinito se obtienen el número mínimo de etapas teóricas necesarias para la separación como se representa en la figura 2.8 [1]. Paloma Andrade Santacoloma

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Destilación Continua

y 1

2

3

4

xW

xD

x

Figura 2.8. Número mínimo de etapas Si la volatilidad relativa de la mezcla binaria es casi constante, Fenske propone una ecuación para determinar de manera analítica el número mínimo de etapas teóricas requeridas [1], [8].

⎛ x 1 − xW log⎜⎜ D ⎝ 1 − x D xW Nm = log α prom

⎞ ⎟⎟ ⎠

α prom = (α Dα W )1 / 2

(2.21)

(2.22)

Donde N m : número mínimo de etapas teóricas

α prom : volatilidad relativa promedio de la mezcla

αD: αW :

volatilidad relativa del vapor superior volatilidad relativa del líquido residual

¾ Reflujo mínimo ( Rm ): se define como la razón de reflujo que requeriría un número infinito de etapas teóricas para lograr la separación deseada. Al disminuir el reflujo, las líneas de operación se separan de la diagonal de 45º y se comienzan a acercar a la curva de equilibrio hasta que la tocan, obteniéndose un punto invariante4 en donde se requiere un número infinito de etapas para lograr la separación como se ve en la figura 2.9. Un síntoma de un punto de estrangulamiento se da cuando la diferencia de temperatura entre etapas consecutivas es muy pequeña. Sin embargo, lo anterior también se presenta cuando la torre se inunda, se seca o las etapas son insuficientes para la separación [9]. 4

También conocido como punto comprimido, de estrangulamiento o pinch.

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El reflujo de operación se debe encontrar entre el reflujo mínimo y el total, debido a que no resulta económicamente viable utilizar los límites del reflujo. Para determinar el valor óptimo de reflujo se requiere realizar un balance económico sobre la torre de destilación. Empero, para muchos casos el valor del reflujo óptimo se encuentra entre 1.2 Rm y 1.5Rm [1], [2].

y

de mient ea i Lín iquec r en

y

o

Punto de tangencia (invariante)

Línea q

Punto invariante

xD

nto

e de imi ea ec Lín riqu en

Línea q

Rmin+1

xD Rmin+1

xW

xD

x

xW

xD

x

Figura 2.9. Determinación del reflujo mínimo El balance de energía total para la columna de destilación viene dado por la ecuación [9]:

QB = DH D + WH W + QC + QL − FH F

(2.23)

Donde Q B : calor suministrado en el rehervidor

HD : HW : QC : QL :

entalpía de la corriente de destilado entalpía de la corriente de fondo calor removido en el condensador pérdidas de calor

Algoritmo para determinar el número de etapas teóricas [3], [7] En una columna de destilación, el número de etapas puede ser determinado comenzado a marcar gráficamente las etapas desde la composición del destilado o la de los fondos. Para el caso en donde la composición del destilado es primordial, como en la separación de la mezcla etanol-agua, se recomienda iniciar en la cima. El procedimiento para el cálculo de las etapas teóricas necesarias para una separación dada es: 1. Construir el diagrama de equilibrio x-y

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Destilación Continua

2. Escoger o calcular la relación de reflujo 3. Localizar la composición de alimentación z F sobre la diagonal y = x . La línea q, que define la condición de alimentación, puede ser determinada conociendo las propiedades termodinámicas de la corriente de alimentación o suponiendo un estado de saturación. 4. Localizar la composición del destilado x D deseada sobre la diagonal de 45º. La curva de operación para la sección de enriquecimiento, bien sea utilizando la ecuación 2.9 o la 2.11, parte desde el punto y = x = x D hasta el intercepto y = x D /( R + 1) en x = 0 . No obstante, la línea de operación se detiene cuando se cruza con la línea de alimentación. 5. Se localiza la composición de los fondos xW sobre la diagonal. La curva de operación para la sección de agotamiento pasa por el punto ( y = x = xW ) y por la intersección entre la línea de operación para la sección de enriquecimiento y la línea q. 6. Se trazan las etapas teóricas desde la cima hacia los fondos hasta alcanzar la composición deseada o una inferior. En la figura 2.10 se muestran las líneas de operación y la forma de marcar las etapas en el diagrama x-y.

y de ien ea cim Lín rique en

R+1

a

2

q

3 4

Lí ag nea ota de mi en

xD

ne

1

to

Lí

y

to

5

6

xW

zf

xD

xW

x

zf

xD

x

Figura 2.10. Método gráfico McCabe-Thiele [7] Limitaciones del método McCABE-THIELE [7] La principal suposición que se realiza en el método McCabe-Thiele es su principal limitante. Para el caso en donde el reflujo de trabajo sea grande, la línea de operación para la sección de enriquecimiento se aleja de la curva de equilibrio, generando cambios rápidos de composición que hacen que el efecto de suponer un flujo molar constante sea mínimo. Sin embargo, si el reflujo es muy cercano al valor mínimo, el intercepto de la línea de operación para la zona de rectificación y la línea q está muy cercano a la curva de Oscar Andrés Prado

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equilibrio. Para este caso, la suposición de flujo molar constante tiene como consecuencia un diseño insuficiente para lograr la separación; con el fin de evitar lo anterior se utiliza un factor de sobrediseño. Alternativas del proceso [2], [3] Utilizando una destilación convencional, para la mezcla etanol-agua, no es posible obtener un producto de cabeza con una composición mayor a la del azeótropo a la presión de operación. Por tal motivo se han propuesto diferentes metodologías con el fin de obtener etanol de alta pureza y/o anhidro, las cuales son: 1. Destilación azeotrópica: la adición de un tercer componente que forme un azeótropo, de preferencia heterogéneo, con uno de los componentes clave se conoce como destilación azeotrópica; del nuevo azeótropo formado se separa el componente de interés. Una de las alternativas en la separación de la mezcla etanol-agua es usando benceno como disolvente que se adiciona por la cima, se forma un azeótropo heterogéneo ternario de temperatura mínima de ebullición5. El producto de cabeza es el azeótropo ternario y el de fondo es etanol prácticamente puro. El producto de cima se condensa formándose dos fases líquidas, la fase orgánica se retorna a la columna mientras que la fase acuosa se envía a una segunda columna donde se recupera el benceno. El benceno recuperado se alimenta a la primera columna. El esquema de la destilación azeotrópica se muestra en la figura 2.11. Las cualidades que debe cumplir el disolvente agregado a la mezcla son: -

Barato y de fácil consecución Químicamente estable e inactivo en la solución que se va a separar No corrosivo De preferencia, no tóxico Bajo calor latente de vaporización Bajo punto de ebullición Baja viscosidad

2. Destilación extractiva: en la destilación extractiva se mejora la separación añadiendo un tercer componente que modifica la volatilidad relativa de la mezcla binaria. Generalmente, la sustancia añadida posee una elevada temperatura de ebullición y es miscible en ambos componentes, pero tiene más afinidad por uno de los componentes de la mezcla. La separación se mejora debido a que el componente que es más semejante al disolvente adicionado disminuye su coeficiente de actividad en la fase líquida y se concentra en la corriente rica en el solvente.

5

Cuando los azeótropos que se generan son de temperatura mínima de ebullición la sustancia adicionada se conoce como arrastradora.

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Destilación Continua

Las características de un disolvente que quiera ser utilizado en destilación extractiva son: -

Alta selectividad con bajas cantidades de solvente Elevada capacidad para disolver los componentes de la mezcla a separar Baja volatilidad Fácilmente separable de la mezcla a la cual se adiciona Bajo costo, no corrosivo, no tóxico, bajo punto de congelamiento y baja viscosidad Benceno recuperado Benceno fresco

Azeótropo ternario

Azeótropo binario

Etanol Agua

Agua Etanol

Etanol de alta pureza

Agua

Figura 2.11. Esquema de la destilación azeotrópica (mezcla etanol-agua) 3. Destilación salina: La destilación salina aparece como una forma de destilación extractiva en donde el solvente que modifica el equilibrio líquido-vapor de la mezcla es una solución etanol-sal, entre las sales utilizadas se encuentran el cloruro de sodio y calcio [13], [16]. Otras alternativas que utilizan procesos híbridos son: ¾ ¾ ¾ ¾

Destilación con membranas integrado a la fermentación [12] Destilación convencional más una unidad de preevaporación [14] Integración de preevaporación, microfiltración y destilación osmótica [15] Destilación con membranas a vacío [17]

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2.3 DESARROLLO DE LA PRÁCTICA

Figura 2.12. Esquema de la columna de destilación piloto

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Destilación Continua

MATERIALES Y EQUIPOS Materia prima ¾ Mosto obtenido del proceso de fermentación ¾ Antiespumante Equipos ¾ Torre de destilación (figura 2.12) ¾ 3 Probetas de 1000 ml ¾ 2 cronómetros ¾ Areómetro de densidad ¾ Alcoholímetro de grados Gay-Lussac ¾ Canecas ¾ Baldes ¾ Termómetro Descripción de la unidad piloto de destilación: la unidad piloto de destilación está construida en acero inoxidable 304, y consta de las siguientes partes ilustradas en la figura 2.12: 1. Evaporador reactor (IV): posee una capacidad de 70 l, 4 deflectores, tubo para la inyección de un gas inerte, chaqueta para calefacción con capacidad para soportar 60 psig recubierta con lana de vidrio y una lámina de calibre 20, termopozo, indicador de nivel tipo caldera, medidores de presión y temperatura y válvula de seguridad. 2. Columna (VII, VIII, IX): está constituida por tres tramos de 1 m de largo y 16 cm de diámetro con toma muestras, entrada de fluido, termopozo, redistribuidor de líquidos cada uno. La columna en su interior tiene empaque miniring en acero inoxidable 316 de superficie extendida que es soportado por una rejilla ubicada en la parte inferior de cada sección. Cada tramo se encuentra forrado con lana de vidrio y una lámina de acero inoxidable 304 calibre 20. 3. Condensador de cima (X): de tipo coraza y tubos horizontal de paso 1-2, posee 20 tubos de ½ pulgada con una longitud de 97 cm. La coraza tiene un diámetro de 16 cm y 4 bafles de 75% del diámetro. 4. Cabezal de reflujo (XI): construido de vidrio Pyrex con tapa superior e inferior en acero inoxidable, posee una válvula de desfogue a la atmósfera. 5. Reflujo: el control del reflujo se realiza manualmente utilizando una válvula de control de flujo (r) y la lectura del rotámetro de cabeza (XII). 6. Colectores: son dos tanques con 20 l de capacidad cada uno. 7. Trampa de vació: construida en hierro colled-rolled calibre 10. 8. Bomba de alimentación (II): consta de una motobomba monofásica de ½ HP de potencia, 60 Hz y 110 V. Está construida de acero inxocidable 304, es autocebante y tiene una cabeza de 15 m. Oscar Andrés Prado

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9. Intercambiadores de calor: son dos intercambiadores de coraza y tubos de paso 1-1, correspondientes al precalentador de la alimentación (III) y al enfriador de los fondos (V). Poseen 16 tubos de 73 cm de largo y ¼ de pulgada de diámetro, el diámetro de la coraza es de 11 cm provista de 4 bafles de 75% del diámetro. 10. Termocuplas: son del tipo J blindadas, conectadas con alambre de compensación al tablero de control ( T1 , T2 , T3 y T4 ). 11. Tablero de control: posee 1 interruptor general trifásico, voltímetro y amperímetro, 2 controladores de temperatura (uno para el hervidor y otro para el precalentador), 1 posicionador de temperatura, 1 termómetro digital, un interruptor para arrancar la bomba de alimentación y otro para el motor (bomba de vacío). PROCEDIMIENTO El procedimiento se plantea basándose en los trabajos de BETANCOURT [9] y BARBOSA-CÁNOVAS [10]. El diagrama de bloques se muestra en la figura 2.13. 1. Cálculos preliminares: para obtener las condiciones de operación para la torre de destilación, se deben realizar los siguientes cálculos antes de iniciar la práctica: -

Diagrama de equilibrio T-xy para el sistema etanol-agua Diagrama de equilibrio x-y para el sistema etanol-agua Algoritmo para calcular el reflujo mínimo de operación

2. Reconocimiento de la torre de destilación: antes de iniciar la práctica se debe realizar un reconocimiento global de las válvulas y las líneas de flujo que se deben controlar y manejar durante toda la operación; además el tablero que presenta las temperaturas de las diferentes zonas del equipo. En la figura 2.12 se presenta el esquema de la columna de destilación piloto con su respectiva nomenclatura. Se debe tener presente durante toda la práctica que las válvulas que manejan el vapor de caldera no deben superar los 40 psig de presión. 3. Calibración de la válvula de alimentación: este procedimiento se realiza con agua y ayuda a obtener los datos correspondientes de caudal para mantener constante la alimentación del mosto en la destilación. Se disponen las válvulas de la manera mostrada en la tabla 2.2 para que el agua se conduzca a la entrada de alimentación y salga por el fondo de la columna. Tabla 2.2. Configuración de las válvulas para calibrar la válvula de alimentación Válvulas abiertas a, d, e y k

Válvulas medio abiertas b

Válvulas cerradas El resto

Cuando el agua salga por la parte inferior de la torre de destilación, se inicia a regular la válvula de alimentación (d) y se toman los datos correspondientes a la posición del Paloma Andrade Santacoloma

50

Destilación Continua

rotámetro contra caudal, en el caso de no contar con un medidor de caudal se puede aproximar la calibración usando el medidor de nivel del tanque de alimentación (I) realizando una escala que indique el descenso para un litro. Luego se relaciona la posición de la válvula (d) para que la diferencia entre las líneas marcadas anteriormente sea un minuto. El objetivo es obtener una posición que alimente aproximadamente 1 l/min. Cálculos preliminares Reconocimiento de la torre de destilación Calibración de la válvula de alimentación Adecuación de la torre

Carga del rehervidor

Adecuar los materiales para recibir el condensado de la chaqueta del rehervidor

Calentamiento del rehervidor Calentamiento de la torre Condiciones de estado estable (Variables constantes) Iniciación de la operación en continuo Seguimiento de variables Terminación del mosto de alimentación Agotamiento del alcohol en la torre Finalización de la destilación

Características del destilado

Lavado de la torre

Figura 2.13. Diagrama de bloques para la destilación continua 4. Adecuación de la torre: antes de iniciar la destilación se debe alimentar agua a la torre para humedecer el empaque de las tres secciones y evitar un choque térmico cuando los vapores calientes asciendan por ella, en algunas ocasiones se debe lavar la columna; para cualquiera de los casos se desarrollan los siguientes pasos:

Oscar Andrés Prado

51

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Humidificación: el agua se alimenta por la segunda válvula de alimentación (f), cae por la torre y se detiene cuando el agua salga traslucida por la parte inferior de la columna. La disposición de las válvulas son las planteadas en la tabla 2.3. Con este procedimiento se logra humedecer el tramo inferior (VII) e intermedio de la torre (VIII); el tramo superior (IX) se humedece adicionando agua por el divisor (XI), de tal forma que se devuelva a la torre por el conducto del reflujo. Tabla 2.3. Configuración de las válvulas para humedecer la torre Válvulas abiertas a, d, f, r y k

Válvulas medio abiertas b

Válvulas cerradas El resto

Lavado: la configuración de las válvulas se presenta en la tabla 2.4. El agua se alimenta a la torre por la primera válvula de alimentación (e). Con el objetivo de acumular el agua en la torre (inundarla), se deja cerrada la válvula de salida (k). Cuando la torre este llena de agua, se vacía por la válvula (k) y se corrobora que el agua esté saliendo clara. Tabla 2.4. Configuración de las válvulas para lavar la torre Válvulas abiertas a, d y e

Válvulas medio abiertas b

Válvulas cerradas El resto

5. Carga del rehervidor: disponer las válvulas (tabla 2.5) para que el flujo llegue al calderín (IV). Antes de iniciar la carga del mosto, se debe enviar el antiespumante (300 ml) para evitar que se mezcle con el mosto y forme una emulsión. Luego se carga el mosto con la ayuda de la bomba (II) hasta completar aproximadamente 55 litros6. Tabla 2.5. Configuración de las válvulas para dirigir el flujo al rehervidor Válvulas abiertas a, d y g

Válvulas medio abiertas b

Válvulas cerradas El resto

6. Calentamiento del calderín: disponer las válvulas para iniciar la operación (tabla 2.6). No olvidar purgar las líneas de vapor (A y B) antes de conectar a los equipos. Cuando se inicia el calentamiento se toma como tiempo cero y se realiza el seguimiento de las variables que presenta el cuadro 2.2. Estos datos corresponden a la etapa de estabilización y no hay alimentación del mosto. El calentamiento del rehervidor se realiza a una presión entre 10 psig y 12 psig. Tabla 2.6. Configuración de las válvulas para el iniciar calentamiento del calderín Válvulas abiertas j, l, o y r

6

Válvulas medio abiertas -

Los 55 litros corresponden al 80% de la capacidad del caldrín

Paloma Andrade Santacoloma

52

Válvulas cerradas El resto

Destilación Continua

7. Calentamiento de la torre: a medida que se calienta el rehervidor (IV), se producen vapores que van subiendo por todos los tramos de la torre logrando calentarla. Cuando la temperatura 4 (T4) empieza a aumentar, se debe abrir la válvula de agua de enfriamiento (C) del condensador de la cima (X) y abrir por completo la válvula que maneja el reflujo (r) (esta posición indica un reflujo infinito). 8. Condiciones de estado estable: se considera que la torre ha llegado al estado estable cuando las variables de operación se mantengan constantes durante 3 ó 4 datos consecutivos. En este momento se preparan los materiales necesarios para medir las variables de seguimiento al momento de iniciar la destilación y durante la operación. Tener presente, las probetas y cronómetros para los caudales de cima y fondos. 9. Iniciación de la operación en continuo: la destilación continua empieza al momento de alimentar el mosto, obtener productos de cima y de fondos de forma continua. El inicio de estas actividades debe realizarse de una forma simultánea para minimizar la desestabilización de la torre. Para cumplir correctamente con estas actividades se debe tener en cuenta que: -

La configuración de las válvulas para el flujo de alimentación esté ajustada al tramo de la torre que se vaya a manejar. Tabla 2.7. Configuración de las válvulas para dirigir el flujo a la columna Válvulas abiertas a, j, l y e o f

-

-

-

-

Válvulas medio abiertas d (posición de alimentación), b

Válvulas cerradas El resto

La válvula de vapor del intercambiador de calor (III), que calienta la alimentación, se debe abrir segundos antes de iniciar la alimentación. La presión que se maneja en este calentamiento depende de la temperatura de alimentación del mosto (líquido saturado) determinada en los cálculos preliminares. Al momento de alimentar, se ajusta el caudal de alimentación poniendo la válvula (d) en la posición que se determinó en la calibración (1 l/min.) y se enciende la bomba. Al momento de iniciar la alimentación, se deben ajustar las válvulas que controlan el flujo de fondos (i), reflujo (r) y destilado (p), regulando para cada una de ellas el caudal calculado por medio del algoritmo desarrollado en los cálculos preliminares7. Verificar constantemente que el balance de materia se cumpla durante toda la operación. Durante la operación se debe tener mucho cuidado al indicador de nivel de inundación (VI) que se encuentra en la parte inferior de la torre. Si la torre empieza a inundarse se debe bajar la presión de vapor del calderín hasta que desaparezca el mosto acumulado en esta sección.

7

El caudal del reflujo se ajusta con el rotámetro de la cima (XII). El ANEXO F, presenta la curva de calibración.

Oscar Andrés Prado

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10. Seguimiento de variables: durante la destilación continua se realiza un registro de las variables necesarias para llevar un control de la operación y desarrollar los cálculos posteriores. Los formatos para la toma de datos se dividen en el cuadro 2.3 que presenta los datos que se reportan en la base de la torre y en el cuadro 2.4 se reportan los datos de cima8. 11. Agotamiento de la alimentación: cuando se acaba el mosto se detiene la bomba de alimentación, el vapor del intercambiador y el flujo de fondos; y se continúa la operación como una destilación por lotes. 12. Finalización de la operación: la destilación discontinua finaliza cuando la concentración del destilado es menor de 20ºGL. En este momento se detiene el vapor del calderín y se recoge las trazas de destilado que sigan saliendo hasta que se agote todo el producto de cima. 13. Lavado del equipo: este paso se realiza con agua caliente para retirar la mayor cantidad de mosto que haya quedado adherido al equipo. Los pasos a seguir son: a. Alimentar agua caliente por la parte superior de la columna (f), disponiendo las válvulas en la posición adoptada para humedecer la torre, y se abre la válvula de la parte inferior de la torre (k) para facilitar la salida del agua con los residuos arrastrados. Se mantiene la alimentación hasta que el agua salga clara. b. Iniciar la descarga del calderín y cuando la temperatura del mismo baje a unos 50ºC, se puede alimentar agua caliente directamente al calderín (tabla 2.8). Este paso se mantiene hasta que el agua salga clara. Tabla 2.8. Configuración de las válvulas para lavar el calderín Válvulas abiertas a, d y g

Válvulas medio abiertas iyb

Válvulas cerradas El resto

14. Características del destilado: al finalizar la destilación se recolecta en un solo recipiente todo el destilado obtenido y se reportan los datos de volumen, densidad, temperatura y grado alcohólico. FORMATO PARA LA TOMA DE DATOS Calibración de la válvula de alimentación

Para cada dato de caudal se realiza una repetición como mínimo:

8

Para reportar los grados alcohólicos corregidos se usa la tabla del ANEXO G

Paloma Andrade Santacoloma

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Destilación Continua

Cuadro 2.1. Formato para los datos de calibración de la válvula de alimentación Posición de la válvula o del rotámetro

Volumen (ml)

Tiempo (s)

Caudal (ml/s)

Estabilización de la columna de destilación Cuadro 2.2. Formato para los datos de la etapa de estabilización

Tiempo

CALDERÍN PVapor Tinterior (psig) (ºC )

COLUMNA DE DESTILACIÓN* T1 T2 T3 T4 T5 (ºC ) (ºC ) (ºC ) (ºC ) (ºC )

CONDENSADO Masa Temp. (kg) (ºC )

* Corresponde a las temperaturas de la columna mostradas en la figura 2.12

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Destilación en continuo Cuadro 2.3. Formato 1 para los datos de la destilación continua Tiempo

Calderín Columna de destilación Conden. Alimentación Fondos T T1 T 2 T 3 T 4 T 5 M T Q PV T Q T ρ PV

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Destilación Continua

Cuadro 2.4. Formato 2 para los datos de la destilación continua Grado Litro alcohólico Densidad o N (leído)

Temperatura

Grado alcohólico (corregido)

Caudal Lectura de del destilado rotámetro

Valor del Reflujo

Oscar Andrés Prado

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Manual de Prácticas para el Laboratorio de Operaciones Unitarias III

BIBLIOGRAFÍA

1. GEANKOPLIS, C. J. Procesos de Transporte y Operaciones Unitarias. Compañía Editorial Continental S.A. CECSA. Tercera Edición. 1999. 2. TREYBAL, R. E. Operaciones de Transferencia de Masa. McGraw Hill. Segunda Edición.1991. 3. McCABE, W.; SMITH, J.; HARRIOTT, P. Operaciones Unitarias en Ingeniería Química. McGraw Hill. Cuarta Edición. 1999. 4. SMITH, J.; VAN NESS, H.; ABBOTT, M. Introducción a la Termodinámica en Ingeniería Química. Quinta edición. McGraw-Hill. 1997. 5. BOLAÑOS, G. Simulación de Equilibrios entre Fases con Aplicación en Destilación Multicomponente. Centro de Publicaciones de la Universidad Nacional Sede Bogotá. 1983. 6. WINKLE, M.; Distillation. McGraw-Hill. 1967. 7. SCHWEITZER, P. Handbook of Separation Techniques for Chemical Enginer. Segunda edición. McGraw-Hill, Book Company. 8. HENLEY, E. y SEADER, J. Equilibrum-Stage Separation Operations in Chemical Engineering. JHON WILEY & SONS. 1981. 9. BETANCOURT, R. Guías para El laboratorio de Operaciones Unitarias III, DifusividadFabricación de alcohol. Centro de publicaciones de la Universidad Nacional de Colombia Sede Manizales. 2001. 10. BARBOSA-CÁNOVAS, G.; MA, L.; BARLETA, B. Manual de Laboratorio de Ingeniería de Alimentos. Editorial ACRIBIA, S.A. 1997. 11. IBARZ, A. et al. Métodos Experimentales en la Ingeniería Alimentaria. Editorial ACRIBIA, S.A. 2000. 12. MAREK, G. The Fermentation Process Integrated with Membrame Distillation. Separation and Purification Technology, Vol. 24, pp. 283. 2001. 13. ZHIGANG, L.; et al. Influence of salt added to solvent on extractive distillation. Chemical Engineering Journal, Vol. 87, pp. 149. 2002. 14. SZITKAI, Z. Optimization of Hybrid Ethanol Dehydration Systems. Chemical Engineering and Procesing, Vol. 41, pp. 631. 2002. 15. JOHNSON, R.A.; SUN, J.C.; SUN, J. A Pervaporation–Microfiltration–Osmotic Distillation Hybrid Process for the Concentration of Ethanol–Water extracts of the Echinacea Plant. Journal of Membrane Science, Vol. 209, pp. 221. 2002. 16. ZHIGANG, L.;. RONGQI, Z.; ZHANTING, D. Application of Scaled Particle Theory in Extractive Distillation with Salt. Fluid Phase Equilibria, Vol. 200, pp. 187. 2002. 17. IZQUIERDO-GIL, M.A.; JONSON, G. Factors Affecting Flux and Ethanol Separation Performance in Vacuum Membrane Distillation (VMD). Journal of Membrane Science, Vol. 214, pp. 113. 2003. 18. INDUSTRIAS QUÍMICAS FIQ LTDA. Unidad Piloto de Destilación. Santafé de Bogotá.

