2013 DISEÑO DE UN PROCESO DE OBTENCION DE LECHE EN POLVO
HECTOR LUIS HERNANDEZ HERNANDEZ CASAR DAVID PEÑATE QUIROZ ALDEMAR VERBEL NAVARRO CARLOS EUGENIO SUAREZ VASQUEZ
OPERACIONES UNITARIAS II
DOCENTE: ING. JORGE HERNANDEZ 17/02/2013
INTRODUCCIÓN La leche es uno de los productos de gran valor proteico pero también bastante perecedero por lo que la mayoría de las fábricas que producían leche para el consumo directo, hoy en día transforman la leche en una gran variedad de productos como, las leches concentradas (evaporadas y condensadas), la leche en polvo, las leches fermentadas (yogurt, Kumis, Kefir, entre otras). Con la obtención de dichos productos se puede lograr una conservación por períodos más prolongados de la leche y contribuir a la nutrición del hombre en la medida que aportan los mismos nutrientes de la leche y mejor aún se logra una mejor digestibilidad de esos nutrientes. La características principales que se tienen en cuenta para medir la calidad de la leche son la densidad, índices crioscópios y de refracción, acidez, grasa y sólidos no grasos, cantidad de leucocitos, gérmenes patógenos y presencia de antisépticos, antibióticos y sustancias alcalinas. Cuando se tienen una leche pasterizada para el proceso de obtención de leche en polvo, esta se calienta y se vuelve a pasterizar y se concentra en equipos llamados evaporadores, que eliminan la mayor parte del agua que posee la leche. Posteriormente en el proceso esta leche es concentrada y se homogeniza para evitar que se separe la materia grasa cuando se reconstituye la leche en polvo. También reduce el contenido de cierto tipo de grasas que en en contacto con el oxígeno del aire, alteran el sabor de la leche en polvo. El secado por aspersión es un proceso para convertir un alimento líquido en un polvo por evaporación del solvente. Comparado con otros procesos de evaporación, el secado por aspersión tiene la gran ventaja que el producto puede ser secado sin mucha pérdida de volátiles o componentes termolábiles. Estas ventajas son especialmente importantes en la producción de material alimenticio tales como leche en polvo y café instantáneo. Los volátiles en estos procesos son aromas; los componentes termolábiles son las proteínas. En un secador por aspersión, un líquido o una suspensión se atomizan o se rosea en una corriente de gas caliente para obtener una lluvia de gotas finas. El agua se evapora de dichas gotas con rapidez, y se obtienen partículas secas de sólido que se separan de la corriente de gas. El flujo de gas y de líquido de la cámara de de aspersión puede ser a contra corriente o en paralelo, o una combinación de ambos.
INTRODUCCIÓN La leche es uno de los productos de gran valor proteico pero también bastante perecedero por lo que la mayoría de las fábricas que producían leche para el consumo directo, hoy en día transforman la leche en una gran variedad de productos como, las leches concentradas (evaporadas y condensadas), la leche en polvo, las leches fermentadas (yogurt, Kumis, Kefir, entre otras). Con la obtención de dichos productos se puede lograr una conservación por períodos más prolongados de la leche y contribuir a la nutrición del hombre en la medida que aportan los mismos nutrientes de la leche y mejor aún se logra una mejor digestibilidad de esos nutrientes. La características principales que se tienen en cuenta para medir la calidad de la leche son la densidad, índices crioscópios y de refracción, acidez, grasa y sólidos no grasos, cantidad de leucocitos, gérmenes patógenos y presencia de antisépticos, antibióticos y sustancias alcalinas. Cuando se tienen una leche pasterizada para el proceso de obtención de leche en polvo, esta se calienta y se vuelve a pasterizar y se concentra en equipos llamados evaporadores, que eliminan la mayor parte del agua que posee la leche. Posteriormente en el proceso esta leche es concentrada y se homogeniza para evitar que se separe la materia grasa cuando se reconstituye la leche en polvo. También reduce el contenido de cierto tipo de grasas que en en contacto con el oxígeno del aire, alteran el sabor de la leche en polvo. El secado por aspersión es un proceso para convertir un alimento líquido en un polvo por evaporación del solvente. Comparado con otros procesos de evaporación, el secado por aspersión tiene la gran ventaja que el producto puede ser secado sin mucha pérdida de volátiles o componentes termolábiles. Estas ventajas son especialmente importantes en la producción de material alimenticio tales como leche en polvo y café instantáneo. Los volátiles en estos procesos son aromas; los componentes termolábiles son las proteínas. En un secador por aspersión, un líquido o una suspensión se atomizan o se rosea en una corriente de gas caliente para obtener una lluvia de gotas finas. El agua se evapora de dichas gotas con rapidez, y se obtienen partículas secas de sólido que se separan de la corriente de gas. El flujo de gas y de líquido de la cámara de de aspersión puede ser a contra corriente o en paralelo, o una combinación de ambos.
Dentro de la cámara spray o aspersión se forman partículas de leche en polvo de distinto tamaño. Las partículas más chicas, llamadas finos, se separan del resto y se van incorporando al proceso en las etapas siguientes, las que no alcanzan a tener este tamaño y no poseen esta granulometría son reprocesadas y se realiza la recirculación de estas. OBJETIVOS
Objetivo general.
Realizar un diseño del proceso de secado de leche por medio de aspersión teniendo en cuenta las propiedades de la leche.
Objetivos específicos.
