UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERU
INFORME 1: BALANCE DE MATERIA
i.
INTRODUCCIóN
Los balances de materia permiten conocer los caudales y las composiciones de todas las corrientes de un sistema. Es un proceso en el que el balance de materia informa sobre el estado inicial y final del sistema. Los balances se plantean alrededor de un entorno, una determinada región del espacio perfectamente delimitada. El balance de materia esta dado por: masa que sale menos masa que entra mas masa acumulada es igual a masa que se genera. Según el caso ante el que nos encontremos este balance puede ser modificado, desapareciendo algunos de sus miembros. En un sistema en régimen no estacionario las variables físicas, químicas, mecánicas y termodinámicas del sistema no permanecen constantes con el tiempo. La ley de conservación puede aplicarse a la masa total del sistema o a la de cualquier componente individual que pertenezca a éste. La materia que sale y entra es la cantidad de propiedad que cruza los límites del sistema en uno u otro sentido por unidad de tiempo. La materia acumulada es la cantidad de propiedad existente en el sistema en un momento dado menos la que había en un instante inmediatamente anterior dividido entre el intervalo de tiempo. Puede ser positiva o negativa, según la cantidad de propiedad contenida en el sistema aumente o disminuya. La materia que se genera es la cantidad de propiedad que aparece o desaparece dentro del sistema por unidad de tiempo, sin estar presente inicialmente en el sistema y no habiendo atravesado sus límites. Nos planteamos los siguientes objetivos para profundizar el tema de balance de materia:
Demostrar la primera ley de la Termodinámica
Reconocer operaciones unitarias en un diagrama de flujo.
Realizar el balance de materia en cada una de las operaciones unitarias en la obtención de almidón.
Balance de Materia
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II. MARCO TEORICO: Los balances de materia y energía son una contabilidad de entradas y salidas de materiales y energías de un proceso o de una parte de este. La teoría de estos balances es muy sencilla, pero su aplicación puede ser muy complicada, a menos que se tenga una metodología adecuada para resolver estos problemas (VALIENTE, 1998). 2.1 DIAGRAMA DE FLUJO SEGÚN RODRIGUEZ y col. (2007): En todo tipo de ingeniería se requiere de planos que especifiquen tamaños, formas, conexiones y corrientes. Esos planos sirven para calcular, construir, o cotizar equipos y procesos. Los planos reciben el nombre de diagramas de flujo cuando representan la secuencia hubo operaciones que se llevan a cabo para fabricar cierto producto. En los dramas de flujo se dibujan los equipos mayores de un proceso, y las corrientes que entran y salen de estos equipos. A veces los equipos se representan que por rectángulo sobre los que se indica el nombre del equipo que simbolizan. Eso será más se conocen como diagramas de bloques. En otros casos se emplea un dibujo que representa la forma del equipo. Los símbolos son las representaciones del equipo real no son universales, pero guardan cierta similitud de un libro a otro de una compañía de diseño a otra.
Fig. 1: diagrama de flujo (de equipos) de la extracción de aceite de soya.
Balance de Materia
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Fig. 2: diagrama de flujo (cualitativo y cuantitativo) de la extracción de acei te de soya.
2.2 BALANCE DE MATERIA SEGÚN VALIENTE, (1998): El balance de materia se pasa en la ley de la conservación de la masa enunciada por Lavoisier de la siguiente manera: Grasos nada puede crearse de y en cada proceso hay exactamente la misma cantidad de sustancia presente antes y después de que el proceso haya sucedido. Solamente hay un cambio o modificación de la materia.
Balance de Materia
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Fig. 3: esquema de la entrada y salida de masa en un sistema.
2.3 TIPOS DE BALANCE DE MASA SEGÚN VALIENTE (1998): Entre los tipos de balances de masa más frecuentes están: a. Los de mezclado de dos o más corrientes para dar una o más corrientes. b. Los de separación, en los que forman dos o más corrientes a partir de una corriente. c. En ciertos procesos, parte de los productos se vuelven a procesar para que se mezclen con los ingredientes o reactivos, es decir que existe recirculación de reflujo. d. En los otros casos parte de los ingredientes reactivos pasan al proceso y otra parte de la válvula sin entrar, es decir se produce desviación, by-pass o retorno.