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Práctica 3 DESTILACIÓN DISCONTINUA 3.1 OBJETIVOS DE LA PRÁCTICA

Objetivo General Concentrar y purificar el alcohol obtenido en la destilación continua Objetivos Específicos 1. Estudiar el proceso de destilación discontinua tanto sencilla o diferencial como con reflujo, ya sea este variable o constante. 2. Utilizar el método McCABE-THIELE para determinar el número de etapas teóricas de la columna, teniendo en cuenta que solo existe zona de enriquecimiento. 3. Realizar los balances de materia y energía para la operación 4. Determinar la altura de empaque equivalente a una etapa teórica 5. Obtener los rendimientos másicos y energéticos de la operación

3.2 MARCO CONCEPTUAL

Destilación en discontinuo La destilación por lotes es una operación que no ocurre en estado estable, debido a que la composición de la materia prima cargada varía con el tiempo. Las primeras trazas obtenidas son ricas en el compuesto más volátil, pero a medida que procede la vaporización el contenido de este compuesto va disminuyendo. Lo anterior se ve reflejado en el aumento de la temperatura de todo el sistema de destilación, debido a que en el recipiente se concentran los componentes menos volátiles [1], [8]. Una operación en discontinuo es benéfica sí [8], [9]: ¾ La cantidad de materia prima a destilar es demasiado pequeña como para realizar una operación en continuo. Las principales limitaciones se dan en los equipos que requieran una capacidad mínima de operación como las bombas, intercambiadores de calor, tuberías e instrumentación. ¾ Los requerimientos de operación de la planta oscilan en gran medida debido a las características de la alimentación y el volumen a manejar. Los equipos para destilación por lotes ofrecen mayor flexibilidad operacional que los equipos que trabajan en continuo.

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¾ Se desea utilizar el equipo de destilación para aplicar a diversas recuperaciones de productos. ¾ El producto principal posee pequeñas cantidades de impurezas Para los sistemas de destilación por lotes aparecen diversas configuraciones que definen tanto el fenómeno como la forma de modelar la operación, las cuales son: -

Destilación simple sin reflujo Destilación con reflujo constante Destilación con reflujo variable

Destilación simple sin reflujo En una destilación discontinua una cantidad de líquido se carga en un recipiente que tenga algún tipo de calentamiento. Al iniciar la operación el líquido se calienta hasta la ebullición, los vapores generados se condensan y se almacenan en un colector. En la figura 3.1 se muestra un esquema para destilación simple para una mezcla binaria a nivel de laboratorio. V y

D

W x

Q

D x

W

D

Figura 3.1. Equipo para una destilación simple Para el caso mostrado, una cantidad que líquido W de composición xW (referida a la sustancia más volátil) se encuentra en ebullición en un balón, a medida que transcurre el tiempo los valores de W y xW disminuyen debido a la vaporización. El flujo de destilado

D posee una concentración x D = y D . Planteando el balance de materia global, sin acumulación, se tiene1 [8]:

dW = −D dt La velocidad de vaciado del balón G sería:

1

Todos los valores se encuentran en base molar.

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60

(3.1)

Destilación Discontinua

G=−

d ( xW W ) dx dW = − xW −W W dt dt dt

(3.2)

El balance de materia por componente para cualquier instante vendría dado por:

xW

dx dW + W W = − yD D dt dt

(3.3)

Sustituyendo la ecuación 3.1 en la 3.3:

xW dW + WdxW = y D dW

(3.4)

dxW dW = W y D − xW

(3.5)

Reorganizando la ecuación 3.4:

La ecuación 3.5 se conoce como la ecuación de Rayleigh y fue propuesta en 1902, es aplicable a destilación simple sin reflujo para una mezcla multicomponente. La ecuación de Rayleigh se puede simplificar aún más teniendo en cuenta que:

dW = d (ln W ) = dτ W

(3.6)

Reemplazando la ecuación 3.6 en la 3.5 y eliminando los subíndices:

dx = y * −x dτ

(3.7)

Donde τ: logaritmo natural de la cantidad de material en el balón x: composición de la sustancia más volátil en el balón y * : composición del destilado, que se encuentra en equilibrio con x Otra forma de la ecuación de Rayleigh se da cuando se expresa la composición del destilado en términos del coeficiente de distribución K = y * / x , así:

dx = ( K − 1) x dτ

(3.8)

Para solucionar bien sea la ecuación 3.5, la 3.7 o la 3.8, se presentan tres posibilidades: a. Solución gráfica de la integral : integrando la ecuación 3.5 entre la condición inicial 0 y la final f , eliminando los subíndices de las composiciones, se obtiene:

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⎛Wf ln⎜⎜ ⎝ Wo

⎞ x1 dx ⎟⎟ = ∫ ⎠ xo y * − x

(3.9)

Conociendo los datos de equilibrio, la solución de la integral es el área bajo la curva 1 ( y * − x) contra x entre los límites de integración establecidos.

1 y-x

En la figura 3.2 se representa un bosquejo de la integración gráfica.

ÁREA

xf

xo

x

Figura 3.2. Integración gráfica para la ecuación de Rayleigh [1], [8] BETANCOURT [9] explica en forma detallada como utilizar el método de los trapecios o de Simpson para calcular el área bajo una curva. b. Solución analítica de la integral: la ecuación 3.5 puede ser resuelta analíticamente utilizando una de las siguientes suposiciones [8], [9]: ¾ Si a presión constante la variación de la temperatura en el balón es relativamente pequeña2 y el coeficiente de distribución K es independiente de la composición, se tiene:

y = Kx

(3.10)

Resolviendo la integral utilizando la ecuación 3.10, se llega a:

⎛Wf ln⎜⎜ ⎝ Wo

⎞ ⎛ xf 1 ⎟⎟ = ln⎜⎜ ⎠ K − 1 ⎝ xo

2

⎞ ⎟⎟ ⎠

(3.11)

La variación de la temperatura en el balón es pequeña a través del tiempo cuando las temperaturas de ebullición de las sustancias puras son muy cercanas.

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Destilación Discontinua

¾ Para una mezcla binaria en donde la volatilidad relativa se pueda considerar constante, la ecuación de Rayleigh tiene una solución analítica. Para esto se recurre a la definición de volatilidad relativa [8], [9]:

α AB =

yA / xA yB / xB

(3.12)

Donde α AB : volatilidad relativa de la sustancia A referida a B

yi : xi :

composición en la fase vapor de la sustancia i composición de la fase líquida de la sustancia i

Expresando la composición de la sustancia B en términos de A y despejando y A de la ecuación 3.12, se obtiene:

yA =

α AB x A 1 + (α AB − 1)x A

(3.13)

Sustituyendo la ecuación 3.13 en la 3.5 y resolviendo la integral se llega a [8]:

⎛Wf ln⎜⎜ ⎝ Wo

⎞ 1 ⎟⎟ = ⎠ α AB

⎡ ⎛ xo ⎢ln⎜⎜ ⎢⎣ ⎝ x f

⎞ ⎛1− x f ⎟ + α AB ln⎜ ⎜ 1− x ⎟ o ⎝ ⎠

⎞⎤ ⎟⎟⎥ ⎠⎥⎦

(3.14)

c. Solución numérica de la ecuación diferencial: la ecuación de Rayleigh expresada por la ecuación 3.7 ó 3.8 puede ser resuelta aproximadamente utilizando un método numérico y modelos de equilibrio de fases. Este tipo de solución se utiliza en la termodinámica topológica para determinar las posibilidades de separación de una mezcla multicomponente estimando las curvas de residuo, líneas de atadura y la caracterización de los puntos fijos. Destilación con reflujo (columna de enriquecimiento) La destilación en una columna que solo posee zona de enriquecimiento es un caso especial de separación en donde la columna solo posee la sección correspondiente a la rectificación. Por lo tanto, la alimentación no se realiza en un sector cercano a la mitad de la columna, sino que se hace por el fondo en forma de vapor. El vapor puede ser inyectado directamente cuando procede de otra columna, de otra manera se utiliza un rehervidor para generarlo. El destilado que se produce por la cima de la torre de destilación, generalmente, es muy rico en el componente más volátil y el residuo contiene una pequeña fracción del componente más ligero. Esta configuración de columna aparece por la necesidad de obtener los productos de cabeza de la torre con una alta concentración del compuesto más volátil a un precio

Oscar Andrés Prado

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reducido. La figura 3.3 muestra el esquema de una torre que posee solo zona de enriquecimiento y opera por lotes. Planteando los balances de materia a la columna se obtiene:

− dW = dD

(3.15)

− d ( xW W ) = x D dD

(3.16)

Donde W : cantidad de material en el rehervidor D: cantidad de material que se extrae por la cima xW : fracción molar en el rehervidor

xD :

fracción molar del destilado Condensador Vapor

Líquido

Acumulador

Sección de enriquecimiento

Producto de cabeza

Vapor

Líquido Rehervidor

Figura 3.3. Columna de rectificación por lotes Diferenciando la ecuación 3.16 y reemplazando la 3.15 en esta última:

xW dW + WdxW = x D dW

(3.17)

Separando variables e integrando la ecuación 3.17 entre la condición inicial y la final: Paloma Andrade Santacoloma

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Destilación Discontinua

⎛Wf ln⎜⎜ ⎝ Wo

⎞ Do dxW ⎟⎟ = ∫ ⎠ xWo x D − xW x

(3.18)

La ecuación de balance de materia anterior es muy parecida a la ecuación de Rayleigh, con la diferencia que las composiciones del destilado y del rehervidor no están en equilibrio. La integral de la ecuación 3.18 pede ser resuelta gráficamente. Para el caso de tener una columna que posee solo sección de rectificación se cumple la ecuación para la línea de operación que se trabaja en el método de McCabe-Thiele3:

y n +1 =

x R xn + D R +1 R +1

(3.19)

Las columnas de destilación por lotes con reflujo pueden ser operadas de dos maneras: 1. Rectificación con reflujo constante: cuando la relación de reflujo es un parámetro establecido, el cambio en la composición del rehervidor hará que la composición del destilado varíe en el tiempo. La rectificación utilizando reflujo constante funciona de forma análoga a la destilación simple; no obstante, usar el reflujo hace que la disminución en la composición del destilado sea más lenta [9]. La representación de este caso sobre el diagrama de McCabe-Thiele fue descrito por Smoker y Rose [8], se presenta en la figura 3.4.

y

m Tie m Tie

po

po

0

1

xW1

xW 0 xD1

x D0

x

Figura 3.4. Destilación por lotes con reflujo constante

3

La deducción se muestra en la práctica de destilación continua.

Oscar Andrés Prado

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La carga inicial del equipo se caracteriza por tener una composición de xWo y para dos etapas teóricas la composición del destilado será x Do , la línea de operación vendrá dada por:

yo =

x R xWo + Do R +1 R +1

(3.20)

Después de un tiempo la composición en el rehervidor caerá a xW 1 y, manteniendo constante el reflujo, la composición de cabeza disminuirá hasta alcanzar un valor de x D1 . La línea de operación para este instante de tiempo será:

y1 =

x R xW 1 + D1 R +1 R +1

(3.21)

Como se puede observar en la figura 3.4, no es conveniente la operación a reflujo constante debido a que la composición del destilado varía con el tiempo. 2. Rectificación con reflujo variable: utilizando una relación de reflujo variable se puede evitar que la composición de la cima de la columna disminuya con el tiempo, pero a un costo energético extra debido a que se incrementan los requerimientos de calor y el tiempo de operación de la torre. Realizando un paralelo con el ejemplo cualitativo de rectificación con reflujo constante, se ve en la figura 3.5 que para el mismo número de etapas la composición de cima se mantiene constante si el reflujo se incrementa.

y

m Tie

po

0

em Ti

po

1

xW1 xW 0

xD

x

Figura 3.5. Destilación por lotes con reflujo variable

Paloma Andrade Santacoloma

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Destilación Discontinua

Para el tiempo cero la línea de operación es:

yo =

x R xWo + D R +1 R +1

(3.22)

Y para el tiempo posterior, cuando el reflujo pasa de ser R a R1 se tiene:

y1 =

R1 x xW 1 + D R1 + 1 R1 + 1

(3.23)

Se pueden utilizar el tanteo y error experimental o el método McCabe-Thiele para estimar la variación del reflujo que permita mantener la concentración de cima constante, esto se amplia en el procedimiento en la sección de iniciación de la operación.

Oscar Andrés Prado

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3.3 DESARROLLO DE LA PRÁCTICA

Figura 3.6. Esquema de la columna de destilación piloto4 4

La descripción del equipo se encuentra en la práctica de destilación continua.

Paloma Andrade Santacoloma

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Destilación Discontinua

MATERIALES Y EQUIPOS Materia prima ¾ Etanol obtenido en la operación de destilación continua Equipos ¾ Torre de destilación (figura 3.6) ¾ 3 Probetas de 1000 ml ¾ 2 cronómetros ¾ Areómetro de densidad ¾ Alcoholímetro de grados Gay-Lussac ¾ Baldes ¾ Termómetro

PROCEDIMIENTO El procedimiento se plantea basándose en el trabajo de BETANCOURT [9]. El diagrama de bloques se ilustra en la figura 3.7. Cálculos preliminares Reconocimiento de la torre de destilación

Adecuación de la materia prima

Adecuación de la columna

Carga del rehervidor Calentamiento del calderín Calentamiento de la torre Estabilización Iniciación de la operación Estado estable Seguimiento de variables

Recolección del producto Finalización de la operación Lavado del equipo

Figura 3.7. Diagrama de bloques para la rectificación discontinua Oscar Andrés Prado

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1. Cálculos preliminares: de manera análoga a la práctica de destilación continua, se sugiere realizar los siguientes cálculos antes de iniciar la práctica: -

Diagrama de equilibrio T-xy para el sistema etanol-agua Diagrama de equilibrio x-y para el sistema etanol-agua

2. Reconocimiento de la torre de destilación: de igual forma, como se trabajó en la destilación continua, debe realizarse un reconocimiento global de las válvulas y las líneas de flujo que se deben controlar y manejar durante esta la operación. 3. Adecuación de la columna: antes de iniciar la operación la torre debe ser humedecida o lavada con agua, según el caso. Humidificación: el agua se alimenta por la segunda válvula de alimentación (f), cae por la torre y sale por la parte inferior de la torre. La disposición de las válvulas son las planteadas en la tabla 3.1. Con este procedimiento se logra humedecer el tramo inferior (VII) e intermedio de la torre (VIII); el tramo superior (IX) se humedece adicionando agua por el divisor (XI), de tal forma que entre a la torre por el conducto del reflujo. Tabla 3.1. Configuración de las válvulas para humedecer la torre Válvulas abiertas a, d, f, k y r

Válvulas medio abiertas b

Válvulas cerradas El resto

Lavado: La configuración de las válvulas se presenta en la tabla 3.2. El agua se alimenta a la torre por la primera válvula de alimentación (e). Con el objetivo de acumular el agua en la torre (inundarla), se deja cerrada la válvula de salida (k). Cuando la torre este llena de agua, se vacía por la válvula (k) y se corrobora que el agua esté saliendo clara. Tabla 3.2. Configuración de las válvulas para lavar la torre Válvulas abiertas a, d y e

Válvulas medio abiertas b

Válvulas cerradas El resto

4. Adecuación de la materia prima: el alcohol obtenido en la destilación continua debe diluirse con agua o adicionar colas de operaciones anteriores, para completar una carga de 55 litros en el calderín. A la mezcla final se le toman datos de densidad, grados alcohólicos, masa y volumen. 5. Carga del rehervidor: disponer las válvulas (tabla 3.3) para que el flujo llegue al calderín (IV). Iniciar la carga del alcohol adaptado en el paso anterior con la ayuda de la bomba (II).

Paloma Andrade Santacoloma

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Destilación Discontinua

Tabla 3.3. Configuración de las válvulas para dirigir el flujo al rehervidor Válvulas abiertas a, d y g

Válvulas medio abiertas b

Válvulas cerradas El resto

6. Calentamiento del calderín: disponer las válvulas para iniciar la operación (tabla 3.4). No olvidar purgar las líneas de vapor (A y B) antes de conectar a los equipos. Cuando se inicia el calentamiento se toma como tiempo cero y se realiza el seguimiento de las variables que presenta el cuadro 3.1. Estos datos corresponden a la etapa de estabilización. El calentamiento de la destilación por lotes se realiza a una presión de vapor entre 8 psig y 10 psig. Tabla 3.4. Configuración de las válvulas para iniciar el calentamiento del calderín Válvulas abiertas j, l, o y r

Válvulas medio abiertas -

Válvulas cerradas El resto

7. Calentamiento de la torre: los tramos de la torre de destilación se calientan a medida que se producen los vapores en el rehervidor (IV). Cuando la temperatura 4 (T4) empieza a aumentar, se debe abrir la válvula del agua de enfriamiento (C) del condensador de la cima (X) y abrir por completo la válvula que maneja el reflujo (r), (esta posición indica un reflujo infinito). 8. Condiciones de estado estable: se considera que la torre ha llegado al estado estable cuando las diferentes variables de operación se mantengan constantes durante 3 ó 4 datos consecutivos. En este momento se preparan los materiales necesarios para medir las variables de seguimiento. 9. Iniciación de la operación: la destilación por lotes empieza cuando se estabilice la torre. El objetivo es obtener el etanol con la concentración más elevada posible, cercana a la composición azeotrópica. En esta etapa el reflujo se comienza a variar con el fin de mantener la composición del destilado constante; se proponen dos alternativas con las cuales se puede llevar esto a cabo. a. Por tanteo y error: a medida que disminuya la composición de cima se abre paulatinamente la válvula de reflujo (r) y se cierra la válvula que controla el flujo de producto (p), con el fin de mantener el nivel del divisor constante. b. Determinación teórica: utilizando el método de McCabe-Thiele se puede estimar el reflujo para mantener la composición de cima aproximadamente constante5. 10. Seguimiento de variables: durante la destilación por lotes se realiza un registro de las variables necesarias para llevar un control de la operación y desarrollar los cálculos posteriores. Los formatos para la toma de datos se dividen en el cuadro 3.2 que presenta los datos que se reportan en la base de la torre y en el cuadro 3.3 se reportan los datos de cima6.

5 6

El algoritmo se muestra en el ANEXO H. Para reportar los grados alcohólicos corregidos se usa la tabla del ANEXO G.

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11. Recolección del producto: durante la operación se presenta un agotamiento de alcohol en relación a la cantidad inicial, por lo tanto el producto de cima se recolecta según el grado alcohólico que vaya presentando durante la operación. Los dos primeros litros se dejan aparte ya que contienen mayor cantidad de trazas de metanol. Los litros siguientes se recolectan por cortes (en recipientes diferentes) de la siguiente manera: -

Corte 1: es el volumen de destilado recolectado que supere los 90ºGL (grados alcohólicos) corregidos por temperatura. Corte 2: es el volumen de destilado recolectado que se encuentra entre 89ºGL y 80ºGL corregidos por temperatura. Colas: es el volumen de destilado recolectado que presenta una concentración menor a 79ºGL, pero mayor a 20ºGL.

Todos los cortes deben ir almacenados de forma independiente y cada vez que se de paso a otro corte, se aumenta la presión de vapor del calderín para realizar un agotamiento del etanol. 12. Finalización de la operación: la operación se termina cuando la concentración de alcohol en el destilado es inferior a 20ºGL. Cuando se presenten dichas condiciones se detiene el calentamiento del calderín y se espera que bajen las temperaturas del equipo para lavarlo y descargar el residuo que se encuentre en el calderín. 13. Lavado del equipo: este paso se realiza para retirar la mayor cantidad de residuos que estén adheridos al equipo. Como el lavado se realiza con agua caliente se debe alimentar vapor al intercambiador de calor (III) y enviar el agua a la torre de destilación. Los pasos a seguir son. a. Alimentar agua caliente por la parte superior de la columna (f), disponiendo las válvulas en la posición adoptada para humedecer la torre, y se abre la válvula de la parte inferior de la torre (k) para facilitar la salida del agua con los residuos arrastrados. b. Iniciar a descargar el calderín y cuando la temperatura del mismo baje a unos 50ºC, se puede alimentar agua caliente directamente al calderín (tabla 3.5). Este paso se mantiene hasta que el agua salga clara. Tabla 3.5. Configuración de las válvulas para lavar el calderín Válvulas abiertas a, d y g

Válvulas medio abiertas iyb

Válvulas cerradas El resto

14. Características del destilado: al finalizar la destilación se reportan los datos de volumen, densidad, temperatura y grado alcohólico de cada uno de los cortes obtenidos durante la operación.

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Destilación Discontinua

FORMATO PARA LA TOMA DE DATOS Materia prima -

Densidad: Grados alcohólicos: Masa: Volumen:

Estabilización de la columna de destilación Cuadro 3.1. Formato para los datos de la etapa de estabilización

Tiempo

CALDERÍN PVapor Tinterior (psig) (ºC )

COLUMNA DE DESTILACIÓN* T1 T2 T3 T4 T5 (ºC ) (ºC ) (ºC ) (ºC ) (ºC )

CONDENSADO Masa Temp. (kg) (ºC )

* Corresponde a las temperaturas de la columna mostradas en la figura 3.6.

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Destilación por lotes Cuadro 3.2. Formato 1 para los datos de la destilación por lotes Tiempo

Calderín T PV

T1

Columna de destilación T2 T3 T4 T5

Condensado M T

Cuadro 3.3. Formato 2 para los datos de la destilación por lotes Litro ºGL Densidad Corte No (leído)

Temp.

Grado alcohólico (corregido)

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Caudal Lectura de del destilado rotámetro

Valor del Reflujo

Destilación Discontinua

BIBLIOGRAFÍA

1. GEANKOPLIS, C. J. Procesos de Transporte y operaciones Unitarias. Compañía Editorial Continental S.A. CECSA. Tercera Edición. 1999. 2. TREYBAL, R. E. Operaciones de Transferencia de Masa. McGraw Hill. Segunda Edición.1991. 3. McCABE, W.; SMITH, J.; HARRIOTT, P. Operaciones Unitarias en Ingeniería Química. McGraw Hill. Cuarta Edición. 1999. 4. SMITH, J.; VAN NESS, H.; ABBOTT, M. Introducción a la Termodinámica en Ingeniería Química. Quinta edición. McGraw-Hill. 1997. 5. BOLAÑOS, G. Simulación de Equilibrios entre Fases con Aplicación en Destilación Multicomponente. Centro de Publicaciones de la Universidad Nacional Sede Bogotá. 1983. 6. WINKLE, M.; Distillation. McGraw-Hill. 1967. 7. SCHWEITZER, P. Handbook of Separation Techniques for Chemical Enginer. Segunda edición. McGraw-Hill, Book Company. 8. HENLEY, E. y SEADER, J. Equilibrum-Stage Separation Operations in Chemical Engineering. JHON WILEY & SONS. 1981. 9. BETANCOURT, R. Guías para El laboratorio de Operaciones Unitarias III, DifusividadFabricación de alcohol. Centro de publicaciones de la Universidad Nacional de Colombia Sede Manizales. 2001. 10. BARBOSA-CÁNOVAS, G.; MA, L.; BARLETA, B. Manual de Laboratorio de Ingeniería de Alimentos. Editorial ACRIBIA, S.A. 1997. 11. IBARZ, A. et al. Métodos Experimentales en la Ingeniería Alimentaria. Editorial ACRIBIA, S.A. 2000. 12. INDUSTRIAS QUÍMICAS FIQ LTDA. Unidad Piloto de Destilación. Santafé de Bogotá.

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Práctica 4 EXTRACCIÓN DE GRASAS Y ACEITES 4.1 OBJETIVOS DE LA PRÁCTICA Objetivo General Obtener el material oleaginoso de origen vegetal o de origen animal aplicando las técnicas de extracción para cada caso. Objetivos Específicos 1. 2. 3. 4.

Determinar las pérdidas de material en cada etapa Seleccionar la técnica de extracción para el material Caracterizar el producto final Realizar los balances de materia

4.2 MARCO CONCEPTUAL

Reseña histórica Desde la antigüedad los seres humanos han tenido contacto con los aceites y las grasas, principalmente con las de origen animal, que hacían parte de la dieta alimenticia y más tarde se usaron como combustible para generar luz y calor. Los aceites de origen vegetal se empezaron a extraer en las zonas tropicales, ya que las nueces nativas eran fuentes oleaginosas que presentaban altos contenidos de aceites. Otro de los usos que se le dio a la grasa fue en la producción de jabón, donde se incorpora la reacción química que acompaña este producto. La materia prima que se usó inicialmente fue la grasa de origen animal que proporcionaba jabones con buenas características. La industrialización de este campo comenzó con la construcción de los molinos de semillas, cerca de 1826 [1], la cual ayudó a extraer de forma más fácil el aceite que contiene las semillas en su interior. Los subproductos de la molienda como la cáscara que recubre algunas semillas, se destinó como alimento para el ganado, ya que presentaba un alto valor de fibra. Después de 1850, se inician los avances en el campo de la refinación del producto, como la utilización de sosa cáustica para eliminar ácidos grasos y

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el impulso de la industria de las oleomargarinas. En 1893 se descubrió que el aceite se podía desodorizar al pasarle una corriente de vapor a alta temperatura, pero también se notó que mejoraba el sabor del producto final. Años más adelante se genera el descubrimiento que la molécula del aceite podía ser modificada químicamente por introducción de hidrógeno en las insaturaciones. Este proceso, llamado hidrogenación, logró comercializar muchos aceites menos conocidos, ya que las grasas adquieren un mayor grado de saturación, presentándose de forma más sólida que facilitaba la distribución del producto en el mercado. Generalidades Los aceites, las grasas y las ceras hacen parte de todos los lípidos que contienen los tejidos vegetales y animales. En el producto existe una mezcla de triglicéridos con cantidades menores de otros lípidos, que cuando se someten al proceso de hidrólisis se pueden obtener diferentes compuestos, principalmente, ácidos grasos y glicerina, diversos alcoholes, en algunos casos ácido fosfórico, aminoalcoholes, carbohidratos y otros [2]. Los aceites y las grasas son mezclas naturales de ésteres mixtos de alta complejidad, cada molécula está constituida por un grupo de ácidos grasos en compañía de la glicerina. Estos ésteres son llamados comúnmente glicéridos, pero la glicerina es un trialcohol, lo que significa que la molécula puede esterificarse con tres ácidos grasos, dando lugar a los triglicéridos (figura 4.1). Los ácidos grasos presentes en la molécula de los lípidos constituyen la parte con mayor interés, pues de las combinaciones de éstos se generan las diferentes clases de grasa y aceites que se encuentran en el mercado [3].

