UNIDAD I 2024 - INTRODUCCIÓN - OPERACIONES PRELIMINARES PDF

Universidad Autónoma de Coahuila Facultad de Ciencias Biológicas Carrera: Ingeniero Bioquímico Curso: Operaciones Unitarias I Elaborado por: Dra. Gabriela Vargas González Semestre: Enero-Junio y Agosto-Diciembre de 2024  INTRODUCCIÓN Desd...

Universidad Autónoma de Coahuila Facultad de Ciencias Biológicas Carrera: Ingeniero Bioquímico Curso: Operaciones Unitarias I Elaborado por: Dra. Gabriela Vargas González Semestre: Enero-Junio y Agosto-Diciembre de 2024  INTRODUCCIÓN Desde su concepción, como base del estudio de las tecnologías que transforman las materias primas en productos de interés comercial, las operaciones unitarias han demostrado ser la piedra angular de los procesos industriales y su valor práctico trasciende al incrementar la generación de utilidades para las empresas, en la medida que se incorporan nuevas tecnológicas que brindan mayor eficiencia a cada una de estas. Por ello, el estudio y comprensión de las operaciones unitarias juegan un papel relevante en la formación integral de los futuros ingenieros químicos, bioquímicos, de alimentos y ambientalistas, con la firme convicción de que sus aplicaciones permitirán que las organizaciones empresariales sean competitivas en el ámbito internacional. 2  PROCESO INDUSTRIAL Es un conjunto de operaciones formado por equipos interconectados en forma organizada para transformar las materias primas en productos comerciales. Tipos de procesos industriales: Producción de Aceite de Oliva. Producción de Cátodos de Cobre. Producción de Cerveza. Producción de Ácido Sulfúrico. Producción de Petróleo Etc. 3  OPERACIONES UNITARIAS  Cada una de las operaciones o etapas individuales con una función específica que se lleva a cabo sistemáticamente en la industria.  Se repiten en los distintos procesos, se basan en principios científicos comunes y tienen técnicas de cálculo semejantes e independientes de la industria en que se apliquen y del producto que se obtenga. Ejemplos de operaciones unitarias comunes: Destilación: Purificar y separar alcohol en la industria de las bebidas. Separar los hidrocarburos en la industria del petróleo. Secado: Secado de granos en la industria alimenticia. Secado de madera en la industria forestal. Secado de concentrados en la industria minera. Sedimentación de sólidos: Industria de tratamientos de aguas residuales. Espesamiento de minerales en la industria minera. 4  El objetivo de las operaciones unitarias es modificar las condiciones de cierta cantidad de materia, de una o más de las siguientes formas: CASO PRINCIPIO FUERZA IMPULSORA Modificar la masa o la Ley de conservación de la Diferencia de concentración, composición masa. fracciones molares, presión. Modificar el nivel de Ley de conservación de la Diferencia de temperatura energía que posee energía. Modificar la cantidad de Ley de conservación de la Diferencia de velocidad movimiento. cantidad de movimiento Cada operación unitaria tiene una fuerza impulsora (un gradiente en alguna propiedad) que indica el mecanismo inicial de transferencia. 5 Clasificación de las operaciones unitarias en función de la propiedad (materia, energía o cantidad de movimiento) que se transfiere en la operación: a) Operaciones unitarias de transporte de cantidad de movimiento  Circulación interna de fluidos: circulación de fluidos por tuberías  Circulación externa de fluidos: circulación de fluidos por lechos porosos  Movimiento de sólidos en el seno de fluidos: Sedimentación, filtración, centrifugación, mezclado. b) Operaciones unitarias de transferencia de materia  Destilación  Adsorción – desorción  Extracción: líquido-líquido, sólido-líquido  Absorción  Intercambio iónico c) Operaciones unitarias de transferencia de calor  Tratamientos térmicos: Esterilización, pasteurización, refrigeración, congelación.  Intercambio de calor  Evaporación d) Operaciones unitarias de transferencia simultánea de materia y calor  Humidificación y deshumidificación  Cristalización  Deshidratación e) Operaciones unitarias complementarias: No se basan en ninguno de los fenómenos de transporte citados anteriormente  Trituración  Molienda  Tamizado 6 PROCESO INDUSTRIAL = SUMA DE LAS OPERACIONES UNITARIAS  Las operaciones unitarias son procesos físicos que implican la separación de mezclas principalmente.  