Fig. 4: Mesclador (a)
Fig. 5: Mesclador (b)
Balance de Materia
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Fig. 6: Recirculadora (c)
Fig. 7: Derivador (d)
2.4 IMPORTANCIA: Son importantes para el diseño del tamaño de aparatos que se emplean y para calcular su costo. Si la planta trabaja los balances proporcionan información sobre la eficiencia de los procesos (GUERRERO y col. (2008)).
2.5 ALMIDON DE LA YUCA SEGÚN MONTOYA y col. (2010): Es una harina que se obtiene de la yuca. Es utilizado principalmente para alimentación humana en productos de confitería y en especial en la preparación de panes. Contiene proteínas, grasa, carbohidratos, ceniza humedad y fibra.
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2.5.1 Diagrama de bloques de la producción de almidón de yuca según MONTOYA y col. (2010):
Fig. 8: Diagrama de flujo de la obtención de almidón de la yuca.
2.5.2 Composición de la yuca según MONTOYA y col. (2010):
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2.5.3 Cantidad de almidón a partir de la materia seca de la yuca según REINA y col. (1996):
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III. MATERIALES Y METODOS: 3.1. Materiales:
2 baldes
2 bandejas
CUCHLILLOS
Materiales
1 COSTALILLO
1 vaso de presipitación
rayador
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3.2. Reactivo:
YUCA -
Se necesitaron, 4Kg. Del producto, para realizar 2 corridas de 2Kg. Cada uno.
3.3. Métodos: Para la producción del almidón:
1. Pesamos la materia prima y luego anotamos el peso.
2. Lavamos y retiramos la cascara de la yuca.
3. Pesamos la yuca pelada, y luego anotamos su peso, para luego obtener el dato por diferencia de pesos.
Balance de Materia
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4. Rayamos la yuca con el rayador, en un tazón en el cual ya estaba añadida 2l de agua, para que el tubérculo no se oxide.
5. Terminado el proceso de rayado, lo filtramos con la ayuda del costalillo, y este fue enjuagado varias veces,
hasta obtener un
líquido transparente.
6. Pesamos el residuo sólido de la yuca, y anotamos el peso.
7. El líquido que atravesó el paño, lo dejamos reposar por 1 hora, en cada balde. Pasada la hora, eliminamos el líquido claro.
8. El sedimento obtenido de cada balde, lo extrajimos, a cada bandeja por separado.
9. El sedimento fue introducido al horno, para ser secado a 60°C.
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IV. RESULTADOS 1era REPLICA
2,1Kg
RECEPCION
E MATERIA
SELECCION
PESADO
LAVA O
TROZA O
PELADO
RALLADO
8Kg
MEZCLADO
9,632Kg
COLADO
SEDIMENTADO
0,468Kg
SIFONEADO
MOLDEADO 0,244Kg, 0,468Kg
o
DESHIDRATADO
Balance de Materia
T=60 C
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CUADRO 1: BALANCE DE MATERIA PARA LA OBTENCION DE ALMIDON- 1RA REPLICA
PROCESO Recolección de materia prima Selección Pesado Lavado Pelado Lavado Pesado Rayado Mezclado Colado Pesado Sedimentado Pesado Deshidratado TOTAL
INGRESA (kg) 2,100
2,100 2,100 2,044 1,999 1,642 1,642 1,632 1,632 9,632 8,914 8,914 0,468 0,468 45,287
SALE (kg) CONTINUA RENDIMIENTO (kg) (%) 0,000 2,100 100
0,000 0,056 0,045 0,357 0,000 0,010 0,000 0,000 0,718 0,000 8,446 0,000 0,224 9,856
Balance de Materia
2,100 2,044 1,999 1,642 1,642 1,632 1,632 1,632 8,914 8,914 0,468 0,468 0,244 35,431
100 97,3 97,8 82,1 100 99,4 100 100 92,5 100 5,3 100 52,1 78,24
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2,12Kg 2da REPLICA
RECEPCION DE MATERIA
SELECCION
PESADO
LAVADO
TROZADO
PELADO
RALLADO
8Kg
MEZCLADO
9,611Kg
COLADO
SEDIMENTADO
0,340Kg
SIFONEADO
MOLDEADO 0,17Kg, 0,340Kg
Balance de Materia
o
DESHIDRATADO
T=60 C
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CUADRO 2: BALANCE DE MATERIA PARA LA OBTENCION DE ALMIDON- 2RA REPLICA