CH 2O CO R R CO OCH CH 2O CO R Figura 4.1. Molécula de un triglicérido [14] Las fuentes naturales para obtener los aceites y las grasas son animales y vegetales, cada fuente ofrece cantidades diversas de material graso extraíble (tabla 4.1) y depende de las características finales del producto deseado elegir la materia prima más conveniente. La distribución en las dos fuentes nombradas es [6]: 1. Los aceites de origen vegetal son obtenidos de las plantas, pues en todas ellas hay un contenido de aceites y grasas en el interior de las células. El material graso se encuentra disperso en toda la planta o acumulados en ciertos órganos, como las semillas que sirven de depósito y son las más utilizadas en la extracción de aceites. 2. Los aceites y las grasas de origen animal son extraídos de todos los órganos de los animales superiores que contengan mayor cantidad de grasa. En general, las fuentes

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Extracción de Grasas y Aceites

que presenta mayor proporción de grasa son los tejidos grasos, los tejidos de la cavidad abdominal, el corazón, los riñones, el hígado y los huesos. Tabla 4.1. Contenido graso de las fuentes más comunes en la industria [6] Fuente vegetal Cacahuete o maní Carne Aceitunas Hueso Nuez de palma Semilla de algodón Semilla de cáñamo Copra o coco

Aceite o grasa % 46 – 50 56 12 48 – 52 20 – 25 30 – 35 64 – 70

Fuente vegetal Semilla de ricino Semilla de sésamo o ajonjolí Soya Maíz Semilla de lino

Fuente animal Médula Tejidos grasos

Aceite o grasa % 45 – 55 50 – 54 17 – 20 34 – 37 24 – 26

Fuente animal 87 – 92 80 – 90

Huesos Leche

0.5 – 20 3–6

Características y clasificación de los aceites y las grasas Las características que presentan los aceites y las grasas son dependientes en gran parte de los ácidos grasos que constituyen la molécula del triglicérido. Los ácidos grasos más abundantes están en cadenas lineales, con un número par de átomos de carbono y longitudes de cadena que varían entre 4 y 30 átomos de carbono, esto depende de la fuente del material. La configuración de los ácidos grasos, en cuanto al número de carbonos y el número de insaturaciones, se puede escribir de una forma abreviada, obteniendo de esta manera una mejor visualización de la molécula y sus características; por ejemplo, el ácido linoleico sería 18:2 (18 átomos de carbono: dos dobles enlaces) [14]. Otra variable que confiere características importantes a las grasas es el grado de saturación de los ácidos grasos que la componen. Relacionando que, los aceites están compuestos principalmente por ácidos grasos insaturados y las grasas por ácidos grasos saturados [4]. Por lo tanto, el factor para denominar el nombre entre grasa o aceite es simplemente el punto de fusión, concluyendo que una grasa es sólida a 15ºC y el aceite es líquido a la misma temperatura [2]. Un proceso alternativo que se usa en las industrias es la hidrogenación, la cual hace que las grasas insaturadas se saturen, valga la redundancia, por la introducción de hidrogeno en los enlaces dobles, obteniendo como resultado un cambio en las características del producto final; el más evidente es el endurecimiento de los aceites y por ende el cambio en su punto de fusión [7]. La clasificación usual de los aceites y las grasas se presenta en la tabla 4.2. La última división tiene como base la propiedad de muchos aceites en endurecerse formando una película más o menos sólida en la superficie, que va relacionada con el contenido de ácidos secantes de las series linolénico y linoleico y los ácidos no secantes de la serie oleico [6].

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Tabla 4.2. Clasificación de las grasas y aceites Clasificación

Característica Sólido Semisólido Líquido Animal Vegetal Secantes Semisecantes No secantes

Según su consistencia Según su origen Según la serie de ácidos grasos Componentes no glicéridos

En los aceites y las grasas naturales (sin refinar) se encuentran componentes no glicéridos que se presentan en menor cantidad que los triglicéridos. Estos componentes, también llamados constituyentes menores, otorgan características particulares al producto dependiendo de la fuente que se utilice. Algunos de los más comunes son: 1. Vitamina E: esta es una mezcla de fenoles liposolubles que contienen una cadena lateral de 16 átomos de carbono. Algunos aceites vegetales, especialmente el aceite de palma y el aceite de salvado de arroz, son fuentes ricas en estos compuestos y aunque presentan una débil actividad como vitamina E, ésta actúa como antioxidante y proporciona estabilidad contra la oxidación [14]. 2. Carotenoides: son hidrocarburos liposolubles altamente insaturados presentes en las grasas animales y vegetales. Los carotenoides más frecuentes son los carotenos alfa, beta y gama, la licopina, la luteína y las xantofilas dentro de un grupo de más de 75 clases diferentes [14]. Los carotenoides y sus derivados son normalmente los que dan el color amarillo a rojo intenso a las frutas, hortalizas, cereales y aceite de palma bruto. Los carotenoides son los precursores de la vitamina A, presentando el βcaroteno la mayor actividad de provitamina A. 3. Vitaminas A y D: las fuentes tradicionales de vitamina A y D son la grasa de la mantequilla y los aceites de pescado, respectivamente. Aunque las margarinas del mercado son enriquecidas con estas vitaminas por exigencias legales en la mayoría de los países. 4. Esteroles: el colesterol es el principal esterol de los productos de origen animal, mientras que los principales esteroles de las plantas son el β-sitosterol, el campesterol y el estigmasterol [14]. 5. Escualeno: es uno de los hidrocarburos que predomina en las grasas. Es un intermediario en la síntesis del esterol a partir del acetato, se encuentra en cantidades particularmente elevadas en algunos aceites de pescado y en el aceite de oliva. Procesos de modificación de las grasas ¾ Hidrogenación: como se ha mencionado, la hidrogenación es un proceso donde se realiza la conversión de varios radicales insaturados de glicéridos en compuestos más saturados por la adición de hidrógeno. El proceso se maneja mediante un sistema trifásico, gas-líquido-sólido (hidrógeno-aceite-catalizador), a temperaturas entre 120ºC Paloma Andrade Santacoloma

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Extracción de Grasas y Aceites

y 220ºC, con temperaturas máximas en las etapas finales de reacción, y presiones de operación entre 200 KPa y 700 KPa [14]. El catalizador que se emplea es el níquel que viene en pequeños cristales soportados por un óxido inorgánico (sílice o alúmina). Terminada la reacción, el catalizador se filtra y reutiliza, mientras que al aceite se le debe eliminar todas las trazas de níquel residual, hasta obtener el nivel sugerido por la ley. El objetivo de la hidrogenación no es solo elevar el punto de fusión sino mejorar las cualidades de almacenamiento, sabor y olor de muchos aceites, como también proporcionar a las industrias unos productos de mejores características para su manufactura [6]. ¾ Isomerización: aparte de la reducción de la insaturación durante la hidrogenación, también se puede dar una isomerización de los dobles enlaces. Los isómeros generados pueden ser geométricos, que se generan por la conversión de una forma cis natural en trans y los isómeros de posición que se forman por la migración de los enlaces dobles hacia otra posición de la cadena. Estos cambios en las grasas y aceites son de gran interés, ya que proporcionan diferentes propiedades físicas que pueden ser modificadas según los requerimientos del producto [6], [14]. ¾ Interesterificación: este proceso consiste en realizar un reordenamiento de los ácidos grasos en la molécula del triglicérido utilizando un catalizador moderadamente alcalino (metóxido de sodio o aleaciones de Na-K). La neutralización del catalizador detiene la reacción. El cambio modifica el punto de fusión de la grasa, sin cambiar la naturaleza de sus ácidos grasos [6]. ¾ Fraccionamiento: es una operación donde se realiza una separación controlada de las fracciones de aceite/grasa a temperaturas bajas. Por ejemplo, el aceite de palma se fracciona en palmoleína y palmestearina [14]. Usos de los aceites y las grasas Las grasas y los aceites tienen muchas aplicaciones en la industria, entre las más comunes se encuentran [6]: 1. Para alimentación humana: la manteca de sebo y grasa de cerdo, aceites de oliva, nueces, girasol, lino, maíz, soya, coco y palma. 2. Para la fabricación de jabones: aceites de lino, algodón, maíz, soya, cáñamo, peces y ballena (jabones blandos), además del aceite de cacahuete o maní, algodón, sésamo, oliva, coco, palma, ricino, sebo, manteca de cerdo (jabones duros). 3. Para la fabricación de bujías y ácido esteárico: sebo y la grasa de huesos, aceite de palma, sebo vegetal chino. 4. Para la obtención de barnices, lacas y pinturas: los aceites de lino, de nueces, de madera chino. 5. Para alumbrado: los aceites de oliva, de cacahuete, aceites de foca y de ballena. 6. Para engrase de maquinaria fina: los aceites de oliva, de colza, de ricino, de cacahuete, de tocino, de pie de buey.

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4.3 OBTENCIÓN DE GRASAS Y ACEITES DE ORIGEN VEGETAL Los aceites y las grasas vegetales se obtienen, de los frutos y semillas de las plantas, mediante las técnicas de prensado y la extracción con solventes. La primera técnica es la más sencilla para extraer aceites de este tipo, logra rendimientos de extracción bajos, pero se obtiene un producto de alta calidad y la torta residual de la extracción presenta unas características adecuadas para su posterior utilización [9]. La segunda es una técnica que se emplea con frecuencia porque se obtienen altos rendimientos de extracción, a cambio de obtener un buen producto pero de menor calidad que los obtenidos por prensado. Debido a esto, las industrias usan los dos métodos combinados, iniciando con el prensado y después realizando un agotamiento de la torta con solventes, obteniéndose finalmente dos clases de productos y un rendimiento máximo [1]. Los materiales oleaginosos que más se cultivan en Colombia son el ajonjolí, la soya, el algodón, el girasol, la palma y el coco, como fuentes principales, y también se obtiene a partir del germen de arroz y de maíz que son subproductos de su beneficio [7]. Las características fisicoquímicas (ANEXO J) de los aceites ayudan a establecer un diagnóstico de su estado, pudiéndose detectar algún tipo de impureza o deterioro del producto. Las determinaciones a las que se debe someter el aceite dependen de diferentes intereses. Por ejemplo, los productos destinados como alimento se rigen por las normas establecidas de cada país o si el producto es una materia prima de otro proceso, se pueda garantizar la uniformidad del mismo. Algunas de las pruebas más importantes son las organolépticas, humedad, materias volátiles, impurezas insolubles en éter de petróleo, acidez libre, índice de peróxidos, índice de saponificación, índice de yodo e índice de refracción [7]. Los valores de estas pruebas dan las características del aceite que se relaciona directamente con las series de los ácidos grasos que lo componen, como ya se dijo con anterioridad. En la tabla 4.3 se presenta la composición de ácidos grasos en los aceites vegetales que más se usan. Tabla 4.3. Contenido de ácidos grasos de diferentes aceites y grasas vegetales [1] Ácido Butírico Caproico Caprílico Cáprico Láurico Mirístico Miristoleico Palmítico Palmitoleico Esteárico Oleico Linoleico Linolénico Araquídico Araquidónico Otros

Fórmula

Abr.

Linaza

Algodón

Soya

Maíz

Coco

Palma

C3H7COOH C5H11COOH C7H15COOH C9H19COOH C11H23COOH C13H27COOH C13H25COOH C15H31COOH C15H29COOH C17H35COOH C17H33COOH C17H31COOH C17H29COOH C19H39COOH C19H35COOH -

4:0 6:0 8:0 10:0 12:0 14:0 14:1 16:0 16:1 18:0 18:1 18:2 18:3 20:0 20:2 -

6.5 4.5 20.9 17.4 50.6 0.1 -

0.6 22.9 2.2 24.7 49.6 -

8.3 5.4 24.9 52.6 7.9 0.9 -

7.5 3.5 46.3 42.0 0.5 -

8.0 7.0 48.0 17.5 8.8 2.0 6.0 2.5 0.2

1.8 43 4.2 42 9 -

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Extracción de Grasas y Aceites

Descripción del proceso [1] 1. Extracción por técnica combinada de prensado y extracción con solventes -

Almacenamiento de las semillas: esta actividad se debe manejar con cuidado en la industria, ya que unas condiciones inapropiadas de almacenamiento pueden producir deterioro y alteraciones químicas de las semillas. Para disminuir el riesgo, las semillas oleaginosas se deben secar hasta una humedad inferior al 10% [14].

-

Eliminación de impurezas: las semillas se someten primero a una operación de limpieza, para eliminar las impurezas que fueron arrastradas desde la recolección del material oleaginoso. Esta operación es muy importante porque mejora las condiciones de la materia prima, las cuales se ven reflejadas en el producto final. Los equipos utilizados para la limpieza son cribas, ventiladores, máquinas escogedoras, cepilladoras y separadores magnéticos. Si la semilla presenta recubrimiento duro se requiere el uso de un descascarador de barras, que ayuda a liberar la porción carnosa.

-

Molienda: las semillas son trituradas antes de someterse al proceso de extracción para que el aceite tenga una ruta de salida más sencilla, además se evita una sobrepresión del material, previniendo el desprendimiento de compuestos indeseados en el producto. Para la reducción de tamaño de las semillas oleaginosas se emplean generalmente los molinos de rodillos, de disco o de martillo [9].

-

Calentamiento: esta operación se realiza para aumentar la temperatura del grano, la cual ayuda a romper los alvéolos aceitosos facilitando la liberación del aceite que se encuentra dentro de la semilla, también logra coagular las proteínas, precipitar los fosfátidos y destruir el gosipol, que son sustancias indeseables presentes en algunas semillas. Todas las semillas oleaginosas y nueces se someten a este tratamiento excepto los frutos de la palmera [14]. En esta operación, a parte de aumentar la temperatura de la semilla, se pretende elevar un poco la humedad de la misma para facilitar el trabajo de prensado. En la industria primero se aumenta la humedad entre un 12% y 14% y después se reduce entre un 5% y 7%. Algunos de los equipos usados son: los fluidizadores, que realizan la operación con aire en un calentamiento directo; el autoclave, que pueden manejar calentamiento con vapor directo o indirecto, y las marmitas que manejan un calentamiento indirecto.

-

Prensado: es la operación que separa el líquido del sólido mediante la compresión del material oleaginoso a las condiciones que se requieran para que el aceite escape y el sólido quede retenido entre las superficies de compresión. Las prensas hidráulicas son los equipos usados en extracción por lotes y para procesos en continuo se usan prensas de tornillo mecánica con una o dos barras sinfín que imprimen al material una presión entre 11.7 MPa a 13.8 MPa [1]. Oscar Andrés Prado

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-

Acondicionamiento del aceite: el aceite extraído por prensado no siempre pasa directamente a la zona de refinación, por eso se hace necesario, antes de almacenarlo realizar una filtración para eliminar algunas de las sustancias que deterioran la calidad el aceite de una forma más rápida.

-

Extracción con solventes: industrialmente se usa esta etapa para agotar el aceite que queda retenido en la torta después del prensado y elevar el rendimiento de extracción general del proceso. Es posible emplear este método porque aún después del prensado, la torta cumple con todos los requerimientos para llevar a cabo una extracción con solvente. El fenómeno principal que ocurre en esta operación es la difusión del solvente hacia el interior de la partícula para ponerse en contacto y solubilizar el material oleaginoso, después difundirse hacia afuera. Por lo tanto el tamaño de la partícula es un parámetro que va en relación inversa a la velocidad de extracción, pues entre más pequeño el tamaño de las partículas, las porciones solubles quedan más accesibles a la acción del solvente lo que hace aumentar la velocidad de extracción [11]. Los numerosos fenómenos que se presentan en este proceso hacen poco práctico y casi imposible aplicar una teoría definida a la acción de esta extracción con solventes, también llamada lixiviación líquido-sólido [5], [11], [12].

2. Refinación del aceite Se denomina refinación a una serie de operaciones que tienen como objetivo eliminar los defectos de los aceites y las grasas (excesiva acidez, sabor y olor desagradable, coloración inadecuada, turbidez, etc.). Estos defectos deben ser eliminados debido a que aceleran la degradación del producto. Los métodos y la rigurosidad de los mismos dependen del uso final del producto, pues cuando se requieren para propósitos alimenticios se les da un tratamiento especial para que sea apto para el consumo humano y cuando se requieren para otro fin industrial se hace algún tratamiento para eliminar las impurezas específicas que generen interferencia con los otros procesos. Los tipos de impurezas y las principales etapas que suelen realizarse en el refinado de aceites crudos son los siguientes [10]: -

Partículas insolubles en las grasas: estas impurezas se deben eliminar para proteger el producto, ya que todos estos fragmentos hacen aumentar la producción de ácidos grasos libres que son los responsables del deterioro del aceite. Las impurezas más comunes son los residuos de semilla, cutículas, mucílago, polvos, material mineral, humedad, entre otros. Los mecanismos de eliminación son medios mecánicos como, sedimentación, filtración o centrifugación.

-

Impurezas solubles en las grasas: estas sustancias son las encargadas de otorgarle sabores y olores desagradables al aceite, presentándose en solución verdadera o en suspensión coloidal. Las clases de impurezas que se pueden encontrar son las proteínas, gomas, resinas, materiales colorantes, hidrocarburos, cetonas, aldehídos; pero también existen otras sustancias que no afectan la calidad del aceite como los esteroles, vitaminas y antioxidantes. La mayoría del material extraño que contamina la grasa proviene de las condiciones de la

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Extracción de Grasas y Aceites

extracción. Los métodos de eliminación son: el desgomado, la neutralización, el blanqueo o decoloración y la desodorización [10]. Las características y las formas de cada método de eliminación de impurezas se resumen en: Desgomado: en esta etapa se elimina el material coloidal del aceite o la grasa, generalmente se efectúa poniendo en contacto el aceite con agua caliente y agitando. Las sustancias se hidratan y sedimentan en forma de floculo, facilitando la separación. Existen también otras vías como en medio ácido, por calor, con adsorbentes, con reactivos especiales, con álcali, entre otros [10]. ¾ Neutralización: este proceso se efectúa para eliminar los ácidos grasos libres que le transfieren acidez a los aceites. La neutralización con soluciones de soda cáustica es la más usada, entre otras técnicas, se efectúa saponificando los ácidos grasos [6], [10]. La solución jabonosa que sale de este proceso es denominada soapstock o jabonadura que es utilizada como materia prima en el proceso de producción de jabón, porque reduce las cantidades de álcali que se requieren para el proceso [16]. ¾ Blanqueo: algunos aceites presentan demasiada coloración por los pigmentos que proceden de la semilla, tales como carotenos, clorofila, xantofilas y otros, por lo cual es necesario eliminarlos. Los principales métodos de blanqueo son la decoloración por adsorción donde se usan materiales como tierras decolorantes, carbón activado o algún tipo de arcillas, seguido de una filtración. En el blanqueo por acción química los colorantes son destruidos por oxidación logrando que las grasas queden incoloras, y por hidrogenación [9], [10]. ¾ Desodorización: finalmente se elimina cualquier sustancia que le comunique olores desagradables como aldehídos, cetonas, hidrocarburos entre otros [7]. La desodorización se realiza por destilación con una corriente de vapor, al vacío y a temperaturas elevadas. Después de esta operación, el aceite debe someterse a un secado para evitar la hidrólisis de los triglicéridos. ¾

4.4 OBTENCIÓN DE GRASAS Y ACEITES DE ORIGEN ANIMAL Las materias primas de origen animal que se usan para la extracción de aceites y grasas son obtenidas de los peces y de los mamíferos. A continuación la información que se tratará está basada para los mamíferos, ya que las diferencias entre ambos, no hace posible la extensión de los procesos y tratamientos. Las grasas que contienen los mamíferos están muy difundidas por todo el cuerpo del animal, concentrándose más en unos sectores que en otros. En realidad no hay tejido alguno que no contenga algo de grasa, claro que cada parte tiene sus diferencias. Por ejemplo la carne muscular contiene aproximadamente el 0.5% de grasa, denominada funcional y no se ve a simple vista, mientras que el tejido adiposo puede contener hasta un 95% de grasa y se denomina de depósito.

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La grasa que se extrae a partir de la materia prima animal se compone básicamente por triglicéridos, aunque existen pequeñas concentraciones de otras sustancias que van sujetas a la materia prima. Como ya se mencionó, los ácidos grasos son fundamentales en las características de los productos y las grasas animales no son la excepción. El grupo de ácidos grasos que se pueden encontrar en este tipo de materia prima son prácticamente 10 (tabla 4.4) y los tres que se presentan con más frecuencia son el palmítico y el esteárico (saturados) y el oleico (monoinsaturado) [13]. Las proporciones de cada uno varían de una especie a otra, por eso se hace difícil encontrar concentraciones específicas de los aceites de origen animal. Tabla 4.4. Contenido de ácidos grasos de algunos tipos de grasas y aceites de origen animal [13] Tipo de grasa Sebo de vacuno Sebo interno Sebo externo (sebo Subcutáneo) Sebo del pecho Grasa de cerdo Grasa interna Grasa externa (tocino) Grasa de huesos

Serie de ácidos grasos 16:1 18:0 18:1 18:2 18:3

14:0

14:1

16:0

20:1

20:3

5

0.5

33

4

23

32

2

0.5

-

Trazas

5 4

3 2

30 32

12.5 16.5

5 5

39 37

4 3

1 -

0.5 0.5

Trazas Trazas

2 3

0.5 0.5

30 28

3.5 3.5

17 11

39 45

6.5 7

0.5 1

-

1 1

3

1

23

5

7

58

2

1

-

-

Las consideraciones que se deben tener con estas materias primas son: tener un manejo cuidadoso, ya que las materias primas se echan a perder con mucha facilidad por el proceso de descomposición que sufren; si el producto que se quiere es con destino comestible, precisa un rápido trabajo, a fin de liberar la humedad y el tejido celular. En el caso de no proceder al trabajo inmediato, debe conservarse en las mejores condiciones posibles, y solamente durante corto tiempo. Descripción del proceso [6] ¾ Limpieza: la materia prima solo se verifica con el tejido adiposo bruto y los huesos. Del primero se separan a mano los tendones y pedazos de carne, y mediante lavado, la sangre. Para la obtención de los aceites y las grasas animales deben rasgarse las células, a fin que sea posible sacar de ellas completamente la grasa, para lo cual debe triturarse la materia bruta. ¾ Trituración: los trozos grandes de materia prima deben cortarse o triturarse hasta reducirla a partículas de 5mm a 25 mm de tamaño [15], esta operación se debe realizar en maquinas diseñadas para este fin. ¾ Trabajo por fusión: esta operación se puede realizar por dos métodos, fusión en seco y la fusión húmeda, donde cada una tiene sus características y se explican de la siguiente manera.

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ƒ Fusión seca: la extracción de aceites por este método se realiza en marmitas o equipos abiertos con agitación continua. El problema que se presenta con la fusión seca es que las condiciones de la fusión tienden a variar mucho, lo que genera deficiencias tanto en la calidad del producto, como en los rendimientos de la extracción. Los procedimientos que se pueden realizar son: -

-

Fusión seca a fuego directo: es de los procedimientos más antiguos y en la actualidad se usa en trabajos a pequeña escala, porque presenta deficientes rendimientos de extracción. Fusión con vapor indirecto: en este método se utilizan equipos que tienen doble pared (enchaquetados), que proporciona un mejor producto, evitando el quemado en menor grado de la materia prima y se minimiza el desarrollo de olores molestos. Fusión con agua caliente: se usan los mismos equipos que en el anterior método, pero en la chaqueta se introduce agua caliente en vez de vapor.

ƒ Fusión húmeda: aquí el agua o el vapor de agua son necesarios como ayudantes de la extracción, ya que este hace contacto con la materia prima y logra que el material graso fluya con mayor facilidad. La fusión en húmedo se aplica para el procesamiento de sebo bruto, huesos y en las fábricas de oleomargarina. Durante la operación hay que tener en cuenta que la temperatura no sea inferior a los 40ºC, para no disminuir el rendimiento, ni exceda los 50ºC, a fin de no influir sobre la calidad del producto, ya que un calentamiento excesivo hace que se produzcan emulsiones no deseadas y el producto adquiera malos olores y sabores . Cuando la fusión ha terminado, se para el agitador y se le adiciona sal (solución concentrada o sólida) para acelerar la separación. A veces también se adiciona algo de sal al comenzar la operación, a fin de evitar el empaste. Cuando la fusión se lleva a cabo en autoclaves (fusión a alta presión) la extracción se vuelve más específica, reportándose por ULLMANN [6] condiciones de operación de aproximadamente 3 atm durante 4 o 5 horas y se deja en reposo de 8 a 10 horas, para lograr la separación del contenido graso. ¾ Clarificación de las grasas: la grasa o el aceite obtenido debe someterse a un proceso de clarificación para eliminar todo el material sólido y el exceso de agua. Para asegurar una buena separación y clarificación se acostumbra agregar soluciones de sal o esparcimiento de sal sólida en la superficie, dejando en reposo de 12 a 24 horas y luego separando las fases. ¾ Residuos sólidos de la extracción: los sólidos que quedan después de la fusión pueden contener todavía restos de grasa, lo que hace posible realizar otra extracción para mejorar los rendimientos. Los siguientes métodos podrían ser un prensado y/o una extracción con solventes, donde se aplican los mismos conceptos mencionados en la extracción de aceite de origen vegetal. Los residuos sólidos agotado son adecuados para usarlos como abono o forraje para los animales.

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¾ Refinación del aceite: la refinación también se aplica a las grasas y aceites de origen animal, el fin es eliminar los compuestos que generan la degradación del producto a través del tiempo. Los métodos de eliminación son similares a los explicados en los aceites de origen vegetal, a excepción del desgomado que no se requiere para este tipo de producto. -

Partículas insolubles en las grasas: se eliminan por medios mecánicos como, sedimentación, filtración o centrifugación.

-

Impurezas solubles en las grasas: en estos aceites también se presentan compuestos solubles característicos que se deben eliminar, porque colaboran con el deterioro del material graso. Entre ellos esta el olor, que pude llegar a ser muy ofensivo; algunos compuestos, como los carotenos, que le dan un poco de color y los compuestos que le inducen el sabor. Los métodos que se aplican son: la neutralización, el blanqueo y la desodorización. Procesos ya mencionados en la extracción de aceites de origen vegetal. Otros procesos químicos han ayudado a mejorar la presentación y la calidad de grasas y aceite de origen animal son: la hidrogenación, la interesterificación e isomerización.