Conocer el comportamiento del mercado de la leche en polvo obtenida por medio de secado. Determinar las características de la leche como materia prima para el proceso de evaporación y secado posterior. Identificar las operaciones realizadas y características de los equipos en el proceso de obtención de leche en polvo. Determinar las condiciones de operación y resultados esperados del proceso de obtención de leche en polvo
RESUMEN En el presente diseño se planteó una descripción de la producción y demanda a nivel regional y nacional de la materia prima a procesar y el producto final como lo es la leche en polvo, notando las tendencias del crecimiento de estos dos datos estadísticos para conocer las ventajas de la producción de leche en el polvo teniendo en cuenta la disponibilidad de la materia prima. La caracterización de la materia prima es un detalle importante para la determinación de los parámetros del diseño, debido a que se conocen las propiedades de la materia prima a manejar en el proceso de obtención de leche en polvo. También se tuvo en cuenta las operaciones que se tienen que realizar en los procesos de evaporación y posterior secado de la leche, determinando las condiciones que se deben tener en cuenta en cada una de las etapas de estos, las especificaciones de los equipos empleados en los procesos de evaporación y secado es realizada de forma detallada para conocer que cuidados se deben tener y la eficacia de los procesos ya mencionados. Se establecieron las condiciones de operación de los procesos para la materia prima y el adecuado funcionamiento de los equipos, además se determinaron las consideraciones necesarias para el desarrollo de los cálculos de de los balances del proceso.
DESCRIPCIÓN DE LA DEMANDA NACIONAL Y REGIONAL DEL PRODUCTO A OBTENER De acuerdo con cálculos del consumo aparente, durante los últimos ocho años, se estima que el consumo de leche en Colombia es en promedio de 156 litros por habitante año. Según estudios de fedegán, la leche líquida presenta mayor frecuencia de consumo en comparación con otros derivados lácteos, siendo los estratos altos de la población los mayores consumidores. El consumo per cápita de leche del país ha venido aumentado durante los últimos años, presentando una variación absoluta de 15,8 litros por habitante de 2002 a 2009, lo que ha impulsado el crecimiento de la producción. Sin embargo, durante 2008-2009 fue necesaria la intervención del gobierno nacional para hacer frente a un período de sobreproducción, para lo cual se establecieron campañas de consumo, compras y almacenamiento. Según datos de la encuesta nacional agropecuaria 2009, se puede establecer que del volumen de leche producida diariamente a nivel nacional, el 41% lo consume la industria procesadora de lácteos, el 36% lo demanda la cadena de los intermediarios, el 10% se destina para el autoconsumo en finca, el 9% es procesado en finca y un 4% corresponde a otros destinos. la leche consumida por la industria en su mayoría se destina a la producción de leche pasteurizada (38%), leche en polvo (29%), leche uht (19%), quesos (8%) y otros productos (6%) (1).
DESCRIPCIÓN DE LA PRODUCCIÓN NACIONAL Y REGIONAL DE LA MATERIA PRIMA A UTILIZAR.
Colombia se ha posicionado como el cuarto productor de leche con un volumen aproximado de 6.500 millones de toneladas por año, superado sólo por Brasil, México y Argentina. A nivel mundial, Colombia ocupa una posición privilegiada al ubicarse en el lugar número 151 dentro del ranking total de productores. El volumen total de producción en Colombia pasó de 2.000 millones de litros en 1979 a 6,500 millones en 2010, con una tasa de crecimiento promedio de 3.5%.
Figura 1. Producción de leche fresca en América latina (fuente: Colombia cuenta con un volumen muy importante de leche fresca (cerca de 2.600 millones de litros anuales) que aún no son utilizados por las empresas del sector, ya que se comercializan por canales informales, lo que asegura un suministro confiable de materia prima para las nuevas empresas interesadas en desarrollar un plan de negocios en el país (2). La producción de leche en Colombia se desarrolla en diversas zonas del país, se encuentran explotaciones lecheras desde 0 hasta más de 3.000 metros sobre el nivel del mar. A nivel geográfico, la producción nacional de leche se clasifica por regiones: Costa Atlántica, Central, Occidental y Pacífica, concentrándose principalmente en la cuenca lechera de la Costa Atlántica y la Región Central, particularmente en los departamentos de Antioquia, Cundinamarca, Boyacá, Córdoba, Cesar y Magdalena, que en conjunto representaron el 60% de la producción nacional en el año 2008. En Colombia, la producción de leche tiene dos grandes fuentes: la lechería especializada y el doble propósito. La primera congrega los ganaderos que se dedican a la explotación de razas lecheras, y el segundo, reúne los ganaderos que explotan un sistema de producción basado en razas adaptadas al trópico y sus cruces con razas lecheras. La producción de leche en Colombia ha venido creciendo de 4.471,6 millones de litros en 2000 a 5.865,6 millones de litros en 2008, al punto que actualmente se autoabastece. Esta dinámica en la producción primaria es resultado de innovaciones en los sistemas de alimentación y manejo del ganado, mejoramiento
genético de los hatos, y empleo de tecnologías modernas de ordeño. Según estimaciones de Fedegán, la lechería especializada responsable aproximadamente del 40% de la producción total y el doble propósito del 60%. En 2009, el país produjo en promedio 15,7 millones de litros diarios, con una cantidad de vacas en producción del orden de 3,3 millones de cabezas. La producción nacional de leche ha venido creciendo durante los últimos años hasta lograr el autoabastecimiento interno, e incluso superarlo. Este crecimiento ha sido impulsado por innovaciones en el manejo del ganado, la alimentación y el mejoramiento genético, y por los cambios en los hábitos de consumo orientados hacia el mayor consumo de proteínas.
Figura 2. Producción de leche en Colombia. Según cifras preliminares, entre 2002 y 2008 la producción nacional de leche (expresada en leche en polvo) pasó de 794.595 toneladas a 928.935, lo que significa un incremento del 17%. Para 2009 se proyecta una producción de 980.027 toneladas de leche, 5,5% más que en 2008. Se destaca el crecimiento de la producción nacional de leche a partir del año 2007, como consecuencia de la presencia de intensas lluvias que llevaron a una sobreproducción.
Mientras que en el período 2002-2009 la producción nacional de leche creció a una tasa promedio anual de 2,6%, entre 2007 y 2009 esta presentó un crecimiento de 7,7%, a pesar de la presencia de cambios climáticos bruscos que afectaron las pasturas y la producción de leche fresca. Al iniciar 2010, la producción de leche mantiene sus niveles históricos para épocas de verano. Si bien las heladas presentadas en el altiplano cundiboyacense han afectado los cultivos de la región, la producción del lácteo continua ininterrumpidamente y con excedentes en algunas zonas del país.