PROCESO Recolección de materia prima Selección Pesado Lavado Pelado Lavado Pesado Rayado Mezclado Colado Pesado Sedimentado Pesado Deshidratado TOTAL
INGRESA (kg) 2,120
2,120 2,120 2,022 1,982 1,626 1,626 1,611 1,611 9,611 8,871 8,871 0,340 0,340 44,871
SALE (kg) CONTINUA RENDIMIENTO (kg) (%) 0,000 2,120 100
0,000 0,098 0,040 0,356 0,000 0,015 0,000 0,000 0,740 0,000 8,531 0,000 0,170 9,95
Balance de Materia
2,120 2,022 1,982 1,626 1,626 1,611 1,611 1,611 8,871 8,871 0,340 0,340 0,170 34,921
100 95,38 98 82,04 100 99,01 100 100 92,3 100 3,8 100 50 77,8
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V. DISCUSIONES: Según la tabla 1 de REINA y col. (1996) se deduce que de 1 kg de yuca debe obtenerse 146 g de almidón, ya que la yuca tiene más contenido de este carbohidrato en comparación de otros tubérculos así como la papa, en paralelo con la práctica de laboratorio, se obtuvo un promedio de 104 g por 1 kg de yuca, se puede decir que en la practica de laboratorio falto dejar mas tiempo para la sedimentación total del almidón, como mínimo 1 día entero. También como se puede apreciar en las tablas de los resultados, la materia que ingresa es diferente a la que continua (ya que lo que sale es la fibra, la tierra, la cascara), y se concuerda con VALIENTE (1998) que todo el proceso que se realizo fue continuo ya que se trabajo en un sistema abierto y el balance de masa calculado fue en estado no estacionario. La diferencia de la primera replica en comparación con la segunda es por 74 g de almidón, observando que no es mucha la diferencia entre ambas replicas. Llevando este procedimiento a la realidad para la industrialización del almidón a partir de la yuca, su maximización en costos se obtendría reutilizando la materia que sale (la fibra, la cascara) para otros fines de comercialización así como menciona GUERRERO y col. (2008).
VI. CONCLUSIONES:
La materia, en el caso de la práctica que fue la yuca, paso por una serie de procesos unitarios, el cual como explica la primera ley de la termodinámica, la materia sufrió una trasformación de la cual obtuvimos; de 2,100g de yuca se genero 0,244g de almidón y en la segunda replica de 2,120g de yuca se genero 0,170g de almidón. Se pudo reconocer cada operación unitaria realizada en la obtención del almidón de yuca; recepción de materia prima, selección, pesado, lavado, trozado, pelado, rayando, mezclado, colado, sedimentado, sifoneado, moldeado y deshidratado. Se realizo el balance de materia y rendimiento en cada una de las operaciones unitarias siendo en la primera el rendimiento total de 78,24% y en la segunda replica 77,8%.
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VII. RECOMENDACIONES:
Se recomienda a todo practicante, que tenga sumo cuidado al trabajar esta práctica. Se recomienda ir con los implementos requeridos, para no estar en apuros en el momento de práctica.
VIII. BIBLIOGRAFIA: 1. GUERRERO, S. L. y col. (2008). “BALANCES DE MATERIA”. Universidad Técnica Federico Santa María. Visitado: 15/09/2012. Disponible en: http://www.ramos.utfsm.cl/doc/988/sc/balance_materia.pdf
2. MONTOYA, H. S. y col. (2010). “INDUSTRIALIZACION DE LA YUCA”. Visitado: 15/09/2012. Disponible en : http://www.ilustrados.com/documentos/inadustrializacion-yuca-270308.pdf
3. REINA, C. E. y col. (1996). “MANEJO POS -COSECHA Y EVALUACION DE LA CALIDAD PARA LA YUCA”. Visitado : 15/09/2012. Disponi ble en :http://es.scribd.com/doc/57941053/1/Tabla-1-Composicion-quimica-de-layuca-y-la-papa 4. RODRIGUEZ, N. J. y col. (2007). “EJERCICIOS DE BALANCE DE MATERIA Y ENERGIA APLICADOS A PROCESOS INDUSTRIALES”. Área de tecnología e ingeniería. Visitado: 16/09/2012. Disponible en : http://alimentaria.pe.tripod.com/masaenergia.pdf
5. VALIENTE, B. A. (1998). “PROBLEMAS DE BALANCE DE MATERIA DE ENERGIA EN LA INDUSTRIA ALIMENTARIA”. 2º EDICION. Editorial Limusa. (México).