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4.5 DESARROLLO DE LAS PRÁCTICAS EXTRACCIÓN DE ACEITES Y GRASAS DE ORIGEN VEGETAL

Figura 4.2. Prensa hidráulica para la extracción mecánica de aceite vegetal MATERIALES Y EQUIPOS Materias primas ¾ Material oleaginoso ¾ Solventes: Hexano ¾ Solución de NaOH Equipos ¾ Bolsas de lona ¾ Molino ¾ Prensa hidráulica (ver figura 4.2) ¾ Equipo de extracción (ver figura 4.3 (A)) ¾ Equipo para la recuperación del solvente (ver figura 4.3 (B)) Oscar Andrés Prado

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Condensador

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Soxhlet

Columna empacada

Condensador

Balón

Balón

A

B

Figura 4.3. (A) Equipo para la extracción de aceites con solvente; (B) Equipo para la recuperación del solvente

PROCEDIMIENTO El diagrama de bloques de la figura 4.4 presenta las etapas de extracción de aceites de origen vegetal que se pueden desarrollar en la práctica. 1. Elección del material graso: la materia prima que se elija debe poseer características oleaginosas para obtener mejores eficiencia de extracción. Determinar al material el porcentaje de aceite, humedad, densidad y masa1. 2. Limpieza de las semillas: se eliminan las impurezas que contenga la materia prima. Si la semilla presenta recubrimiento duro se debe descascarar primero manualmente para liberar la porción carnosa. Para limpiar la materia prima se pueden utilizar, según convenga, equipos como tamices, ventiladores y/o cepillos. Determinar porcentaje de impurezas. 1

Ver ANEXOS Ñ, O, R

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Extracción de Grasas y Aceites

Materia prima Limpieza

Impureza

Semilla Molienda Calentamiento Prensado

Aceite crudo

Torta

Refinación

Extracción con solvente

Separación de sólidos insolubles

Torta agotada en aceite

Solvente con aceite

Desgomado

Aceite crudo

Destilación

Neutralización

Refinación

Recuperación del solvente

Caracterización del aceite

Figura 4.4. Diagrama de bloques para el proceso de extracción de aceites de origen vegetal 3. Molienda: cortar la porción carnosa en hojuelas delgadas (de 0.25 mm a 0.35 mm de espesor). Para esta operación se usa el molino más conveniente. 4. Calentamiento: antes del exprimido, la materia prima es calentada con vapor directo en el autoclave, a unas condiciones de 110ºC por un espacio de 20 minutos. Ajustar la humedad para el prensado aproximadamente entre 5% y 7%. 5. Prensado: la materia prima se introduce en bolsas de lona (tela con poros que no deje pasar el material sólido) pesada previamente. Se somete a compresión empleando la prensa hidráulica, transmitiendo al material una presión aproximada de 11 MPa2. Determinar la masa de la torta final y el aceite crudo extraído.

2

La presión que se le imprime al material es particular para cada materia prima. Por lo tanto, se debe consultar con anterioridad las condiciones de presión requeridas para el material manejado.

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El aceite crudo extraído se lleva a refinación y la torta de lleva a la unidad de extracción con solventes. 6. Extracción con solventes: la torta que sale de la operación de prensado se somete a extracción con solventes, para extraer las trazas de aceite que quedan atrapadas en ella, las condiciones de la operación dependen del solvente que se vaya a utilizar; la relación generalmente manejada de solvente a material es de 3:1 (l/kg). Determinar antes de la extracción: el solvente a utilizar y la cantidad. Después de la extracción: la masa de la torta final y el residual de aceite. Las miscelas que salen de esta operación se someten a destilación para recuperar el solvente y obtener el aceite extraído de la torta. Determinar antes de la destilación: la temperatura de ebullición del solvente. Después de la destilación: el porcentaje de solvente recuperado y el volumen de aceite extraído. 7. Refinación del aceite: llevar el aceite obtenido por prensado y el obtenido por extracción con solventes a la refinación sin mezclarlos. 8. Sedimentación, filtración y/o centrifugación: se separa el material sólido insoluble en la grasa o aceite crudo. Determinar la masa, densidad e índice de refracción del aceite después de este paso como se presenta en los ANEXOS N y O. 9. Desgomado por hidratación: el aceite a 50ºC se pone en contacto con agua hirviendo en una proporción del 2% al 4% (vol. agua/vol. aceite) agitando vigorosamente. Los coloides hidratados se sedimentan y se retiran por filtración3. Determinar la masa, densidad e índice de refracción del aceite después de este paso. 10. Neutralización con NaOH: se realiza una prueba de acidez (ver ANEXO M) para calcular la cantidad de soda que se requiere para neutralizar los ácidos grasos libres. Se prepara una solución de NaOH a una concentración del 9% o 3 N que contenga 1.75 veces la cantidad obtenida en la prueba de acidez [10]. Primero se calienta el aceite crudo hasta 60ºC manteniendo agitación constante, se inicia la adición de la solución de NaOH que debe estar a 80ºC. Se continúa con la agitación hasta que aparezca la formación de jabón y se deja en reposo durante 5 min -10 min. Se le agrega agua hirviendo en una cantidad del 10% del peso del aceite sin agitar y se deja en reposo durante 2 horas y luego se separa. 11. Lavado: si el aceite queda con residuos de jabón se puede lavar con agua caliente para eliminarlo, también se puede adicionar sal común como ayudante de la separación. Determinar la masa, índice de acidez, densidad e índice de refracción del aceite después de este paso como se indica en los ANEXOS M, N y O. 12. Blanqueo: si el aceite presenta coloración fuerte se realiza el proceso de blanqueo, si no se continúa con la etapa siguiente. El método propuesto es por adsorción, donde el 3

Para este proceso también se puede usar cualquiera de las otras técnicas mencionadas en el marco conceptual.

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Extracción de Grasas y Aceites

material se pone en contacto con agentes adsorbentes tales como tierras decolorantes, carbón activado o algún tipo de arcillas, seguido de una filtración. Determinar la masa, densidad e índice de refracción del aceite después de este paso. La refinación sólo se puede desarrollar hasta este paso, ya que las etapas de desodorización e hidrogenación requieren de equipos más especializados. 13. Caracterización del aceite: al aceite extraído se le realizan las pruebas de caracterización como se indica en los ANEXOS K, L, M, N, O. FORMATO PARA LA TOMA DE DATOS Cuadro 4.1. Datos para la extracción de aceite de origen vegetal por el método combinado

Materia prima % de aceite: Humedad: Densidad: Masa, M1: Limpieza Masa, M2: Porcentaje de impurezas: Molienda Molino usado: Tamaño medio de las partículas: Calentamiento Temperatura (autoclave): Tiempo (autoclave): Humedad:

Prensado Masa de la lona: Masa de la lona + material, M3: Prensa usada: Presión aplicada: Tiempo del prensado: Área de contacto: Masa de la torta, M4: Masa del aceite crudo, M5: Densidad del aceite crudo: Índice de refracción del aceite crudo: Extracción con solventes Unidad de extracción: Cantidad y tipo de solvente: % de solvente recuperado: Masa de la torta final: Volumen de aceite extraído: Densidad: Índice de refracción:

Cuadro 4.2. Datos del proceso de refinación de aceites de origen vegetales

REFINACIÓN

Método

DATOS Masa Densidad aceite* aceite*

Índice de refracción aceite*

Material insoluble Desgomado Neutralización Blanqueo * Hace referencia al aceite obtenido después de aplicar cada etapa de refinación.

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EXTRACCIÓN DE ACEITES Y GRASAS DE ORIGEN ANIMAL

Válvula de alivio

Vapor

Balanza Transductor

Condensado

Figura 4.5. Equipo (autoclave) para extracción de aceites de origen animal MATERIALES Y EQUIPOS Materias primas ¾ Huesos y patas de res ¾ Solventes Equipos ¾ Autoclave (figura 4.5) ¾ Prensa (opcional) ¾ Equipo de extracción (opcional) PROCEDIMIENTO El diagrama de bloques de la figura 4.6 presenta las etapas para la extracción de grasas se origen animal que se pueden desarrollar en la práctica.

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Extracción de Grasas y Aceites

Materia prima Limpieza y trituración

Impureza

Trabajo de fusión húmeda

Aceite crudo

Sólidos

Clarificación

Torta

Refinación

Extracción con solvente

Filtración

Torta agotada en aceite

Solvente con aceite

Aceite crudo

Destilación

Refinación

Recuperación del solvente

Neutralización

Caracterización del aceite

Figura 4.6. Diagrama de bloques para el proceso de extracción de grasas y aceites de origen animal 1. Limpieza y trituración: las patas se trituran en trozos pequeños con tamaños de partículas entre 5mm y 25 mm. Se separan los tendones y pedazos de carne. En el caso que queden partes grandes que no se puedan triturar, se corta la piel con un cuchillo para mejorar la extracción. Realizado el paso anterior, se lavan los trozos con agua, evitando un contacto excesivo. Determinar: masa de materia prima, contenido graso (ANEXO Ñ) y cantidad de agua a utilizar en el trabajo de fusión. 2. Trabajo por fusión húmeda: se cargan las patas trituradas en la autoclave con una cantidad de agua correspondiente a ¾ de la cantidad de material sólido. Las condiciones de operación son aproximadamente 35 psi, durante 4 ó 5 horas. Cuando la fusión ha terminado, se espera hasta que el equipo se encuentre en condiciones ambiente para abrirlo. Otra alternativa es usar, en vez de agua, vapor directo a las mismas condiciones. Realizar el seguimiento de: temperatura, presión del autoclave, presión de vapor vivo de caldera, temperatura y peso de condensado cada 15 min. aproximadamente.

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3. Separación: sacar la fase líquida por el fondo del equipo y antes de sacar el material sólido se le adiciona agua hirviendo para arrastrar la grasa que haya quedado atrapada. Determinar: volumen de agua adicionada al final, masa de la fase sólida y masa de la fase líquida (agua + aceite). 4. Clarificación de la fase líquida: la mezcla de agua y grasas obtenida de la operación de fusión se somete a un proceso de clarificación para eliminar parte del material sólido o fibroso y el exceso de agua. En esta operación se adiciona una solución saturada de sal o se esparce de forma sólida en la superficie, dejando en reposo durante 8 horas, para lograr la separación del contenido graso. Terminado el periodo de reposo se puede separar el aceite de la fase acuosa y se inician los tratamientos de refinación. Determinar: volumen total de aceite extraído y volumen de agua. 5. Residuos sólidos de la extracción: los sólidos que quedan después de la fusión pueden contener aun restos de grasa, lo que hace posible realizar otra extracción para mejorar los rendimientos (esta operación es opcional). Para este caso se aplica una extracción con solventes, donde se aplica el mismo concepto hablado en la extracción de aceite de origen vegetal. Determinar antes de la extracción: el solvente a utilizar y la cantidad. Después de la extracción masa de la torta final y el residual de aceite. Las miscelas que salen de esta operación se someten a destilación para recuperar el solvente y obtener el aceite extraído de la torta. Determinar antes de la destilación: la temperatura de ebullición del solvente. Después de la destilación, porcentaje de solvente recuperado, volumen de aceite extraído, masa del sólido sobrante libre de solvente. 6. Refinación: el aceite o grasa obtenida después de la separación se pasan por las siguiente etapas: ¾ Filtración o centrifugación: la grasa o el aceite obtenido se somete a una filtración al vacío o centrifugación para eliminar todo el material sólido insoluble que contenga. Determinar: la masa, densidad e índice de refracción del aceite después de este paso como se muestra en el los ANEXOS N y O. ¾ Neutralización: este proceso se efectúa de la misma forma explicada en la práctica de extracción de aceites y grasa de origen vegetal. Determinar la masa, índice de acidez, densidad e índice de refracción del aceite después de este paso según lo indicado en los ANEXOS M, N y O. ¾ Blanqueo: por lo general los aceites de origen animal no presentan coloraciones. Se puede poner el aceite en contacto de agentes adsorbentes tales como tierras decolorantes, carbón activado o algún tipo de arcillas, seguido de una filtración. Determinar: la masa, densidad e índice de refracción del aceite después de este paso. La refinación sólo se puede desarrollar hasta este paso, ya que las etapas de desodorización e hidrogenación requieren de equipos más especializados.

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Extracción de Grasas y Aceites

7. Caracterización del aceite: al aceite extraído se le realizan las pruebas de caracterización como se indica en los ANEXOS K, L, M, N, O. FORMATOS PARA LA TOMA DE DATOS Cuadro 4.3. Datos para la extracción de aceite de origen animal por el método de fusión húmeda y extracción con solvente

Materia prima Masa: % de aceite:

Clarificación Volumen total de aceite extraído: Volumen de agua:

Limpieza Masa:

Extracción con solventes Unidad de extracción: Cantidad y tipo de solvente:

Trabajo de fusión Seguimiento4 de temperatura, presión del % de solvente recuperado: autoclave, presión de vapor vivo de Masa de la torta final: caldera, temperatura y peso de Volumen de aceite extraído: Densidad: condensado. Índice de refracción: Volumen de agua adicionada al final: Masa de la fase sólida: Masa de la fase líquida (agua + aceite):

Cuadro 4.4. Datos del proceso de refinación de aceites de origen animal

REFINACIÓN

Método

DATOS Masa Densidad aceite* aceite*

Índice de refracción aceite*

Material insoluble Neutralización Blanqueo * Hace referencia al aceite obtenido después de aplicar cada etapa de refinación.

Cuadro 4.5. Formato para el seguimiento de las variables de la etapa de fusión Tiempo (min)

4

Temperatura autoclave

Presión autoclave

Presión de vapor

Temperatura de condensado

Masa de condensado

El cuadro 4.5 indica el formato para el seguimiento de estas variables

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Tiempo (min)

Temperatura autoclave

Presión autoclave

Presión de vapor

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Temperatura de condensado

Masa de condensado

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BIBLIOGRAFIA 1. AUSTIN, G. T. Manual de Procesos Químicos en la Industria. Tomo II. Editorial McGraw-Hill. 1988. 2. DOMÍNGUEZ X. A. Química Orgánica Fundamental. Editorial LIMUSA S.A. México 1993. 3. GARCIA, G. Realización de los Balances de Materia y Energía para los Procesos de Saponificación, Secado y Concentración de Glicerina en HADA S.A. Trabajo de grado de la Universidad Nacional de Colombia sede Manizales. 2003. 4. BARRERO, M. V. y GONZALEZ, E. P. Extracción y Caracterización Fisicoquímica del Aceite de Nuez de Macadamia Crudo. Trabajo de grado para Ingeniería Química. Universidad Nacional de Colombia sede Manizales. 1998. 5. OCON, J. y TOJO, G. Problemas de la Ingeniería Química. Editorial ACRIBIA. España 1980. 6. ULLMANN, F. Enciclopedia de Química Industrial. Tomo XI y XII. Segunda edición. Editorial GUSTAVO GILI, S.A. 1931. 7. BERNAL, I. Análisis de Alimentos. Editorial GUADALUPE LTDA. Colombia 1993. 8. KIRK, R.S; SAWLER, R; EGAN, H. Composición y Análisis de Alimentos de Pearson. Editorial CONTINENTAL S.A. México 1996. 9. MONTOYA, S y OCAMPO, O. L. Diseño y Montaje de una Planta Piloto para la Obtención de Aceites de Origen Vegetal. Trabajo final de la especialización en ciencia y tecnología de alimentos. Universidad Nacional sede Manizales 1996. 10. ANDERSEN, J. C. y WILLIAMS, P. N. Refinación de Aceites y Grasas Comestibles. Editorial Continental. México 1965. 11. GEANKOPLIS, C. J. Procesos de Transporte y operaciones Unitarias. Compañía Editorial Continental S.A. CECSA. Tercera Edición. 1999. 12. McCABE, W.; SMITH, J.; HARRIOTT, P. Operaciones Unitarias en Ingeniería Química. McGraw Hill. Cuarta Edición. 1999. 13. OLLE DAHL. Industrialización de la Grasa de Animales de Abasto. Editorial ACRIBIA. España 1976. 14. ORGANIZACIÓN DE LAS NACIONES UNIDAS PARA LA AGRICULTURA Y LA ALIMENTACIÓN. Grasas y Aceites en la Nutrición Humana. Estudio FAO Alimentación y Nutrición – 57. Italia 1997. Citada en agosto de 2004. [En línea]. . 15. AGROINFORMACIÓN. Extracción de las Grasas de Origen Animal. 2004. Citada en agosto de 2004 [En línea]. . 16. ESPINOSA, J. C. y ERAZO, M. Producción de Jabones y Detergentes. Bogotá Colombia. 1999. Citada en agosto de 2004. [En línea]. . 17. BRIONE, J. A.; MULLINS, J. C. Solvent Extraction of Fatty Acids from Natural Oils with Liquid Water at Elevated Temperature and Pressure. Journal of the American Oil Chemists’ Society (JAOCS), Vol. 67, Nº 11. 1990. 18. MEHLENBACHER, V. C. Análisis de grasas y aceites. Enciclopedia de la química industrial, tomo 6. Ediciones Urmo. 1970.

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Práctica 5 FABRICACIÓN DE JABÓN Y RECUPERACIÓN DE GLICERINA 5.1 OBJETIVOS DE LA PRÁCTICA

Objetivo General Obtener jabón por medio del proceso de saponificación a partir de una grasa o aceite Objetivos Específicos 1. 2. 3. 4.

Recuperar la glicerina como subproducto del proceso Estudiar las variables del proceso Realizar los balances de materia y energía del proceso Determinar el rendimiento del proceso

5.2 MARCO CONCEPTUAL

Reseña histórica Uno de los primero pueblos que desarrollaron la manufactura del jabón fueron las tribus germanas, que hervían el cebo de cabra con las cenizas de madera para obtener un producto que se usaba para dar color y brillo al cabello, mas no como agente de limpieza [1]. Más adelante, en el siglo II D.C. se mencionó por primera vez al jabón como agente de limpieza y se le consideró también como medicamento por su potencial curativo de muchas enfermedades de la piel. En 1783, el químico sueco Carl Wilhelm Scheele simuló de forma accidental la reacción que se da en el proceso de hervido para la fabricación del jabón. Esto sucedió cuando hirvió el aceite de oliva con óxido de plomo para producir una sustancia que él denominó Ölsüss, que hoy se conoce como glicerina. El descubrimiento de Scheele permitió al químico francés Michel Eugéne Chevreul investigar la naturaleza química de las grasas y los aceites que se usaban en el proceso del jabón, descubriendo para 1823 que las grasas simples no se combinan con el álcali para formar el jabón, sino que se descomponen antes para formar ácidos grasos y glicerina [2]. Por otro lado, en 1791, el químico francés Nicolas Leblanc inventó un proceso para la obtención de carbonato de sodio o sosa, utilizando sal ordinaria, que revolucionó la fabricación del jabón más

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adelante; el desarrollo del químico belga Solvay con el proceso de amonio, redujo aun más el costo de la sosa y al mismo tiempo mejoró tanto la calidad como la cantidad de este material el cual fue vital para el crecimiento de la industria del jabón. Para los últimos años del siglo XIX, se introdujo el calentamiento con vapor y el batido con transmisión mecánica, lo que logró un trabajo más rápido y seguro, además se implementaron las máquinas de cortar y prensar, que le dio un aspecto uniforme y agradable a los productos. El desarrollo del jabón fino se debe principalmente a las nuevas tecnologías [3]. Generalidades El jabón, químicamente, es la sal de sodio o potasio de un ácido graso no volátil que se forma por la reacción de grasas y aceites con una solución acuosa de un álcali, en un proceso denominado saponificación [4]. Los jabones no se encuentran en combinaciones químicas específicas definidas, sino en composiciones regularmente complicadas. Los jabones se pueden clasificar en duros y blandos1 para los que se emplean en su producción soda cáustica (NaOH) y potasa (KOH), respectivamente. Entre los jabones existen muchas variedades que se diferencian entre sí por su mayor o menor contenido en jabón, rellenos y alcalinidad. Las reacciones fundamentales en la fabricación de jabón son las siguientes: [5]

R-COOH + KOH

R-COOK+ H2O

Ácido graso

Sal potásica

Hidróxido

R-COOH + NaOH Ácido graso

R-COONa +H2O Sal sódica

Hidróxido

Las grasas generalmente no se presentan en forma de ácidos grasos puros sino como ésteres, que corresponden a las sales orgánicas formadas entre los ácidos grasos y la glicerina. Para transformar estos ésteres en jabón es preciso, en primer lugar, desdoblarlos en ácidos grasos y glicerina. No obstante, en esta reacción el ácido graso se combina inmediatamente con el potasio o sodio para formar la sal respectiva, y se libera la glicerina.

(R-COOH)3C3H5 + 3KOH Éster del ácido

3R-COOK+ C3H5(OH)3 Sal potásica

Hidróxido

(R-COOH)3C3H5+ 3NaOH Éster del ácido

Glicerina

3R-COONa+ C3H5(OH)3

Hidróxido

Sal sódica

1

Glicerina

El jabón blando producido con potasa, es líquido en las condiciones corrientes debido a que su punto de fusión es más bajo y tiene mayor solubilidad que el producido con sosa cáustica.

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Fabricación de Jabón y Recuperación de Glicerina

Durante el proceso de la saponificación se llevan a cabo tres etapas, así como se puede observar en la figura 5.1 [6]: 1. Etapa inicial: la reacción en esta etapa es lenta debido a la baja solubilidad entre los reactantes; las interacciones solo ocurren en la interfase de ellos. Esta etapa puede mejorarse si se usa una emulsión de grasa con agua, para promover un mejor mezclado de las materias primas. 2. Etapa de autocatálisis: en este punto existe una mezcla homogénea de los reactantes en la solución con las primeras partículas de jabón formado, lo que genera la reacción. Este fenómeno se puede aplicar en la primera etapa de reacción, mezclando inicialmente los reactivos con una solución de jabón. 3. Etapa final: se presenta una disminución en la rata de producción de jabón debido a las bajas de concentraciones del material graso presente en la solución homogénea. Es recomendable interrumpir la reacción al inicio de esta etapa con el fin de no perder tiempo en el proceso de producción.

Saponificación

3

2

1

Tiempo Figura 5.1. Etapas de la saponificación Características de los jabones La principal característica de los jabones es reducir la tensión superficial del agua, permitiendo que ésta penetre a través de la suciedad y la desprenda. Esto es posible porque puede considerarse que la estructura del jabón está formada por dos partes [4]: a. Una cadena hidrocarbonada unida por enlaces covalentes, por lo tanto no es soluble en agua (hidrofóbica), pero tiene afinidad con las grasas. b. Un grupo carboxilo, de carácter iónico que tiende a disolverse en agua (hidrofílica) [7].

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Las moléculas hidrofóbicas empujan las moléculas de agua rompiendo los enlaces de hidrógeno tanto de las moléculas de agua como de sí mismas. Por lo tanto, la estructura esférica de las gotas de agua se deforma generando un desequilibrio que reduce la tensión superficial. Al agregar jabón al agua dura, las sales de calcio y magnesio (que forman la dureza) son precipitadas y se consumen el jabón antes de que éste se incorpore a la solución, por lo tanto se requerirá adicionar más jabón para obtener una concentración adecuada para el lavado [4]. Factores que intervienen en el proceso En el proceso de la fabricación de jabón, se deben tener en cuenta las variables que contribuyen de manera directa en el proceso de saponificación, pues estas determinan en gran medida las características finales del producto. Entre las variables que tienen mayor influencia están las siguientes: Temperatura: se debe tener control de la temperatura en la mayoría de las etapas del proceso y así evitar el calentamiento excesivo que, a su vez, acelera la degradación de la materia prima en presencia del aire [8]. Una vez iniciado el proceso, la temperatura para la saponificación debe permanecer en el rango de 85ºC a 92ºC con el fin de que la reacción se lleve a cabo de una forma rápida y eficiente. Calidad de las grasas y aceites: la selección de las materias primas para la fabricación de jabón debe tener en cuenta la composición de la carga de grasa, ya que debe contener la proporción adecuada de ácidos grasos saturados e insaturados, al igual que de ácidos grasos de cadena larga y corta que se requieren para lograr la suficiente estabilidad, formación de espuma, dureza y acción limpiadora del producto final [4]. Álcali: la selección del álcali va sujeta a las características que se quieren presentar en el producto final; con hidróxido de sodio el jabón es sólido y con hidróxido de potasio el jabón se presenta de forma cremosa2. Electrolito: el porcentaje de electrolito en la masa jabonosa es de vital importancia durante cada una de las etapas del proceso, ya que permite insolubilizar el jabón en el agua. Esta propiedad de los electrolitos se conoce como “efecto de graneado” [8]. La cantidad de electrolito presente provoca una separación entre el jabón formado y la lejía. El jabón queda en la superficie de la lejía en forma sólida granulada y la lejía contiene un exceso de álcali, electrolito y glicerina [5]. Un electrolito adecuado permite una separación efectiva y rápida al momento de dejar la masa en reposo. Dentro de los electrolitos más usados están el NaCl (sal común) y el Na2O, los cuales presentan buenas eficiencias de graneado.

2

Este tipo de jabones no deben confundirse con los actuales jabones líquidos, ya que estos son sistemas detergentes en colores y presentaciones atractivas.

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Fabricación de Jabón y Recuperación de Glicerina

Glicerina La glicerina es un trialcohol ( C 3 H 5 (OH ) 3 ) incoloro y viscoso que tiene muchas aplicaciones en la industria, los métodos de producción son variados y depende de la materia prima usada, entre algunos se pueden mencionar los siguientes: ¾ Hidrólisis de las grasas: es un proceso que se lleva a cabo a altas presiones y temperaturas generando la descomposición de las grasa en ácidos grasos y glicerina. ¾ Saponificación de las grasas: esta reacción requiere de materias primas las grasas y soluciones de álcali para producir jabón y las lejías agotadas contienen la glicerina en compañía del agua, la sal y otras impurezas. ¾ Transeseterificación de las grasas: la reacción se da en presencia de metanol y metóxido de sodio como reactivos para producir ésteres metílicos y glicerina. ¾ Proceso Dow: la glicerina sintética se produce por esta vía [13]. Recuperación de glicerina a partir de la lejía del jabón La lejía del jabón es una de las primeras materias primas más usadas en la industria para la recuperación de la glicerina, ya que es un coproducto de las reacciones de saponificación generadas a partir de las grasas o los aceites. La fase líquida que sale del jabón es la llamada lejía y contiene generalmente entre 10% y 30% de glicerina, su recuperación preliminar consta de diversas etapas como se nombran a continuación: 1. Desnatado: esta operación se realiza para separar las porciones de grasas de la lejía de jabón provenientes del proceso anterior. 2. Variación del pH: la lejía desnatada se somete a diferentes cambios de pH, primero acidificando hasta un pH de 4.6 a 6.8 y luego basificado a un pH de 9, estos cambios producen flóculos que decantan y luego son separados por filtración. 3. Clarificación: se adiciona un agente coagulante para eliminar los sólidos solubles que no precipitaron en la etapa anterior y se realiza una filtración. Generalmente se usa el cloruro férrico y el sulfato de aluminio como coagulantes. 4. Evaporación: en esta etapa las lejías clarificadas son concentradas entre un 80% y 88% de glicerina, la operación se lleva a cabo en evaporadores de múltiple efecto para obtener mejores rendimientos en la concentración. 5. Manejo de la sal: a medida que ocurre la evaporación, la solución se satura de sal y comienzan a formarse cristales que se depositan el fondo de los evaporadores, estos cristales se extraen por medio de un eyector. La purificación de la glicerina se realiza por medio de destilación con vapor a condiciones de alto vacío (0.116 psia) y elevadas temperaturas (165ºC), obteniéndose un producto con una concentración mayor del 90%. Luego se pasa a una unidad desodorizadora donde se eliminan los componentes que causan olores indeseados y residuos de humedad, finalmente se hace circular a través de lechos de carbón activado donde se eliminan trazas de color y olor. La refinación de la glicerina es detallada en el proceso Crow Iron Works [3].