Los procesos unitarios son etapas del proceso que implican transformaciones químicas o bioquímicas de las sustancias. 7  PROCESO DE ELABORACIÓN DE CERVEZA https://www.youtube.com/watch?v=iHC40gb6Fh4&t=15s 8 PROCESO INDUSTRIAL PARA EXTRACCIÓN DE ORO Y PLATA https://www.youtube.com/watch?v=CX3vZfjSGIQ 9 Operaciones preliminares en la industria agroalimentaria 10  INTRODUCCIÓN Exportaciones agroalimentarias crecen 6.06% en el primer trimestre de 2023: Sader (eleconomista.com.mx) 11 Panorama-Agroalimentario-2023.pdf 12 La Comarca Lagunera es líder nacional en la producción de: SAGARPA reconoce trabajo de productores laguneros | Delegación SADER Región Lagunera | Gobierno | gob.mx (www.gob.mx) 13 ¿Cuánto alimento dice la FAO que se pierde y desperdicia en el mundo? (3) | Alimentos sin desperdicio (alimentosindesperdicio.blog) 14 ¿Cuánto alimento dice la FAO que se pierde y desperdicia en el mundo? (3) | Alimentos sin desperdicio (alimentosindesperdicio.blog) 15 Recordar que los vegetales Principales causas de deterioro en postcosecha siguen vivos después de la cosecha. https://www.youtube.com/watch?v=AR6PDrxRH4M&list=RDCMUCJ VER EL VIDEO BLYNMZSQQrotFPzrv6I7A&start_radio=1&rv=AR6PDrxRH4M&t=0 16 OPERACIONES DE MANEJO POSTCOSECHA Postcosecha: Clave para la Calidad y Longevidad de los Productos Agrícolas - AgronoBlog - Blog de agricultura 17  Destino postcosecha de frutas y hortalizas Venta para Transformación consumo en fresco industrial) 18 Algunas empresas mexicanas que procesan alimentos de origen vegetal 19  Operaciones Preliminares o de Acondicionamiento Limpieza Selección Clasificación Separa contaminantes Separa a las materias primas Separa a las materias de las materias primas en categorías de características primas en categorías físicas diferentes tales como: de diferente calidad. tamaño, peso, forma y color. 20  Operaciones preliminares Proceso de fabricación de pepinillos agrios Proceso de transformación 21 Limpieza Clasificación Selección Clasificación 22  LIMPIEZA DE LA MATERIA PRIMA Objetivos: Eliminar contaminantes nocivos para la salud Mejorar la apariencia de las MP Controlar la carga microbiana que puede afectar la calidad del producto o la eficiencia de etapas posteriores del proceso (tratamientos térmicos). Origen de los contaminantes: Minerales: tierra, arena, piedras, grasa, partículas metálicas y aceites. Plantas: ramas, hojas, tallos, huesos, pieles, cáscaras, cuerdas e hilos. Animales: excreciones, pelos, huevos de insectos. Partes del cuerpo. Productos químicos: residuos plaguicidas y fertilizantes. Microrganismos y toxinas 23 METODOS DE LIMPIEZA https://www.globalgap.org/es/ https://www.ifs-certification.com/index.php/es/ https://www.normas-iso.com/brc-certificacion-global-seguridad-alimentaria/ 24 METODOS DE LIMPIEZA Ventajas: Más baratos que los métodos en húmedo. Superficie de la MP queda seca. Desventajas: Recontaminación de la MP por polvo. Riesgo explosión o incendio por polvo (< 30 mg/L) Ventajas: Elimina suciedad firmemente adheridos. Uso de detergentes y desinfectantes (cloro, ozono, etc.). Desventajas: Grandes volúmenes de agua. Requiere tratamiento de agua residual. Exige un secado final para procesar o almacenar. 25  MÉTODOS DE LIMPIEZA EN SECO TAMIZADO Los tamices son placas metálicas perforadas o mallas metálicas que remueven los contaminantes de tamaño diferente al de las MP. Los tamices pueden ser de lecho plano y de tambor rotatorio. Tamiz de lecho plano Tamiz de tambor rotatorio 26 Tamiz de tambor rotatorio o tamiz centrifugo Tamiz de lecho plano 27 ABRASIÓN Las MP se desplazan sobre cintas transportadoras y, al entrar en contacto con cepillos rotatorios en su trayectoria, son frotadas suavemente para ablandar y remover los contaminantes. Otra variante de estos equipos son cepillos en movimiento que frotan las materias primas mientras rotan y se desplazan a lo largo de la trayectoria a la siguiente etapa del proceso. 