Práctica No. 1 Pasteurización 20136j

PASTEURIZACIÓN OBJETIVOS 1. Aprender el manejo de un intercambiador de calor Alta Temperatura Corto Tiempo y determinar el tiempo de residencia de un líquido (leche, jugos, etc.) dentro del tubo de retención. 2. Realizar cálculos de transferencia de calor y eficiencia térmica del proceso. 3. Establecer diferencias de uso de los tipos de bombas para el movimiento de fluidos.

CONSIDERACIONES TEÓRICAS La pasteurización se define como el proceso térmico en el que la aplicación de calor, logra la destrucción del 100% de los microorganismos patógenos presentes y aproximadamente el 99% de los no patógenos; además de inactivar enzimas naturales, previniendo así reacciones indeseables durante el almacenamiento del producto. El proceso de pasteurización de la leche se funda en dos hechos: a) La Mycobacterium Tuberculosis es la más resistente al calor de todas las bacterias patógenas de la leche. b) Todos los bacilos causantes de la tuberculosis, se destruyen a causa de las condiciones de tiempo y temperatura que se establecen. En la pasteurización existen factores importantes que son el tiempo y la temperatura y en base a esto se derivan varios tipos de pasteurización: 1. Pasteurización lenta: LTHT La leche se calienta a 62 °C durante 30 minutos (como mínimo). 2. Pasteurización rápida: HTST La temperatura a que se debe someter la leche es de 72 °C por un tiempo de 15 segundos. 3. Pasteurización ultra rápida: UHT En este proceso la temperatura se eleva hasta 106 °C (o temperaturas mayores) manteniéndola durante 1 ó 2 segundos.

Un parámetro que se utiliza con fines prácticos, para saber si una leche ha sido pasteurizada adecuadamente, es la presencia de fosfatasa en ella; la cual es una enzima natural de la leche que por ser de carácter proteico es

desnaturalizada al ser sometida a una temperatura durante un tiempo determinado. La enzima presenta una resistencia térmica un poco mayor que el Mycobacterium Tuberculosis por lo que destruyendo la enzima se asegura la destrucción del microorganismo. La ciencia de la transferencia de calor está relacionada con la razón de intercambio de calor entre cuerpos calientes y fríos llamados fuente y receptor. Y en esto se basa el equipo de pasteurización de intercambiadores de calor de placas. En un intercambiador de calor de placas, si los fluidos entran por extremos distintos y circulan a través de la unidad en sentidos contrarios; se denomina flujo en contracorriente. Este tipo de flujo es el más utilizado. Si los fluidos entran por el mismo extremo del intercambiador y circulan en el mismo sentido hacia el otro extremo; se dice que el flujo es en corrientes paralelas. El tratamiento cuantitativo de los problemas de transmisión de calor se basa en los balances de energía y en las velocidades de transmisión de calor. En los balances de energía hay que incluir un término por medio del cual se determina el % de pérdidas de calor; a este término se le llama eficiencia térmica del equipo. La eficiencia de un intercambiador es la relación entre la variación de la temperatura del fluido que puede alcanzar como límite la temperatura de entrada del otro y la variación máxima posible. El intercambiador de calor de placas, es un intercambiador compacto (hay mayor área de transferencia de calor por unidad de volumen); el área de transferencia de calor consiste en cierto número de placas metálicas corrugadas, ensambladas entre los marcos o bastidores y selladas una con otra por medio de juntas o empaques. Las placas están provistas de orificios en las esquinas que junto con los empaques permiten la formación de espacios libres entre ellas, que sirven como canales de flujo. El número total de placas en cada sección del intercambiador está dado por: ntotal = 2 (ns np) + 1 En donde: ns = Número de placas en serie. ns = 6 np = Número de placas en paralelo. np = 2 El área de transferencia de calor efectiva se calcula de la siguiente manera: A = (ntotal - 2) Apl

En donde:

Apl = Área de una placa = 0.029m2

Los elementos encargados de realizar la aportación de energía en forma de trabajo mecánico para el movimiento de fluidos por conducciones reciben los nombres de bombas, normalmente se utilizan con fluidos líquidos, pastosos o no newtonianos, poco o nada compresibles, y se clasifican en tres grupos:  Bombas de desplazamiento positivo (alternativo o rotativo)  Bombas centrífugas  Bombas especiales La elección de la bomba idónea para una aplicación dada, depende de numerosos factores como considerar el tipo de bomba en función de la presión de descarga y del caudal a desplazar, así como también la viscosidad del fluido, la presencia de partículas (concentración y tamaño) y la presión de vapor en el caso concreto de las bombas centrífugas, por último, seleccionar el modelo que satisfaciendo las condiciones anteriores cumpla los requisitos de cálculo en las condiciones más desfavorables de trabajo.