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5.3 DESARROLLO DE LA PRÁCTICA

PROCESAMIENTO DEL JABÓN

Figura 5.2. Equipo para el proceso de saponificación MATERIALES Y EQUIPOS Materias primas ¾ Aceite o grasa ¾ Álcalis. (NaOH ó KOH) ¾ Sal (NaCl) Equipos ¾ Marmita de 30 gal con calentamiento a vapor ¾ Agitador eléctrico ¾ Dosificador de solución álcali ¾ Termómetro digital ¾ Papel indicador de pH ¾ Baldes ¾ Filtros de tela ¾ Moldes para el producto

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Fabricación de Jabón y Recuperación de Glicerina

PROCEDIMIENTO El procedimiento se plantea según lo establecido en la experiencia que se ha venido realizando en el laboratorio de procesos productivos de la Universidad Nacional de Colombia Sede Manizales. El diagrama de bloques de la práctica se muestra en la figura 5.3. 1. Elección de la materia prima: elegir el aceite o grasa a utilizar como materia prima para la producción del jabón, durante esta elección evitar materias primas sin refinar para minimizar reacciones colaterales con las impurezas. 2. Caracterización de la materia prima: dentro de la caracterización se deben realizar las siguientes pruebas: índice de saponificación, índice de yodo, índice de acidez, índice de refracción y medida de la densidad de la grasa o aceite elegido3. 3. Preparación de la solución de álcali: con la cantidad de reactivo que indique el índice de saponificación en relación a la cantidad de grasa o aceite a utilizar, se prepara una solución acuosa al 30% peso/volumen. Tener en cuenta que el reactivo a utilizar no es puro, por tanto se debe realizar la corrección correspondiente. Para realizar la saponificación se puede emplear soluciones de KOH ó NaOH, la equivalencia másica entre ambas, necesaria para hacer la conversión, se plantea en el ANEXO Q. 4. Verificación del equipo para la práctica: comprobar que las conexiones de las líneas y los equipos adicionales que van en la marmita se encuentren del modo indicado (ver figura 5.2). Tener en cuenta que: a. La línea de vapor de agua debe ser purgada antes de conectarla a la marmita b. La balanza que mide el vapor de agua condensada, esté tarada al iniciar el calentamiento. 5. Carga de reactivos: cargar el equipo dosificador de álcali con la solución que se preparó en el paso 3 y cargar en la marmita la cantidad de grasa o aceite que se va a usar. 6. Calentamiento del material graso: con el material cargado, iniciar el calentamiento con vapor, verificando la temperatura con un termómetro digital hasta que alcance una temperatura cercana a los 80ºC. Evitar el recalentamiento de la marmita para prevenir daños de la materia prima. Mantener la temperatura entre de 85 y 92ºC durante todo el desarrollo de la reacción. 7. Adición de la solución de álcali: la adición del reactivo debe ser con un goteo lento y agitación constante para que se presente una mezcla emulsionada4. Al mismo tiempo

3

Los procedimientos de estos parámetros se encuentran descritos en los ANEXOS K, L, M, N y O. Para mejorar la etapa inicial de la reacción se puede adicionar una solución jabonosa o recortes pequeños de jabón terminado.

4

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se inicia el seguimiento del pH con papel indicador durante el tiempo de reacción, evitando que este valor exceda un pH > 10.

Elegir la materia prima Caracterizar el material graso Preparar la solución de álcali Cargar el material graso a la marmita Calentar la materia prima (85-92ºC) Adicionar gota a gota la solución alcalina Terminada la reacción Adicionar la solución del electrolito (solución saturada de NaCl) Dejar en reposo

Si la fase sólida presenta residuos grasos

Separar las fases formadas Legía

Jabón

Procedimiento glicerina

Lavar Caracterizar el jabón Adicionar rellenos Ajustar el pH Moldear

Figura 5.3. Diagrama de bloques para la fabricación de jabón

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8. Adición del electrolito: terminada la reacción5 se adiciona una solución saturada de NaCl (sal común). La adición de la salmuera tiene como propósito separar el grano de la lejía, esto se lleva a cabo a la misma temperatura del proceso y se debe agregar lentamente para evitar cambios drásticos en las fases por las que atraviesa el proceso. 9. Separación de fases: la mezcla se deja reposar durante 12 horas para dar espacio a la formación de las capas. Luego se separan extrayendo la lejía por el fondo de la marmita o sacando el jabón por encima. La lejía se guarda para realizar la recuperación de la glicerina, que se explica en el procesamiento de la glicerina. Separadas las fases se debe pesar tanto el jabón como la lejía para la realización de los balances de materia. 10. Lavado: con esto se busca eliminar el álcali libre y el glicerol del jabón base. Se le suministra vapor a la chaqueta de la marmita y se va agitando el jabón, cuando éste alcanza los 90ºC, se adiciona agua lentamente para evitar que se baje demasiado la temperatura, se deja hervir durante 10 minutos y se pone en reposo. Cuando se haya enfriado se retira de nuevo la lejía que se haya separado. Se toma de nuevo la masa de las dos fases. 11. Caracterización del jabón: determinar al jabón el índice de saponificación, de yodo y de acidez, siguiendo los mismos procedimientos realizados para la materia prima. 12. Adición de rellenos: la adición de los rellenos se realiza a una temperatura de 35ºC. Coloreado: para realizar la coloración del jabón se adiciona una mezcla de colorante, carbonato de sodio y agua. El carbonato de sodio es el encargado de difundir uniformemente el color en la mezcla de jabón. Perfume: se adiciona la esencia de olor que se desee y se hace lentamente para facilitar la incorporación uniforme en todo el jabón. Silicato de sodio: esta adición se hace con el fin de rendir la masa y prevenir la descomposición de los ácidos grasos que queden en el jabón y además ayuda al endurecimiento. 13. Ajuste de pH: se toma la medida del pH: si este se torna alcalino se debe realizar el ajuste necesario para neutralizarlo. La neutralización se realiza con ácido cítrico. La cantidad de ácido que se requiere se determina mediante el procedimiento del ANEXO P. 14. Moldeado: el jabón se funde y se van llenando los moldes donde, por enfriamiento lento (al ambiente), se solidifica formando la pasta de jabón. Por último, el jabón se empaca y se presenta una muestra del producto obtenido.

5

La prueba de la espátula da un criterio aproximado para determinar la finalización de la reacción. En ese momento la masa jabonosa fluye en hilos cuando se deja caer desde la espátula.

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FORMATO PARA LA TOMA DE DATOS Caracterización de la materia prima Cuadro 5.1. Datos de la determinación del índice de saponificación G muestra (g) Muestra 1 Réplica de M Banco 1 Réplica de B

V1, HCl blanco (ml)

V2, HCl muestra (ml)

N, HCl

Índice de (Normalidad) saponificación

-

-

Cuadro 5.2. Datos de la determinación del índice de yodo G muestra (g) Muestra 1 Réplica de M Banco 1 Réplica de B

V1, S2O3Na2 (ml)

V2, S2O3Na2 (ml)

N, S2O3Na2 (Normalidad)

-

Índice de yodo

-

Cuadro 5.3. Datos de la determinación del índice de acidez G muestra (g)

V, KOH (ml)

Muestra 1 Réplica de M Índice de refracción - Temperatura de medida: - Corrección: Densidad - Temperatura de medida: - Corrección: Solución de álcali - Masa de KOH ó NaOH: - Volumen de agua: - Concentración: Materia prima - Masa de la carga inicial de grasa o aceite:

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N, KOH (Normalidad)

Índice de acidez

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Solución de electrolito - Masa de la sal utilizada: - Volumen de agua: Separación de fases Cuadro 5.4. Datos para la etapa de separación PRIMERA SEPARACIÓN (Después de la saponificación) Masa del jabón Masa de la lejía

SEGUNADA SEPARACIÓN (Después del lavado) Masa del jabón Masa de la lejía

Caracterización del Jabón -

Porcentaje de humedad: Cuadro 5.5. Datos para la determinación del índice de saponificación V1, HCl blanco (ml)

G muestra (g) Muestra 1 Réplica de M Banco 1 Réplica de B

V2, HCl muestra (ml)

N, HCl (Normalidad)

Índice de saponificación

-

-

Cuadro 5.6. Datos para la determinación del índice de yodo G muestra (g) Muestra 1 Réplica de M Banco 1 Réplica de B

V1, S2O3Na2 (ml)

V2, S2O3Na2 (ml)

N, S2O3Na2 (Normalidad)

-

Índice de yodo

-

Cuadro 5.7. Datos para la determinación del índice de acidez G muestra (g)

V, KOH (ml)

N, KOH (Normalidad)

Índice de acidez

Muestra 1 Réplica de M Aditivos - Aditivos utilizados: - Peso de cada aditivo:

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Ajuste de pH - pH inicial: - Cantidad de ácido cítrico utilizado: - pH final: En el siguiente cuadro se muestran las variables a las cuales hay que realizarle seguimiento cada 10 min. Cuadro 5.8. Formato para seguimiento de variables durante el procesamiento del jabón Tiempo (min)

pHsistema

Tsistema (ºC)

Pvvc (psig)

T: temperatura M: masa P: presión

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Tcondensado (ºC)

Mcondensado (kg)

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PROCESAMIENTO DE LA GLICERINA MATERIALES Y EQUIPOS Materias primas ¾ Fase líquida obtenida en el procesamiento del jabón ¾ Ácido clorhídrico o ácido sulfúrico ¾ Solución de sulfato de aluminio o cloruro férrico Equipos ¾ Marmita de 30 gal con calentamiento a vapor ¾ Papel indicador de pH ¾ Floculador ¾ Baldes ¾ Filtros de tela ¾ Moldes para el producto ¾ Estufa ¾ Viandas PROCEDIMIENTO El procedimiento se apoya en la experiencia del Laboratorio de Procesos Productivos de la Universidad Nacional de Colombia Sede Manizales y lo reportado por GARCIA [3]. El diagrama de bloques correspondiente a la recuperación de glicerina se muestra en la figura 5.4. 1. Recolección de la lejía: la recolección se realiza cuando en el proceso de saponificación se separan las dos fases, se toma la fase líquida que se ubica en la parte inferior. 2. Reducción del volumen: con el fin de concentrar la lejía de jabón, se realiza una evaporación en la marmita hasta reducir la mitad del volumen inicial. 3. Acidificación: la lejía que sale del proceso del jabón tiene un pH entre 9 y 12 el cual se debe reducir a un pH entre 4.6 y 6.8 con ácido sulfúrico o clorhídrico. La reacción de la lejía con el ácido en este tratamiento es: NaOH + HCl a

NaCl + H2O

Se recomienda utilizar el ácido clorhídrico aunque es un reactivo de alto costo. El ácido sulfúrico interfiere un poco en el tratamiento, ya que los sulfatos pueden aumentar la recuperación de la sal. 4. Clarificación: se adiciona un coagulante para retirar el material orgánico residual y los sólidos suspendidos de la lejía de jabón. Usando el mecanismo generado por la coagulación y floculación, se puede obtener una decantación de los precipitados insolubles. Los coagulantes que usualmente se usan son el sulfato de aluminio o el cloruro férrico. Oscar Andrés Prado

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Figura 5.4. Diagrama de bloques para la recuperación de glicerina 5. Filtración 1: la lejía de jabón se filtra para retirar los precipitados insolubles producto de la clarificación. 6. Adición de álcali: en este punto se debe aumentar de nuevo el pH hasta 9 adicionando soda cáustica en solución, con el fin de producir una leve alcalinidad en el producto. 7. Filtración 2: si en el paso anterior se genera alguna clase de precipitado debe realizarse la filtración.

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8. Evaporación: realizar un calentamiento en un recipiente adecuado para continuar con la reducción del volumen. Al ir disminuyendo el volumen, la sal (NaCl), se va solidificando y depositando en el fondo. 9. Filtración 3: al irse acumulando la sal se debe realizar una filtración para eliminarla, hasta lograr la mayor extracción posible. Este procedimiento puede repetirse varias veces hasta obtener en el producto unas características similares a la glicerina. 10. Tomar propiedades: densidad, índice de refracción, describir olor y color. Comparar con los encontrados en la bibliografía. FORMATO PARA LA TOMA DE DATOS Acidificación -

Ácido utilizado: Cantidad de ácido requerido:

Clarificación -

Coagulante utilizado: Cantidad de coagulante: pH final:

Adición de álcali -

Tipo de álcali utilizado: Cantidad de álcali:

Características de la glicerina -

Cantidad final de glicerina obtenida: Densidad: Índice de refracción: Olor: Color:

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BIBLIOGRAFÍA

1. UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO. Preparación de un Jabón por Saponificación de un Aceite Vegetal. Citada en julio de 2004. [En línea]. . 2. CAGLIANI, M. A. Historia de la Fabricación del Jabón. Citada en agosto de 2004. [En línea]. . 3. GARCIA, G. Realización de los Balances de Materia y Energía para los Procesos de Saponificación, Secado y Concentración de Glicerina en HADA S.A. Trabajo de grado de la Universidad Nacional de Colombia Sede Manizales. 2003. 4. ESPINOSA, J. C.; ERAZO, M. Producción de Jabones y Detergentes. Bogotá Colombia. 1999. Citada en agosto de 2004. [En línea]. . 5. MEJIA, M. Proceso de Elaboración de Jabón. Citada en julio de 2004. [En línea] . 6. BEJARANO, J; PEREZ, S. Diseño de un Estándar de Fabricación de Jabón de Óptima Calidad. Trabajo de grado de la Universidad del Valle. Cali, Colombia 1994. 7. RODRIGUEZ, I. Grasas, Aceites y Jabones. Citada en agosto de 2004. [En línea]. . 8. BARRAGAN, C. E.; ESCOBAR, P. L. Mejoramiento y Normalización del Proceso de Fabricación de Jabón en Paila. Trabajo de grado de la Universidad del Valle. Cali, Colombia. 1997. 9. MEHLENBACHER, V. C. Análisis de Grasas y Aceites. Enciclopedia de la Química Industrial, tomo 6. Ediciones Urmo. 1970. 10. HART, F. L.; FISHER, H. J. Análisis Moderno de los Alimentos. Editorial ACRIBIA, S.A. 1991. 11. BERNAL, I. Análisis de Alimentos. Academia Colombiana de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales. Editorial Guadalupe. Colombia 1993. 12. BARRERO, M. V.; GONZALES, E. P. Extracción y Caracterización Fisicoquímica del Aceite de Nuez de Macadamia credo. Trabajo de grado de la Universidad Nacional de Colombia Sede Manizales. 1998. 13. SPITZ, L. Soap and Detergents a Theoretical and Practical Review. Editorial AOCS PRESS. 1996.

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Práctica 6 SECADO DE SÓLIDOS 6.1 OBJETIVOS DE LA PRÁCTICA

Objetivo General Disminuir el contenido de humedad de un producto utilizando un secador de bandejas Objetivos Específicos 1. Reconocer la instrumentación, el método de adquisición de datos y la forma de control automático del equipo de secado. 2. Realizar los balances de materia y energía del proceso 3. Construir las curvas típicas de secado para la operación 4. Determinar a partir de los datos experimentales el tiempo para cada periodo de la operación.

6.2 MARCO CONCEPTUAL

Generalidades [2], [10] El secado ha sido definido como la transferencia de un líquido contenido en un sólido hacia una fase gaseosa no saturada. El proceso de secado puede ser visto de forma análoga al de humidificación, añadiendo la influencia que ejercen los sólidos sobre la transferencia de calor y masa, mecánica de fluidos, química de superficies y la estructura del material. Los materiales que usualmente se someten al proceso de secado pueden clasificarse en dos grupos principales: ¾ El primer grupo está constituido por aquellos sólidos cristalinos o granulares que retienen la humedad en los intersticios entre partículas o en poros abiertos superficiales. En estos materiales el flujo de humedad se puede considerar ininterrumpido debido a la acción mutua de fuerzas capilares y de tensión superficial que hacen que la presencia de líquido no afecte de manera significativa la operación de secado; por tanto, el contenido de humedad en equilibrio es muy cercano a cero. En este grupo se encuentran productos generalmente inorgánicos como rocas trituradas, cromatos de plomo, catalizadores, sulfatos monohidratados, fosfatos de sodio, polímeros, resinas y cerámicas.

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¾ El segundo grupo lo conforman sólidos orgánicos amorfos, fibrosos o coloidales que retienen la humedad como parte integral de su estructura. Para estos materiales el flujo de humedad es lento y el contenido de humedad en equilibrio es generalmente alto, lo que refleja que una cantidad de agua es retenida dentro de la estructura del sólido. Algunos materiales que conforman este grupo son alimentos, detergentes, pegamentos, maderas, entre otros. La operación de secado es ampliamente aplicada en este grupo a materiales biológicos con el fin de lograr un mayor grado de preservación de sus propiedades organolépticas, nutricionales y biológicamente activas. El bajo contenido de humedad alcanzado después de la operación genera: 1. Inhibición del crecimiento de microorganismos 2. Desactivación de muchas enzimas 3. Inhibición de reacciones químicas Se debe asociar el término seco al material que ha sido sometido a una reducción en su contenido de humedad y cuando no hay humedad residual se considera que se tiene un producto totalmente seco. El contenido final de líquido dentro del sólido varía de un material a otro; por ejemplo, la sal de cocina posee 0.5% de humedad, el carbón 4%, y en general los alimentos no superan un 5%. Definición del proceso Algunos términos importantes para recordar que se emplean en la descripción del contenido de humedad se muestran en la figura 6.1, donde un gas con humedad relativa A se pone en contacto con un sólido de humedad X: 1. Contenido de humedad en base húmeda: a menos que se mencione, el contenido de humedad de los materiales se expresa en base húmeda. Este se define como la cantidad de líquido por la masa total de sustancia. 2. Contenido de humedad en base seca: se define como la cantidad de humedad por la masa de sólido seco. 3. Humedad relativa: relación entre la presión parcial del vapor y la presión parcial del mismo en condiciones de saturación. 4. Volumen molar húmedo: es el volumen ocupado por una cantidad de gas seco más su vapor asociado. 5. Calor molar húmedo: calor requerido para incrementar un diferencial de temperatura una cantidad de gas seco y su vapor asociado. 6. Humedad de equilibrio: es el contenido de humedad de un material que se encuentra en equilibrio con una presión parcial del vapor dada, en otras palabras, es la porción de líquido que se encuentra en el sólido húmedo que no puede ser separada por la corriente gaseosa que entra debido la humedad de ésta. 7. Humedad ligada: es aquella humedad que ejerce una presión de vapor en equilibrio menor a la del líquido puro a la misma temperatura, debido a que es la menor concentración de líquido que se puede encontrar en equilibrio con el gas saturado. A las sustancias que albergan agua ligada se les conoce como higroscópicas.

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Secado de Sólidos

Humedad relativa del gas

8. Humedad no ligada: se define como la humedad que ejerce una presión de vapor igual a la del líquido puro a la misma temperatura. 9. Humedad libre: es la cantidad de líquido contenido en el material en exceso de la humedad de equilibrio. Por evaporación solo puede ser removida la humedad libre; y su contenido depende de la concentración del vapor en el gas.

1 Humedad Ligada

Humedad no Ligada

A Humedad en el equilibrio

0

Humedad libre

X*

X

Contenido de humedad

(

(

Kg humedad Kg sólido seco

Figura 6.1. Curva de humedad en el equilibrio en el secado [3] Existen diversos tópicos para clasificar la operación de secado, que son: [1], [3]. ¾ Método de operación: el secado de sólidos puede ser llevado a cabo tanto en continuo como por lotes. ¾ Naturaleza de la sustancia a secar: es uno de los factores más influyentes al momento de seleccionar equipos para el secado, ya que el material puede estar como un sólido granular, una masa de cristales, pasta o lodo ligero, una solución, escamas, polvo, láminas continuas, entre otros. ¾ Método de obtención de calor: se dividen en dos tipos. El primero se da cuando el calor es transferido por el contacto directo del sólido con un gas, se llama secado directo o adiabático. El segundo tipo se genera por la transferencia de calor desde un medio externo a través del contacto del sólido con una superficie metálica, por lo general, vapor que condensa; se llama secado indirecto o no adiabático. En algunas ocasiones se combina en un mismo equipo el secado adiabático y no adiabático, al cual se le denomina secador directo-indirecto. Interacción gas-sólidos en secadores [1] En los secadores adiabáticos, los sólidos entran en contacto con la corriente gaseosa por alguno de los siguientes mecanismos: (Ver figura 6.2) 1. El gas fluye sobre una o las dos caras de una lámina de sólido. Se le llama secado con circulación superficial (A).

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2. El gas atraviesa el lecho formado por las partículas que se encuentran soportadas por una rejilla. Para este caso la velocidad del gas debe ser muy pequeña para evitar el arrastre de partículas. Se le llama secado con circulación a través (B). 3. Las partículas del material descienden en forma de lluvia a través de la corriente gaseosa, en ocasiones se presenta arrastre de partículas (C). 4. La corriente gaseosa atraviesa un lecho de partículas a suficiente velocidad como para mantenerlo fluidizado. De forma inevitable se presenta arrastre de partículas (D). 5. Los sólidos son arrastrados por la corriente gaseosa, que fluye a elevadas velocidades (E).

A

C

B

D

E

Figura 6.2. Modelos de interacción gas-sólido en secadores [1] Temperaturas de saturación adiabática y bulbo húmedo [1], [2], [10] La temperatura de saturación adiabática se alcanza cuando se pone en contacto una gran cantidad de agua con un gas de entrada y se logra el estado estacionario, es decir, que el gas adquiere su estado de saturación bajo condiciones adiabáticas. Por otro lado, la temperatura de bulbo húmedo es la temperatura estado estacionario y no de equilibrio que se alcanza cuando se pone en contacto una pequeña cantidad de agua con una corriente continua de gas en condiciones adiabáticas, debido a que la cantidad de agua es pequeña la temperatura y la humedad del gas no cambian; contrario a lo que sucede para el caso de saturación adiabática, en donde estos dos parámetros si varían. Para medir la temperatura de bulbo húmedo se cubre un termómetro con un trozo de tela húmeda, el conjunto se introduce en la corriente gaseosa. Cuando se alcanza el estado estacionario, el agua se evapora incorporándose al flujo gaseoso, por tanto la tela y el termómetro se enfrían hasta alcanzar una temperatura constante Tbh. El calor latente es balanceado por el calor convectivo que fluye desde la corriente gaseosa [2].

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Secado de Sólidos

Si se realiza los balances de materia y energía a un proceso de saturación adiabática se obtiene la siguiente ecuación:

C sa (Tsat − Ta ) = λ sat (Ya − Ysat )

(6.1)

Donde C sa : calor húmedo del gas, calculado para las condiciones de entrada

Tsat : Ta :

temperatura de saturación adiabática

λ sat :

calor latente de vaporización, calculado a la temperatura de saturación adiabática

Ya : Ysat :

contenido de humedad en base húmeda de la corriente de entrada

temperatura del gas a la entrada

contenido de humedad en base húmeda de saturación

Para el termómetro que mide la temperatura de bulbo húmedo se plantea que el calor sensible que fluye hacia el termómetro es igual al calor latente necesario para vaporizar el líquido, obteniéndose:

Ta − Tbh =

k y λbh hc

(Ybh − Ya )

(6.2)

Donde Tbh : temperatura de bulbo húmedo

ky :

coeficiente convectivo de transferencia de masa en la fase gaseosa

hc : Ybh :

coeficiente convectivo para la transferencia de calor hacia el bulbo contenido de humedad en base húmeda en la superficie del termómetro, calculada a Tbh .

Lewis W. K. encontró que para la mezcla aire-vapor de agua el calor húmedo es aproximadamente igual a la relación de coeficientes convectivos de transferencia hc / k y , debido a la similitud entre los números adimensionales de Prandtl y Schmidt indicando que las difusividades en la transferencia de masa y energía son casi iguales. Teniendo en cuenta la relación de Lewis, si se comparan las ecuaciones 6.1 y 6.2 se puede notar que son iguales, por tal motivo la temperatura de bulbo húmedo y de saturación adiabática para la mezcla aire-vapor de agua son iguales. FUNDAMENTOS DEL SECADO Las alternativas que existen en cuanto forma y tamaños de los materiales, humedad de equilibrio, mecanismos de flujo a través del sólido y forma de transmisión de calor hacen que no se pueda plantear una teoría unificada para la descripción de la operación de

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secado. Sin embargo, se han planteado modelos semicualitativos que permiten representar el secado. Modelos de temperatura La manera en que varía la temperatura interior de un equipo de secado se ve influenciada por la naturaleza y cantidad de humedad del material, la temperatura del medio de calefacción, tiempo de la operación y temperatura final que puede ser tolerada por el material. Empero, se puede representar de una manera general el perfil de temperatura por esquemas como los mostrados en la figura 6.3. Para el caso A se tiene un secador discontinuo con un medio de calefacción que permanece a una temperatura constante. Inicialmente el material se calienta desde la temperatura Tsa hasta la temperatura de vaporización Tv 1. La mayor parte del secado se lleva a cabo a temperatura constante y al final se incrementa su valor hasta Tsb . Tha Th

Temperatura

Temperatura

Medio de calefaccción

Tsb Tv Tsa

Sólidos

Gas Thb Tsb Tv Tsa

0

Sólidos

0

100

Tiempo

% longitud del secador

A

B

Figura 6.3. Modelos de temperatura en secaderos [1] En caso B se representa un secador continuo adiabático en contracorriente que opera en estado estacionario. El perfil de temperatura de los sólidos es el mismo que para el caso anterior; mientras tanto el gas entra al equipo a Tha y un contenido de humedad bajo, a lo largo del equipo la corriente gana humedad y su temperatura disminuye hasta Thb . Transferencia de calor en secadores Generalmente al momento de diseñar un equipo para el secado de materiales se tiene en cuenta solo el fenómeno se transferencia de calor, aunque los fenómenos de 1

Para secado adiabático corresponde a la temperatura de bulbo húmedo y para secado no adiabático es la temperatura de vaporización del líquido a la presión del sistema.