Estacionalidad de la producción a nivel regional Regionalmente se observa un comportamiento con fuerte estacionalidad en la región Caribe, pero en términos generales con un patrón de disminución de la productividad hasta el mes de febrero de 2010 y un aumento progresivo hasta agosto del mismo año, este comportamiento es importante para tener en cuenta que la producción de leche es variable en los diferentes meses del año, por lo tanto se debe estar preparado cuando la producción de leche se disminuya de manera parcial (3). Respecto a los precios pagados al productor en marzo de 2011, se observa una cotización promedio de $819 pesos que refleja un aumento anual del 2,4%. El mayor incremento en los precios se registró en la región Caribe (4,9%)
Figura 3. Producción de leche en Region caribe Colombia
Regiones potenciales para la instalación de una planta de procesamiento Departamentos como Atlántico, Bolívar, Caquetá, César, Córdoba, Guajira, Magdalena, Norte de Santander y Sucre, registran el 25% de la producción nacional al tiempo que registran bajos niveles de población. Dichas zonas presentan un gran potencial para la instalación de una planta de procesamiento, ya que muestra mayores excedentes de producción y elevados niveles de calidad composicional en la leche producida. Dentro de los departamentos señalados anteriormente, las zonas de Bosconia (César) y Barranquilla (Atlántico), se destacan por su ubicación estratégica entre las zonas productoras, así como por su cercanía a los principales puertos marítimos y su fácil acceso a las rutas terrestres que comunican al país con Venezuela, principal mercado de exportación de los productos colombianos.
CARACTERIZACIÓN DE LA MATERIA PRIMA
Se entiende como leche al producto integral del ordeño total e ininterrumpido, en condiciones de higiene que da la vaca lechera en buen estado de salud y alimentación. Esto además, sin aditivos de ninguna especie. Agregado a esto, se considera leche, a la que se obtiene fuera del período de parto. La leche de los 10 días anteriores y posteriores al parto no es leche apta para consumo humano. Siempre el ordeñe debe ser total, de lo contrario al quedar leche en la ubre, la composición química de esta cambiará (4).
Composición: Agua Carbohidratos Lípidos Minerales Proteínas Vitaminas
Contiene un 87% aproximadamente Lactosa (5%) Constituyen del 3 al 6% Ca, K, P, Cl, Na, Z, Mg Caseína (80%), proteínas séricas (20%) A, D, E, K, B1, B2, B6, B12, C.
Un porcentaje de producción de leche se destina a la elaboración de leche en polvo, producto que tradicionalmente ha tenido dos fines: primero para consumo final, leche en polvo entera, semidescremada, descremada, para lactantes; segundo para consumo intermedio de las industrias de pasteurización, derivados lácteos helado, kumis, ariquipe, leche condensada, panificación, pastas, chocolate y galletas, entre otras. La fabricación de leche en polvo requiere un proceso de pulverización. Primero se recibe la leche y se estandariza y homogeniza su nivel de grasa (5). Posteriormente es pasteurizada y mediante desecación por cilindros o por pulverización se obtiene la leche en polvo; finalmente se empaca en recipientes de hojalata, bolsas de aluminio o de papel. Esta línea de producción tiene una participación en la producción de 24,5% sobre el total de la cadena.
DISEÑO DE UN PROCESO DE OBTENCION DE LECHE EN POLVO
Leche en polvo Se entiende por leche en polvo al producto que se obtiene por deshidratación de la leche de la vaca, entera, descremada o parcialmente descremada y apta para la alimentación humana, mediante procesos tecnológicamente adecuados . Su obtención es a partir del sometimiento de la leche fluida a distintos tipos de procesos en los cuales se extrae parcialmente el agua que esta contiene. A partir de la aplicación de estos métodos el producto tratado muestras grandes cambios en su estructura y apariencia física, pasando de un líquido diluido como agua a un polvo seco (6).
Procesos Los procesos más utilizados desde hace varios años hasta la actualidad, una etapa preliminar de pasteurización precalentamiento y dos procesos aplicados simultáneamente y conformando una sola operación con dos etapas: 1. Operaciones preliminares (Precalentamiento y Pasteurización) 2. Evaporación 3. Secado por atomización (spray).
OPERACIONES PRELIMINARES Precalentamiento La leche a ser evaporada normalmente tiene una temperatura de 4 a 8 °C. En los precalentadores se la eleva hasta temperatura de ebullición de la primera etapa. Esto implica un ahorro importante de energía de calefacción. Distintos tipos de precalentadores usados:
Tubos en espiral Tubos rectos Intercambiadores de calor a placa.
El precalentamiento se hará en un precalentador que es un dispositivo de doble tubo, que se utiliza para precalentar la utilizando una corriente de fluido caliente que circula por el ánulo, que en estado estacionario tiene la temperatura de pasteurización
PASTEURIZACIÓN/RETENCIÓN La pasteurización tiene el objeto de mantener a la leche durante un tiempo de 15 segundos a la temperatura de 75 °C, razón por la cual se considera un sistema aislado (adiabático), donde solamente hay caída de presión que depende de la disposición del mismo La aplicación de este paso previo a la evaporación propiamente dicha, es de exigencia netamente bacteriológica. A mayor temperatura aplicada y mayor tiempo de retención, mayor cantidad de bacterias eliminadas. Se debe tener presente que una temperatura demasiado elevada desmejora la calidad de la leche.
Clasificación según INPS o WPNI.
Indice de Nitrógeno Proteico de Suero. Wey Protein Nitrogen Index
Tabla 1. Clasificación de la pasteurización según el calo aplicado Clasificación
Temperatura / Tiempo
INPS ( mg NP / g polvo )
Calor Extra Bajo
< 70 °C
N/D
Calor Bajo
70°C / 15seg
> 6,0
Calor Medio
85°C / 20 seg
5,0 - 6,0
Calor Medio
90°C / 30 seg
4,0 - 5,0
Calor Medio
95°C / 30 seg
3,0 -4,0
Calor Medio Alto
124°C / 30 seg
1,5 - 2,0
Calor Alto
135°C / 30 seg
< 1,4
Distintos tipos de pasteurizadores usados: Indirectos
Tubos en espiral
Tubos rectos
Intercambiadores de calor a placa.