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IX. CUESTIONARIO: 1. ¿Los alimentos de origen vegetal pueden tener almidón? Fundamente su respuesta Los alimentos de origen vegetal si tiene almidón ya que es fabricado por las plantas verdes durante la fotosíntesis. Forma parte de las paredes celulares de las plantas y de las fibras de las plantas rígidas. A su vez sirve de almacén de energía en las plantas, liberando energía durante el proceso de oxidación en dióxido de carbono y agua. El almidón es la sustancia de reserva alimenticia predominante en las plantas, y proporciona el 70-80% de las calorías consumidas por los humanos de todo el mundo. Tanto el almidón como los productos de la hidrólisis del almidón constituyen la mayor parte de los carbohidratos digestibles de la dieta habitual. 2. ¿Los alimentos de origen animal pueden tener almidón? ¿Por qué? Los alimentos naturales de origen animal, no tienen almidón, ya que el almidón es la substancia de reserva propia de los vegetales. Tienen en una proporción menor (ya que por la muerte del animal los músculos lo consumen y los transforman en ácido láctico) glucógeno que es parecido al almidón. Los alimentos de origen animal, que son producto de alguna industria alimentaria, pueden contener toneladas de almidón ya que se utiliza como viscosante, aglomerante y humectante al retener cantidades importantes de agua. Los almidones modificados han sido usados por años para impartir propiedades funcionales a los alimentos, ya que ellos sirven para mejorar la textura, impartir viscosidad, ligar agua, proveer cohesión, y mantener la tolerancia al proceso necesaria y requerida para la manufacturación. Los almidones alimenticios modificados son usados para proveer la calidad que el consumidor demanda con la
vida
útil
necesaria
para
llevar
el
alimento
al
mercado.
Algunos ejemplos de alimentos en donde pueden encontrarse los almidones modificados:
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Batidos y repostería
Dulcería
Rellenos
Bebidas
Salsas y espesantes
Glaceados
Alimentos para mascotas
Alimentos snacks
3. ¿Definir según lo realizado en el laboratorio que tipo de proceso estamos realizando? Distinga una operación unitaria de un proceso. Es un proceso semicontinuo que permite la entrada o salida de masa pero no de ambas cosas.
Son cada una de las acciones necesarias de transporte, adecuación y/o transformación. Las operaciones unitarias más comunes se producen en: reactores, intercambiadores, bombas, mezcladores, separadores, etc. En cada operación unitaria se cambian las condiciones de una determinada cantidad de materia de una o más de las siguientes formas: 1. Modificando su masa o composición. 2. Modificando el nivel o calidad de la energía que posee. sus condiciones de 3. Modificando movimiento.
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Un proceso de alimentos es un conjunto de pasos o actividades ordenados que se ejecuta desde la obtención de la materia prima, hasta que el producto acabado llegue al consumidor. Es un esquema donde se representa las operaciones unitarias todo como un proceso.
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4. ¿Qué diferencias existen entre los almidones de diferentes productos alimenticios en este caso el de los hallados en el laboratorio? Las diferencias existentes entre los almidones de los productos analizados en el laboratorio (yuca, papa, oca, olluco) se basan en la distribución de amilosa y amilopectina que poseen en su composición y la forma y tamaño. Por ejemplo en:
En tubérculos y cereales de 20-25% de amilosa y 80-75% de amilopectina
En maíz céreo 1% de amilosa y 99% de amilopectina.
En arroz céreo 1% de amilosa y 99% de amilopectina.
Amilo maíz 50-80% de amilosa y 50-20% de amilopectina.