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122

Secado de Sólidos

transferencia de masa se encuentren presentes. Por ejemplo, difusión de la humedad al interior del sólido o a través de una corriente gaseosa. En el diseño de secadores, y en especial de secadores adiabáticos, la transferencia de materia es muy compleja. Por tal motivo no se analizan los fenómenos de transporte de calor y materia simultáneamente. En un secador, en general, se transfiere calor con los siguientes fines: 1. 2. 3. 4.

Calentar el material húmedo hasta la temperatura de vaporización Vaporizar el líquido Calentar el material seco hasta su temperatura de salida Calentar el vapor hasta su temperatura final

De las etapas mencionadas la que mayor cantidad de energía requiere es la segunda, siendo en algunas ocasiones despreciables las demás. Aplicando un balance de energía a los sólidos en un secador adiabático, se tiene [1]:

QT = Cp s (Tsb − Tsa ) + X a Cp l (Tb − Tsa ) + ( X a − X b )λ + ms + X b Cpl (Tsb − Tb ) + ( X a − X b )Cp v (Tvb − Tb )

(6.3)

Donde QT : calor total transferido

m s : masa de sólidos secos X a : humedad inicial del sólido en base seca X b : humedad final del sólido en base seca Cp s , Cpl , Cp v : calores específicos del sólido, líquido y vapor Tsa : temperatura de los sólidos en la alimentación Tsb : temperatura final de los sólidos Tb : Tvb :

λ:

temperatura de bulbo húmedo de la corriente gaseosa temperatura final del vapor, igual a la del flujo gaseoso de salida calor latente de vaporización del líquido

La ecuación 6.3 propone una forma rápida pero no muy acertada para determinar el calor necesario en la operación de secado, debido a las suposiciones de propiedades termodinámicas constantes para las tres fases ( C p y λ ) y operación a temperatura constante. Para el caso de un secador adiabático, el calor suministrado al material proviene exclusivamente de la corriente gaseosa. El balance de energía para la corriente gaseosa sería [1]: Oscar Andrés Prado

123

Manual de Practicas para el Laboratorio de Operaciones Unitarias III

QT = m& g (1 + H a )C sa (Tha − Thb )t

(6.4)

Donde t: tiempo de la operación m& g : velocidad másica del gas seco

Ha: C sa : Tha : Thb :

humedad del gas a la entrada calor específico húmedo del gas, correspondiente a la humedad de entrada temperatura del gas a la entrada temperatura del gas a la salida

El calor específico de la mezcla aire-vapor de agua para operaciones donde los intervalos de temperatura son bajos (0ºC a 90ºC, aproximadamente), se puede determinar a partir de las capacidades caloríficas medias para el aire y el vapor de agua, así [6]:

C sa = Cp a + YCpv

(6.5)

Donde Cp a : capacidad calorífica promedio para el aire seco

Y: humedad absoluta del gas Cp v : capacidad calorífica promedio del vapor del agua Transferencia de materia en secadores En los equipos de secado directo el flujo de materia se da, de una manera rigurosa, por tres mecanismos diferentes: -

Difusión al interior de los poros del sólido hasta la superficie Transferencia de materia desde la superficie del material hacia la corriente gaseosa. Difusión en el seno del flujo gaseoso

Por ende, la predicción del las velocidades específicas de transferencia de materia se complican debido a que se debe conocer el mecanismo de difusión del líquido y el vapor a través del sólido así como también el equilibrio entre el sólido y la corriente gaseosa húmeda. En secadores de circulación sobre tablas, láminas o lechos de sólidos la resistencia a la transferencia de materia es la etapa controlante [1]. A pesar de lo anterior, se puede plantear un balance de material global para determinar el flujo total de líquido desde el sólido hacia el gas. Desde el punto de vista del material se tiene:

mv = m s ( X a − X b ) Donde mv : masa de líquido removido

Paloma Andrade Santacoloma

124

(6.6)

Secado de Sólidos

Para determinar el balance de materia para la corriente gaseosa se plantean diversas metodologías: ¾ Aplicando un balance de materia a la corriente gaseosa, suponiendo que toda la masa perdida por el material pasa al flujo de gas, se puede estimar la humedad de la corriente gaseosa a la salida del equipo de la siguiente manera:

Hb = Ha + Donde Hb :

ms (X a − X b ) m& g t

(6.7)

humedad del gas a la salida

Para utilizar este balance, debe conocerse la humedad del aire que entra a la operación. ¾ Otra metodología para determinar la humedad del aire en el secador es utilizando la temperatura de bulbo húmedo [6]. La operación de secado se maneja de forma análoga a una humidificación adiabática en donde son válidas las siguientes ecuaciones:

Y1 =

Y2 h fg 2 + Cp a (T2 − T1 )

Ys = Donde Y1 :

Y2 : h fg 2 : Cp a :

(6.8)

h g1 − h f 2

18 ⎛ Ps ⎜ 29 ⎜⎝ PT − Ps

⎞ ⎟⎟ ⎠

(6.9)

humedad absoluta del aire humedad absoluta a T2 cambio entálpico de vaporización a la temperatura de saturación (bulbo húmedo). capacidad calorífica del aire seco

T1 : T2 : hg1 :

temperatura de bulbo húmedo

hf 2 :

entalpía de líquido a la temperatura de bulbo húmedo

Ys : Ps :

humedad absoluta a Ps (Ts ) presión parcial del vapor de agua

PT :

presión total del sistema

temperatura de bulbo seco entalpía del vapor a la temperatura de bulbo seco

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125

Manual de Practicas para el Laboratorio de Operaciones Unitarias III

Para calcular Y1 se requiere conocer la temperatura tanto de bulbo húmedo como de bulbo seco de la corriente, además de la presión del sistema. De las tablas de vapor, se determinan los cambios entálpicos y las presiones de vapor para las temperaturas de bulbo húmedo y seco. Utilizando los datos anteriores de la ecuación 6.9 se determina Y2 y posteriormente de la ecuación 6.8 la humedad Y1 . En ocasiones los resultados del balance deben presentarse en forma de humedad relativa, para esto se utiliza de nuevo la ecuación 6.9 con la intención de determinar Ps a las condiciones de humedad Y1 . La humedad relativa HR se expresa como:

HR =

Ps * 100 PT

(6.10)

¾ Una ecuación semiempírica es propuesta por Carrier. Esta permite encontrar directamente la presión parcial del vapor en la corriente gaseosa, y posteriormente conocer la humedad relativa [6].

⎛ ( P − Ps )(T1 − T2 ) ⎞ ⎟⎟ Pv = Ps − ⎜⎜ T 2800 − T2 ⎠ ⎝ Donde Pv :

presión de vapor (psi)

Ps :

presión de saturación a la temperatura de bulbo húmedo

PT : T1 : T2 :

presión total del sistema

(6.11)

temperatura de bulbo seco (ºF) temperatura de bulbo húmedo

Utilizando la ecuación de Carrier los resultados son muy parecidos a los arrojados por el método anterior. ¾ Una manera práctica para estimar el contenido de humedad de una corriente gaseosa es utilizando una carta de humedad o psicrométrica elaborada para el sistema airevapor de agua y la presión de operación del equipo. Conociendo las temperaturas de bulbo seco y húmedo de la corriente gaseosa se puede leer directamente la humedad absoluta y relativa. La carta psicrométrica para la presión de Manizales (0.78 bar) elaborada a partir de una ecuación de estado se muestra en la figura 6.4 [11]. PAVÓN-MELENDEZ et al., proponen un análisis dimensional detallado para las ecuaciones de transferencia de calor y masa que se dan durante el proceso de secado controlado por la convección de calor en la interfase material-gas y la difusión de agua dentro del material [4].

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1%

tica

2 .5 %

80

adiabá

5%

de satu

ración

10 %

70

20 %

Curva

30 % 40 %

60

Temperatura de bulbo seco (ºC)

90

Secado de Sólidos

50 % 60 % 70

%

Hu

med ad

rela

tiva

(

0 10

0.02

0.04

0.06

0.08

0.12

0.16

0.14

Kg de H 2O Kg de aire seco

0.18

0.1

Humedad absoluta

0.2

20

30

40

50

1 0 0% 90 % 80 %

(

Figura 6.4. Carta psicrométrica para aire-vapor de agua a P = 0.78 bar Curvas de velocidad de secado Como se mencionó anteriormente, los modelos que describen los mecanismos del secado de materiales son demasiado complejos y en ocasiones no suministran la información necesaria para la realización de un diseño, por tanto, es necesario recurrir a mediciones experimentales del fenómeno. Generalmente, las pruebas que permiten la determinación

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127

Manual de Practicas para el Laboratorio de Operaciones Unitarias III

de la velocidad de secado y el tiempo requerido para la operación se realizan en un secador adiabático de bandejas. En una prueba de secado debe tenerse en cuenta que las condiciones de operación a nivel de planta piloto deben ser lo más parecidas a las condiciones, según se prevé, se manejarán a nivel industrial con el fin de que ser representativos los resultados; entre los aspectos que deben tenerse en cuenta están [3]: 1. 2. 3. 4. 5.

La bandeja o estructura de soporte La distribución de la muestra sobre la bandeja Relación entre la superficie que se expone al gas y la aislada Profundidad del lecho. Condiciones constantes de temperatura, velocidad y humedad del aire2

Los resultados que se obtienen experimentalmente se pueden representar gráficamente como se ilustra en la figura 6.5.

Kg evaporados Mm 2 s

(

Rapidez de descenso

A’ B

Movimiento interno de los controladores de humedad

Velocidad de secado

( Kg humedad Kg sólido seco

X

(

C D

X*

E

0

B

C

A

D

E X*

0

Tiempo (h)

A’

Secado de la superficie no saturada

(

A

Ajuste inicial

Rapidez constante

Xc

Contenido de humedad

(

(

Kg humedad Kg sólido seco

Figura 6.5. Curvas típicas de secado a condiciones constantes [2], [3] En la figura 6.5 se observan las diferentes etapas del secado, las cuales con: ¾ Periodo de ajuste inicial: en el tiempo cero el sólido contiene una humedad representada por el punto A, a medida que se calienta su humedad disminuye y la velocidad de secado comienza a aumentar. En ocasiones el material está muy caliente y la operación puede comenzar en el punto A’. La etapa de ajuste, la cual se da en estado no estacionario, suele durar un periodo de tiempo muy corto que en general no se tiene en cuenta para el análisis de tiempos de secado. ¾ Periodo de velocidad constante: una vez el sólido húmedo ha alcanzado una temperatura constante, se supone que la transferencia de masa se da desde la 2

Esta situación se conoce como condiciones constantes de secado.

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128

Secado de Sólidos

superficie del material. La velocidad con la que ocurre la transferencia entre fases se puede describir en función del coeficiente de transferencia de masa del gas K y , humedad entre el gas y la superficie líquida Ys 3 y humedad de la corriente principal Y , de la siguiente manera:

N c = K y (Ys − Y )

(6.12)

Mientras se mantengan las condiciones de velocidad y dirección de flujo gaseoso el coeficiente de transferencia de masa permanecerá constante; además si la temperatura permanece invariante la humedad de saturación también lo será. Los intersticios del sólido permanecen llenos de líquido y pueden proveer a la superficie del material una película continua de líquido a medida que se va evaporando, gracias a esto Y permanece constante. Debido a lo anterior, de la ecuación 6.12 se deduce que en el periodo representado por la recta BC la velocidad de secado será constante. La etapa de velocidad constante se mantendrá mientras la velocidad de flujo de líquido hacia la superficie sea igual a la velocidad de evaporación del mismo. ¾ Periodo de velocidad decreciente: cuando la humedad promedio del sólido alcanza un valor correspondiente a su contenido crítico de humedad4 la película de líquido que se encuentra en la superficie se reduce hasta el punto de desaparecer, produciéndose zonas secas sobre la superficie del material. Debido a la reducción de área, la velocidad de secado comienza a disminuir dándose lugar a la primera fase de velocidad decreciente mostrada por la curva CD, llamada secado superficial no saturado. Cuando la capa superficial de líquido haya desaparecido totalmente, la velocidad de remoción de líquido al interior del sólido se convierte en la etapa controlante; debido al incremento de la resistencia a la transferencia de materia la velocidad de secado decrece de una manera más abrupta como se ve en la curva DE. En el punto E, la humedad ha descendido hasta su valor de equilibrio X * para la condición de humedad del aire y la operación se da por terminada. Determinación de los tiempos de secado Para definir la operación de secado el factor más importante es el tiempo requerido para llevar un material desde una humedad inicial X 1 hasta una final X 2 , ya que este parámetro determina el tamaño del equipo. Para cada periodo de secado se presentan diferentes alternativas para el cálculo del tiempo de operación. 1. Periodo de velocidad constante: para determinar el tiempo que tarda este periodo se proponen tres metodologías:

3

Corresponde a la humedad de saturación evaluada a la temperatura superficial del líquido El contenido de humedad crítico depende del espesor del material y de la velocidad del flujo gaseoso, por tanto, no es una propiedad característica del material [1].

4

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Manual de Practicas para el Laboratorio de Operaciones Unitarias III

-

Método de la curva de secado [2]: consiste en obtener datos experimentales bajo condiciones determinadas de alimentación, área superficial relativa expuesta, flujo gaseoso, temperatura y humedad del gas. A partir de los datos reales se construye la curva de humedad del sólido contra tiempo y se lee directamente de la gráfica el tiempo de ésta fase. En la curva construida no puede ser muy evidente los momentos exactos en donde hay cambios de pendiente, por tanto, no se recomienda para los casos donde la curva de secado no se encuentre bien definida.

-

Método de la curva de velocidad de secado [1], [2]: de manera análoga al método anterior se realiza experimentalmente la operación, pero se construye a partir de los datos reales la curva de velocidad de secado. Por definición se tiene que5:

R=−

dm s m dX =− s Adt A dt t=

Donde R: ms :

ms A

(6.13)

X1

dX R X2

∫

(6.14)

velocidad específica de secado masa de sólidos secos

X :humedad en base seca (1 es la condición del punto crítico) A : área de secado Despreciando el tiempo requerido para el periodo de ajuste inicial y considerando para esta etapa R constante, integrando la ecuación 6.14 se obtiene6:

tc =

ms (X 1 − X 2 ) ARc

(6.15)

De la experiencia y la curva de velocidad de secado se pueden conocer todos los parámetros requeridos en la ecuación 6.15. Este método es el más usado al momento de determinar tiempos de secado. -

Método de coeficientes de transferencia: para el periodo de velocidad constante, la capa húmeda que se forma en la superficie del material hace que, bajo ciertas condiciones del gas, la velocidad de transferencia de materia sea independiente del tipo del sólido, es decir, que la velocidad de evaporación es casi idéntica a la de un líquido puro bajo iguales condiciones, pudiendose obtener el tiempo de la operación. El algoritmo detallado para realizar este cálculo es mostrado por GEANKOPLIS [2].

2. Periodo de velocidad decreciente: la determinación del tiempo del periodo de velocidad decreciente es más complicado que el caso anterior, debido a que la etapa 5 6

Válido para todos los periodos de secado El subíndice c indica que aplica solo para el periodo de velocidad constante de secado

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130

Secado de Sólidos

-

-

controlante viene a ser la difusión al interior del sólido. Se presentan dos metodologías para su cálculo basadas en la curva de velocidad de secado: Método de integración gráfica: se utiliza este método cuando el comportamiento de la curva para el periodo de velocidad decreciente no es lineal. En la ecuación 6.14 se observa que para resolver la integral es necesario conocer la variación de la velocidad de secado R en función de la humedad X , el método gráfico propone construir una curva de X contra 1 R y determinar de ella el área bajo la curva que representa la resolución de la integral7. Método de variación lineal: una simplificación que permite resolver analíticamente la ecuación 6.14 es plantear una variación lineal de la velocidad de secado con respecto a la humedad, así:

R = aX + b

(6.16)

De lo anterior se deduce que dR = adX ; entonces realizando un cambio de variables a la ecuación 6.14 se llega a: R

t=

m s 1 dR aA R∫2 R

(6.17)

La constante a corresponde a la pendiente de la recta que pasa por el punto crítico y las condiciones finales de humedad y velocidad de secado. Por tanto, se tiene:

a=

R1 − R2 X1 − X 2

(6.18)

Remplazando la ecuación 6.18 en la 6.17 y resolviendo la integral se deduce que:

td =

m s ( X 1 − X 2 ) R1 ln A( R1 − R2 ) R2

(6.19)

La ecuación 6.19 se puede reducir aún más si se considera que la recta pasa por el punto crítico y el origen. Entonces se tiene:

a=

R1 X1

td =

7

y

R1 X 1 = R2 X 2

(6.20)

ms X 1 X 1 ln AR1 X2

(6.21)

La humedad se representa en las abscisas y el inverso de la velocidad en las ordenadas.

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Bien se utilice la ecuación 6.19 o la 6.21, los parámetros requeridos se obtienen de los datos experimentales del secado. 6.3 DESARROLLO DE LA PRÁCTICA Cono para control de flujo Tablero de control

Resistencias T

Galga

Cámara de secado

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Termómetro

T

Figura 6.6. Secador de bandejas piloto

Secado de Sólidos

MATERIALES Y EQUIPOS8 Materia prima ¾ Producto a secar Equipos ¾ Secador directo de bandejas: se muestra en la figura 6.6. Está compuesto por una cámara de secado con seis bandejas uniformemente distribuidas. El caudal de aire que ingresa al equipo es controlado variando el área transversal del conducto de entrada empleando para esto un cono. La dirección de la corriente de aire en el interior de la cámara de secado puede ser modificada ajustando cada una de las compuertas ubicadas tanto en la entrada de la cámara como en la chimenea de salida. Para calentar el aire se utilizan cuatro resistencias; el calor transferido al flujo de aire es controlado por el sistema automático del equipo. El sistema de adquisición de datos registra el peso de una de las bandejas, la temperatura del aire que entra a la cámara de secado y la temperatura de salida del aire del equipo9. ¾ Dos termómetros de bulbo de mercurio ¾ Desecador infrarrojo: Equipo Mettler LP11. (Disponible en el laboratorio de suelos) ¾ Balanza ¾ Cronómetro ¾ Flexómetro ¾ Anemómetro

PROCEDIMIENTO El procedimiento se plantea según lo establecido en la experiencia que se ha venido realizando en el laboratorio de procesos productivos de la Universidad Nacional de Colombia Sede Manizales. El diagrama de bloques para la operación de secado se muestra en la figura 6.7. 1. Selección de la materia prima: con el fin de comparar los datos que se obtengan en el laboratorio con unos realizados en otro lugar para un equipo de secado de bandejas, la selección de la materia prima está ligada al hecho de encontrar una publicación en donde se reporte las condiciones de operación del equipo como la velocidad de flujo y la temperatura del aire, condiciones del material y la curva de secado. 2. Adecuación del material: según lo reportado en la publicación se debe disponer el material. El factor más importante es el tamaño y forma a dársele a la materia prima, debido a que de esto depende en gran parte la reproducibilidad de la experiencia.

8

Con anterioridad a la experiencia se debe consultar si los materiales y equipos se encuentran disponibles en el laboratorio. 9 Las temperaturas que registra el sistema de control corresponden a bulbo seco

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Selección de la materia prima Adecuación del material Pretratamiento Determinación de la humedad inicial Arranque del equipo de secado Ajustar la configuración de la entrada de aire Iniciar el software de adquisición de datos y control del equipo Pesar las bandejas

Estabilización del equipo

Distribución del material

Arranque de la operación Seguimiento de la operación Culminación de la operación Figura 6.7. Diagrama de bloques para el secado de sólidos 3. Pretratamiento: en algunas ocasiones para incrementar la eficiencia del secado se realiza algún tipo de tratamiento, el más común es la deshidratación osmótica. Es importante realizarlo si se encuentra reportado, de otra forma no. De llevarse a cabo el pretratamiento hay que reportar la humedad removida en la operación10. 4. Determinación de la humedad inicial: a la materia prima después de realizarle la adecuación o pretratamiento, se le establece el contenido de humedad inicial, es importante que la muestra sea representativa del material (ver ANEXO R). 5. Arranque del equipo: inicialmente se realizan las conexiones eléctricas necesarias para el funcionamiento del equipo y el sistema de adquisición de datos11. Seguidamente, se cierra el circuito eléctrico del motor para permitir el paso de aire a través del secador. 10

El procedimiento es mostrado en el ANEXO R. Se requiere el manejo del sistema de adquisición de datos si se encuentra en funcionamiento el control automático del equipo. 11

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134

Secado de Sólidos

6. Configuración del flujo de entrada de aire: dependiendo de la disposición de las bandejas en la cámara principal del equipo, se debe escoger una configuración para las compuertas que se encuentran ubicadas tanto a la entrada como a la salida de la cámara de secado. Reportar la configuración escogida. 7. Arranque del sistema de control del equipo (opcional): de encontrarse disponible el sistema de control del equipo, desde el computador se pone en funcionamiento el software de adquisición de datos, se debe configurar el archivo donde se almacenará la información. Se fija la temperatura de operación. 8. Estabilización del equipo: se debe esperar a que las condiciones de temperatura y velocidad de flujo alcancen valores constantes y que sean los establecidos para la experiencia. 9. Pesar las bandejas: cada una de las bandejas debe ser limpiada y pesada. En esta instancia corroborar que el peso registrado de la bandeja de control en el sistema de adquisición de datos se aproxime al valor real (opcional). 10. Distribución del material: la materia prima se distribuye lo más uniformemente en cada una de las bandejas, procurando que en cada bandeja quede una porción equitativa del material. Se pesan de nuevo y se reporta el valor obtenido. 11. Arranque de la operación: cuando se estabiliza el equipo, las bandejas cargadas son introducidas en la cámara de secado y el cronómetro es iniciado. 12. Seguimiento de la operación: cada 15 min se deben tomar la temperatura de bulbo seco y húmedo tanto a la entrada como a la salida de la cámara de secado, velocidad del flujo de aire y el peso de una de las bandejas (diferente a la bandeja de control)12. Continuamente se debe guardar la información que registra el sistema de adquisición de datos. 13. Culminación de la operación: después de que el peso de la bandeja que se le está realizando seguimiento permanezca constante en el tiempo, copiar el archivo de datos desde el computador, abrir el circuito eléctrico de las resistencias. Esperar a que la temperatura del secador disminuya hasta una temperatura cercana a la ambiente y abrir el circuito eléctrico del motor del ventilador. Cerrar el computador. Cada bandeja debe ser pesada nuevamente.

FORMATO PARA LA TOMA DE DATOS 12

Área de la chimenea: Largo de las bandejas: Ancho de las bandejas: Materia prima: Pretratamiento (Opcional): Condiciones del pretratamiento: Ver el formato para la toma de datos.

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-

Adecuación del material (Tamaño): Temperatura del aire a utilizar (Reportado): Velocidad de flujo de aire (Reportado): Humedad inicial del material: Configuración de flujo en la cámara de secado: Cuadro 6.1. Formato para la toma de pesos de las bandejas

Número de bandeja*

Peso bandeja vacía (kg)

Peso bandeja llena t=0 (kg)

Peso del material t=0 (kg)

Peso bandeja después del secado (kg)

Peso material después del secado (kg)

1 2 3 4 5 6 *Tener en cuenta cual es la bandeja de control.

Cuadro 6.2. Variables para el seguimiento* Tiempo (min)

Ttbs-in (°C)

Tcbs-in (°C)

Tbh-in (°C)

Ttbs-out (°C)

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Tcbs-out (°C)

Tbh-out (°C)

Vaire (m/s)

W (kg)

Secado de Sólidos

Tiempo (min)

*Notación: Ttbs: Tcbs: Tbh: Vaire: W: %Hliberada:

Ttbs-in (°C)

Tcbs-in (°C)

Tbh-in (°C)

Ttbs-out (°C)

Tcbs-out (°C)

Tbh-out (°C)

Vaire (m/s)

W (kg)

Temperatura de bulbo seco medido por termómetro análogo Temperatura de bulbo seco arrojado por el computador (opcional) Temperatura de bulbo húmedo medido por termómetro análogo Velocidad del aire medida a la salida Peso de la bandeja de seguimiento Porcentaje de humedad liberada

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Manual de Practicas para el Laboratorio de Operaciones Unitarias III

BIBLIOGRAFÍA

1. McCABE, W.; SMITH, J.; HARRIOTT, P. Operaciones Unitarias en Ingeniería Química. McGraw Hill. Cuarta Edición. 1999. 2. GEANKOPLIS, C. J. Procesos de Transporte y operaciones Unitarias. Compañía Editorial Continental S.A. CECSA. Tercera Edición. 1999. 3. TREYBAL, R. E. Operaciones de Transferencia de Masa. McGraw Hill. Segunda Edición.1991. 4. PAVÓN-MELENDEZ, G et al. Dimensionless Análisis of the Simultaneous Heat and Mass Transfer in Food Drying. Jounal of Food Engineering; Vol (51), pp. 347-353. 2002. 5. IBARZ, A. et al. Métodos Experimentales en la ingeniería Alimentaria. Editorial ACRIBIA, S.A. 2000. 6. VALENCIA, B. H. Balance de Energía. Vol. 1. Publicación de la Universidad Nacional de Colombia sede Manizales. 1996. 7. WALLACE, B. V. y VAN ARSDEL, B. S. Food Dehydration Vol. II: Products and Technology. The AVI Publishing Company, Inc. U.S.A. 1964. 8. KNEULE, F. El Secado. Ediciones URMO. Edición traducida del alemán.1966. 9. SHARMA, S. K.; MULVONEY, S. J.; RIZVI, S. S. Food Process Engineering: Theory and Laboratory Experiments. Wiley Interscience, Jhon Wiley & Sons, Inc. Publication. New York. 2000. 10. FOUST, A. et al. Principios de Operaciones Unitarias. Compañía editorial Continental S.A. Quinta impresión en español. 1972. 11. HERNANDEZ, O.D. Aproximación de una Carta Psicrométrica por Medio de una Ecuación de Estado. Revista de Ingeniería Química, Universidad Nacional de Colombia Sede Manizales; Punto Crítico No.2 [Sin publicar]. 2004.

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Práctica 7 SECADO POR ASPERSIÓN 7.1 OBJETIVOS DE LA PRÁCTICA

Objetivo General Disminuir el contenido de humedad de un producto utilizando secado por aspersión Objetivos Específicos 1. 2. 3. 4.