Directos
DSI ( Direct Steam Inyection ).
Atomización sobre atmósfera de vapor controlada ( T° / Presión )
. Equipo de pasteurización
Pasteurizador De Placas Son una serie de placas onduladas o acanaladas dispuestas en forma vertical o algunas veces horizontal y unidas entre sí mediante aros de caucho. La separación entre placas es de tres a cuatro milímetros por donde circula el alimento, mientras el fluido calentador recorre a contracorriente lasa otras caras de la placa estableciéndose el gradiente de transferencia de calor. En las dos últimas capas del grupo se aumenta la distancia entre placas con el fin de disminuir la velocidad de circulación de alimento. Permitiéndose permanecer unidos unos segundos más a la temperatura del tratamiento (7). Tipo De Transferencia De Calor Para el pasteurizador de placas la transferencia de calor es por conducción la forma que transmite el calor en la leche, se calienta, las moléculas que reciben directamente el calor aumenta su vibración y chocan con las que rodean; estas a su vez hacen lo mismo con sus vecinas hasta que todas las moléculas del cuerpo se agitan, por esta razón, si el extremo de una varilla metálica se calienta una flama, transcurre cierto tiempo para el calor llegue a otro extremo.
Descripción del pasteurizador de placas: El esterilizador pasteurizador de placas está formado por bomba de alimentación de materiales, ranura de compensación, sistema de calentamiento de agua, controlador de temperatura, registrador, sistema de control de equipos eléctricos. La forma de control incluye el control semiautomático y automático (Control PLC, Pantalla táctil). Características del pasteurizador de placas: Alta eficacia de recuperación de calor, ahorro de energía, estructura compacta, control y mantenimiento fácil, etc. Aplicaciones de pasteurizador de placas: Se aplica al calentamiento, esterilización, conservación de calor y refrigeración de los líquidos tipo termo sensitivo, tales como leche, jugos, bebidas, alcohol, etc.
EVAPORACIÓN Evaporación del agua contenida en la leche fluida Características de un Evaporador.
Multietapas Trabajo bajo vacío Película descendente.
Multietapas: genera un ahorro de energía tal que por kg de agua evaporada se utiliza 1/3 kg de vapor vivo. (Aplicable a un evaporador de 3 efectos). Vacío: hace que la T° de ebullición/evaporación del agua disminuya. En estos equipos el rango de T° va desde los 80°C a 45°C. Película descendente: la denominación hace referencia a que el producto es inyectado desde la parte superior del equipo y cae por gravedad formando una fina película sobre toda la superficie del tubo, habiendo mayor contacto con la parte calefaccionada. La extracción del agua de la leche se hace a través de vapor, este vapor se separa del producto en los separadores de vahos, y es reutilizado para calefaccionar el cuerpo siguiente, el material de construcción para alimentos como la leche es por lo general acero inoxidable que es el más seguro para este tipo de fluidos. Los vahos del último cuerpo son condensados en un condensador, que puede ser de mezcla o de superficie (8).
Los evaporadores son equipos para procesos continuos. Generalmente trabajan entre 20 a 28 hs. Los volúmenes de procesos diarios van desde los 400 a 1000 m3 de leche.
En la actualidad están altamente automatizados e informatizados. El producto obtenido es un concentrado de leche, con un contenido de sólidos totales de 48 – 50%.
SECADO El secado es la operación unitaria en la cual el contenido de humedad del material es eliminado hasta alcanzar la humedad de equilibrio mediante evaporación como resultado de la aplicación de calor bajo condiciones controladas [11].
Criterios para la selección del método de secado. Hay que tomar en cuenta diversos criterios para escoger el método que mejor se adapte al secado de una sustancia [12]:
-
El modo de funcionamiento del aparato
-
La naturaleza y calidad del producto a secar
-
La fuente de calor y el modo de transmisión del mismo
-
La seguridad
-
El consumo de energía
-
La facilidad para controlar el tiempo de tratamiento
La selección depende de la importancia de la producción. Si ésta es pequeña, a menudo se escoge un funcionamiento discontinuo. Si al contrario, la producción es importante, las operaciones de carga o descarga a efectuar en discontinuo se volverían más tediosas. Por lo tanto, el funcionamiento continuo es deseable y económicamente más rentable (13). Naturaleza del producto a secar. La preparación, modo de manejo, fuente de calor a utilizar, modo de transmisión y concepción de los sistemas de aireación, dependen de la naturaleza del producto a secar. Puede tratarse de líquidos, pastas, materiales pulverizados, granulados, fibrosos o compactos. La cantidad de producto a obtener puede limitar la elección del modo de secado. Así, por ejemplo, el secado de colorantes, de productos farmacéuticos o alimenticios, debe llevarse a cabo evitando toda contaminación del producto o el someterlos a atmósferas que los puedan degradar; por ello muchos de estos productos se secan en pequeños lotes.
Fuente de calor y modo de transmisión. En los secadores de convección o conducción, pueden utilizarse los fluidos calientes clásicos (vapor, agua caliente, gas de combustión) para suplir el calor necesario para la extracción de humedad. Estos fluidos circulan generalmente por chaquetas o por tubos en contacto con el material a secar (secado por conducción) o dentro de los calentadores de aire (secado por convección). Si los gases de combustión están limpios, se les puede poner en contacto directo con el material a secar. El secado por irradiación infrarroja se efectúa por medio de lámparas eléctricas o de paneles calefactores. El secado por corrientes de alta frecuencia se utiliza sobre todo cuando la calidad del producto seco es determinante (14).