Las moléculas del almidón son de dos tipos. En el primero, la amilosa, que constituye el 20% del almidón ordinario, los grupos C 6H10O5 están dispuestos en forma de cadena continua y rizada, semejante a un rollo de cuerda; en el segundo tipo, la amilopectina, se produce una importante ramificación lateral de la molécula. Los gránulos de almidón de las plantas presentan un tamaño, forma y características específicos del tipo de planta en que se ha formado el almidón. El cuadro 3 refleja algunos ejemplos de tipos de almidón, tamaño y forma de gránulos: TIPO DE ALMIDÓN
DIAMETRO (micras)
FORMA
ARROZ
3-8
Poligonal (pequeños)
YUCA
12-25
Redondas
MAIZ
12-25
Redondas o poligonales
TRIGO
35
Lenticular o discoide
10
Esféricas
150
Concha de ostra (grandes)
PAPA
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5. Realizar el diagrama de bloques cualitativo y cuantitativo del proceso de obtención de almidón 2,1Kg
1era CORRIDA: Cuantitativo
SELECCION
PESADO
LAVADO
TROZADO
PELADO
RALLADO Agua 8L
MEZCLADO
9,632Kg
COLADO
SEDIMENTADO
0,468Kg
SIFONEADO
MOLDEADO 0,244Kg, 0,468Kg
Balance de Materia
o
DESHIDRATADO
T=60 C
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2da CORRIDA: Cuantitativo 2,12Kg
RECEPCION
E MATERIA
SELECCION
PESADO
LAVADO
TROZADO
PELADO
RALLADO Agua 8L
MEZCLADO
9,611Kg
COLADO
SEDIMENTADO
0,340Kg
SIFONEADO
MOLDEADO 0,17Kg, 0,340Kg
Balance de Materia
o
DESHIDRATADO
T=60 C
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1ra y 2da CORRIDA: cualitativo
RECEPCION
E MATERIA
ELECCION
PESADO
LAVA O
TROZA O
PELADO
RALLADO
MEZCLADO
COLADO
SEDIMENTADO
SIFONEADO
MOLDEADO
DESHIDRATADO
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6. Realizar el diagrama de bloques de equipos para la obtención de almidón en continuo
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7. con los datos obtenidos realizar un balance de materia para una procesadora de almidón de 10 toneladas de producto. Sera rentable este proceso para el tubérculo trabajado. Realice el diagrama de bloques cuantitativo y cualitativo. BALANCE DE MATERIA PARA LA OBTENCION DE ALMIDON DE YUCA PROCESO
INGRESA (Kg) 452645,827
SALE (Kg) 0,0
CONTINUA (kg) 452645,827
RENDIMIENTO (%) 100
452645,827 452645,827 440424,3897 430735,0531
0,0 12221,43733 9689,336573 77101,57451
452645,827 440424,3897 430735,0531 353633,4786
100 97,3 97,8 82,1
353633,4786 353633,4786
0,0 2121,800871
353633,4786 391511,6777
100 99,4
Rallado Mezclado Colado Pesado
391511,6777 391511,6777 391511,6777 362148,3019
0,0 0,0 29363,3758 0,0
391511,6777 391511,6777 362148,3019 362148,3019
100 100 92,5 100
Sedimentado
362148,3019
342954,4419
19193,86
5,3
Pesado deshidratado
19193,86 19193,86
0,0 9193,86
19193,86 10000
100 52,1
Recepción de materia prima Selección Pesado Lavado Pelado Lavado Pesado
Extraer almidón de la yuca es mas rentable que otro alimento ya que este contiene en gran cantidad almidón, en la practica se hizo de manera tradicional, hay otras empresas que extraen de forma parecida, pero con mas técnica y mayores maquinarias, como sedimentado en canales, peladoras, etc, lo cual al utilizar estos recursos ahorra y no desperdicia materia prima, ya que los residuos lo utilizan para la Industria de alimentos, Industria del papel, Industria textil y la industria farmacéutica. Utilizando este proceso se obtiene gran cantidad de almidón, pero si se utiliza maquinarias o con mayores técnicas el rendimiento es mejor. Realizamos el diagrama de flujo cualitativamente y cuantitativamente que son presentados a continuación:
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Diagrama de bloques cualitativo:
ELECCION
PESADO
LAVA O
TROZADO
PELADO
RALLADO
MEZCLADO
COLADO
SEDIMENTADO
SIFONEADO
MOLDEADO
DESHIDRATADO
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452646Kg
RECEPCION DE MATERIA
Diagrama de bloques cuantitativo:
SELECCION
PESADO
LAVADO
TROZADO
PELADO
RALLADO Agua 40000L
MEZCLADO
391511,677Kg
COLADO 19193,86Kg
SEDIMENTADO
SIFONEADO
MOLDEADO 10 000Kg, 19193,86Kg
o
DESHIDRATADO
Balance de Materia
T=60 C
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