28 ASPIRACIÓN O SOPLADO Con es método de limpieza en seco se aprovecha la diferencia de flotabilidad entre las MP y los contaminantes para separarlos mediante una corriente de aire ascendente con velocidad controlada. Esquema de limpieza por soplado Esquema de limpieza por aspiración 29 SEPARACIÓN MAGNÉTICA Fundamento: Los contaminantes de naturaleza magnética se pueden separar de forma selectiva de las MP mediante campos magnéticos. Los campos magnéticos pueden ser: Imanes permanentes Electroimanes (temporales). Equipo: - Tambores magnéticos - Cintas magnetizadas Esquema de rejillas magnetizadas - Rejillas magnetizadas con imanes permanentes 30  Esquemas de cintas Esquemas de magnetizadas con electroimanes tambores magnéticos 31 Electroimanes Son más adecuados para la limpieza de los alimentos. Las partículas metálicas adheridas se desechan fácilmente cortando la corriente. Son mucho más caros que los imanes permanentes y presentan el riesgo continuo del fallo en la corriente. Suelen ir seguidos de un detector electrónico de metales. Banda transportadora Los detectores electrónicos pueden también con detector de metales descubrir otra clase de sustancias extrañas como cemento, piedras, grasa carbonizada y metales impregnados de grasa. 32  MÉTODOS DE LIMPIEZA EN HUMEDO INMERSIÓN Método más simple de limpieza en húmedo. La materia prima que se sumerge en un depósito (metal, cemento liso o plástico) con agua en agitación mediante la inyección de aire. Los contaminantes caen al fondo del tanque, o quedan en suspensión en el agua de lavado y se eliminan con ella. 33 ASPERSIÓN Es el método de lavado húmedo más usado. Los alimentos se exponen a duchas que rocían el agua sobre su superficie. Los lavadores por aspersión pueden ser de cinta o de tambor. Su eficiencia depende de: Presión del agua usada. Volumen de agua. Temperatura del agua. Distancia del producto al origen de la aspersión. No son aconsejables para las MP con Tiempo de exposición del producto a la ducha. superficies blandas, planas, con aristas Número de duchas. agudas o dificultad para rotar 34 Lavadores de tambor y aspersión 35 Lavadores de cinta y aspersión 36 FLOTACIÓN Se fundamenta en la diferencia de densidad o flotación entre las partes valiosas e indeseables de las MP. Los contaminantes pesados y las MP dañadas se extraen pasando el producto sucio por una serie de compartimientos conectados entre si, a través de los cuales fluye una corriente de agua que empuja a las materias primas durante el lavado. Los contaminantes más pesados que la MP caen en el fondo y son retirados. La MP con contaminantes de la misma o mayor flotabilidad, son llevados por una cinta transportadora a un tamiz vibratorio en el que se extraen los contaminantes finos por aspersión. 37 LIMPIEZA ULTRASÓNICA Las ondas ultrasónicas son ondas de frecuencia mayor de la que puede detectar el oído humano (20 Hz a 20 KHz) La aplicación de ultrasonidos a un fluido produce la formación y el colapso de burbujas liberando una energía que causa una agitación violenta de las partículas que están en el fluido. Esta agitación se utiliza para ablandar las impurezas que están en los alimentos 38 39 ESCURRIDO Y SECADO Alimentos lavados con limpieza húmeda quedan con un exceso de agua. Escurrido: tamices vibratorios o rotatorios de escurrido (centrifugación). Secado: Túneles con flujos de aire a contracorriente. Túnel de secado 40  MÉTODOS COMBINADOS DE LIMPIEZA Es común combinar diferentes métodos de limpieza. Se pueden combinar métodos secos, métodos húmedos, o bien puede tratarse de un sistema completo que combine métodos secos y después métodos húmedos, como es el caso de la limpieza del trigo para la fabricación de harina. 41  SELECCIÓN DE LA MATERIA PRIMA La selección aumenta la eficiencia de muchas etapas del procesado de los alimentos.  Mejora la adecuación a procesos mecanizados (descortezar, deshuesar, despepitar, etc.).  Necesaria para procesos de transferencia de calor (deshidratación, congelación, etc.).  Mejora el control de peso en envasado de productos (peso neto).  Más atractivos para el consumidor. Peso Métodos Tamaño de selección Forma Opto-eléctrica 42 SELECCIÓN POR PESO  Adecuado para alimentos frágiles y de tamaños muy grandes (sandías, calabazas, piñas, etc.).  