La elección de la temperatura de secado es muy delicada: -
Una elevada temperatura permite aumentar la velocidad de secado, pero conduce a veces a la aparición de una costra en la superficie del producto, fenómeno que dificulta la extracción de humedad.
- Una temperatura demasiado baja aumenta considerablemente el tiempo de operación. -
Algunos productos son termosensibles y no pueden ser secados a temperaturas superiores a 60°C, por ejemplo. Como ya se ha mencionado, la convección es el método de transferencia más utilizado en el secado.
Parámetros a considerar en el proceso de secado. Los parámetros que influyen en la tasa de secado, cuando se secan materiales con aire forzado, son: la temperatura y la humedad relativa del ambiente, la temperatura y el flujo de aire de secado, el contenido de humedad inicial y de equilibrio de los materiales, la temperatura y, dado el caso, la velocidad de dichos materiales dentro del secador. Condiciones del aire ambiente A la temperatura y la humedad relativa del aire ambiente, muchas veces no se les da importancia para el secado a altas temperaturas. Estos parámetros tienen poca influencia sobre la tasa de secado; en cambio, determinan la cantidad de energía necesaria para alcanzar la temperatura de secado. Cuanto menor sea la
temperatura ambiente, mayor será la cantidad de energía necesaria para calentar ese aire, lo que determina un mayor costo del secado.
Temperatura de secado
La temperatura del aire de secado es el parámetro de mayor flexibilidad en un sistema de secado a altas temperaturas e influye significativamente en la tasa y la eficiencia de secado y en la calidad del producto final. Un aumento de dicha temperatura significa un menor consumo de energía por unidad de agua evaporada y una mayor tasa de secado. En cambio, las temperaturas de secado más elevadas pueden causar daños térmicos más acentuados en los granos. La temperatura de secado, junto con los flujos de aire y de granos, determina la cantidad de agua evaporada en un secador.
Presión estática y flujo de aire La pérdida de carga de un flujo de aire a través de una capa de granos, conocida generalmente como resistencia al flujo de aire y denominada presión estática, influye en este flujo y, en consecuencia, en la tasa de secado. Dicha resistencia determina la exigencia de mayores presiones estáticas para el ventilador y, en consecuencia, en la reducción de la masa de aire que éste proporciona. Humedad inicial del producto El contenido de humedad inicial también influye en la tasa de secado. Cuanto más elevado sea el contenido de humedad de un producto, mayor será la cantidad de agua evaporada por unidad de energía. Con elevados contenidos de humedad, las fuerzas de adsorción de la estructura celular del material sobre las moléculas de agua, son menores que cuando el contenido de humedad del producto es más bajo. En consecuencia, se utiliza un mayor porcentaje de energía disponible para evaporar la humedad contenida en los granos más secos.
Flujo del producto dentro del secador La velocidad con que el material pasa por el secador, denominada con mayor frecuencia flujo de masa o tiempo de residencia del producto en el secador, puede influir en la tasa de secado, la eficiencia del proceso y la calidad final del producto. Si el flujo de masa aumenta, el producto final será, en general, de mejor calidad. Por otra parte, hay un aumento del consumo de energía específica, esto es,
de la energía que se necesita para evaporar una unidad de masa de agua y una disminución de la eficiencia térmica del secado, porque los granos que pasan por el secador con mayor velocidad pierden menos humedad y el secado puede resultar insuficiente. El manejo adecuado de la velocidad del producto tiene importancia fundamental en el secado.
Proceso de secado por atomización El secado por aspersión también llamado atomización, rocío o spray es ampliamente utilizada en la industria procesadora de alimentos, polímeros, cerámicas, etc. Consiste en la transformación de una materia en forma líquida en forma seca se logra mediante la generación de gotas minúsculas que poseen una gran área superficial para la evaporación de su humedad, el medio secante suele ser un gas caliente en gran volumen; con la suficiente energía para completar la evaporación del líquido (14).
Tipos de secaderos por aspersión. La clase de atomizador a utilizar también es un parámetro que puede influir en el secado por aspersión debido a que este define como, con qué velocidad y en qué cantidad entra la alimentación a la cámara de secado. Existen diferentes clasificaciones de los secaderos por aspersión según el criterio por los que se clasifiquen:
Según el medio atomizante: Atomizador centrífugo: Consiste en un disco que gira al extremo de un eje. Existen cabezas atomizadoras de diferente tamaño, desde discos de 5 cm que giran a 50.000 rpm a ruedas de 76 cm que giran a 3.450 rpm. Pueden producir partículas muy finas pero también gruesas, trabajar con líquidos viscosos y a velocidades lentas. Atomizador a presión: El líquido se bombea a presión alta a través de un orifico pequeño formando una niebla de líquido en forma de cono hueco. Atomizador neumático: Utiliza una alta velocidad del gas que permite crear fuerzas de fricción elevada que causa la rotura del líquido en gotas. Este mecanismo usa como medio gaseoso aire y vapor. Según el contacto aire-gota, existen tres formas básicas de contacto aire-gota: Flujo paralelo: El asperjado y el aire caliente se introducen en la zona superior de la cámara y viajan en la misma dirección a través del secador, el aire caliente
contacta inicialmente a las gotas atomizadas. Esto favorece a los materiales termolábiles, ya que éstos son protegidos de las altas temperaturas por enfriamiento evaporativo. El gas de secado se va enfriando al pasar a través de la cámara y las partículas secas se encuentran con aire más frío a la salida del equipo. Cuando se utiliza un atomizador rotatorio se presenta un perfil homogéneo de temperaturas dentro de la cámara de secado.