Reconocer el equipo de secado Realizar los balances de materia y energía del proceso Calcular la humedad perdida por el producto a secar Determinar las eficiencias de evaporación y global de la operación

7.2 MARCO CONCEPTUAL

Reseña histórica [1] El secado por aspersión tuvo mayor impacto en las industrias lechera y de detergentes en 1920. Sin embargo, el concepto de este secado ya se conocía en algunas patentes donde solo se presentaba una idea de la operación. La primera vez que se nombró el secado por aspersión fue en 1865. No obstante, Samuel Percy se consideró como la primera persona que describió con detalle la metodología de la operación; en general, su trabajo no contenía diagramas del proceso, pero presentaba claramente la idea. Su patente fue publicada en 1872 donde incluía el secado y concentración de sustancias líquidas por atomización. En 1888 Bassler propuso atomizar un líquido con una boquilla desde la parte superior de una cámara sobre una corriente de aire tibio. Este procedimiento lo aplicó para la concentración de jugos de caña, glucosa, leche, entre otros. Trufood Ltda. reconoció los avances de la preconcentración en 1896 y sugirió emplearla antes del secado por aspersión de la leche para lograr un polvo más soluble. Luego, en 1901, se inicia la comercialización de equipos de secado por aspersión en la industria lechera y Stauff patentó un secador por aspersión para sangre.

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Después de la primera guerra mundial se propuso utilizar un aspersor de disco rotatorio para atomizar la alimentación. El método fue llamado Kraus y Kestner, por ser los inventores, y fue sobresaliente ya que lograba una distribución del flujo más uniforme. Durante los primeros años del siglo XX no hubo cambios significativos y la operación de secado se restringió a soluciones de baja viscosidad. Después de la segunda guerra mundial se inició el estudio del mecanismo de la atomización gracias a las microfotografías que permitían ver la forma de la gota y su influencia en la operación. También se implementaron unidades de un solo paso que fueron más económicas, operaban en continuo y usaban bombas para la alimentación. Generalidades Los productos secados por atomización presentan características propias, en sí, los productos en polvo exhiben ciertas ventajas como la disminución los costos de embalaje, almacenamiento y transporte, conservan con mayor fidelidad el sabor y el aroma comparado con los procesos convencionales de secado y poseen mayor tiempo de conservación ya que es menos propenso, debido a la baja actividad del agua, a desarrollar reacciones químicas degenerativas y a contaminación por microorganismos [4]. Disminuir el contenido de humedad de un material resulta relativamente sencillo, aunque si no se toman precauciones especiales antes y durante la operación de deshidratación pueden producirse cambios importantes en la calidad del producto. Esto es más relevante en los alimentos sometidos a los métodos tradicionales de secado, que a pesar de ser aceptados como alimentos, en sentido estricto conservan poco parecido con los productos frescos de los que fueron preparados. Por otra parte, el objetivo de los sistemas modernos de deshidratación consiste en obtener productos que al rehidratarse posean características similares a la de los materiales frescos originales. Definición del proceso [1], [2], [3], [7], [13] El secado por aspersión1 es la transformación de un fluido en estado semilíquido a una llovizna de elementos más o menos finos, que se colocan en contacto con un medio secante caliente con el fin de obtener un producto seco particulado. La alimentación se puede encontrar en solución, suspensión o pasta. El resultado es un producto seco conformado por polvo, gránulos y aglomerados, la forma depende de las propiedades fisicoquímicas de la alimentación y del diseño del secador. El esquema básico de un equipo para secado por atomización se ilustra en la figura 7.1. El secado por aspersión está dividido en cuatro etapas: atomización de la alimentación en la cámara de aspersión, contacto del aire con la aspersión, secado de la aspersión y separación del producto seco del aire. Cada etapa varía dependiendo del diseño y operación del secador, además de las propiedades de la alimentación. 1

También conocido como secado por atomización, pulverización o de bruma [2], [8].

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Secado por Aspersión

Intercambiador de calor

Alimento

Entrada de aire

Salida de aire

Filtro

Cámara de secado

Ciclón

Colector del producto

Figura 7.1. Esquema del equipo para secado por aspersión en circuito abierto y flujo en paralelo El secado por aspersión está dividido en cuatro etapas de proceso: atomización de la alimentación en la cámara de aspersión, contacto de aire con la aspersión, secado de la aspersión y separación del producto seco del aire. Cada etapa varía dependiendo del diseño y operación del secador, además de las propiedades de la alimentación. 1. Atomización de la alimentación en la cámara de aspersión: la atomización y el contacto de la aspersión con el aire caliente son las características básicas presentes en el secado por atomización. Al seleccionar el atomizador se debe tener en cuenta que este no solo determina la energía necesaria para la operación, sino también el tamaño, velocidad y dirección de las gotas; además, la división de la alimentación en una aspersión genera una gran superficie para la transferencia de materia y energía influyendo tanto en la consecución del secado como en la morfología del producto final. La selección del equipo adecuado depende de la naturaleza de la alimentación y de las características que se desean para el producto seco. Los atomizadores que se aplican con mayor frecuencia poseen las siguientes características: ¾ Atomizadores rotatorios: realizan su función utilizando la fuerza centrifuga, la cual hace deslizar el flujo de alimentación hacia la periferia del atomizador logrando desintegrar el líquido en finas gotas dentro de la cámara generando la aspersión. Estos sistemas rotatorios se encuentran en dos presentaciones: atomizadores de disco y de rueda, ambos ofrecen beneficios como operar a baja presión, generar una aspersión homogénea y crear tamaños de partícula entre 30µm y 120µm. Para estos tipos de atomizadores el tamaño de la gota es directamente proporcional a la velocidad y viscosidad de la alimentación e inversamente proporcional a la velocidad y el diámetro de la rueda o el disco. ¾ Atomizadores de boquilla: demandan altas presiones para su funcionamiento, debido a que se requiere generar una película con alta velocidad que produzca la Oscar Andrés Prado

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Manual de Prácticas para el Laboratorio de Operaciones Unitarias III

desintegración del líquido. Este sistema es bueno para generar polvos finos con tamaños de partículas entre 120µm - 250µm y cuando las velocidades de alimentación son bajas, pues al incrementarse la aspersión pierde homogeneidad y las características del producto final se ven afectadas. Estos atomizadores utilizan el arreglo de varias boquillas para aumentar la velocidad de alimentación sin afectar el producto final, utilizando presiones de 30 a 70 atm. 2. Contacto del aire con la aspersión: la forma como la aspersión hace contacto con el aire secante es un factor importante para el diseño de estos secadores. Este contacto es determinado por la posición del atomizador y la entrada del aire que puede ir en diferentes arreglos según las propiedades de la corriente de alimentación. ¾ Arreglo en paralelo2: tiene la ventaja de realizar una evaporación rápida, por eso es usado cuando los productos que se manejan son sensibles a la degradación térmica. La temperatura del producto se mantiene aproximadamente a la de bulbo húmedo. ¾ Arreglo de flujo en contracorriente: este arreglo hace un mejor uso del calor, pero el producto puede estar sujeto a un sobresecado. Se utiliza para productos que no sean sensibles al calor y se requieran en forma granulada. ¾ Arreglos mixtos: también se pueden encontrar diseños que manejan ambos arreglos, llamados secadores de flujo mixto. Con estos diseños se pueden obtener polvos de tamaños pequeños, sujetos a alcanzar altas temperaturas de partícula. 3. Secado de la aspersión: la evaporación se lleva a cabo en dos periodos. En el primer periodo de secado llamado también periodo de velocidad constante las gotas hacen contacto con el aire y la evaporación se da en la superficie como una película de vapor saturado, la difusión de la humedad hacia la superficie mantiene unas condiciones de saturación y velocidad de evaporación constantes. La temperatura de la superficie de la gota es de aproximadamente la temperatura de bulbo húmedo del aire caliente. El segundo periodo de secado o periodo de velocidad descendiente comienza cuando se alcanza el punto crítico donde el bajo contenido de humedad no permite mantener las condiciones de saturación y se forma una capa seca en la superficie de la gota. En este punto la evaporación depende de la velocidad de difusión de humedad a través de la capa seca que va aumentando su espesor con el tiempo causando un descenso en la velocidad de evaporación. El diseño de la cámara de secado y la velocidad del flujo de aire determinan el tiempo de residencia de la partícula. Suele ocurrir que la partícula alcance temperaturas superiores a la del aire de salida antes de abandonar la cámara de secado, provocándose daños térmicos en el producto. Durante el secado las partículas secas adoptan diferentes características morfológicas, pudiéndose expandir, colapsar, fracturar o desintegrar, tomar una forma irregular, o mantener su forma esférica y compacta. Todos estos cambios en la forma 2

La aspersión y el aire van en la misma dirección hacia abajo.

Paloma Andrade Santacoloma

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Secado por Aspersión

de la partícula tienen una conexión directa con la velocidad de secado y el diseño de la cámara de secado. 4. Separación de producto del aire: el producto que se encuentra suspendido en la corriente gaseosa es separado cuando concluyen las etapas del secado. Para la separación del producto se emplean dos configuraciones. La primera recolecta la mayor parte del producto en la base de la cámara de secado y las partículas de menor tamaño que son arrastradas por la corriente gaseosa se recuperan con equipos de separación como ciclones, bolsas filtrantes, precipitadotes electrostáticos, entre otros. En la segunda configuración la totalidad del producto se recoge en el equipo de separación, es muy importante tener en cuenta que el equipo utilizado debe presentar una alta eficiencia de separación. En la separación también se debe tener cuidado con el producto terminado pues una excesiva manipulación mecánica puede influenciar sobre las propiedades del mismo o generar un alto porcentaje de partículas finas. La figura 7.2 presenta un resumen general de las etapas que presenta un proceso de este tipo, en la actualidad existen diversos arreglos dependiendo de la operación que se desee realizar. Alimentación

Contacto aire-aspersión

Atomización

Atomizador de boquilla

Atomizador rotatorio

Rueda

Disco

Presión

Flujo en paralelo

Base cónica

Flujo en contracorriente

Flujo mixto

Secador vertical

Secador vertical

Secador horizontal

Secador vertical

Sónico Neumático

Base recta

Base recta

Secado

Base cónica

Base recta

Base cónica

Separación del producto Producto descargado desde la cámara de secado y la unidad de separación

Separación primaria

Producto descargado desde la unidad de separación

Separación secundaria

Caída desde la sección Barrido desde el fondo de la cámara cónica de la base Ciclón

Filtro

Precipitador electrotático

Figura 7.2. Características de las etapas involucradas en el secado por aspersión

Oscar Andrés Prado

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Configuraciones de la operación Todos los secadores por aspersión pueden tener diferentes arreglos según los compuestos que se usen o las características que se desean del producto. Su clasificación se presenta en la tabla 7.1. Tabla 7.1 Arreglos utilizados para el secado por aspersión Arreglo

Medio de secado

Calor

Ciclo abierto

Aire

Directo

Ciclo cerrado

Gas inerte

Indirecto

Aire

Directo

Aire

Indirecto

Semi-cerrado (recirculación) Semi-cerrado (estandar)

Aire con concentraciones de O2 bajas Doble etapa Cualquiera de (múltiples etapas) los mencionados Semi-cerrado (inerte)

Directo

Aplicación Es el arreglo general usando aire atmosférico. Para operaciones con recuperación de solventes. Prevenir emisiones de vapores contaminantes o tóxicos. Disminuir el riesgo de explosiones o generaciones de fuego. Mejorar la eficiencia térmica. Manejo de materiales olorosos. Eliminar emisiones a la atmósfera. Manejo de productos que tengan características explosivas. Eliminar las emisiones de polvo y olores. Mejorar las propiedades del polvo, mejorar la eficiencia térmica

Ventajas y desventajas del secado por aspersión [1], [4], [8], [15] Las principales ventajas del este tipo de secado son: -

Operación en forma continúa El tiempo de secado es corto Fácil automatización El producto final posee una buena solubilidad y velocidad de rehidratación Permite el almacenamiento y transporte económico de grandes cantidades de extracto seco. Permite una mejor y más prolongada conservación de productos, evitando su deterioro por reacciones bioquímicas o microbiológicas indeseadas. Granulación uniforme, adaptable a forma esférica, helicoidal, fina, aglomerada, etc. Humedad final y densidad volumétrica constante. La energía necesaria en la operación es comparable con otros sistemas de secado

Algunas desventajas que presenta el secado por aspersión son: -

Altos costos de instalación

Paloma Andrade Santacoloma

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Secado por Aspersión

-

Grandes requerimientos de espacio Se presenta, en ocasiones, arrastre del material El producto pierde parte de su contenido volátil El tejido celular puede ser parcialmente destruido Difícil control del tamaño final de partícula

Factores que afectan la operación de secado [1], [5], [8] Los factores que tienen influencia sobre la operación del secado por atomización y las características del producto terminado son las siguientes: 1. La energía empleada para la atomización: al incrementar la energía a disipar en la atomización de la alimentación el tamaño de las gotas disminuye para condiciones de operación constantes, lo que se refleja en un aumento de la eficiencia del secado. 2. La depresión de la temperatura del bulbo húmedo y seco: si la depresión del aire es cero, el aire está saturado y no puede darse el secado. Empero, si la depresión es grande el aire está lejos de la saturación, entonces el potencial de secado es mayor y la velocidad de secado inicial se encuentra en su máximo valor. 3. La temperatura del aire: cuanto mayor sea la diferencia de temperatura entre el medio de calentamiento y el material a secar, mayor será la velocidad de transferencia de calor, proporcionando la fuerza guía para la eliminación de la humedad. No obstante, no se debe tener un incremento de temperatura excesivo, ya que esto provocaría reacciones de pardeamiento, formación de costras superficiales, gelatinización de los productos que presentan alto contenido de almidones, pérdidas de compuestos volátiles, entre otros. La temperatura a la cual se presenta el deterioro térmico depende de características inherentes a cada producto. 4. La velocidad del aire: el aire en movimiento además de recoger humedad barre la superficie del alimento, evitando la creación de una atmósfera saturada estática en cercanías a la superficie del material la cual disminuye la velocidad de eliminación de humedad. Por otro lado, el flujo de aire controla el tiempo de residencia del producto en la cámara de secado, para caudales muy grandes comienza a disminuir la remoción de humedad. Las velocidades más convenientes de aire varían entre 1.5m/s y 5m/s, para valores superiores los costos se incrementan. 5. La presión atmosférica: a medida que disminuye la presión la energía requerida para la evaporación es menor. Si se mantiene una temperatura constante a medida que se reduce la presión, la ebullición prosigue a una velocidad más rápida. Esto significa que si se coloca un alimento en una cámara caliente bajo vacío, se puede eliminar la humedad del alimento a una temperatura más baja que a condiciones atmosféricas. Esta técnica es recomendada para secar materiales termosensibles. 6. Velocidad de alimentación: al aumentar el flujo de alimentación, en condiciones constantes de operación, se afecta la uniformidad de las gotas y por ende la del producto. 7. Contenido de sólidos en la alimentación: cuando se incrementa el contenido de sólidos en el flujo de alimentación (50% o más) se obtienen reducciones sustanciales en el calor requerido para la operación de secado. 8. El diseño del equipo: deben tenerse en cuenta parámetros como la altura y diámetro de la cámara de secado, aislamiento, tipo de atomizador, entre otros, debido a que influyen directamente en la eficiencia de la operación.

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Aplicaciones del secado por aspersión [1], [5] El secado por atomización es usado principalmente en la industria de alimentos. Sin embargo, se aplica también en la industria química, farmacéutica y biotecnológica. Entre los productos que se secan utilizando esta metodología se encuentran: los jugos de frutas, purés de vegetales, extracto de café, jarabes, leche y sus derivados, comida para bebes, cremas, plásticos, resinas, proteínas animales y vegetales, microorganismos, etc. FUNDAMENTOS DEL SECADO Los conceptos que enmarcan una operación de secado en general se cumplen de igual manera para el secado por atomización. Las particularidades de este proceso se mencionan a continuación3. Modelo de temperatura La evolución de la operación de secado por atomización para el caso de una alimentación con 50% de humedad que se pone en contacto con un flujo de aire caliente se muestra en la figura 7.3 [1]. La variación de la temperatura y de la presión de vapor de la gota se muestra contra el contenido de humedad. Durante el periodo de velocidad constante de secado la temperatura y la presión de vapor permanecen invariantes, cuando la gota alcanza el contenido de humedad crítico la velocidad de secado comienza a disminuir, la temperatura aumenta hasta alcanzar un valor máximo y la presión de vapor decrece hasta llegar a la presión de vapor de salida del aire. Transferencia de masa en el secador La transferencia de materia en un secado por atomización esta regido por los mismos principios de transferencia mencionados para el secado de sólidos. Para un equipo de secado que opera en estado estacionario, el balance de materia se puede expresar de forma global como la perdida de humedad del material, así:

m s ( X a − X b ) = mv Donde m s : masa de sólidos secos

Xa: Xb : mv :

humedad inicial del sólido en base seca humedad final del sólido en base seca masa de líquido removido, ganada por la corriente gaseosa

La ecuación 7.1 puede ser expresada en términos de flujo si es necesario.

3

Ver la práctica de secado de sólidos.

Paloma Andrade Santacoloma

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(7.1)

Secado por Aspersión

Periodo de velocidad decreciente

Periodo de velocidad constate de secado

Punto crítico

Presión de vapor

Temperatura

Temperatura de salida

Presión de vapor de la humedad en aire de salida del equipo

Contenido de humedad del producto Humedad de equilibrio

Humedad de la alimentación

Humedad residual a la salida

Figura 7.3. Comportamiento de las gotas durante el secado por aspersión Transferencia de calor en el secador Para el caso de secado por atomización, la transferencia de calor se origina desde la corriente gaseosa hacia la aspersión del material al interior de la cámara de secado con el fin de: 1. 2. 3. 4.

Calentar la aspersión hasta la temperatura de vaporización de su humedad Vaporizar su humedad Calentar las partículas secas hasta su temperatura de salida Calentar el vapor removido hasta su temperatura final

Aplicando un balance de energía, para una operación en estado estacionario, se tiene:

m& s ( hs ) a + m& g ( h g ) a = m& s ( hs ) b + m& g ( h g ) b + Q L

(7.2)

Donde m& s : flujo másico de sólidos secos en la alimentación

m& g :

flujo másico de la corriente gaseosa

hs : hg :

entalpía del alimento entalpía de la corriente gaseosa

Q L : flujo de energía perdido en la cámara de secado a, b : corresponde a las condiciones de entrada y salida respectivamente

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La entalpía del material (tanto a la entrada como a la salida) está constituida por la contribución del sólido seco y de la humedad que lo acompaña. Puede ser determinada utilizando diversas metodologías, la más usada y simple es suponiendo capacidades caloríficas constantes para ambos constituyentes [1], [10]:

hs = Cp s (∆T ) + XCp w (∆T )

(7.3)

Donde Cp s : capacidad calorífica promedio del sólido seco

Cp w : capacidad calorífica del agua ∆T : diferencia de temperatura entre el material y un estado de referencia La entalpía de la corriente gaseosa se puede determinar, de manera análoga al anterior caso, de la siguiente manera:

h g = C sg ( ∆T ) + Hλ

(7.4)

Donde C sg : calor específico húmedo del gas

H:

λ:

humedad de la corriente gaseosa calor latente de vaporización del agua

El calor específico húmedo del gas puede ser calculado suponiendo capacidades caloríficas medias para el aire y el vapor de agua [11]:

C sa = Cp a + HCp v

(7.5)

Donde Cp a : capacidad calorífica promedio para el aire seco

Cp v : capacidad calorífica promedio del vapor del agua. Las pérdidas de calor en la cámara para cada operación varían dependiendo de la forma de operar el equipo, tres casos comunes son: ¾ Operación adiabática: si la cámara de secado se puede considerar aislada, las pérdidas energéticas son muy cercanas a cero. ¾ Operación refrigerada: en algunas situaciones la cámara de secado debe ser refrigerada para evitar que ciertos componentes, por lo general azúcares, se adhieran a la superficie de la cámara. Conociendo, para este caso, las propiedades del refrigerante y sus condiciones de operación se puede determinar el calor removido del equipo. ¾ Operación sin aislamiento: cuando la cámara de secado no posee ningún aislamiento, las pérdidas de calor pueden llegar a ser representativas dependiendo del tamaño del equipo. Si el tamaño es considerable, las pérdidas térmicas se pueden determinar usando la ecuación general de Fourier para transferencia de calor en estado estable [12]: Paloma Andrade Santacoloma

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Secado por Aspersión

QL = UA∆T

(7.6)

Donde U: coeficiente total de transferencia de calor A: área total de transferencia de calor ∆T : diferencia de temperatura entre las dos corrientes

Eficiencia térmica de la operación La eficiencia térmica en el secado por aspersión se define como el calor requerido para producir una unidad de peso de producto a las condiciones de humedad deseadas [1]. El diseño para los equipos de secado va encaminado a obtener un producto seco que posea las propiedades deseadas logrando las mayores eficiencias. La eficiencia térmica se incrementa al aumentar la temperatura del gas a la entrada de la cámara de secado y utilizando unas condiciones de operación que permitan mantener la temperatura de salida lo más baja posible. Los niveles de temperatura que se pueden emplear están limitados por las pérdidas de calidad en el producto y los costos que implica un calentamiento extra. La eficiencia térmica en general depende de las temperaturas de operación, y viene definida por la relación: Calor usado en la evaporación Calor de entrada Para el caso en donde la corriente gaseosa secante se calienta desde la temperatura ambiente T0 hasta la temperatura T1 y después de la operación sale a una temperatura

T2 , la eficiencia térmica del secado puede ser expresada de dos maneras: 1. Eficiencia térmica global: se define como la fracción de calor suministrado al equipo que se utiliza solo para la evaporación del la humedad presente. Para una operación adiabática se tiene [1], [10].

⎛T −T ⎞

2 ⎟⎟100 η global = ⎜⎜ 1 ⎝ T1 − T0 ⎠

(7.7)

2. Eficiencia térmica de evaporación: es definida como la relación entre la capacidad real de evaporación y la capacidad obtenida para el caso en donde la corriente gaseosa saliera saturada del equipo. Se determina a partir de la siguiente expresión.

⎛ T1 − T2 ⎜ T1 − T sat ⎝

η evap = ⎜ Donde Tsat :

⎞ ⎟100 ⎟ ⎠

(7.8)

temperatura de saturación adiabática Oscar Andrés Prado

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7.3 DESARROLLO DE LA PRÁCTICA

2

3

1

7 6 8

Figura 7.4. Equipo para secado por aspersión.

MATERIALES Y EQUIPOS ¾ Materia prima a secar ¾ Secador por atomización BUCHI-B 191 (ver figura 7.4): este usa un atomizador neumático de dos fluidos y realiza el secado por convección de manera continua. La configuración de flujo en la cámara de secado entre el flujo de aire y la aspersión de la alimentación es en paralelo. Está constituido por las siguientes partes [8]: 1. 2. 3. 4.

Cámara cilíndrica de secado (elaborada de vidrio refractario) Bomba peristáltica para la alimentación a la cámara Boquilla con diámetro muy reducido de dos fluidos; debe mantenerse refrigerada Un dispersor de aire caliente de varios orificios colocados de manera concéntrica alrededor de la boquilla. 5. Dos sensores PT-100 de platino de resistencia variable que detectan la temperatura de entrada y salida del aire. 6. Un recipiente de vidrio colocado en la parte inferior de la cámara para recoger el producto seco que no arrastra el aire.

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150

Secado por Aspersión

¾ ¾ ¾ ¾

7. Ciclón de vidrio refractario para separar el producto de la corriente de aire 8. Un vaso de vidrio que es colocado en la parte inferior del ciclón para almacenar el producto. 9. Otros: deshumidificador, calentador eléctrico, turbina y filtro Balanza Equipo para extracción (opcional) Cronómetro pHmetro

PROCEDIMIENTO ROBAYO [8] y BERNAL et al. [14] proponen un esquema básico para la utilización del equipo de secado por aspersión que se ilustra en la figura 7.5. 1. Elección de la materia prima y aditivos: el secado por aspersión se puede utilizar para un amplio rango de materiales, como se mencionó anteriormente. La materia prima puede ser líquida por ejemplo leche y extracto de café, o sólida como frutas y vegetales. Dependiendo del material seleccionado variará la adecuación de la alimentación, los aditivos a utilizar y sus concentraciones, las condiciones de operación, entre otros. Los aditivos más utilizados son [8], [14]: -

Maltodextrina Sacarosa Dextrina Goma Arábiga Dióxido de sílice (SYLOID) Celulosa microcristalína (AVICEL) Carboximetilcelulosa

2. Selección de las condiciones de operación: de acuerdo a la materia prima seleccionada, se deben tener antecedentes de parámetros como la temperatura de entrada del aire, flujo de alimentación, flujo del aire y presión de aspiración. El factor más importante a tener en cuenta es la degradación térmica del material que puede generar un mal funcionamiento del equipo. Cuando el contenido de azúcares en el material elegido es elevado, se recomienda refrigerar las paredes de la cámara de secado y el ciclón o disminuir el flujo de alimentación. 3. Adecuación de la materia prima: se tienen dos alternativas: ¾ Para un material líquido: debe asegurarse que el material esté libre de partículas sólidas suspendidas, ya que pueden generar obstrucciones en las tuberías del equipo de secado. ¾ Para materiales sólidos: es necesario obtener el extracto fluido para poder alimentarlo al equipo. En primer lugar, se limpia manualmente las hojas, semillas, cáscaras o cualquier otro agente ajeno al material. Luego se prosigue con un lavado utilizando agua destilada. Se continúa con la extracción mecánica del

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151

Manual de Prácticas para el Laboratorio de Operaciones Unitarias III

material soluble. Para el extracto hay que tener en cuenta la misma recomendación mencionada para materiales líquidos4. Elección de la materia prima y aditivos Selección de las condiciones de operación Adecuación de la materia prima

Material líquido

Material sólido Limpieza Extracción

Eliminación de los sólidos suspendidos Estandarización de la alimentación Incorporación de los aditivos Arranque del equipo Secado por atomización Caracterización del producto

Figura 7.5. Diagrama de bloques para el secado por aspersión 4. Estandarización de la alimentación: al material fluido se le determina el pH y la cantidad de sólidos solubles5. 5. Incorporación de los aditivos: de ser necesario la utilización de aditivos, se agregan al material en las concentraciones reportadas en la literatura y se mezclan hasta lograr una disolución completa.

4

Cuando se utiliza extracto de frutas se emplea una filtración para eliminar sólidos suspendidos. De no ser suficiente, se recomienda diluir el extracto. 5 El procedimiento es mostrado en el ANEXO S.

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Secado por Aspersión

6. Arranque del equipo: para iniciar la operación del equipo se realiza el siguiente procedimiento: -

Inicialmente se verifica que todas las conexiones estén en orden y las partes del equipo se encuentren aseguradas. Se abre la línea de aire, comprobando que halla flujo Se enciende el equipo La primera variable que se fija es el flujo de aire Seguidamente, se fijan en tablero de control la velocidad de la bomba de alimentación, la aspiración y la temperatura de entrada. Se enciende cada uno de los parámetros anteriormente fijados utilizando agua como alimentación. Cuando se alcancen las condiciones de operación se suspende la alimentación de agua y se deja secar el equipo.