GUIA DE ESTUDIOS  ¿Qué es la pasteurización? Proceso térmico en el que la aplicación de calor, logra la destrucción del 100% de los microorganismos patógenos presentes y aproximadamente el 99% de los no patógenos  Investigar tiempos y temperaturas para la destrucción del Mycobacterium Tuberculosis. Establecer una comparación. Mycobacterium tuberculosis es de los microorganismos patógenos más resistentes al calor que puede transmitirse por la leche cruda y se destruye en 15 minutos a 60° C.  Explicar los tipos de pasteurización empleados. 1. Pasteurización lenta: LTHT La leche se calienta a 62 °C durante 30 minutos (como mínimo). 2. Pasteurización rápida: HTST La temperatura a que se debe someter la leche es de 72 °C por un tiempo de 15 segundos. 3. Pasteurización ultra rápida: UHT En este proceso la temperatura se eleva hasta 106 °C (o temperaturas mayores) manteniéndola durante 1 ó 2 segundos.  ¿Qué tipos de intercambiadores de calor se utilizan en la industria de alimentos? Intercambiadores de calor de placa  Explicar en qué consiste y cómo funciona un intercambiador de calor de placas.

Los intercambiadores de calor a placas consisten en delgadas planchas corrugadas, empaquetadas (gásquet / desmontables con juntas) o bien soldadas con Cobre. Las placas son apretadas unas contra otras formando el paquete de placas dentro de un bastidor, en el que el flujo de producto se encuentra en canales alternos y el servicio entre los canales del producto. Entre las placas del intercambiador de calor se forman canales y los orifi cios de las esquinas están dispuestos de manera que los dos líquidos circulen por canales alternos. El calor se transfi ere por la placa entre los canales. Para incrementar la efi ciencia al máximo se genera un fl ujo en contracorriente. La corrugación de las placas provoca un fl ujo en torbellino que aumenta la efi ciencia de intercambio térmico y protege la placa contra la presión diferencial.  ¿Cuál es la manera de representar el arreglo de los canales de un intercambiador de calor de placas? A contracorriente.  ¿De qué manera se calcula el calor ganado y cedido durante la transferencia de calor?

 ¿Qué es y cómo se calcula la eficiencia térmica del proceso? La eficiencia es el porcentaje que representa la relación del desempeño real del equipo con respecto al desempeño ideal (máximo) del equipo.

 ¿Qué es y cómo se calcula el coeficiente global de transferencia de calor experimental?

 ¿Qué son los factores de incrustación, porqué es necesario considerarlos? La incrustación es el proceso en el cual un material no deseado se deposita sobre una superficie. Es importante considerar la formación de depósitos de incrustación en intercambiadores de calor ya que es la mayor causa de reducción de eficiencia y capacidad del sistema de calentamiento.

 ¿Cómo se obtiene la eficiencia del intercambiador?

 ¿Qué características tienen las bombas centrífugas, que aplicaciones tienen? La característica principal de la bomba centrífuga es la de convertir la energía de una fuente de movimiento (el motor) primero en velocidad (o energía cinética) y después en energía de presión. Existen bombas centrifugas de una y varias etapas. Las bombas centrifugas sirven para el transporte de líquidos que contengan sólidos en suspensión, pero poco viscosos. Su caudal es constante y elevado, tienen bajo mantenimiento. Este tipo de bombas presentan un rendimiento elevado para un intervalo pequeño de caudal pero su rendimiento es bajo cuando transportan líquidos viscosos  ¿Cuáles son las características de bombas de desplazamiento positivo, qué ventajas ofrecen y para qué aplicación son usadas? Las bombas hidrostáticas de desplazamiento positivo son los elementos destinados a transformar la energía mecánica en hidráulica. Estas bombas son aquellas que suministran la misma cantidad de líquido en cada ciclo o revolución del elemento de bombeo, independiente de la presión que encuentre el líquido a su salida. Estas bombas guían al fluido que se desplaza a lo largo de toda su trayectoria, el cual siempre está contenido entre el elemento impulsor, que puede ser un embolo, un diente de engranaje, un aspa, un tornillo, etc., y la carcasa o el cilindro. “El movimiento del desplazamiento positivo” consiste en el movimiento de un fluido causado por la disminución del volumen de una cámara. Por consiguiente, en una máquina de desplazamiento positivo, el elemento que origina el intercambio de energía no tiene necesariamente movimiento alternativo (émbolo), sino que puede tener movimiento rotatorio (rotor).