Flujo a contracorriente: El aire de secado y el asperjado se mueven en direcciones opuestas en la cámara de secado debido a que las partículas secas se ponen en contacto con el gas más caliente y el tiempo de exposición es mayor, el diseño se propone para productos no termolábiles. En estos casos, el producto seco sale a una temperatura tan alta como la del gas de secado. Este arreglo se utiliza cuando se quiere impartir ciertas cualidades al producto, como por ejemplo, una alta densidad a granel para el caso de detergentes. Flujo mixto: Una boquilla se coloca en el fondo de la cámara, dirigida hacia arriba, dentro de la corriente descendente del gas, cuya entrada se encuentra en el techo de la cámara, este arreglo no se recomienda para productos termolábiles ya que las partículas secas están en contacto con el aire más caliente, sin embargo se recomienda para partículas gruesas en cámaras pequeñas, ya que la longitud del patrón de viaje de las partículas es grande. Se ha observado que estas partículas pueden presentar movimiento dentro de la cámara tanto del tipo paralelo como en contracorriente. CONDICIONES REQUERIDAS EN EL PROCESO DE SECADO POR ASPERCION El secado por aspersión consiste en cuatro etapas: Atomización Contacto aire-gota Evaporación Recuperación del producto seco
Atomización. En esta etapa ingresa la alimentación del producto a secar, en estado líquido, al sistema de atomización el cual consta de un disco rotatorio que gira a altas velocidades, por efectos de la fuerza centrífuga generada por el disco el fluido es atomizado, el tamaño de las gotas está en función de la velocidad del disco
Contacto aire-gota. Cuando el líquido es atomizado dentro de la cámara de secado la gota se pone en contacto con el aire y sigue la trayectoria de la corriente de aire.
Evaporación. Como el aire dentro de la cámara es previamente calentado a la temperatura de secado requerida se produce transferencia de calor hacia la gota y transferencia de masa hacia el aire. Recuperación del producto seco. Al final de la cámara de secado el aire y el producto seco se encuentra mezclado con el aire, para separar el producto del aire se usa separadores ciclónicos.
Consideraciones iniciales. Patiño (1995), Grajales (1996) y Mendoza (2003), reportan una secuencia de cálculo para el dimensionamiento de la cámara de un secador por aspersión que proviene de balances macroscópicos de materia y energía sobre el sistema analizado (cámara de secado) y bajo las condiciones de trabajo dadas. El tipo de aspersor usado por los autores es: atomizador rotatorio, boquilla neumática y boquilla de presión respectivamente (16). Los criterios usados por dichos autores para el dimensionamiento, ya que estos determinan o no el secado exitoso de un fluido, son:
-
La humedad relativa del aire a la salida de la cámara debe ser menor o igual que la humedad relativa del aire en equilibrio con la humedad deseada del producto, de tal forma que no humedezca al producto.
-
El tiempo de secado de la gota asperjada, desde una humedad inicial hasta otra final, debe ser menor o igual al tiempo de viaje de la gota a la pared del secador y así evitar que se adhiera a ésta.
-
El calor suministrado a la gota asperjada durante el tiempo de viaje de la misma a la pared del equipo debe ser mayor o igual al calor necesario para el secado.
Las características del sistema (cámara del secador por aspersión) en el presente trabajo son las siguientes:
-
El atomizador es de tipo rotatorio.
-
Tanto la alimentación como el aire de secado entran por la parte superior de la cámara y viajan en la misma dirección (flujo paralelo), esto es para favorecer el secado de materiales termolábiles.
-
El aire entra en forma tangencial, de tal forma que describe una trayectoria en espiral, ya que es comúnmente usada en la industria, además, existen ecuaciones empíricas que predicen las componentes radial, axial y tangencial de la velocidad del aire. Si evaluáramos el funcionamiento del secador dentro de un gráfico psicrométrico, veríamos que el aire se calienta a humedad constante (To → T1). Si la cámara estuviera aislada y toda la energía posible se utilizara, el aire se enfriaría adiabáticamente y la temperatura mínima a alcanzar sería la de bulbo seco de saturación (Tsat). En realidad, la cámara no está aislada y no se sigue un enfriamiento adiabático. El aire sale a una temperatura T2' (ni está saturado ni el proceso fue adiabático), debido a la baja relación aire-producto. Mas sin embargo se hace la suposición de que si el proceso fuera adiabático, saldría a T2 (proceso adiabático y masas iguales de aire y producto). Se considera que el combustible encargado de generar el calor para calentar el aire es el coque.
Requerimiento del producto deshidratado. Los requerimientos dependen del proceso posterior al secado, los mismos que varían en función del tipo de sustancia secada. Las variables a considerar a la salida del producto se mencionan a continuación: -
Temperatura del sólido a la salida del secadero. Humedad del producto a la salida del secadero.
Estos dos parámetros deben ser proporcionados según el requerimiento del sólido seco.
Sistema de transporte de la solución liquida Al utilizar como medio atomizante un disco rotatorio lo recomendable es utilizar una bomba rotodinámica, el sistema constará de los siguientes elementos:
-
Tanque de almacenamiento de la alimentación.- El volumen del tanque estará de acuerdo al consumo que se desee durante la operación y si el sistema es continúo o discontinúo.
-
Tanque de agua.- Se utiliza para la limpieza del secadero, el atomizador debe ser alimentado por agua tanto en el arranque como en la parada.
-
Bomba de alimentación.- Debe ser capaz de transportar la alimentación hacia el atomizador con el flujo y presión requerido por éste, además debe existir compatibilidad entre el material de la bomba y las propiedades de la sustancia a bombear.
-
Ductos de transporte.- Su tamaño se seleccionará en función del caudal a transportar con la finalidad de minimizar las pérdidas por fricción, además se debe considerar que el material sea el apropiado según la sustancia a transportar.
Ciclones: Son los más simples y fáciles de fabricar de los equipos de procesos. Ellos son usados extensivamente en la industria de procesos químicos para separación gas-líquido. En las refinerías son usados en los reactores y generadores de unidades de craqueo catalítico, en alimentos, farmacia y la industria metalúrgica. Este equipo tiene la ventaja de ser altamente eficiente cuando su construcción es adecuada, su mantenimiento es sencillo ya que no hay partes móviles y además de fácil limpieza. La teoría de la operación del ciclón se basa en los remolinos (vórtices), donde la fuerza centrífuga actúa sobre cada partícula forzándola a dejar el eje del ciclón y dirigirse hacia la pared interna del ciclón. Sin embargo, el movimiento en dirección radial es el resultado de dos fuerzas opuestas: la fuerza centrífuga que actúa moviendo la partícula hacia la pared mientras que la fuerza de arrastre del aire actúa llevando las partículas en el eje. La fuerza centrífuga predomina y por lo tanto se produce la separación (18).