Peso y etiquetado por unidad en línea.  Peso de piezas y agrupación para peso total requerido para en empaquetado automatizado. Balanzas controladas por computadora. La computadora selecciona la mejor combinación de productos para conseguir el peso requerido y los agrupa sobre un transportador para su procesado o empaquetado. Otra variante son las balanzas electrónicas que pesan los productos de manera individual para su etiquetado y empacado (venta en fresco). Los equipos de flotación y de aspiración también se pueden utilizar para la separación por peso. 43 SELECCIÓN POR PESO Balanzas electrónicas de copas en línea de proceso Balanzas electrónicas de cadenas en línea de proceso 44 SELECCIÓN POR TAMAÑO  Adecuación de la MP para tratamientos térmicos (transferencia de calor).  Preferencia del consumidor de alimentos uniformes.  Se utilizan tamices con diseños diferentes. De fondo plano De apertura fija Concéntricos De tambor rotatorio Consecutivos en serie Consecutivos en paralelo Tamices De rodillos Continua De cable De cinta De apertura variable De rodillos y cinta Escalonada De tornillo De longitud 45  Tamices de tambor rotatorio Tamiz concéntrico Tamiz consecutivo en paralelo Para productos esféricos, semiesféricos o cilíndricos con baja humedad y que resistan la vibración o rotación: granos y semillas. En frutas y hortalizas solo para pocas especies: chícharos, Tamiz consecutivo en serie cebollas, nueces, aceitunas, castañas. 46  Tamices de apertura variable continua Seleccionadora Seleccionadora de barras de rodillos Formas esféricas: manzana, durazno, guayaba, cítricos, melón, betabel, papa. 47  Tamices de apertura variable escalonada Seleccionadora de rodillos y cinta Seleccionadora de longitud y anchura Seleccionadora de tornillo 48 SELECCIÓN POR FORMA La limpieza seguida de la selección por tamaño o peso puede dejar algunos contaminantes en los alimentos, por ejemplo, el trigo limpio y seleccionado puede contener aun semillas de malas hierbas con tamaño y peso similares a las del trigo. En estos casos es posible una selección basada en la forma, longitud y diámetro combinados. Estas seleccionadoras pueden ser de discos y de cilindros. Seleccionadora de discos Seleccionadora de cilindros Trigo, arroz y cebada Seleccionadora por forma para ejote 49  SELECCIÓN OPTO-ELECTRÓNICA: PROCESAMIENTO DIGITAL DE IMÁGENES Se basa en las propiedades de reflectancia y transmitancia de las MP. La Reflectancia detecta propiedades externas: - Color, textura, tamaño y forma. - Defectos en superficie: magulladuras, cortes, podredumbres, daños por frio, deformidades, etc. La Transmitancia detecta propiedades internas: - Madurez: contenido de azucares, ácidos, firmeza. - Defectos internos: defectos en corazón, inclusión de materias extrañas, manchas de sangre en huevos o Interacciones de la luz con el fruto para la embriones en el interior medida de la calidad interna (transmitancia). 50 SELECCIÓN OPTO-ELECTRÓNICA: PROCESAMIENTO DIGITAL DE IMÁGENES Técnicas modernas para la detección de color, tamaño, forma, textura y defectos externos e internos de la MP. Componentes de un sistema de visión por computadora: 1. Fuente de iluminación (lámparas incandescentes, lámparas fluorescentes, lámparas LED, láseres y lámparas infrarrojas NIR). 2. Cámara (con sensor CCD, CMOS,). 3. Placa de captura de imágenes (capturador de fotogramas o digitalizador). 4. Computadora (hardware y software). 5. Espectrógrafo o filtro (dispositivo de dispersión de longitud de onda. Solo en sistemas hiperespectrales y multiespectrales). 6. Cinta transportadora (componente adicionales de los sistemas de visión por computadora). 51 Defectos externos Defectos internos 52 El proceso de separación de la MP en los equipos ópticos es similar: 1. El fruto es medido por el sensor. 2. La señal recogida pasa a un microprocesador. 3. La señal es analizada para obtener un índice del atributo que se quiere detectar. 