7. Operación: cuando el equipo se encuentre en estado estable y seco se cambia la alimentación de agua por la del material seleccionado. De ser necesario, se golpea suavemente las paredes de la cámara de secado y del ciclón con un mazo de goma, con el fin de evitar que las partículas que se fijan en las paredes tengan un mayor tiempo de residencia. En el caso de presentarse un taponamiento en cualquier sección del equipo se suspende en primera instancia el calentamiento del aire de entrada y la bomba de alimentación. Luego se apaga el equipo para ser limpiado. 8. Suspensión de la operación: en primera instancia, se apaga el calentador del aire. Cuando la temperatura del aire de entrada sea inferior a los 150ºC se apaga la bomba de alimentación y luego de los 80ºC el atomizador. 9. Caracterización del producto: la variable más importante que se le determina al producto es la humedad6.

FORMATO PARA LA TOMA DE DATOS Materia prima -

Material seleccionado: Cantidad (peso): Aditivos seleccionados: Concentración de los aditivos a utilizar:

Condiciones de operación 6

Temperatura de entrada del aire: Flujo de alimentación: El procedimiento es mostrado en el ANEXO R.

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-

Flujo de aspersión: Presión de aspiración: Flujo del refrigerante (opcional):

Adecuación de la materia prima -

Masa del material después de la adecuación: pH: Sólidos solubles (%):

Pretratamiento -

Tratamiento utilizado: pH después del tratamiento: Sólidos solubles (%):

Producto -

Humedad:

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Secado por Aspersión

BIBLIOGRAFÍA

1. MASTER, K. Spray Drying Handbook. Wiley Interscience, Jhon Wiley & Sons, Inc. Publication. New York. Thrid Edition 1979. 2. KNEULE, F. El Secado. Ediciones URMO. Edición traducida del alemán.1966. 3. McCABE, W.; SMITH, J.; HARRIOTT, P. Operaciones Unitarias en Ingeniería Química. Cuarta edición. Mc Graw Hill. 1991. 4. SANCHEZ. Concentración y Deshidratación: Secado por Atomización. Citada en agosto de 2004. [En línea]. . 5. BUCKTON, G.; CHIDAVAENZI, O.; KOOSHA, F. The effect of Spray Drying Feed Temperature and Subsecuent Cristallization Condition on the Physical Form of Lactose. APPS Pharmscitech. Vol 3, Nº 2, 2002. Citada en agosto de 2004. [En línea]. . 6. SCHUCK, P. Spray Drying of Dairy Products: State of the Art. INRA,EDP Science, Lait (82). 2002. Citada en septiembre de 2004. [En línea]. . 7. GEANKOPLIS, C. J. Procesos de Transporte y operaciones Unitarias. Compañía Editorial Continental S.A. CECSA. Tercera Edición. 1999. 8. ROBAYO, M. O. Extracción y Secado por Atomización del Colorante de la Mora de Castilla (Rubus Glaucus). Trabajo de grado de Ingeniería Química. Universidad Nacional de Colombia Sede Manizales. 2000. 9. GUZMAN, S. Secado por Atomización de Jugos de Caña. Trabajo de grado de Ingeniería Química. Universidad Nacional de Colombia Sede Manizales. 2000. 10. IBARZ, A. et al. Métodos Experimentales en la ingeniería Alimentaria. Editorial ACRIBIA, S.A. 2000. 11. BARBOSA-CÁNOVAS, G.; MA, L.; BARLETA, B. Manual de Laboratorio de Ingeniería de Alimentos. Editorial ACRIBIA, S.A. 1997. 12. KERN, D. Procesos de Transferencia de Calor. Trigésima segunda reimpresión. Editorial Continental CECSA. 2001. 13. DITTMAN, F. W.; COOK, E. M. Establishing th Parameters for a Spray Dryer. Chemical Engineering; Vol (17), pp. 108-112. 1977. 14. BERNAL, J.; RAMÍREZ, A.; CASTAÑO, J. Obtención de Solubles de Piña Variedad Cayena Lisa, por el Método de Atomización. CENICAFÉ (Colombia); 47(4), pág. 199204. 1996. 15. SHARMA, S. K.; MULVONEY, S. J.; RIZVI, S. S. Food Process Engineering: Theory and Laboratory Experiments. Wiley Interscience, Jhon Wiley & Sons, Inc. Publication. New York. 2000.

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Práctica 8 EXTRACCIÓN DEL MATERIAL SOLUBLE DEL CAFÉ 8.1 OBJETIVOS DE LA PRÁCTICA

Objetivo General Obtener el material soluble del grano de café utilizando el proceso de extracción sólidolíquido. Objetivos Específicos 1. 2. 3. 4. 5.

Identificar los equipos necesarios para realizar el proceso Evaluar la influencia del tamaño de partícula sobre el proceso de extracción Establecer el rendimiento de la extracción Determinar los coeficientes volumétricos de transferencia de materia Realizar el balance de energía para el proceso de extracción

8.2 MARCO CONCEPTUAL

Reseña histórica En realidad, es incierto el momento histórico en donde se comenzó a fabricar bebidas a partir del grano de café y han surgido numerosas leyendas en torno a sus orígenes. Se menciona que tal vez los primeros néctares de los granos de café fueron utilizados por antiguas tribus en África en el año 500 A.C., en donde se combinaban con grasas para su posterior fermentación y elaboración de vino [1]. Empero, existen registros de que en regiones como Etiopía, Abisinia y Arabia se cultivaba la planta de café y se le conocían sus propiedades estimulantes [2], [4]. En la cercanía del año 1000 de la era cristiana, los árabes tomaban bebida caliente del extracto de café [2]. El grano de café se comenzó a difundir por Europa en el siglo XVII y rápidamente su bebida se volvió muy popular en todo el viejo continente. Se hace referencia que el arbusto de café llega a América en el siglo XVIII y su siembra comenzó en la isla Martinica debido a la permanencia en este lugar de colonias francesas.

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El café fue introducido a Colombia por los colonos españoles, quienes comenzaron su siembra en la región del Orinoco, unos años después de su llegada a América. Gracias a las condiciones climáticas ideales para la producción del grano de café se logró su propagación por todo el país. Generalidades El café es un arbusto de la familia de las Rubiáceas, del género coffea. Esta planta puede alcanzar unos 12 m de altura y desde su primer año comienza a producir fruto, pero solo hasta los 5 años se encuentra en óptimas condiciones para que su recolección sea rentable. Entre las especies más difundidas se encuentran la Coffea arábiga, la Liberica, la Canephora, llamada también Robusta; Blue Mountain (Jamaica), Chanchamayo (Perú), Surinam, Bourbon, Moka, Excelsa, Santa Domingo (R. Dominicana), Hamar (Etiopía), Mysore (India), entre otras. Cuando se habla de café se hace alusión a sus formas o estados, como por ejemplo, pergamino, verde, tostado, molido, descafeinado, liofilizado, líquido y soluble. El café se caracteriza por cuatro propiedades que son: el sabor, el cuerpo, la acidez y el aroma. Antecedentes económicos El café es producido en 79 países y se estima que la producción mundial de café para el año 2002, según la Organización de las Naciones Unidas para la Agricultura y la Alimentación (FAO), fue de 7’580.949 toneladas [4]. En el cuadro 8.1 se muestran los principales productores del grano en el mundo. El grano de café verde se comercializa en tres mercados principales: Nueva York, Alemania y Francia; a su vez Estados Unidos, Alemania, Japón, Italia, Francia y España son los principales exportadores. Actualmente, Colombia presenta una tasa decreciente de exportaciones del 4.34% [4]. El 75% del mercado internacional del café verde se encuentra en manos de aproximadamente 20 multinacionales. Las mayores comercializadoras de café son: NEUMAN KAFEE (Alemania), VOLCAFE (Suiza), CARGILL (USA), ESTEVE (BrasilSuiza), ARON (USA), ED&F MAN (Reino Unido), DREYFUS (Francia) y MITSUBICH (Japón). En cuanto al café tostado, son solo cuatro multinacionales dominantes: KRAFT, PROCTER AND GAMBLE, NESTLE y SARA LEE. En Colombia el gremio más grande es la Federación Nacional de Cafeteros, creada en 1927 y cuyos miembros constituyen cerca del 80% de los productores del país. La Federación cuenta con un centro de investigación (CENICAFÉ) ubicado en el municipio de Chinchiná (Caldas).

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Extracción del Material Soluble del Café

Cuadro 8.1. Productores de café en el mundo [4]

Puesto 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21

País1

1990

Área Producción (Toneladas) kg/Ha4 Cultivada Acumulado Part.2 Crecim.3 2002 Ha. 1998 - 2002

1.464.8562.390.390 Brasil 92.000 850.000 Vietnam 845.000 660.000 Colombia 412.767 376.800 Indonesia 440.000 319.835 México 118.100 300.600 India 202.400 235.000 Guatemala 0 235.000 Etiopía Costa de Marfil 286.164 198.000 128.747 197.410 Uganda 119.784 190.000 Honduras 151.100 155.200 Costa Rica 81.142 158.979 Perú 134.074 132.078 Filipinas 147.200 112.201 El Salvador 134.980 148.000 Ecuador 100.980 82.800 Camerún 103.900 75.000 Kenia 27.996 68.182 Nicaragua 60.000 62.500 Nueva Guinea 76.412 69.000 Venezuela 935.216 563.974 Otros (58) 6.062.8187.580.949 Mundo

9.520.860 27,1% 3.415.500 9,7% 3.265.140 9,3% 2.240.000 6,4% 1.540.860 4,4% 1.386.800 4,0% 1.351.300 3,9% 1.140.410 3,2% 1.062.273 3,0% 995.232 2,8% 919.035 2,6% 836.575 2,4% 743.573 2,1% 629.337 1,8% 616.485 1,8% 608.936 1,7% 462.332 1,3% 374.615 1,1% 374.010 1,1% 371.980 1,1% 350.400 1,0% 2.884.541 8,2% 35.090.194100,0%

4,9% 21,3% -4,3% -0,4% -1,0% 5,9% 3,3% 87,1% 1,9% 3,4% 6,4% 0,5% 7,0% -0,5% -3,0% -1,7% 0,3% -1,2% 6,0% 3,1% 0,4%

2.367.510 420.000 805.000 891.000 783.619 310.000 273.000 250.000 850.000 264.000 220.000 103.500 228.500 137.037 162.190 375.000 300.000 165.000 107.865 66.000 220.000 1.344.819 2,4% 10.644.040

1.010 2.024 820 423 408 970 861 940 233 748 864 1.500 696 964 692 395 276 455 632 947 314

Fuente: FAO. Cálculos Observatorio Agrocadenas 1. Se han seleccionado aquellos países cuya participación en el acumulado está por encima del 1% 2. Part (%): Indica la participación del respectivo país en el acumulado 1998 - 2002 3. Crec (%): Tasa de crecimiento logarítmica durante toda la década 4. Producción másica por hectárea cultivada

Composición del café [3], [5], [7] BOTERO [3] menciona que hasta el momento se han identificado más de 600 compuestos químicos que hacen parte del material soluble del café, y que aun mezclándolos en las cantidades encontradas no se logra duplicar las características organolépticas de una taza de café. Algunos de los compuestos forman parte de los solubles que se extraen con agua y otros quedan como residuos formando lo que se conoce como borra del café. Las sustancias que forman el café torrefactado (tostado) son las siguientes: a. Proteínas: se encuentran en un 9% en el café. Al calentar los granos de café en presencia de carbohidratos las proteínas sufren alteraciones, traducidas en cambios de perfil de aminoácidos.

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b. Carbohidratos: el café contiene preferencialmente compuestos insolubles como la celulosa; además contiene otros compuestos como manosa, galactosa y arabinosa. c. Lípidos: la fracción lípida solo experimenta cambios durante la torrefacción, entre los ácidos grasos predominan el linoleico seguido por el palmítico. d. Ácidos: entre los ácidos volátiles prevalecen los ácidos fórmico y acético; entre los no volátiles se encuentran el láctico, tartárico, pirúvico y cítrico. e. Cafeína (1,3,7 trimetilxantina): es la sustancia nitrogenada contenida en el café más conocida debido a sus efectos farmacológicos. El café crudo contiene entre 0.8% y 2% de cafeína y en la torrefacción el nivel de cafeína se reduce muy poco. La cafeína es un polvo cristalino blanco y brillante. Este alcaloide tomado con moderación estimula el sistema nervioso central, acelera la actividad cardiaca, dilata los vasos sanguíneos, mantiene la vigilia y favorece la actividad secretora de los riñones. Tomada en dosis mayores puede ser un producto nocivo para la salud [1]. f. Trigonelina (ácido nicotínico): la trigonelina se encuentra en el café crudo en cuantía de un 0.6% y en el tostado se reduce en un 50%. g. Sustancias volátiles: existen más de 500 compuestos identificados como volátiles del café. Sin embargo, ninguno confiere por sí solo el aroma típico del café. h. Minerales: los principales son potasio, calcio y magnesio, además de fosfatos y sulfatos. i. Otros componentes: en la fracción soluble de café tostado se encuentran compuestos pardos, melanoidinas y sólidos solubles. En las tablas 8.1 y 8.2 se muestra un análisis cuantitativo realizado al grano tostado de café y al extracto del mismo, respectivamente. Tabla 8.1. Composición del café tostado [5] COMPONENTE Agua Proteína Polisacáridos insolubles en agua Polisacáridos solubles en agua Glucosa, fructosa y arabinosa Sacarosa Lípidos Ácido fórmico Ácido acético Ácidos no volátiles Ácidos clorogénicos Cafeína Trigonelina Ácido nicotínico Aromáticos volátiles Minerales (cenizas) Sin identificar

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CANTIDAD (%) 2.5 9 24 6 0.2 0.1 13 0.1 0.25 0.4 3.7 1.2 0.4 0.02 0.1 4 35

Extracción del Material Soluble del Café

Tabla 8.2. Composición del café como bebida [5] COMPONENTE Proteínas Polisacáridos Monosacáridos Sacarosa Lípidos Ácidos volátiles Ácidos no volátiles Ácidos clorogénicos Cafeína Trigonelina Ácido nicotínico Aromáticos volátiles Minerales Sin identificar

CANTIDAD (%) 6 24 0.4 0.8 0.8 0.4 1.6 14.8 1.2 1.6 0.08 0.4 14 29.4

Métodos convencionales de extracción Antes de comenzar el proceso de extracción del material soluble del grano de café hay que realizar los siguientes procesos [5], [6]: 1. Beneficio del café: después de recogerse el fruto se despoja de su envoltura, se lava y seca para obtener el grano comercial. 2. Trilla: el objetivo de esta operación es separar la almendra de la cascarilla que la envuelve, sin llegar a dañar el grano. En la figura 8.1 se muestra el diagrama de flujo para la obtención del extracto de café a partir del grano verde [6]. Para la extracción del material soluble del grano de café se realizan los siguientes procesos: 3. Torrefacción: consiste en tostar el grano de café provocando inicialmente la pérdida de humedad seguido por reacciones de oxidación, reducción, hidrólisis, polimerización y descarboxilación. Las condiciones de temperatura y tiempo de operación de este proceso son las que determinan las características de color, sabor y aroma del café. 4. Molienda: mediante esta operación se reduce el tamaño del grano con el fin de aumentar la superficie específica para la extracción, incrementando la tasa de transferencia de masa en la interfase. La molienda se ve afectada por el grado de tostión, humedad del grano y condiciones del equipo.

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RECIBO E INSPECCIÓN DEL CAFÉ VERDE ALMACENAMIENTO EN SILOS TORREFACCIÓN MOLIENDA EXTRACCIÓN FILTRACIÓN Y CLARIFICACIÓN DEL EXTRACTO EXTRACTO DILUIDO Figura 8.1. Proceso para la extracción industrial de café [6] 5. Extracción: una vez se tienen las partículas porosas tostadas se inicia el proceso de extracción como tal, constituido por las siguientes etapas: ¾ Humectación: las partículas de café se saturan con agua caliente; se ha determinado que el grano puede adsorber hasta el doble de su peso [6]. Esta saturación contribuye a la posterior extracción del material soluble del café. ¾ Extracción de solubles: el agua que ha sido adsorbida, debido al gradiente de concentraciones, comienza a extraer el material soluble contenido en la partícula dando como resultado concentraciones más altas en el agua. Para maximizar la eficiencia de la extracción la diferencia de concentraciones entre la partícula y el agua caliente debe ser lo más grande posible, por lo que la operación se lleva a cabo a contracorriente. ¾ Hidrólisis: el proceso de extracción no es totalmente físico ya que durante toda la extracción se da el rompimiento de algunas cadenas carbonadas lo que hace que cambien algunas propiedades del extracto como lo son el pH, acidez, viscosidad, color, etc. En condiciones normales de ebullición del agua los rendimientos de la extracción del material soluble del café tostado oscilan entre 25% y 30% en peso, aun cuando a temperaturas cercanas a los 180ºC, altas presiones y dependiendo del grado de tostación del grano, tipo de café utilizado, contenido de hemicelulosas, celulosas, pectinas, mananos y otros compuestos insolubles, el rendimiento de la extracción Paloma Andrade Santacoloma

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Extracción del Material Soluble del Café

se incrementa hasta un 60% debido a la hidrólisis de muchos de los compuestos anteriormente nombrados. De la experiencia se sabe que el tipo de café Robusta genera mejores resultados en la extracción [3], [6]. El tamaño de la partícula de café tostado influye mucho sobre el rendimiento de la extracción, incrementando este a medida que el tamaño es menor, pero la reducción del tamaño esta limitada por acrecentar la caída de presión en la columna y generar taponamiento de los conductos. Como un proceso adicional a la hidrólisis convencional, en algunas ocasiones se realiza una hidrólisis ácida con el fin de elevar el rendimiento de la extracción. Este proceso consiste en agregar en un tanque agitado el grano agotado en un 25% aprox. de su contenido soluble y un poco de ácido fosfórico hasta obtener un pH de 1.5 a 2. Después de estar trabajando en continuo durante una hora el grano es prensado para obtener el licor, que será neutralizado luego con óxido de calcio hasta un pH de 5.5 a 7. Este licor es mezclado con el extracto primario en relaciones de 3 ó 4 a 1. Comparando los dos métodos de extracción mencionados, el resultado salta a la vista: el segundo método ofrece mucho más beneficios desde la óptica de rendimiento que el primero. Procesos de extracción Inicialmente el proceso de extracción se realizaba en recipientes abiertos y operaban a condiciones relativamente suaves de presión y temperatura. BALCERO [5] reporta, que en la década de 1940 aparecen equipos que utilizan condiciones diferentes más agresivas tanto de la presión como de la temperatura obteniéndose mayores rendimientos en las extracciones. A mediados de los años 50 aparecen los primeros extractores continuos a presión atmosférica y en los 60 estos mismos equipos ya operaban a condiciones de alta presión. Actualmente en la industria se emplean dos mecanismos para extraer el material soluble del grano de café: a. Extracción semicontinua: usualmente se utilizan de 5 a 8 columnas conectadas en serie mediante tubos; una columna típica puede tener 5 m de altura y 0.5 m de diámetro y operar a 15 atm y 180ºC. El café es cargado en la primera columna y el agua se carga por la última, es decir, se opera a contracorriente. El rendimiento de la operación es controlado por los perfiles de temperatura en las columnas, la concentración del extracto de salida y el tiempo de residencia del grano en el equipo. b. Extracción continua: el equipo de extracción es una sola columna, donde el café es cargado por la parte inferior y el agua se carga por la cima. Con este método se obtienen altas eficiencias en la extracción a condiciones controladas y con buenas calidades del extracto. En ocasiones se usan dos cámaras diferentes, la primera opera a temperaturas inferiores a 100ºC y presión atmosférica en la que se extraen la mayor parte de los compuestos aromáticos con rendimientos del 20%. El café agotado se conduce a la segunda cámara, donde se extraen algunos sólidos solubles adicionales, Oscar Andrés Prado

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a temperaturas cercanas a 190ºC, por el efecto de la hidrólisis; se logran rendimientos cercanos al 20%. La principal ventaja que presenta la extracción continua sobre la semicontinua es el mayor control sobre las variables del proceso, la automatización, menor mano de obra y el alto rendimiento obtenido, aunque presenta la desventaja de una gran inversión inicial requerida, aproximadamente un 40% más. Durante todo el proceso de extracción las variables que determinan su eficiencia son: la calidad del café, el equipo y grado de tostación, el enfriamiento, la molienda, la carga, el tiempo de inundación, la calidad del agua de extracción, el perfil de temperatura, la caída de presión, el tiempo de ciclo y la cantidad del extracto retirado por ciclo [6]. Alternativas de proceso Como una nueva alternativa para incrementar los rendimientos en la extracción propone BOTERO et al. [3], la utilización de enzimas hidrolíticas; a pesar de que este proyecto se encuentra solo a nivel laboratorio, la intención es implantarlo industrialmente. Rendimiento de la extracción [9] El rendimiento de la extracción está definido por el contenido de sólidos solubles de la bebida de café, y se determina a través de la siguiente ecuación:

%R =

SS ( PE ) x100 PC

(8.1)

Donde: %R : rendimiento de la extracción (porcentaje) SS : fracción de sólidos solubles contenidos en el extracto de café PE : peso total del extracto obtenido

PC :

peso de la muestra de café utilizada para la extracción

MODELO MATEMÁTICO: Determinación del coeficiente transferencia de materia en el proceso discontinuo [8].

volumétrico

de

El siguiente modelo matemático se aplica para la extracción sólido-líquido donde la etapa controlante sea la transferencia de materia desde la superficie de las partículas hasta el seno del solvente. Las partículas de café forman un lecho de volumen V L con una sección transversal constante S y una altura z . El sistema consta de una masa inicial de café M con una concentración inicial de material soluble C SI (kg/kg) que se pone en contacto con un volumen V de solvente que posee una concentración inicial de soluto C DI (kg/m3). Al terminar el proceso de

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Extracción del Material Soluble del Café

extracción la concentración de soluto en las partículas de café será C SF (kg/kg), mientras el solvente adquiere una concentración C DF (kg/m3). Realizando un balance global de soluto ( m s es la cantidad de soluto transferido): (Soluto perdido por el sólido) = (Soluto ganado por el solvente)

M (C SI − C SF ) = −V (C DI − C DF ) = m s

(8.2)

En un instante determinado el caudal de soluto transferido puede considerarse como:

ws = N s S = k (C S − C D )aSz = K V V (C S − C D )

(8.3)

Donde: wS : caudal de soluto transferido

NS : k: CS :

densidad de flujo de materia coeficiente de transferencia de materia concentración de soluto en el sólido

C D : concentración de soluto en el solvente a: superficie específica de la partícula K V : coeficiente volumétrico de transferencia de materia El balance de soluto para cualquier instante vendrá dado por la ecuación 8.4:

d (C DV ) dC D =V = K V V (C S − C D ) dt dt

(8.4)

La integración de la ecuación anterior permite determinar el soluto transferido, pero antes hay que conocer la relación entre C S y C D . Para tal fin se plantea el siguiente balance: (Soluto en el sólido) = (Soluto inicial en el sólido)-(Soluto en el solvente)

MC S = MC SI − VC D

(8.5)

De donde:

C S = C SI −

V CD M

(8.6)

Si se reemplaza la ecuación 8.6 en la 8.4, se obtiene la siguiente ecuación:

dC D ⎡ V ⎞ ⎤ ⎛ = K V ⎢C SI − ⎜1 + ⎟C D dt M ⎠ ⎥⎦ ⎝ ⎣

(8.7)

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Teniendo las condiciones límite y resolviendo la ecuación 8.7: - Para t = 0 C D = C DI - Para t = t C D = C DF

⎛ C − BC DF ln⎜⎜ SI ⎝ C SI − BC DI

⎞ V ⎟⎟ = − K V t ; B = 1 + M ⎠

(8.8)

La ecuación anterior puede simplificarse sabiendo que C DI ≈ 0 .

⎛ C − BC DF ln⎜⎜ SI C SI ⎝

⎞ ⎟⎟ = − K V t ⎠

(8.9)

De la ecuación 8.9 podemos conocer el valor del coeficiente volumétrico de transferencia de materia si conocemos la concentración inicial de material soluble en el grano de café, la masa cargada de café al equipo, el volumen del solvente utilizado, la concentración final de sólidos solubles en el extracto y el tiempo del proceso. Experimentalmente se puede determinar todas las variables nombradas a excepción de la cantidad del material soluble contenido en el grano de café, pues este es producto de una gran variedad de reacciones químicas como se explicó anteriormente. Sin embargo, con fines académicos se puede considerar que todo el material del que está compuesto el grano es apto para extraerse. Requisitos que deben cumplir los extractos de café Un extracto de café se define como el producto obtenido de los granos de café tostado y molido empleando únicamente agua como solvente. Los requisitos generales que debe cumplir los extractos de café según la Norma Técnica Colombiana NTC-4675 [13] son: 1. Los extractos solubles de café se deben elaborar a partir de solo granos de café. 2. El agua empleada para la extracción debe ser potable según lo establecido en la legislación vigente. 3. Los extractos de café no deben presentar olor ni sabor diferente a los característicos del producto. En caso de aromatización, los extractos solubles de café deben cumplir lo establecido en la legislación vigente. 4. Los extractos solubles de café sólidos o en pasta no deben contener sustancias diferentes a las derivadas de su extracción. 5. El límite de plaguicidas en los extractos debe cumplir con lo indicado las NTC. Además de lo anterior se deben cumplir los requisitos especificados en la tabla 8.3. Si se desea obtener una bebida equilibrada se ha identificado, por el Coffee Brewing Center (EE.UU), que factores como el rendimiento, la concentración de sólidos solubles y la relación entre fuerza y atracción influyen sobre el producto1. 1

Los resultados de los estudios realizados se muestran en el ANEXO U.

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Tabla 8.3. Requisitos fisicoquímicos para los extractos solubles de café Requisitos Contenido de materia seca de café, % (m/m) - Pasta de extractos solubles de café - Extracto de café concentrado - Extracto de café diluido Contenido de cafeína, % (m/m) en base seca - Para extractos solubles sin descafeinar, mínimo - Para extractos solubles descafeinados, máximo pH - Extractos crioconcentrados o evaporados - Extractos neutralizados o semineutralizados2 Sólidos solubles

Mínimo

Máximo

55 25 15

85