PARAMETROS DE DISEÑO
Tipo de evaporador: película descendente con tres efectos en acero inoxidable Longitud de los tubos del evaporador: 3,5 m Diámetro de los tubos del evaporador: 2 pulg 3 Bomba de vacío para generar presiones de 38,55; 25,01;19,92 kpa respectivamente Precalentador 1 pasteurizador de placas 1 Bomba rotativa 3 bombas para el transporte de fluidos por cada efecto Tipo de secador: Secador en spray 1 calentador de aire 2 ventiladores 1 ciclón
CONDICIONES DE OPERACIÓN 1. Cantidad de leche a procesar 1000 Kg/hora
2. Precalentamiento Temperatura inicial: 4 ºC Temperatura final: 75 ºC 3. Pasteurización Temperatura inicial: 75 ºC Temperatura final: 75 ºC
4. Evaporación
Consideraciones: El sistema Opera adiabáticamente Se desprecian los efectos de la energía potencial y cinética El sistema opera en estado estable Las áreas de cada efecto son iguales Existe equilibrio térmico y flujo permanente
Datos del proceso evaporación
Primer efecto Alimentación (F): 1000 kg/h Fracción de agua en la alimentación ( ) =0.88 Fracción de Solidos en la alimentación =0,12 Temperatura alimentación (TF): 75 ºC Presión dentro de la cámara: 38,55 Kpa Temperatura de ebullición de la cámara: 65 ºC Coeficiente global de transferencia de calor (U 1): Presión Vapor Saturado suministrado (W c): 200 kpa Temperatura Vapor saturado suministrado T c:100 ºC Vapor condensado en este efecto ( :?
Segundo efecto Alimentación (FI)=? Fracción de Agua en la alimentación ( )=? Fracción de Solidos en la alimentación =? Temperatura alimentación (TI): 75 ºC Presión dentro de la cámara: 25,01 Kpa Temperatura de ebullición dentro de la cámara: 65 ºC Coeficiente global de transferencia de calor (U 2): Presión Vapor Saturado suministrado (V 1): 38,55 kpa Vapor condensado en este efecto ( :?
Tercer efecto Alimentación (FII)=? Fracción de Agua en la alimentación ( )=? Fracción de Solidos en la alimentación =? Temperatura alimentación (TII): 65 ºC Presión dentro de la cámara: 19,92 Kpa Temperatura de ebullición dentro de la cámara: 60 ºC Coeficiente global de transferencia de calor (U 3):? Presión Vapor Saturado suministrado (V 2): 25,01kpa Vapor producido por la evaporación en este efecto (V 3):? Producto concentrado obtenido (C):? Vapor condensado en este efecto ( :?
Datos del proceso de Secado el proceso trabaja a presión de 101,325 Kpa. es un proceso de humidificación adiabática. volumen de aire >> a la cantidad de agua. los datos de humedad relativa y temperatura del aire que entra al calentador son los correspondientes a las condiciones ambientales de la ciudad de Montería Córdoba. Los datos correspondientes al producto a secar se desprenden de cálculos anteriores y sus respectivas consideraciones. Las temperaturas de entrada y salida del aire corresponden a las especificadas en el Cuadro 6. Productos obtenidos por secado spray Eric German Yanza.
DATOS DE OPERACIÓN:
PRODUCTO A SECAR X agua T entrada
244,9 Kg/h 0,51 60 °C
Solidos
0,49
PRODUCTO ? SECO Xagua 0,035 Solidos 0,965 T AIRE entrada 31°C calentador Humedad Relativa 83,00 %
CALCULOS EN EL PROCESO DE EVAPORACION DIAGRAMA DEL PROCESO
Figura 4. Proceso de evaporación de la leche en polvo
BALANCES DE MATERIA EN EVAPORADORES Balance de solidos totales:
Balance de masa global
Dónde:
Pero
Ahora considerando Así:
Balance de masa en el efecto 3
Como
Balance de sólidos en el efecto 3
Balance de total en el efecto 1
Dónde:
Balance de sólidos en el efecto 1
CÁLCULOS DE LOS CP DEL ALIMENTO EN CADA CORRIENTE EN EVAPORADORES Ecuación para cálculo de Cp
) ( CALCULO DE ELEVACIÓN DEL PUNTO DE EBULLICIÓN EN EVAPORADORES
La elevación del punto de ebullición viene dada por la siguiente ecuación
Ahora
∑
∑ ∑
MÉTODO PARA HALLAR LOS COEFICIENTES GLOBALES DE TRANSFERENCIA DE CALOR EN EVAPORADORES Para hallar los coeficientes globales de transferencia de calor en cada efecto, se utilizó la siguiente gráfica (figura, que relaciona las temperaturas de ebullición de cada efecto con el coeficiente global de transferencia de calor para un evaporador de película descendente.
Figura 5. Coeficientes de transferencia de calor en un evaporador de tubos verticales largos (fuente: Perry 2001). De esta manera para el primer efecto que tiene una T de ebullición de 75 ºC (167 ºF) el coeficiente global de calor es aproximadamente 555 Btu/h.pie 2ºF (3151,45 w/m2ºC) Para el segundo efecto sería de 490 Btu/h.pie2ºF (2782,36 w/m 2ºC) Para el tercer efecto sería de 450 Btu/h.pie2ºF (2555,2 w/m 2ºC) Seguidamente se procede a calcular los valores de los en cada efecto Con la siguiente formula:
∑ ∑ ∑ BALANCES DE
MATERIA Y ENERGIA
Balances de masa y energía en el tercer efecto
Como - Donde Remplazando los valores de En La ecuación anterior.