MATERIAL Y EQUIPO    

Intercambiador de calor HT-ST Cronómetro Probetas de 1000 ml de control del pasteurizador



Flexómetro

PROCEDIMIENTO ARRANQUE DEL PASTEURIZADOR: 1. Colocar el interruptor principal del de control en la posición ON. 2. Poner en marcha el compresor. (Presión de aire en el compresor de 6 a 9 Kg/cm). 3. Llenar la pierna de vapor con agua y cerrar la llave de alimentación del agua al constatar que el agua sale por la tubería al drenaje. 4. Llenar el tanque de alimentación con agua. 5. Poner en marcha la bomba de agua caliente y abrir la válvula de vapor y establecer la temperatura requerida. 6. Poner en marcha la bomba del fluido a pasteurizar. 7. Una vez que el agua alcanzó la temperatura de proceso, comenzar a recircularla. Colocar en automático el control de la válvula de desviación de flujo. 8. Tomar una muestra (1000 ml) de líquido ya pasteurizado, registrando el tiempo necesario para obtener el volumen deseado. Medir la presión de flujo para cada corrida; así como las temperaturas requeridas. 9. Variar las revoluciones del motor de la bomba del fluido a pasteurizar, para variar el flujo de éste es necesario jalar la perilla que se encuentra en la parte posterior de la bomba del producto y cambiar de numeración. Tomar nuevamente otra muestra por duplicado o triplicado según se requiera con su respectivo tiempo, presión y temperaturas. 10.Repetir el paso anterior hasta obtener lecturas de tres de los flujos que puede manejar la bomba del producto.

PARO DEL PASTEURIZADOR: 1. Con el control manual de la válvula de desviación de flujo, se hace pasar agua a través del tubo de retención y placas alternadamente. 2. Cerrar la válvula de alimentación de vapor. Esperar algunos minutos a que baje la temperatura del agua de calentamiento. 3. Apagar la bomba de agua caliente. 4. Apagar la bomba del fluido a pasteurizar.

5. Apagar el interruptor principal. 6. Desarmar el pasteurizador para drenar posible agua que haya quedado dentro. 7. Medir la longitud, rios y área de sección transversal del tubo de retención.

DATOS NECESARIOS       

Temperatura de trabajo en °C. Temperaturas del fluido transmisor y receptor de calor en cada sección del pasteurizador. Temperaturas de entrada y salida del agua de enfriamiento. Tiempo en segundos necesario para llenar un volumen de 1000 ml para cada uno de los flujos. Longitud del tubo de retención (m) y rios de la tubería. 2 Área de sección transversal del tubo de retención (m ). Presiones de cada uno de los flujos.

RESULTADOS 1. Elaborar un diagrama de flujo del sistema anotando cada una de sus partes. 2. Elaborar una tabla de datos experimentales incluyendo: flujos másicos, temperaturas en cada sección del intercambiador, tiempo en segundos necesario para llenar un volumen de 1000 ml y presión para cada flujo. 3. Investigar la NOM-184-SSA1-2002 y declarar qué condiciones de proceso deben cumplir los productos que se someten a pasteurización y ultrapasteurización. 4. Obtener para cada flujo: a) El volumen manejado por el pasteurizador por unidad de tiempo 3 (m ). b) La velocidad del fluido dentro del tubo de retención dividiendo el gasto volumétrico obtenido anteriormente, entre el área de sección transversal del mismo (m/seg) Area secc. Transversal = π d2/4 c)

El tiempo de residencia dentro del tubo de retención para cada flujo.

5. Calcular la longitud equivalente necesaria, para tener en cada flujo los 15 segundos requeridos en la pasteurización Alta temperatura - Corto Tiempo. 6. Elaborar

una

gráfica 3 volumétrico (m /s)

de

presión

2 (Kg/cm )

contra

flujo

o

gasto

2 7. Elaborar una gráfica de presión (Kg/cm ) contra tiempo de residencia en el tubo de retención en segundos. 8. Calcular para la intercambiador:

sección

de

enfriamiento

a. Calor ganado y Calor cedido. b. Eficiencia térmica.

y

Qg = m ∆T

regeneración

del

Qc = m ∆T

E = (Qg / Qc) 100

9. Obtener el Coeficiente global de transferencia de calor experimental. Uexp = Qg/ A ∆TL (área de una placa 0.029m2) 10.Calcular la Eficiencia del intercambiador. η calentamiento = (Tsf – Tef / Tec – Tef) 100 η enfriamiento = (Tec – Tsc / Tec – Tef) 100 11.Reportar los resultados en una tabla. 12.Considerar si la bomba del equipo es ideal para el manejo de estos fluidos, ¿Qué ventajas y desventajas ofrece? Justificar su respuesta. 13.¿Qué tipo de bomba se recomienda para el transporte de fluidos altamente viscosos y cuando el fluido por necesidades de asepsia extremas no puede entrar en o con los elementos de la bomba? 14.Presentar conclusiones de la práctica.