4. Las unidades de producto se separan y se dirigen a la salida correspondiente de la línea para su procesamiento o empaquetado. Inspección de frutas y hortalizas mediante videocámara: estado actual de la técnica - Horticultura (interempresas.net) 53 Seleccionador óptico para medir atributos interno y externos. Consiste en bancos de sensores en la parte superior e inferior para ver cada objeto individual “en vuelo” usando una combinación de LED, cámara CCD y NIR para llevar a cabo espectroscopía con 1 mm de precisión. Detecta y analiza atributos visibles como color, forma, daños, materiales extraños, así como defectos “invisibles” de la Esquema de un seleccionador óptico de alimentos composición del producto. para medir atributos internos y externos de calidad. TOMRA FOOD | Empresas | Poscosecha - Frutas, hortalizas y ornamentales 54 Esquema de un prototipo de clasificador óptico con energía fotovoltaica para la selección por maduración de las MP. CARO PRIETO, DIANA CAROLINA.pdf (unir.net) 55 Sistema óptico con tecnología NIR para Sistema óptico de separación separación por sabor (°Brix) y firmeza. por diámetro y color. “La calidad interna es cada vez más importante” (freshplaza.es) Revista Vida Rural, ISSN: 1133-8938 (mapa.gob.es) 56 Sensores de impacto y acústicos para detección de firmeza El sensor de impacto lateral consiste en: - Un brazo giratorio equipado con una cabeza semiesférica rígida de material plástico de 10 g de masa. - Un sistema muelle-electroimán dispara el brazo posibilitando el impacto entre la cabeza semiesférica y el fruto. - En la parte posterior de la cabeza impactante se aloja un pequeño acelerómetro que registra la aceleración del brazo en cada impacto. - Cuando la masa impactante entra en contacto con la muestra, la señal del acelerómetro es Esquema de un sensor de impacto lateral enviada al ordenador y se extrae el índice de para detectar la firmeza de la fruta. firmeza, basado en la aceleración máxima y el tiempo de impacto (duración del impacto). 57 Sensores de impacto y acústicos para detección de firmeza Los sensores acústicos están basados en la respuesta acústica de la fruta a velocidades de hasta 10 frutos por segundo. Golpean suavemente la fruta para medir la frecuencia de resonancia natural de la fruta mediante un micrófono integrado en el sensor, el cual captura la forma de onda de vibración acústica. Este patrón de vibración es característico de la firmeza general y la estructura interna de la fruta. Esquema de un sensor acústico para medir la firmeza. 58  CLASIFICACIÓN DE LA MATERIA PRIMA Es una separación en base a una evaluación global equilibrada de múltiples propiedades que afectan a su aceptación como alimento por el consumidor o como producto para ser utilizado por el fabricante. Factores que determinan la calidad de la MP: ✓ Adecuación para el procesamiento industrial. ✓ Inocuidad para el consumidor. ✓ Cumplimiento disposiciones legales. ✓ Aceptación por el consumidor. 59 60 Control de calidad  Toma de muestras para pruebas de laboratorio. Categoría de calidad  Clasificación de la cantidad total del alimento en categorías de calidad. Clasificación manual:  Se realiza mediante operarios entrenados que captan simultáneamente cierto numero de factores de clasificación formando un juicio equilibrado de la calidad global y separando físicamente el alimento en categorías.  Costo elevado de mano de obra.  Causa agotamiento y fatiga en los operarios, lo que puede provocar una disminución de la eficacia de la clasificación. Es necesario cuidar la ergonomía del lugar de trabajo (iluminación, ventilación, etc.) Clasificación mecanizada:  Proceso mecanizado con combinaciones de equipos específicos para cada tipo de MP.  Rápida, reproducible, bajo costo de mano de obra. 61 Clasificación Manual 62 VIDEOS PARA LA REVISIÓN DE APLICACIONES DE LA TECNOLOGÍA POSCOSECHA Linea de Lavado de Papas Somca – YouTube Linea de Selección de Cebollas Somca - YouTube Pre-limpia y Limpieza fina de maiz y otros granos OMG-ZACCARIA - YouTube CIU - CLASIFICADORA DE TOMATE SALADET - YouTube calibrador de cerezas - YouTube La selección de las manzanas Pink Lady® - YouTube Japòn Proceso de selecciòn y empaque de huevos - YouTube Elaboración de melocotón en almíbar - YouTube Proceso de obtención de la harina - YouTube 46-Fabricando Made in Spain - nueces - YouTube Seleccionadoras de peras por peso https://www.youtube.com/watch?v=wQTVyZ42EO0 63