Balance de masa energía en el segundo efecto
Teniendo
Remplazando los valores de Remplazando Ec.5 en Ec. 7
3992167,7kj/h = 8225,43 Remplazando Ec. 8 en Ec. 5
De esta manera
Balance de masa y energía en el efecto 1.
= CALOR SUMINISTRADO EN CADA EFECTO
[ ] ⁄ 182,8 kw ÁREAS DE CADA EFECTO
⁄
⁄ ⁄ Calculando el área media tenemos:
Se puede notar que las áreas difieren menos del 10% del área media, por tanto no es necesario volver a recalcular las áreas para cada evaporador. Seguidamente hallamos la economía del proceso de evaporación:
Calculo del número de tubos en los evaporadores Según los parámetros de diseño las medidas de los tubos son:
Longitud de los tubos del evaporador: 3,5 m Diámetro de los tubos del evaporador: 2 pulg El área de un tubo está dado por:
El número de tubo está dado por la ecuación:
Por lo tanto pare el primer efecto:
Para el segundo efecto:
Para el tercer efecto:
CALCULOS EN EL PROCESO DE SECADO
DIAGRAMA DEL PROCESO
Figura 6. Proceso de secado de la leche en polvo. Mediante las condiciones de entrada del aire al calentador referenciadas por xxx (T=31°C y Humedad relativa =83%) y la temperatura de salida del calentador (T=175°C), se determinó la humedad relativa con la que entra el aire al secador mediante el software de psicrometría GRAPSI_DRAW, esto se hizo primeramente para un proceso de calentamiento. Luego para las condiciones del aire en el secador se determinó la humedad relativa de salida del secador, la temperatura de saturación del proceso de secado y las composiciones de agua a la entrada y salida del aire en el secador. Esto se hizo mediante el software mencionado anteriormente para un proceso de humidificación adiabática, donde primero se determinó la temperatura de bulbo húmedo en el primer punto del proceso, la cual nos serviría para hallar la humedad
relativa a la salida del secador, debido a que esta temperatura de bulbo húmedo es constante para la humidificación adiabática, Todos los cálculos referentes al secado están comprobados en una hoja de cálculo adjunta a este documento. FUNCIONAMIENTO DE SECADORES El funcionamiento de un secador por atomización es una expresión que evalúa la eficiencia térmica del proceso y en términos prácticos define la disponibilidad del secador para generar el producto deseado en forma económica. La eficiencia térmica de un secador por atomización depende de las temperaturas de operación y se define como (11):
Si evaluáramos el funcionamiento del secador dentro de un gráfico psicrométrico, como el mostrado en la Figura No.16 veríamos que el aire se calienta a humedad constante (To → T1). Si la cámara estuviera aislada y toda la energía posible se
utilizara, el aire se enfriaría adiabáticamente y la temperatura mínima a alcanzar sería la de bulbo seco de saturación (Tsat). En realidad, la cámara no está aislada y no se sigue un enfriamiento adiabático. El aire sale a una temperatura T2' (ni está saturado ni el proceso fue adiabático), debido a la baja relación aire-producto. Si el proceso fuera adiabático, saldría a T2 (proceso adiabático y masas iguales de aire y producto). Así, podemos definir ciertos términos (11):
Eficiencia térmica máxima (caso ideal)
η Max(Ideal)= 88,5416667 %
Que nos daría la energía máxima disponible.
Eficiencia térmica total
η
Termica =69,4444444 %
total Que nos da la energía realmente utilizada.
Eficiencia evaporativa
η Evaporativa =78,4313725 %
Que nos da la energía máxima para evaporar.
TABLA 2. RELACION ENTRE ALTURA Y DIAMETRO PARA LA CAMARA DE SECADO
TABLA 3. RELACION ENTRE TAMAÑO PROMEDIO DE PARTICULA Y DIAMETRO MINIMO PARA LA CAMARA DE SECADO.
VOLUMEN SECADOR
23,8045315 m
Balance general de masa
Luego como se especifico que la masa de aire a la entrada es igual a la masa de aire a la salida del secador , TENEMOS. BALANCE DE COMPONENTE DE Xa
BALANCE DE COMPONENETES DE SOLIDOS Ahora tenemos que
Ahora con la masa de aire y las entalpias en la entrada y salida del calentador, obtenemos el calor suministrado al aire por parte del calentador.
458198,6596 KJ/h
Luego determinamos los requerimientos de masa de combustible para generar el calor requerido para el proceso. De acuerdo a lo expuesto en la siguiente tabla tenemos que para el cobe que es el combustible a utilizar su poder calorífico al máximo es de 7500kcal/Kg
TABLA 4. PODER CALORIFICO DE COMBUSTIBLES INDUSTRIALES
Ahora el calor absorbido por el aire es igual al calor generado por el combustible (coque), entonces tenemos:
) 14,59638146 Kg
BIBLIOGRAFÍA
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cadenas productivas DNP-DDE. Documento de trabajo. 7. McCABE, Warren L; Smith, Julian C; Harriott, Peter. Operaciones unitarias en ingeniería química: Secado de sólidos. 4a ed. McGrawHill/Interamericana de España, s. a. u. 1991. Pág. 821. 8. BRENNAN, James G. Food ProcessingHandbook, Dehydration (Drying). WILEYVCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim, Germany 2006. 9. MUJUMDAR, Arun s. Description of Various Dryer. Chapter II. Types Indirect Dryers, Washigton, 2000 Disponible en http://serve.me.nus.edu.sg/arun/file/teaching/ME5202/Chapter2%20and%203 .pdf pdf [ Enero 2012]. 10. YANZA H, Erik G. Diseño De Un Secador Por Atomización A Nivel Piloto Para Jugo Concentrado De Tomate De Árbol, Modelos matemáticos. Manizales 2003, pág. 48. Tesis de grado (Ingeniero quimico), Universidad Nacional De Colombia. Disponible: en http://www.bdigital.unal.edu.co/1025/1/erickgermanyanzah..pdf [ Enero
